基于ANSYS的CRH5转向架构架测点分析

于 闯

(中车长春轨道客车股份有限公司,长春 130062)



基于ANSYS的CRH5转向架构架测点分析

于 闯

(中车长春轨道客车股份有限公司,长春 130062)

为解决CRH5转向架构架动态检修过程中有限测试点和无限测试范围之间的矛盾,以CRH5转向架构架为研究对象,依据UIC615-4-2003标准得到CRH5转向架构架超载工况载荷,利用ANSYS仿真软件对CRH5转向架构架建模和仿真分析.仿真结果表明:该车CRH5转向架构架在机械性能方面满足设计要求,应力集中的关键部位是空气弹簧座肋板、侧梁弯角和部分支座处.结合ANSYS仿真结果和实际运营经验提出应力测试点布点原则,选取长期跟踪试验测试点,实现以有限的测试点对CRH5转向架构架应力进行动态监测的目的.

CRH5; 转向架; ANSYS; 有限测试点; 动态检修

随着我国“高铁走出去”“一带一路”国家级顶层战略的提出,我国高速铁路飞速发展[1].与此同时,列车运营里程增长和速度增加,对列车的安全性能提出了更高的要求,保障列车运行安全成为亟待解决的问题[2].因此在列车运行过程中采用相应信息化检修作业,实现列车动态检修,及时发现列车故障,对我国高速铁路的发展具有重要意义[3].

关键零部件失效是高速列车出现事故的主要原因之一[4].和谐号CRH5型电动车组关键零部件包括车体、转向架、悬挂系统、车轴和车轮及其踏面等[4].CRH5转向架位于车体与轨道之间,主要用来引导车辆沿钢轨行驶并且承受来自车体和线路的各种载荷,是保证CRH5运行品质的关键部件之一.长期对其进行跟踪并获得结构应力的时间历程,对轨道车辆转向架产品的研制生产、结构优化、理论研究、质量控制和缩短产品开发周期具有重大意义[5].但CRH5转向架构架体积大、结构复杂,不可能对其所有位置粘贴应变片进行应力测试,因此找出CRH5转向架构架容易破坏位置,实现以有限测点对CRH5转向架构架重点部位的布点测试,解决CRH5转向架构架在进行动态检修的过程中测试点有限和测试范围无限的矛盾,此具有重要意义.

本文以CRH5转向架构架为研究对象,为解决CRH5转向架构架动态检修过程中测试点有限和测试范围无限之间的矛盾,基于ANSYS仿真软件对CRH5转向架构架进行建模和仿真,结合仿真结果和实际运营经验,得出CRH5转向架构架的静强度测试点位置.

1 CRH5转向架构架有限元模型

1.1 CRH5转向架构架结构

CRH5动车组采用“五动三拖”形式,转向架构架分为动车构架和拖车构架两种.CRH5动车构架和拖车构架主要不同是动车构架上有齿轮箱.CRH5动车构架工作环境复杂易产生破坏,因此在CRH5转向架构架动态检修过程中主要监测CRH5动车构架应力.CRH5动车构架由两根侧梁、动力横梁、非动力横梁焊接而成的“H”型箱型结构及其相关定位安装座组成,如图1所示.CRH5动车转向架构架钢板材料为S355J2G3型的高强度钢板,其弹性模量为0.206 MPa,泊松比0.3.

1.制动横梁座;2.横梁垂向减震器座;3.空气弹簧座;4.横向止挡座;5.抗侧滚扭杆座;6.一位端侧梁;7.轴箱定位座;8.非动力横梁;9.盘形制动吊座;10.二位端侧梁;11.抗蛇形减震器座;12.一系减震器座;13.齿轮箱吊座;14.动力横梁;15.垂向止挡座

图1 CRH5动车转向架构架简图

Fig.1 CRH5 train bogie frame diagram

1.2 CRH5转向架构架的有限元模型

依据CRH5动车转向架构架设计图纸上的基本参数,利用SolidWorks采用自底向上的设计方法对其进行三维实体建模.选取Solid187实体单元,对CRH5动车转向架构架的几何模型进行网格划分.整个模型被离散为251 109个单元,592 426个节点,建立的CRH5转向架构架的有限元网格模型如图2所示.

1.3 CRH5转向架构架受力分析和边界条件

依据UIC615-4-2003标准,CRH5转向架构架的超常载荷工况主要是转向架运行时的超常载荷工况和转向架纵向5g加速度超常载荷工况两种.

超常工况1:转向架运行产生的超常载荷,如图3所示.

转向架的一位端侧梁空气弹簧座上超常垂向负载Fz1max,转向架的二位端侧梁空气弹簧座上超常垂向负载Fz2max:

图2 CRH5动车转向架构架有限元网格模型Fig.2 CRH5 train bogie frame mesh generation of the model

图3 CRH5动车转向架运行超载加载示意图Fig.3 CRH5 train bogie frame overloaded load diagram

(1)

式中:g为重力加速度;nb为每个车厢转向架数目;m+为转向架自重;c1为乘客和货物总质量;mv为不同运营级别的车辆自重.

每侧构架的横向止档座和二系空气弹簧座上总的横向载荷Fymax:

(2)

式中:ne为每个转向架轮对数目.

横向止档座横向载荷Fyb:

(3)

式中:Fya为单个空气弹簧座横向载荷.

超常扭曲载荷Fcmax:

(4)

式中:ld为转向架轴距.

超常工况2:转向架5g纵向加速度引起的超常载荷,如图4所示.

图4 CRH5动车转向架5g超载加载示意图Fig.4 CRH5 train bogie frame 5g overloaded load diagram

转向架动力轴牵引拉杆座牵引力Fx1max,转向架非动力轴牵引拉杆座牵引力Fx2max:

(5)

式中:md为动力轴质量;mf为非动力轴质量;m1为一系弹性悬挂质量.

CRH5动车转向架的悬挂参数见表1.采用刚度不同的弹簧单元模拟轴箱弹簧、定位转臂、弹簧托板等实际约束,边界条件示意图如图5所示.

表1 悬挂参数

图5 CRH5动车转向架边界条件示意图Fig.5 CRH5 train bogie frame boundary conditions diagram

2 转向架构架的仿真结果和分析

利用ANSYS对CRH5转向架构架在两种不同超常工况下的静强度分析,可以得到CRH5转向架构架运行时对应的超常载荷的整体应力分布状况,如图6,7所示.

由图中可得,CRH5转向架构架在超载工况下,母材产生的最大静应力为221 MPa,位于一位端侧梁上盖板弯角处(内侧),小于最大许用应力355 MPa;焊缝区最大静应力为174 MPa,位于一位端侧梁下盖板弯角处(内侧),小于最大许用应力320 MPa.CRH5转向架构架在5g纵向加速度工况下,母材最大静应力为172 MPa,位于一位端侧梁上盖板弯角处(外侧),小于最大许用应力355 MPa;焊缝区最大静应力113 MPa,位于一位端侧梁下盖板中间处(外侧),小于最大许用应力320 MPa.CRH5转向架构架在超载工况和5g纵向加速度工况下,母材和焊缝区的应力均没有超过材料的许用应力,满足设计要求.

图6 CRH5转向架构架运行时超常载荷应力云图Fig.6 Stress of CRH5 train bogie frame overloaded load

3 转向架构架静强度测试点位置

在CRH5转向架构架的实际运行过程中,CRH5转向架构架尺寸大和受力情况复杂.在CRH5转向架构架上粘贴有限的测试点对其重点部位的应力进行监测,能够在不妨碍CRH5动车组正常运营和节约成本的条件下保证长期跟踪试验系统,获得CRH5转向架构架的应力-时间历程.为此需要测试点能够准确布置在CRH5转向架构架容易出现裂纹并导致整个系统发生破坏的部位.基于实际工作中的经验和有限元仿真结果,测试点主要分布在以下4个位置:

图7 CRH5转向架构架5g纵向加速度应力云图Fig.7 Stress of CRH5 train bogie frame 5goverloaded load

(1) 有限元仿真中母材静应力较大的部位.

(2) 有限元仿真中焊接处静应力较大的部位.两个分离的部件焊接方法连接容易焊接不牢,同时长期的振动进一步造成焊缝处出现疲劳裂纹.

(3) 振动剧烈部位.部分位置其静应力处于一般水平,但在列车运行过程中产生的振动使其承受较大动应力,在较大动应力情况下易出现疲劳破坏.

(4) 实际运营中曾出现过疲劳裂纹或者破坏的部位.

综合以上各个因素,在进行CRH5转向架构架动应力长期跟踪试验时,主要在一位端侧梁弯角、空气弹簧座附近、牵引拉杆座和动力梁抗侧滚扭杆座连接处重点布置测试点,如图8所示.图8中:GJ001为一位端侧梁下盖板弯曲焊接处;GJ002为一位端侧梁与空气弹簧座焊接处;GJ003为一位端侧梁横向止挡座弯曲处;GJ004为一位端侧梁空气弹簧座肋板;GJ005为一位端侧梁盖板弯曲处(内侧);GJ006为一位端侧梁上盖板弯曲处(外侧);GJ007为一位端侧梁盖板弯曲处焊接处;GJ008,GJ009为非动力横梁牵引拉杆座连接处;GJ010,GJ011为动力梁抗侧滚扭杆座连接处;GJ012为一位端侧梁下盖板中部斜面焊接处;GJ013为一位端侧梁下盖板中部焊接处;GJ014为一位端侧梁下盖板中间;GJ015为一位端侧梁下盖板焊接处.

图8 CRH5转向架构架静强度测试点分布图Fig.8 Test points distribution of CRH5 train bogie frame

4 结论

为解决有限测试点和无限测试范围之间的矛盾,实现以有限测试点对CRH5转向架构架进行长期跟踪的试验目的:

(1) 基于ANSYS建立了CRH5转向架构架有限元模型,分析了CRH5转向架构架在2种超常工况下的应力情况,确定了CRH5转向架构架应力集中的关键部位是空气弹簧座肋板、侧梁弯角和部分支座处.

(2) 对CRH5转向架构架的有限元分析结果表明:CRH5转向架构架有足够的刚性和强度承载整个列车,在机械性能方面满足设计要求.

(3) 依据CRH5转向架的构架计算分析结果,确定了CRH5转向架构架静强度应力测试贴片的位置,为CRH5动车的转向架构架关键部位进行应力长期跟踪试验提供了参考.

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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 闯,(1984-),男,工程师.E-mail:cccar_yuchuang@163.com

U 266

A

1672-5581(2017)01-0057-05