基于ANSYS的CRH5轉向架構架測點分析

于 闖

(中車長春軌道客車股份有限公司,長春 130062)

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基于ANSYS的CRH5轉向架構架測點分析

于 闖

(中車長春軌道客車股份有限公司,長春 130062)

為解決CRH5轉向架構架動態檢修過程中有限測試點和無限測試范圍之間的矛盾,以CRH5轉向架構架為研究對象,依據UIC615-4-2003標準得到CRH5轉向架構架超載工況載荷,利用ANSYS仿真軟件對CRH5轉向架構架建模和仿真分析.仿真結果表明:該車CRH5轉向架構架在機械性能方面滿足設計要求,應力集中的關鍵部位是空氣彈簧座肋板、側梁彎角和部分支座處.結合ANSYS仿真結果和實際運營經驗提出應力測試點布點原則,選取長期跟蹤試驗測試點,實現以有限的測試點對CRH5轉向架構架應力進行動態監測的目的.

CRH5; 轉向架; ANSYS; 有限測試點; 動態檢修

隨著我國“高鐵走出去”“一帶一路”國家級頂層戰略的提出,我國高速鐵路飛速發展[1].與此同時,列車運營里程增長和速度增加,對列車的安全性能提出了更高的要求,保障列車運行安全成為亟待解決的問題[2].因此在列車運行過程中采用相應信息化檢修作業,實現列車動態檢修,及時發現列車故障,對我國高速鐵路的發展具有重要意義[3].

關鍵零部件失效是高速列車出現事故的主要原因之一[4].和諧號CRH5型電動車組關鍵零部件包括車體、轉向架、懸掛系統、車軸和車輪及其踏面等[4].CRH5轉向架位于車體與軌道之間,主要用來引導車輛沿鋼軌行駛并且承受來自車體和線路的各種載荷,是保證CRH5運行品質的關鍵部件之一.長期對其進行跟蹤并獲得結構應力的時間歷程,對軌道車輛轉向架產品的研制生產、結構優化、理論研究、質量控制和縮短產品開發周期具有重大意義[5].但CRH5轉向架構架體積大、結構復雜,不可能對其所有位置粘貼應變片進行應力測試,因此找出CRH5轉向架構架容易破壞位置,實現以有限測點對CRH5轉向架構架重點部位的布點測試,解決CRH5轉向架構架在進行動態檢修的過程中測試點有限和測試范圍無限的矛盾,此具有重要意義.

本文以CRH5轉向架構架為研究對象,為解決CRH5轉向架構架動態檢修過程中測試點有限和測試范圍無限之間的矛盾,基于ANSYS仿真軟件對CRH5轉向架構架進行建模和仿真,結合仿真結果和實際運營經驗,得出CRH5轉向架構架的靜強度測試點位置.

1 CRH5轉向架構架有限元模型

1.1 CRH5轉向架構架結構

CRH5動車組采用“五動三拖”形式,轉向架構架分為動車構架和拖車構架兩種.CRH5動車構架和拖車構架主要不同是動車構架上有齒輪箱.CRH5動車構架工作環境復雜易產生破壞,因此在CRH5轉向架構架動態檢修過程中主要監測CRH5動車構架應力.CRH5動車構架由兩根側梁、動力橫梁、非動力橫梁焊接而成的“H”型箱型結構及其相關定位安裝座組成,如圖1所示.CRH5動車轉向架構架鋼板材料為S355J2G3型的高強度鋼板,其彈性模量為0.206 MPa,泊松比0.3.

1.制動橫梁座;2.橫梁垂向減震器座;3.空氣彈簧座;4.橫向止擋座;5.抗側滾扭桿座;6.一位端側梁;7.軸箱定位座;8.非動力橫梁;9.盤形制動吊座;10.二位端側梁;11.抗蛇形減震器座;12.一系減震器座;13.齒輪箱吊座;14.動力橫梁;15.垂向止擋座

圖1 CRH5動車轉向架構架簡圖

Fig.1 CRH5 train bogie frame diagram

1.2 CRH5轉向架構架的有限元模型

依據CRH5動車轉向架構架設計圖紙上的基本參數,利用SolidWorks采用自底向上的設計方法對其進行三維實體建模.選取Solid187實體單元,對CRH5動車轉向架構架的幾何模型進行網格劃分.整個模型被離散為251 109個單元,592 426個節點,建立的CRH5轉向架構架的有限元網格模型如圖2所示.

1.3 CRH5轉向架構架受力分析和邊界條件

依據UIC615-4-2003標準,CRH5轉向架構架的超常載荷工況主要是轉向架運行時的超常載荷工況和轉向架縱向5g加速度超常載荷工況兩種.

超常工況1:轉向架運行產生的超常載荷,如圖3所示.

轉向架的一位端側梁空氣彈簧座上超常垂向負載Fz1max,轉向架的二位端側梁空氣彈簧座上超常垂向負載Fz2max:

圖2 CRH5動車轉向架構架有限元網格模型Fig.2 CRH5 train bogie frame mesh generation of the model

圖3 CRH5動車轉向架運行超載加載示意圖Fig.3 CRH5 train bogie frame overloaded load diagram

(1)

式中:g為重力加速度;nb為每個車廂轉向架數目;m+為轉向架自重;c1為乘客和貨物總質量;mv為不同運營級別的車輛自重.

每側構架的橫向止檔座和二系空氣彈簧座上總的橫向載荷Fymax:

(2)

式中:ne為每個轉向架輪對數目.

橫向止檔座橫向載荷Fyb:

(3)

式中:Fya為單個空氣彈簧座橫向載荷.

超常扭曲載荷Fcmax:

(4)

式中:ld為轉向架軸距.

超常工況2:轉向架5g縱向加速度引起的超常載荷,如圖4所示.

圖4 CRH5動車轉向架5g超載加載示意圖Fig.4 CRH5 train bogie frame 5g overloaded load diagram

轉向架動力軸牽引拉桿座牽引力Fx1max,轉向架非動力軸牽引拉桿座牽引力Fx2max:

(5)

式中:md為動力軸質量;mf為非動力軸質量;m1為一系彈性懸掛質量.

CRH5動車轉向架的懸掛參數見表1.采用剛度不同的彈簧單元模擬軸箱彈簧、定位轉臂、彈簧托板等實際約束,邊界條件示意圖如圖5所示.

表1 懸掛參數

圖5 CRH5動車轉向架邊界條件示意圖Fig.5 CRH5 train bogie frame boundary conditions diagram

2 轉向架構架的仿真結果和分析

利用ANSYS對CRH5轉向架構架在兩種不同超常工況下的靜強度分析,可以得到CRH5轉向架構架運行時對應的超常載荷的整體應力分布狀況,如圖6,7所示.

由圖中可得,CRH5轉向架構架在超載工況下,母材產生的最大靜應力為221 MPa,位于一位端側梁上蓋板彎角處(內側),小于最大許用應力355 MPa;焊縫區最大靜應力為174 MPa,位于一位端側梁下蓋板彎角處(內側),小于最大許用應力320 MPa.CRH5轉向架構架在5g縱向加速度工況下,母材最大靜應力為172 MPa,位于一位端側梁上蓋板彎角處(外側),小于最大許用應力355 MPa;焊縫區最大靜應力113 MPa,位于一位端側梁下蓋板中間處(外側),小于最大許用應力320 MPa.CRH5轉向架構架在超載工況和5g縱向加速度工況下,母材和焊縫區的應力均沒有超過材料的許用應力,滿足設計要求.

圖6 CRH5轉向架構架運行時超常載荷應力云圖Fig.6 Stress of CRH5 train bogie frame overloaded load

3 轉向架構架靜強度測試點位置

在CRH5轉向架構架的實際運行過程中,CRH5轉向架構架尺寸大和受力情況復雜.在CRH5轉向架構架上粘貼有限的測試點對其重點部位的應力進行監測,能夠在不妨礙CRH5動車組正常運營和節約成本的條件下保證長期跟蹤試驗系統,獲得CRH5轉向架構架的應力-時間歷程.為此需要測試點能夠準確布置在CRH5轉向架構架容易出現裂紋并導致整個系統發生破壞的部位.基于實際工作中的經驗和有限元仿真結果,測試點主要分布在以下4個位置:

圖7 CRH5轉向架構架5g縱向加速度應力云圖Fig.7 Stress of CRH5 train bogie frame 5goverloaded load

(1) 有限元仿真中母材靜應力較大的部位.

(2) 有限元仿真中焊接處靜應力較大的部位.兩個分離的部件焊接方法連接容易焊接不牢,同時長期的振動進一步造成焊縫處出現疲勞裂紋.

(3) 振動劇烈部位.部分位置其靜應力處于一般水平,但在列車運行過程中產生的振動使其承受較大動應力,在較大動應力情況下易出現疲勞破壞.

(4) 實際運營中曾出現過疲勞裂紋或者破壞的部位.

綜合以上各個因素,在進行CRH5轉向架構架動應力長期跟蹤試驗時,主要在一位端側梁彎角、空氣彈簧座附近、牽引拉桿座和動力梁抗側滾扭桿座連接處重點布置測試點,如圖8所示.圖8中:GJ001為一位端側梁下蓋板彎曲焊接處;GJ002為一位端側梁與空氣彈簧座焊接處;GJ003為一位端側梁橫向止擋座彎曲處;GJ004為一位端側梁空氣彈簧座肋板;GJ005為一位端側梁蓋板彎曲處(內側);GJ006為一位端側梁上蓋板彎曲處(外側);GJ007為一位端側梁蓋板彎曲處焊接處;GJ008,GJ009為非動力橫梁牽引拉桿座連接處;GJ010,GJ011為動力梁抗側滾扭桿座連接處;GJ012為一位端側梁下蓋板中部斜面焊接處;GJ013為一位端側梁下蓋板中部焊接處;GJ014為一位端側梁下蓋板中間;GJ015為一位端側梁下蓋板焊接處.

圖8 CRH5轉向架構架靜強度測試點分布圖Fig.8 Test points distribution of CRH5 train bogie frame

4 結論

為解決有限測試點和無限測試范圍之間的矛盾,實現以有限測試點對CRH5轉向架構架進行長期跟蹤的試驗目的:

(1) 基于ANSYS建立了CRH5轉向架構架有限元模型,分析了CRH5轉向架構架在2種超常工況下的應力情況,確定了CRH5轉向架構架應力集中的關鍵部位是空氣彈簧座肋板、側梁彎角和部分支座處.

(2) 對CRH5轉向架構架的有限元分析結果表明:CRH5轉向架構架有足夠的剛性和強度承載整個列車,在機械性能方面滿足設計要求.

(3) 依據CRH5轉向架的構架計算分析結果,確定了CRH5轉向架構架靜強度應力測試貼片的位置,為CRH5動車的轉向架構架關鍵部位進行應力長期跟蹤試驗提供了參考.

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ANSYS-based testing point analysis on CRH5 bogie frame

YU Chuang

(Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd., Changchun 130062,Jilin,China)

In order to resolve the conflicts between limited testing points and unlimited desired testing scopes of CRH5 bogie frame for dynamic maintenance, the static performance under overloading conditions is analyzed via ANSYSTMbased on UIC615-4-2003 standards. Accordingly, it is shown from simulation results that the vehicle meets the design requirements in terms of mechanical properties, whereas the key parts with the stress concentration are air spring floor, side beam angle and partial pedestal. By combining simulation results with actual situations, the stress distributions, together with long-term tracked testing points, can be applied for dynamic monitoring on limited testing points.

CRH5; bogie; ANSYS; limited testing points; dynamic maintenance

于 闖,(1984-),男,工程師.E-mail:cccar_yuchuang@163.com

U 266

A

1672-5581(2017)01-0057-05