CRH380A/AL型動車組制動對空心車軸的影響分析

屈鳴鶴 華莎

摘 要：CRH380A/AL高速列車制動模式主要為盤形制動，其中包括輪盤制動和軸盤制動。本文通過利用SolidWorks軟件，基于SolidWorks Simulation對CRH380A/AL帶軸盤制動的拖車輪對進行有限元分析，并探討CRH380A/AL動車組制動時制動盤與制動閘片接觸時的應力分布情況，進而分析制動過程對空心車軸的影響。結果表明，當CRH380A/AL動車組高速制動過程中，除制動盤外，空心車軸制動盤座和輪盤座受熱最嚴重。此外，該部位受到的應力也為空心車軸受到的最大應力，空心車軸軸身處疲勞壽命損壞嚴重。

關鍵詞：SolidWorks;CRH380A/AL;有限元分析

中圖分類號：U269.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）32-0107-03

Analysis of Braking Effect on Hollow Axle of CRH380A/AL EMU

QU Minghe1 HUA Sha2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070;

2. China Railway First Group Electric Engineering Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710054）

Abstract： The braking mode of CRH380A/AL high-speed train is mainly disc braking， which includes wheel disc braking and axle disc braking. In this paper， the finite element analysis of CRH380A/AL trailer wheel pair with axle disc brake was carried out based on SolidWorks software and SolidWorks Simulation， and the stress distribution when the brake disc contacts the brake disc during the braking of CRH380A/AL EMU was discussed， then the influence of braking process on hollow axle was analyzed. The results showed that the hollow axle brake seat and wheel seat were heated most seriously during the high-speed braking process of CRH380A/AL EMU except the brake disc. In addition， the stress on this part was also the maximum stress on the hollow axle， and the fatigue life of the hollow axle body was seriously damaged.

Keywords： SolidWorks;CRH380A/AL;finite element analysis

本文運用三維建模軟件SolidWorks對CRH380A/AL拖車輪軸模型進行建模，并運用其插件SolidWorks Simulation對CRH380A/AL帶軸盤制動的拖車輪對進行有限元分析，通過SolidWorks軟件的Simulation插件對其施加載荷對空心車軸進行分析。分析結果表明，制動盤座與空心車軸連接處產生最大應力，并確定受熱分布情況以及疲勞損壞嚴重的結構部位。

1 CRH380A/AL制動應力分析

將在SolidWorks中創建好的三維模型打開，之后在SolidWorks插件中加載出Simulation模塊，創建新算例（靜應力分析）[1]。首先定義材料。實際CRH380A/AL車軸為CZ60鋼，車輪為CL60鋼，由于其材料參數與普通碳鋼接近，因此在CAE過程中，車軸和車輪均使用普通碳鋼代替。CRH380A/AL動車組制動盤采用鑄鋼材料，但由于Solidworks材料有限，輪盤材料采用鑄造合金鋼，軸盤材料采用鑄造碳鋼，其散熱筋采用鋁青銅材料。其次，添加夾具[2]。由于列車勻速直線運動時車軸相對制動閘片是靜止的，因此給車軸添加夾具約束。再者，添加外部載荷。制動時，通過制動閘片壓緊制動盤，壓制壓力轉變為摩擦力，進而達到制動的效果。因此，在制動盤上添加制動力矩和制動力。總壓制壓力，單位壓力P與壓壞密度和所壓粉末的壓制性能有關。通常，不銹鋼的單位壓制力為700～800MPa。由于鑄鋼材質與不銹鋼近似，單位壓制壓力在此采用750MPa。添加制動力和制動力矩[3]，劃分網格（見圖1），運算算例，得出結果，如圖2所示，最大應力產生于制動盤座與空心軸接觸的中心線處。

CRH380A/AL動車組制動過程中，最大應力接近于最大屈服應力，如果安全系數為1，最大許用應力接近屈服極限應力224MPa，但沒超過屈服極限應力，故滿足要求。但是，實際中，高速動車組制動效率不會到達100%，故滿足強度要求。最大應力產生的位置處于車軸制動盤座空心內部表面，如圖2所示。通過探測功能，對該結果進行詳細分析，接近于空心軸內部位置的地方產生相對較大的應力，隨著車軸直徑的增加，應力相對減小。

2 CRH380A/AL制動熱力分析

為更好地模擬實際制動情況，先進行熱力分析，再進行靜應力分析以及疲勞壽命分析。首先，添加熱力分析算例，然后添加熱力載荷。列車運行在空氣中，空氣的對流系數為5～25，本算例中取20。我國平均溫度大約在20℃左右，因此，在算例中模擬20℃（293K）情況下的氣溫狀態[4]。列車運行過程中，輪對上所有外表面均與空氣接觸，因此添加接觸表面。其次，計算制動過程中制動閘片和制動盤接觸產生的熱能，其熱流量為547 300W/㎡。將該熱流量添加到軸盤和輪盤與制動閘片接觸的表面。最后，劃分網格，進行運算。熱力分布結果如圖3所示。

將上述熱力結果添加到新的靜應力計算算例中，仿照之前的靜應力計算過程，劃分網格，計算算例。結果表明：受熱最嚴重的部位為散熱筋。空心車軸制動盤座和輪盤座受熱最嚴重，同時空心車軸制動盤座和輪盤座受到的應力也為空心車軸受到的最大應力。

3 CRH380A/AL制動疲勞壽命分析

在熱力和應力計算結束后，進行疲勞壽命分析。首先，添加疲勞算例，在“計算交替應力的手段”中添加“等應力（Von Mises）”，設計疲勞算例的“疲勞強度縮減因子”取1.0。其次，定義S-N曲線。根據已選擇好的各部分的材料，在“疲勞SN、曲線”選項中，選擇其“基于ASMS奧氏體鋼曲線”[5]。再次，定義疲勞事件。最后，運行算例。輪對疲勞壽命結果如圖4所示，除制動盤與制動夾片接觸部位外，車軸軸身部中間部位首先損壞，損壞百分比可達到100%[6]。

4 結論

針對制動時CRH380A/AL動車組的拖車車軸及制動盤受力情況，利用SolidWorks2018 Simulation有限元分析驗證了緊急制動時空心車軸結構的的可靠性。在制動過程中，接近于空心軸內部位置的地方產生相對較大的應力，隨著車軸直徑增加，應力相對減小。因此，對于高速動車組空心車軸設計，尤其是空心車軸制動盤座的設計，應合理選擇設計參數。通過SolidWorks Simulation有限元分析，表明高速列車采用軸盤緊急制動時，最大應力接近屈服應力極限，在設計空心車軸時應合理采用車軸材料，有針對性地設計空心車軸的結構，以避免制動產生過大的應力導致車軸斷裂。對于空心車軸，應加強對車軸結構強度和剛度的設計，從而有效降低空心車軸軸身部位疲勞損壞比。

參考文獻：

[1]商躍進.動車組車輛構造與設計[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[2]符蓉，高飛.高速列車制動材料[M].北京：化學工業出版社，2011

[3]宋永增.動車組制造工藝[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵道車輛輪對組裝技術條件：TB/T 1718—2003[S].北京：鐵道部標準計量究所，2013.

[5]陳超翔，胡其登.SolidWorks Simulation Premium教程[M].北京：機械工業出版社，2015.

[6]中國鐵路總公司勞動和衛生部，中國鐵路總公司.CRH380AL型動車組司機[M].北京：中國鐵道出版社，2016.