CRH1A型動(dòng)車(chē)組軌道清掃器吊臂有限元分析

唐　瑜（成都鐵路局成都動(dòng)車(chē)段，成都　610000）

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CRH1A型動(dòng)車(chē)組軌道清掃器吊臂有限元分析

唐瑜
（成都鐵路局成都動(dòng)車(chē)段，成都610000）

摘要：本文基于CATIA軟件平臺(tái)對(duì)CRH1A型動(dòng)車(chē)組軌道清掃器吊臂進(jìn)行三維建模及有限元分析，結(jié)果得到軌道清掃器吊臂的網(wǎng)絡(luò)圖、應(yīng)力分布圖及位移分布圖，力求尋找軌道清掃器吊臂的最大應(yīng)力點(diǎn)、最大形變點(diǎn)位置。

關(guān)鍵詞：CRH1A型動(dòng)車(chē)組；軌道清掃器吊臂；三維建模；有限元分析

0　引言

CRH1A型動(dòng)車(chē)組軌道清掃器由鋼排障器、橡膠排障器以及吊臂組成，其中吊臂承載鋼排障器以及橡膠排障器的支撐及安裝，是軌道清掃器的主要受力部件。針對(duì)CRH1A型動(dòng)車(chē)組軌道清掃器吊臂（下文中簡(jiǎn)稱(chēng)“吊臂”）進(jìn)行有限元分析可以為吊臂常見(jiàn)裂紋位置提供理論證明。CATIA作為集CAD/CAE/CAM一體化的集成軟件，除具有強(qiáng)大的三維實(shí)體造型功能，還能直觀反映零件和組件的形狀、裝配關(guān)系。同時(shí)具有工程分析計(jì)算、數(shù)控加工等功能。本文以CATIA軟件作為三維設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)吊臂做靜態(tài)有限元分析。

1　吊臂簡(jiǎn)介

CRH1A型動(dòng)車(chē)組軌道清掃器吊臂簡(jiǎn)介。

（1）數(shù)量及分布。CRH1A型動(dòng)車(chē)組軌道清掃器吊臂被安置在兩端動(dòng)車(chē)的1位轉(zhuǎn)向架上，1位側(cè)、2位側(cè)各一個(gè)，全列動(dòng)車(chē)組共有4個(gè)。CRH1A型動(dòng)車(chē)組軌道清掃器按照左右對(duì)稱(chēng)共有兩種類(lèi)型，本文選取2位側(cè)軌道清掃器作為研究對(duì)象。

（2）作用簡(jiǎn)介。CRH1A型動(dòng)車(chē)組軌道清掃器用于清掃鐵路鋼軌上的異物，因此軌道清掃器由鋼排障器（用于阻擋大件硬物對(duì)動(dòng)車(chē)組的沖撞）、橡膠排障器（用于清掃鋼軌上的小件異物，如道砟石等，減少輪對(duì)異常磨損）。吊臂機(jī)構(gòu)作為鋼排障器、橡膠排障器的承載機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架相連，是軌道清掃器的主要受力部件。

2　吊臂實(shí)體建模

2.1草圖設(shè)計(jì)

（1）主要參數(shù)。本文根據(jù)吊臂的真實(shí)測(cè)量尺寸進(jìn)行1:1比例建模，因吊臂為箱體結(jié)構(gòu)，本文箱體厚度設(shè)計(jì)為10mm，其他主要參數(shù)：最大高度445mm、底部縱向?qū)挾?80mm、橫向?qū)挾?35mm。

（2）草圖設(shè)計(jì)。使用CATIA軟件的“草圖設(shè)計(jì)”組件，按照吊臂的縱向橫截面設(shè)計(jì)草圖。

2.2三維建模

吊臂三維設(shè)計(jì)。1）使用“拉伸”命令對(duì)吊臂垂直部分進(jìn)行三維建模，其中箱體厚度設(shè)定10mm。2）使用“凹槽”命令在箱體上剪切出鋼排障器和橡膠排障器的支撐部分與垂直部分之間的貫通部分。3）使用“邊界”命令在結(jié)合面上畫(huà)出吊臂支撐部分橫截面的輪廓，然后對(duì)輪廓使用“拉伸”命令建立支撐部分的三維模型。4）對(duì)吊臂與轉(zhuǎn)向架、排障器之間的安裝部分進(jìn)行“拉伸”和“凹槽”等操作，完成吊臂三維模型。

3　吊臂載荷計(jì)算

受力分析。因?yàn)榈醣郯惭b在轉(zhuǎn)向架上，位于動(dòng)車(chē)組導(dǎo)流罩后方，故風(fēng)阻影響較小，故不予考慮；同時(shí)因軌道清掃器撞擊異物概率較低、沖量大小無(wú)法計(jì)算，故不考慮撞擊大型異物時(shí)的工況。本文主要考慮吊臂承載兩種排障器時(shí)的靜態(tài)載荷，根據(jù)稱(chēng)重鋼排障器與橡膠排障器的重量約為30公斤，故設(shè)定安裝孔所受載荷為F=300N。

4　吊臂有限元分析

（1）施加約束。為模擬真實(shí)情況，特結(jié)合軌道清掃器吊臂的安裝位置（吊臂安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁的橫梁上），設(shè)定吊臂與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間的安裝面為禁止面（暨確定該安裝面相對(duì)禁止不動(dòng)），在該處施加“夾緊約束”。

（2）施加載荷。根據(jù)第二章載荷計(jì)算，將F 施加在排障器安裝孔上，大小設(shè)定為300N。

（3）網(wǎng)格劃分。使用軟件網(wǎng)格劃分控件將吊臂按照每個(gè)單元45.52mm進(jìn)行劃分，得到節(jié)點(diǎn)38851個(gè)、單元數(shù)11444個(gè)。

（4）有限元計(jì)算。應(yīng)力分析。使用CATIA軟件自帶有限元分析控件進(jìn)行有限元分析，得到吊臂的最大應(yīng)力點(diǎn)位于吊臂L型拐角處。

5　吊臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議

5.1吊臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

吊臂是典型的箱型焊接結(jié)構(gòu)。目前在減小和控制焊接變形方面有關(guān)單位已進(jìn)行過(guò)大量研究。吊臂的自身結(jié)構(gòu)，如L型結(jié)構(gòu)、內(nèi)部隔板的數(shù)目和位置以及箱體的厚度等因數(shù)均會(huì)對(duì)吊臂的焊接變形產(chǎn)生重要影響。由于吊臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)主要與吊臂的結(jié)構(gòu)形式以及箱體厚度有直接關(guān)系，因此可以采用以下兩種優(yōu)化方案：1）將L型拐角處加裝加強(qiáng)筋，使其成為三角形受力結(jié)構(gòu)，分散應(yīng)力集中點(diǎn)；2）改變吊臂內(nèi)部箱體厚度。

建議做出如下改進(jìn)：

（1）吊臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)有一定裕量，在設(shè)計(jì)時(shí)，要從結(jié)構(gòu)上避免橫截面的突變，減少L型拐角設(shè)計(jì)，消除幾何尺寸造成的應(yīng)力集中。（2）吊臂的材料應(yīng)采用應(yīng)力集中系數(shù)較低的低碳鋼，采用鑄造成型較好的成型工藝。（3）選取適當(dāng)?shù)暮附庸に?，以保持?gòu)架、焊縫處金屬的一致性， 焊縫位置應(yīng)避開(kāi)受力危險(xiǎn)截面周?chē)?。?）建議將箱體厚度增加，本文因客觀原因采用預(yù)想方式設(shè)定箱體厚度為10mm，可以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中增加箱體厚度，以求降低對(duì)大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值。

5.2維護(hù)建議

CRH1A型動(dòng)車(chē)組的一級(jí)修周期為48小時(shí)/次或4000公里/次，動(dòng)車(chē)組運(yùn)用所應(yīng)將吊臂L型拐點(diǎn)納入日常檢查，提高日常檢查頻率。其次動(dòng)車(chē)組運(yùn)用所還應(yīng)該結(jié)合動(dòng)車(chē)組撞擊異物應(yīng)急預(yù)案將吊臂L型拐點(diǎn)檢查納入其中。因?yàn)槎ㄆ谥贫ㄜ壍狼鍜咂鞯醣鄣拇欧厶絺?xiàng)目性?xún)r(jià)比不高，動(dòng)車(chē)組運(yùn)用所應(yīng)結(jié)合季度整修，每年春秋兩季組織專(zhuān)人對(duì)動(dòng)車(chē)組軌道清掃器吊臂的焊縫焊接狀態(tài)、L型拐角情況重點(diǎn)檢查，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)安排更換。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合CATIA有限元設(shè)計(jì)對(duì)吊臂簡(jiǎn)單的有限元受力分析，得出最大應(yīng)力點(diǎn)與日常檢修中發(fā)現(xiàn)的共性故障點(diǎn)相同。本次有限元分析較為簡(jiǎn)單，可以在以后的有限元分析中詳細(xì)劃分約束，詳細(xì)規(guī)劃工況及載荷，進(jìn)一步提高有限元分析的實(shí)效性。

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.250