CRH380A/AL型动车组制动对空心车轴的影响分析

屈鸣鹤 华莎

摘 要：CRH380A/AL高速列车制动模式主要为盘形制动，其中包括轮盘制动和轴盘制动。本文通过利用SolidWorks软件，基于SolidWorks Simulation对CRH380A/AL带轴盘制动的拖车轮对进行有限元分析，并探讨CRH380A/AL动车组制动时制动盘与制动闸片接触时的应力分布情况，进而分析制动过程对空心车轴的影响。结果表明，当CRH380A/AL动车组高速制动过程中，除制动盘外，空心车轴制动盘座和轮盘座受热最严重。此外，该部位受到的应力也为空心车轴受到的最大应力，空心车轴轴身处疲劳寿命损坏严重。

关键词：SolidWorks;CRH380A/AL;有限元分析

中图分类号：U269.6文献标识码：A文章编号：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

本文运用三维建模软件SolidWorks对CRH380A/AL拖车轮轴模型进行建模，并运用其插件SolidWorks Simulation对CRH380A/AL带轴盘制动的拖车轮对进行有限元分析，通过SolidWorks软件的Simulation插件对其施加载荷对空心车轴进行分析。分析结果表明，制动盘座与空心车轴连接处产生最大应力，并确定受热分布情况以及疲劳损坏严重的结构部位。

1 CRH380A/AL制动应力分析

将在SolidWorks中创建好的三维模型打开，之后在SolidWorks插件中加载出Simulation模块，创建新算例（静应力分析）[1]。首先定义材料。实际CRH380A/AL车轴为CZ60钢，车轮为CL60钢，由于其材料参数与普通碳钢接近，因此在CAE过程中，车轴和车轮均使用普通碳钢代替。CRH380A/AL动车组制动盘采用铸钢材料，但由于Solidworks材料有限，轮盘材料采用铸造合金钢，轴盘材料采用铸造碳钢，其散热筋采用铝青铜材料。其次，添加夹具[2]。由于列车匀速直线运动时车轴相对制动闸片是静止的，因此给车轴添加夹具约束。再者，添加外部载荷。制动时，通过制动闸片压紧制动盘，压制压力转变为摩擦力，进而达到制动的效果。因此，在制动盘上添加制動力矩和制动力。总压制压力，单位压力P与压坏密度和所压粉末的压制性能有关。通常，不锈钢的单位压制力为700～800MPa。由于铸钢材质与不锈钢近似，单位压制压力在此采用750MPa。添加制动力和制动力矩[3]，划分网格（见图1），运算算例，得出结果，如图2所示，最大应力产生于制动盘座与空心轴接触的中心线处。

CRH380A/AL动车组制动过程中，最大应力接近于最大屈服应力，如果安全系数为1，最大许用应力接近屈服极限应力224MPa，但没超过屈服极限应力，故满足要求。但是，实际中，高速动车组制动效率不会到达100%，故满足强度要求。最大应力产生的位置处于车轴制动盘座空心内部表面，如图2所示。通过探测功能，对该结果进行详细分析，接近于空心轴内部位置的地方产生相对较大的应力，随着车轴直径的增加，应力相对减小。

2 CRH380A/AL制动热力分析

为更好地模拟实际制动情况，先进行热力分析，再进行静应力分析以及疲劳寿命分析。首先，添加热力分析算例，然后添加热力载荷。列车运行在空气中，空气的对流系数为5～25，本算例中取20。我国平均温度大约在20℃左右，因此，在算例中模拟20℃（293K）情况下的气温状态[4]。列车运行过程中，轮对上所有外表面均与空气接觸，因此添加接触表面。其次，计算制动过程中制动闸片和制动盘接触产生的热能，其热流量为547 300W/㎡。将该热流量添加到轴盘和轮盘与制动闸片接触的表面。最后，划分网格，进行运算。热力分布结果如图3所示。

将上述热力结果添加到新的静应力计算算例中，仿照之前的静应力计算过程，划分网格，计算算例。结果表明：受热最严重的部位为散热筋。空心车轴制动盘座和轮盘座受热最严重，同时空心车轴制动盘座和轮盘座受到的应力也为空心车轴受到的最大应力。

3 CRH380A/AL制动疲劳寿命分析

在热力和应力计算结束后，进行疲劳寿命分析。首先，添加疲劳算例，在“计算交替应力的手段”中添加“等应力（Von Mises）”，设计疲劳算例的“疲劳强度缩减因子”取1.0。其次，定义S-N曲线。根据已选择好的各部分的材料，在“疲劳SN、曲线”选项中，选择其“基于ASMS奥氏体钢曲线”[5]。再次，定义疲劳事件。最后，运行算例。轮对疲劳寿命结果如图4所示，除制动盘与制动夹片接触部位外，车轴轴身部中间部位首先损坏，损坏百分比可达到100%[6]。

4 结论

针对制动时CRH380A/AL动车组的拖车车轴及制动盘受力情况，利用SolidWorks2018 Simulation有限元分析验证了紧急制动时空心车轴结构的的可靠性。在制动过程中，接近于空心轴内部位置的地方产生相对较大的应力，随着车轴直径增加，应力相对减小。因此，对于高速动车组空心车轴设计，尤其是空心车轴制动盘座的设计，应合理选择设计参数。通过SolidWorks Simulation有限元分析，表明高速列车采用轴盘紧急制动时，最大应力接近屈服应力极限，在设计空心车轴时应合理采用车轴材料，有针对性地设计空心车轴的结构，以避免制动产生过大的应力导致车轴断裂。对于空心车轴，应加强对车轴结构强度和刚度的设计，从而有效降低空心车轴轴身部位疲劳损坏比。

参考文献：

[1]商跃进.动车组车辆构造与设计[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[2]符蓉，高飞.高速列车制动材料[M].北京：化学工业出版社，2011

[3]宋永增.动车组制造工艺[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[4]中华人民共和国铁道部.铁道车辆轮对组装技术条件：TB/T 1718—2003[S].北京：铁道部标准计量究所，2013.

[5]陈超翔，胡其登.SolidWorks Simulation Premium教程[M].北京：机械工业出版社，2015.

[6]中国铁路总公司劳动和卫生部，中国铁路总公司.CRH380AL型动车组司机[M].北京：中国铁道出版社，2016.