CRH3型動(dòng)車組裙板掛鉤故障分析及改進(jìn)措施

李福祿，姜樹學(xué)

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 制造技術(shù)中心，河北唐山063035）

CRH3型動(dòng)車組裙板掛鉤故障分析及改進(jìn)措施

李福祿，姜樹學(xué)

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 制造技術(shù)中心，河北唐山063035）

CRH3型動(dòng)車組在武廣客運(yùn)專線運(yùn)營(yíng)已3年有余，隨著高速動(dòng)車組運(yùn)行里程的增長(zhǎng)，持續(xù)運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，線路工況復(fù)雜程度的增大，車外部件承受著越來(lái)越嚴(yán)峻的載荷，一些部件結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)。同時(shí)由于維護(hù)工作存在一些不恰當(dāng)?shù)牟僮鳎斐闪瞬糠植考膿p壞。以CRH3型動(dòng)車組裙板安全掛鉤為例，對(duì)在運(yùn)營(yíng)、維護(hù)中出現(xiàn)的斷裂故障進(jìn)行了描述和原因分析，根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果制定了結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施和維護(hù)建議。

強(qiáng)度分析；動(dòng)車組；安全掛鉤

國(guó)內(nèi)已開通的武廣客運(yùn)專線，氣候條件差異大，橋梁、隧道眾多，列車要持續(xù)高速運(yùn)營(yíng)上千公里，車下設(shè)備承受空氣壓力、輪軌相互作用以及車下設(shè)備的工作自激振動(dòng)等因素引起的復(fù)雜交變載荷，且時(shí)常發(fā)生石頭、冰塊或其他物體與車下設(shè)備發(fā)生高速打擊的意外情況，嚴(yán)重危及高速列車的運(yùn)用安全。徐煉等［1］系統(tǒng)研究了高速列車車下懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并首次實(shí)測(cè)出武廣線的氣動(dòng)載荷數(shù)值和規(guī)律，本文結(jié)合復(fù)雜載荷條件下仿真計(jì)算分析，提出一種將裙板安全掛鉤優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

1 故障描述

CRH3型動(dòng)車組車下設(shè)備均集成到有足夠強(qiáng)度的自身框架上，再通過(guò)彈性吊裝座與車體底架通過(guò)螺栓連接。設(shè)備框架上部安裝固定裙板安裝座，安裝座又通過(guò)裙板鎖與裙板上部連接；設(shè)備框架下部通過(guò)安裝角碼先于底部橫梁通過(guò)螺栓連接，再由底部橫梁的折頁(yè)結(jié)構(gòu)與裙板下部連接，實(shí)現(xiàn)裙板在車下設(shè)備的固結(jié)。

裙板安全掛鉤是在安裝裙板過(guò)程中的一個(gè)工藝件，在松開裙板時(shí)起到防止裙板落下砸傷的作用，也可在安裝維護(hù)過(guò)程中提供裙板的臨時(shí)懸掛位置，減少對(duì)裙板鎖的多次緊固等操作程序。在調(diào)試階段和檢修階段都不可缺少。如圖1所示。

截止2011年已更換故障裙板掛鉤40余次。故障現(xiàn)象為掛鉤與車體連接部位裂紋，如圖2所示。根據(jù)售后反饋的車輛統(tǒng)計(jì)，更換平均走行公里數(shù)為860 015.43 km。

其中，制動(dòng)閥板處裙板掛鉤的故障率最高，占比54%；風(fēng)管截?cái)嚅y處次之，占比25%。而制動(dòng)閥板處的裙板每次換閘片需開啟，使用的頻率也較其他的裙板高，說(shuō)明裙板掛鉤故障跟裙板的使用頻率有關(guān)系。

2 原因分析

從制動(dòng)閥板處裙板掛鉤的故障率最高，風(fēng)管截?cái)嚅y處次之統(tǒng)計(jì)分析可以看出，裙板頻繁開啟部位的掛鉤易發(fā)生裂紋。造成掛鉤裂紋的原因與關(guān)閉過(guò)程中多次撞擊掛鉤有直接關(guān)系。如圖3所示，在裙板關(guān)閉時(shí)，裙板上的限位桿，首先與掛鉤的底部接觸，此時(shí)如未事先將裙板掛鉤手動(dòng)抬起（掛鉤不會(huì)因發(fā)生接觸而自動(dòng)或順勢(shì)抬起），裙板上的限位桿會(huì)直接撞擊掛鉤，超出鋁制掛鉤的彈性變形區(qū)而發(fā)生開裂。

針對(duì)此碰撞，建模后進(jìn)行了有限元分析計(jì)算［2］，材料特性見表1。計(jì)算結(jié)果表明裙板在關(guān)閉時(shí)如果施加了除克服裙板自身重力之外的110 N的載荷（相當(dāng)于僅11 kgf的力），掛鉤的支座根部就已達(dá)到了材質(zhì)的屈服極限，而發(fā)生塑性變形，甚至開裂，應(yīng)力云圖如圖4所示，仿真計(jì)算撞擊裙板掛鉤工況下應(yīng)力最大位置和開裂位置相吻合［4］。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)模擬，用力將裙板關(guān)閉，對(duì)掛鉤實(shí)施碰撞時(shí)，掛鉤支座確實(shí)發(fā)生變形，并影響到裙板正常關(guān)閉。

3 優(yōu)化措施及效果驗(yàn)證

3.1 明確操作規(guī)程

針對(duì)裙板在操作過(guò)程中存在的撞擊風(fēng)險(xiǎn)，補(bǔ)充細(xì)化了開、關(guān)裙板的操作規(guī)程，規(guī)定關(guān)閉裙板必須手動(dòng)抬起安全掛鉤，避免人為撞擊造成損壞。

圖5為裙板關(guān)閉過(guò)程示意圖，階段2到階段3的過(guò)程需手動(dòng)將掛鉤抬起。

3.2 明確關(guān)鍵公差尺寸

針對(duì)裙板氣動(dòng)載荷進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明在裙板鎖鎖閉情況下，裙板受到6 kPa載荷的情況下，掛鉤位置附近裙板最大變形為1.528 mm，圖6為裙板模塊整體位移云圖，圖7為裙板在安全掛鉤處的位移云圖。經(jīng)過(guò)武廣線的氣動(dòng)載荷線路測(cè)試結(jié)果表明列車在最惡劣工況下，即隧道內(nèi)以300 km/h以上的速度交匯時(shí)的裙板表面氣動(dòng)載荷壓力差不到2 k Pa［1］。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合三維設(shè)計(jì)理論數(shù)值最小3 mm，規(guī)定了裙板掛鉤與裙板之間的最小間隙2 mm。

3.3 優(yōu)化掛鉤結(jié)構(gòu)

針對(duì)掛鉤承受撞擊能力不足的問題，優(yōu)化掛鉤結(jié)構(gòu)，提高掛鉤的強(qiáng)度。

（1）增大掛鉤支座與底架邊梁的接觸面積；

（2）將掛鉤支座與邊梁的安裝孔由開口U型孔改成封閉式長(zhǎng)圓孔；

（3）將掛鉤支座材質(zhì)由鋁合金改為不銹鋼，厚度增加到4 mm；

（4）重新設(shè)計(jì)掛鉤支座結(jié)構(gòu)，由分體式改為整體式，根據(jù)受力情況調(diào)整結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)后的掛鉤如圖8所示。通過(guò)模擬仿真計(jì)算，優(yōu)化后的掛鉤方案在施加784 N的載荷時(shí)，掛鉤的根部最大應(yīng)力為209.9 MPa，達(dá)到材料的屈服極限210 MPa，抗撞擊能力提高700%，應(yīng)力云圖見圖9。可有效防止裙板在開閉過(guò)程中，因誤操作對(duì)掛鉤撞擊造成的開裂。

3.4 效果驗(yàn)證

對(duì)經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后的CRH3型動(dòng)車組進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，在3個(gè)月的運(yùn)營(yíng)考核期內(nèi)，沒有再發(fā)生一起安全掛鉤裂紋事故。

4 結(jié)束語(yǔ)

借助于ANSYS有限元分析軟件，通過(guò)對(duì)動(dòng)車組車下裙板安全掛鉤進(jìn)行強(qiáng)度分析和校核，基本得出了掛鉤開裂故障的原因及其掛鉤整體的應(yīng)力水平及其安全余量，對(duì)掛鉤結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。而對(duì)于車下部件而言，由于動(dòng)車組高速運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備承受振動(dòng)、沖擊、氣動(dòng)壓力等交變載荷，其工況更加復(fù)雜惡劣。因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性更是至關(guān)重要［5］，尤其是吊裝結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析［6］。這些問題有待在今后工作中進(jìn)一步探索和研究。

［1］ 徐煉，馬紀(jì)軍，范樂天，等.高速列車車下懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)2012.333（5）：11-13，37.

［2］ 李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1991.

［4］ EN 12663：2000《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》.

［5］ 徐鳳妹，勞世定.客車車下設(shè)備吊掛方式的研究［J］.鐵道車輛，2009.47（4）：12-14，38.

［6］ 李曉峰，謝素明，時(shí)慧焯，兆文忠.車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28（3）：74-78.

Cause Analysis and Improvement of Safety Hook for CRH3EMU

LI Fulu，JIANG Shuxue
（Manufacture Technology Center，Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

CRH3EMUs have been operated more than 3 years in Wuhan-Guangzhou passenger line.With the increase of running mileage，sustained operation time and line condition complexity，the exterior components have suffered increasingly severe load，and the structure of some components has gradually exposed weak points.At the same time，some components are damaged due to the improper operation of maintenance work.Taking the skirt-board safety hook of CRH3EMU as example，this paper describes the rupture faults during operation and maintenance，analyzes the fault reason，and formulates the structure improvement measures and maintenance proposal according to the calculation results of finite-element analysis.

strength analysis；EMU；safety hook

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.19

1008－7842（2014）05－0074－03

3—）男，工程師（

2014－02－16）