CRH3車窗粘接強度試驗工作車升降系統設計分析

楊宏澤，林奕含，王衍，于喜年

(大連交通大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116028)

CRH3車窗粘接強度試驗工作車升降系統設計分析

楊宏澤，林奕含，王衍，于喜年

(大連交通大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116028)

為檢測CRH3車窗粘接強度，設計了車窗粘接強度試驗工作車，并借助ANSYS軟件對升降系統關鍵部件的滾珠絲杠副進行受力分析.結果表明，滾珠絲杠副最大應力188.042MPa，小于所用材料許用應力值，滿足強度要求；最大應變0.329，為彈性變形，滿足剛度要求；絲杠絲母采用Gothic Arch式無間隙溝槽，剛度增強，最大接觸應力12.66MPa，與理論計算值相當，接觸應力沿滾道呈環形分布，滿足接觸強度要求；滾珠絲杠副三階屈曲系數均大于2，試驗工作車升降系統穩定性良好.

動車組；粘接強度；滾珠絲杠副；接觸分析；屈曲系數；彈性變形

0 引言

CRH3型動車組作為我國自主研發的高速客運列車，其最高時速可達350 km/h，是目前世界上運行速度最快的列車之一[1].如圖1為CRH3型動車組車體結構示意圖.

圖1 CRH3動車組車體結構圖

車窗作為CRH3型動車組車體重要組成部件，與車體連接方式有多種，如采用彈性粘接劑連接、機械嚙合固定連接及焊接等，目前粘接劑連接應用較為廣泛，通過粘接方式可以利用位置設計和幾何形狀使車窗粘接面積增加[2]，從而提高動車組車窗的安裝強度.圖2為高速動車組車窗與車體粘接結構示意圖.在列車高速運行時，尤其兩車相互交會瞬間，由于風力及壓強作用使車窗受到推(拉)力與剪切力作用，車體與車窗的粘接強度受到影響，甚至危及乘客人身安全，需要對車窗粘接強度進行試驗檢測.本文將針對車窗粘接強度試驗工作車降系統中核心部件的受力展開分析.

圖2 車窗粘接結構圖

1 試驗工作車結構

根據車窗及車體結構特點和試驗環境等要求，設計多套試驗工作車方案，要求其具有承載試驗能力的同時具有移動及檢測設備升降等功能.經過方案論證，采用滾珠絲杠副帶動試驗平臺完成檢測設備升降工作方案.圖3、圖4所示為試驗工作車整體裝配及車窗粘接強度檢測示意圖.

該方案由車體及輪系、液壓站、傳動及升降系統、檢測設備、組合支架等部件組成.檢測設備的作動器通過法蘭螺栓與組合支架連接.當檢測設備達到工作位置，由四組液壓支柱(圖中未示)支撐檢測平臺，并承受檢測設備自重及試驗動力的加載，以完成對試驗平臺的固定和結構加強.工作車底部配有牽引與轉向機構，增加工作車移動運輸的靈活性.

圖3 工作車整體裝配圖

圖4 車窗粘接強度檢測示意圖

2 傳動及升降系統

傳動及升降系統為車窗粘接強度試驗工作車的重要部分，其中滾珠絲杠副為該系統的核心部件，起到平穩升降試驗平臺作用，滾珠絲杠副的選型設計及受力過程中應力、應變趨勢、穩定性分析結果等關系到整個粘接強度試驗的可靠性及試驗數據的準確性[3].如圖5所示為工作車傳動及升降系統圖.通過電機+RV減速器驅動渦輪升降機的滾珠絲杠副連接法蘭，再通過螺栓與平臺連接，并與四根垂向滑塊導軌組合實現檢測設備的上下垂直移位，完成試驗平臺升降工作.

該方案采用渦輪減速器中心驅動可保證兩組滾珠絲杠副同步升降，且不易出現卡阻現象，比鏈傳動效率高、傳動比大，滾珠絲杠副的結構容易安裝和操作[4].

圖5 傳動及升降系統圖

3 滾珠絲杠副選擇及有限元分析

滾珠絲杠副種類多，其應用場合也不同.根據本案特點，選擇承載力大、傳動平穩、運行精度高、自帶升降功能的SWL滾珠絲杠提升機.經計算，選取絲杠Ф100 mm、螺距20 mm、滾珠SФ9.525 mm，滾珠與絲杠、絲母間采用運轉精度高、接觸剛度優良的無間隙Gothic Arch溝槽.滾珠絲杠副連接及固定形式如圖6所示.因承受偏載作用，采用兩端固定方式，以提高滾珠絲杠副的軸向力，增強絲杠剛度[5].滾珠絲杠副選用高碳鉻軸承鋼制造，其[σs]≥578.42 MPa，[σb]≥861.3 MPa，許用應力[σ]=440.79 MPa，高碳鉻軸承鋼如若經碳氮共滲后再淬火加低溫回火處理，其屈服強度將是普通熱處理三倍以上[6].滾珠絲杠副只承受工作平臺及試驗設備自重，故采用靜力學方法，以簡化受力分析過程.本文基于Hypermesh和ANSYS有限元分析軟件，建立滾珠絲杠副傳動系統有限元模型，分析滾珠絲杠副的應力、應變及穩定性.

圖6 滾珠絲杠副連接及固定

3.1升降傳動系統有限元模型建立

滾珠絲杠副承受工作平臺及試驗設備自重為3 t，考慮升降過程中動載不均勻情況，設定動載不均勻系數1.16，則當量載荷取3.48 t，對單一滾珠絲杠副施加1/2當量載荷.

應用Hypermesh軟件對滾珠絲杠副進行細網格劃分，整體結構以體單元Solid185模擬，單元數2 821 657，節點數549 625，滾珠與絲杠、絲母之間定義為接觸關系，圖7所示為其三維造型及有限元模型圖，高強螺栓采用beam188單元進行模擬，在螺栓孔處建立剛性區域，釋放rigid單元旋轉自由度，并對網格模型進行質量檢查，保證有限元計算分析精度.

圖7 滾珠絲杠副三維造型及有限元模型圖

3.2滾珠絲杠副強度、剛度分析

圖8所示為升降狀態下滾珠絲杠副各構件應力云圖，最大應力188.042 MPa.由于試驗平臺是通過連接法蘭與兩組滾珠絲杠副的絲母螺栓連接而實現同步升降，對于單一滾珠絲杠副而言，絲母承受偏載作用，造成絲母應力分布不均勻[7]，圖8(a)顯示應力位置同時發生在絲母與法蘭連接的螺孔邊緣及與滾珠接觸的滾道上,在升降系統上升階段,單根絲杠承受偏載, 每個滾珠對絲杠滾道造成擠壓形成點應力，所以對絲杠整體來說,應力分布不均勻；圖8(b)所示其最大應力166.647 MPa；圖8(c)所示滾珠最大應力188.042 MPa，發生在與絲杠絲母接觸區域，形成由接觸區域向周圍擴散的應力云圖，而且滾珠與絲杠、滾珠與絲母接觸區域承受等同應力.

(a)絲母應力云圖

(b)絲杠應力云圖

(c)滾珠應力云圖

滾珠絲杠副承受最大應力小于材料許用應力值，滾珠絲杠副選型合理，滿足強度要求.圖9為滾珠絲杠副各構件應變云圖.圖9(a)顯示絲杠應變由下至上呈均勻遞增規律變化，最大應變值為3.942×10-3、位置發生在絲杠與滾珠接觸區域，應力值遠小于材料屈服強度，為彈性變形；圖9(b)、9(c)分別為絲母和滾珠的應變云圖，其應變趨勢與絲杠類同，由下至上呈均勻遞增變化，應變值分別為0.329、2.79×10-3，其位置出現在滾珠與絲母接觸區域.

(a)絲杠應變云圖

(b)絲母應變云圖

(c)滾珠應變云圖

升降狀態下滾珠絲杠副整體最大應變體現在絲母上，應變值為0.329.分析滾珠絲杠副應力發生位置，均在滾珠與絲母、絲杠接觸區域，最大應力遠小于所用材料的強度極限和屈服極限，所以應變為彈性變形，滿足剛度要求.

綜上分析，滾珠絲杠副的強度、剛度滿足CRH3車窗粘接強度試驗工作車設計要求.

4 滾珠絲杠副傳動系統接觸分析

絲杠、絲母及滾珠在試驗工作車升降過程中，每個滾珠與絲杠、滾珠與絲母之間在滾道內為點接觸，作用力在接觸面上分布不均勻，易發生應力集中以及疲勞失穩現象[8].因此有必要對滾珠絲杠副進行接觸分析.

4.1滾珠絲杠副接觸對模型建立

滾珠外表面分別與絲杠外表面和絲母內表面接觸，選取滾珠外表面為目標面，劃分目標單元TARGE170，選取絲杠外表面和絲母內表面為接觸面，劃分接觸單元CONTA174[9]，設置完成并檢查接觸單元CONTA174外法向，使其指向目標單元TARGE170.接觸單元有限元模型如圖10所示.

圖10 接觸對有限元模型

在絲杠絲母Gothic Arch溝槽起始面處利用CERIG命令通過約束方程定義剛性區域， 并對絲母上表面施加1/3當量載荷.試驗工作車兩組滾珠絲杠副承受載荷具有對稱性，為簡化分析過程，本文只對一組滾珠絲杠副進行接觸分析.

4.2接觸應力分析結果

經理論計算，滾珠與絲杠、滾珠與絲母接觸應力σH均為12.1 MPa.圖11、12分別為滾珠絲杠副接觸應力、應變有限元分析云圖.滾珠與絲杠最大接觸應力為12.66 MPa，最大接觸應變為1.426×10-3；滾珠與絲母最大接觸應力為7.91 MPa，最大接觸應變為0.735×10-3.滾珠絲杠副的接觸應力在滾珠與絲杠、絲母接觸處分布不均勻，接觸應力集中，最大接觸應力與理論計算值相近，所受應力表現為邊緣效應[9].

如圖11所示，接觸應力云圖表明滾珠與絲母內側、滾珠與絲杠外側接觸應力呈環形分布.接觸應力與理論計算值12.10 MPa相近，小于材料許用應力，滿足接觸強度要求.

(a) 滾珠與絲杠接觸應力云圖

(b) 滾珠與絲母接觸應力云圖

圖12滾珠絲杠副接觸應變云圖，表明滾珠與絲杠外側、絲母內側滾道間為滾動接觸，產生的擠壓應變為彈性變形.

(a) 滾珠與絲杠接觸應變云圖

(b) 滾珠與絲母接觸應變云圖

5 升降系統屈曲分析

滾珠絲杠副為最易發生失穩部位[10].為驗證升降系統的穩定性，避免滾珠絲杠副失穩現象發生，對升降系統整體進行屈曲分析.圖13屈曲系數分析結果表明，發生一階屈曲局部失穩位置在左側滾珠與絲杠、絲母接觸區域，二、三階屈曲局部失穩均發生在右側滾珠與絲杠、絲母接觸區域.失穩分析云圖顯示各階屈曲系數為負值，原因是屈曲載荷與實際載荷方向相反，重力載荷方向不存在反向可能，所以取其絕對值作為各階屈曲系數并不影響屈曲分析的正確性.三階屈曲系數均大于2，滿足穩定性要求，本文略去各階失穩分析云圖.

圖13 屈曲系數

6 結論

針對CRH3車窗粘接結構特點，設計了車窗粘接強度試驗工作車，并借助ANSYS軟件對升降系統進行受力分析.結果表明，滾珠絲杠副最大應力188.042 MPa，小于所用材料許用應力440.79MPa，滿足強度要求；最大應變0.329，為彈性形變，滿足剛度要求.由于絲杠、絲母采用Gothic arch無間隙溝槽制造工藝，絲杠選擇兩端固定模式，使其剛度增強、彈性變形減小，接觸分析應力沿Gothic Arch溝槽呈環形分布，最大接觸應力12.66 MPa，與理論計算值相當，滿足接觸強度要求；滾珠與絲杠、絲母為滾動接觸，相互間擠壓應變為彈性變形.對升降系統進行穩定性分析，發現發生局部失穩位置在滾珠與絲杠、絲母接觸區域，且三階屈曲系數均大于2，滿足穩定性要求.

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DesignandReliabilityAnalysisofLiftingSystemofBondingStrengthTestCarForCRH3

YANG Hongze, LIN Yihan, WANG Yan, YU Xinian

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

This paper is targeted at design experiment bench used for detecting CRH3 window bonding strength, and analyzing the stress of the ball screw pair which is the key parts of the lifting system with the help of ANSYS software. The results show that the maximum stress of the ball screw appear is 188.042 MPa, which is less than the material allowable stress and consistent with the requirement of the strength. The maximal displacement is 0.329 mm, which is regarded as elastic deformation and consistent with the requirement of stiffness, and Gothic Arch screw nut is used to increase the stiffness. The maximum contact stress of 12.66MPa meets the calculation values, and contact stress assumes the circular distribution along the raceway and meets the requirement of contact strength. Three orders of bucking coefficients are larger than 2, and the lifting system of the experiment bench is stable enough.

emu; bonding strength; ball screw pair; contact analysis; buckling coefficient; elastic deformation

1673- 9590(2017)06- 0059- 06

2016-12-12

楊宏澤(1991-)，男，碩士研究生；

于喜年(1958-)，男，教授,碩士，主要從事機械裝備設計理論及制造技術、大型工程吊裝技術的研究

E-mailxny1960@163.com.

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