CRH1A型動車組軌道清掃器吊臂有限元分析

唐　瑜（成都鐵路局成都動車段，成都　610000）

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CRH1A型動車組軌道清掃器吊臂有限元分析

唐瑜
（成都鐵路局成都動車段，成都610000）

摘要：本文基于CATIA軟件平臺對CRH1A型動車組軌道清掃器吊臂進行三維建模及有限元分析，結果得到軌道清掃器吊臂的網絡圖、應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力點、最大形變點位置。

關鍵詞：CRH1A型動車組；軌道清掃器吊臂；三維建模；有限元分析

0　引言

CRH1A型動車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CRH1A型動車組軌道清掃器吊臂（下文中簡稱“吊臂”）進行有限元分析可以為吊臂常見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，除具有強大的三維實體造型功能，還能直觀反映零件和組件的形狀、裝配關系。同時具有工程分析計算、數控加工等功能。本文以CATIA軟件作為三維設計平臺對吊臂做靜態有限元分析。

1　吊臂簡介

CRH1A型動車組軌道清掃器吊臂簡介。

（1）數量及分布。CRH1A型動車組軌道清掃器吊臂被安置在兩端動車的1位轉向架上，1位側、2位側各一個，全列動車組共有4個。CRH1A型動車組軌道清掃器按照左右對稱共有兩種類型，本文選取2位側軌道清掃器作為研究對象。

（2）作用簡介。CRH1A型動車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動車組的沖撞）、橡膠排障器（用于清掃鋼軌上的小件異物，如道砟石等，減少輪對異常磨損）。吊臂機構作為鋼排障器、橡膠排障器的承載機構與轉向架構架相連，是軌道清掃器的主要受力部件。

2　吊臂實體建模

2.1草圖設計

（1）主要參數。本文根據吊臂的真實測量尺寸進行1:1比例建模，因吊臂為箱體結構，本文箱體厚度設計為10mm，其他主要參數：最大高度445mm、底部縱向寬度280mm、橫向寬度235mm。

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

2.2三維建模

吊臂三維設計。1）使用“拉伸”命令對吊臂垂直部分進行三維建模，其中箱體厚度設定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”命令在結合面上畫出吊臂支撐部分橫截面的輪廓，然后對輪廓使用“拉伸”命令建立支撐部分的三維模型。4）對吊臂與轉向架、排障器之間的安裝部分進行“拉伸”和“凹槽”等操作，完成吊臂三維模型。

3　吊臂載荷計算

受力分析。因為吊臂安裝在轉向架上，位于動車組導流罩后方，故風阻影響較小，故不予考慮；同時因軌道清掃器撞擊異物概率較低、沖量大小無法計算，故不考慮撞擊大型異物時的工況。本文主要考慮吊臂承載兩種排障器時的靜態載荷，根據稱重鋼排障器與橡膠排障器的重量約為30公斤，故設定安裝孔所受載荷為F=300N。

4　吊臂有限元分析

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

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

（3）網格劃分。使用軟件網格劃分控件將吊臂按照每個單元45.52mm進行劃分，得到節點38851個、單元數11444個。

（4）有限元計算。應力分析。使用CATIA軟件自帶有限元分析控件進行有限元分析，得到吊臂的最大應力點位于吊臂L型拐角處。

5　吊臂結構改進建議

5.1吊臂結構優化建議

吊臂是典型的箱型焊接結構。目前在減小和控制焊接變形方面有關單位已進行過大量研究。吊臂的自身結構，如L型結構、內部隔板的數目和位置以及箱體的厚度等因數均會對吊臂的焊接變形產生重要影響。由于吊臂的結構優化目標主要與吊臂的結構形式以及箱體厚度有直接關系，因此可以采用以下兩種優化方案：1）將L型拐角處加裝加強筋，使其成為三角形受力結構，分散應力集中點；2）改變吊臂內部箱體厚度。

建議做出如下改進：

（1）吊臂的結構尺寸應有一定裕量，在設計時，要從結構上避免橫截面的突變，減少L型拐角設計，消除幾何尺寸造成的應力集中。（2）吊臂的材料應采用應力集中系數較低的低碳鋼，采用鑄造成型較好的成型工藝。（3）選取適當的焊接工藝，以保持構架、焊縫處金屬的一致性， 焊縫位置應避開受力危險截面周圍。（4）建議將箱體厚度增加，本文因客觀原因采用預想方式設定箱體厚度為10mm，可以在實際生產過程中增加箱體厚度，以求降低對大應力點的應力值。

5.2維護建議

CRH1A型動車組的一級修周期為48小時/次或4000公里/次，動車組運用所應將吊臂L型拐點納入日常檢查，提高日常檢查頻率。其次動車組運用所還應該結合動車組撞擊異物應急預案將吊臂L型拐點檢查納入其中。因為定期制定軌道清掃器吊臂的磁粉探傷項目性價比不高，動車組運用所應結合季度整修，每年春秋兩季組織專人對動車組軌道清掃器吊臂的焊縫焊接狀態、L型拐角情況重點檢查，發現出現問題及時安排更換。

6　結束語

本文結合CATIA有限元設計對吊臂簡單的有限元受力分析，得出最大應力點與日常檢修中發現的共性故障點相同。本次有限元分析較為簡單，可以在以后的有限元分析中詳細劃分約束，詳細規劃工況及載荷，進一步提高有限元分析的實效性。

參考文獻：

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