高铁列车关键机械零部件有限元分析解决方案
2022-11-15 13:56:01
高铁列车关键机械零部件有限
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详细介绍
导读：雅加达当地时间11月9日，一列中国制造的高速动车组驶出万隆德卡鲁尔站，印尼雅万高铁试验段接触网热滑试验正在全面展开。这是中国高铁首次全系统、全要素、全产业链在海外建设的项目，设计时速350公里。这是中国在东盟区域输出的第一条高速铁路，也是印尼的第一条高铁。据介绍这条高铁全线采用中国高铁技术与标准，向全世界证明中国高铁的高质量与实用性。
而当下，我国时速600公里高速磁浮交通系统，早已在青岛成功“下线”，成为世界首套设计时速达600公里的高速磁浮交通系统，这标志着我国掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力。在第三届中国仿真技术应用大会上，高速磁浮项目技术总师，中车四方股份公司副总工程师丁叁叁曾接受了《中国经营报》记者的独家专访表示，高速磁浮项目的背后离不开仿真技术的应用与支撑，“没有仿真技术，寸步难行”。
二、高铁列车驱动原理及关键机械零部件
轨道交通车辆按照动力的布置方式分为两大类：动力集中式和动力分散式（Electrical multi-unit，缩写为EMU）。动力集中式列车顾名思义，就是整列车的动力全部集中在一节车上，即机车，就是我们常说的火车头。其布置如下图1所示。
而动力分散式列车，就是我们常说的动车组，是将传统列车火车头取消，将其动力分散在各节车内。当然不是每节车厢都有动力，而是根据不同编组方式，如四动四拖等，如下图2所示。有动力的叫动车，以M（motor）表示，没有动力的叫拖车，以T(trailer)表示。
由上图1可见，虽然传统列车每节受力都是不同的，但由于各节拖车的互换性，各节拖车的设计基本相同，因此各节车厢的车钩安全系数都是不同，相同成本的情况下，造成整体的安全系数偏低。高铁列车都是动力分散式，因此，每节车厢车钩受到的外载荷相同。所以，簧下零件的安全系数是相同的，簧下零件的利用率得到提升，可以在更大载荷下工作。由于列车在高速工况下，风载是最主要的运行阻力，那么相比于动力集中式列车，动力分散式动车组更适合在高速运行的工况。
对于高铁列车驱动零件都是在簧下布置，包括，驱动系统、轮对、制动系统等，如下图3所示。
首先要清楚载荷的来源和传递路径，以上图3转向架为例，三个方向上力的传递路径是：
1）在与地面垂向方向：车体 → 二系空气弹簧 → 转向架构架 → 一系橡胶弹簧 → 轴箱 → 轴箱轴承 → 车轴轴颈 → 车轮 → 钢轨
2）沿着列车行进方向的纵向牵引力：钢轨 → 车轮 → 车轴轴颈 → 轴箱轴承 → 轴箱 → 一系橡胶弹簧 → 转向架构架 → 牵引杆 → 车体牵引座
纵向制动力：与纵向牵引力路径相同，方向相反
3）横向：钢轨 → 车轮轮缘 → 车轴 → 轴箱轴承 →轴箱 → 一系橡胶弹簧 → 转向架构架 → 二系空气弹簧和侧挡 → 车体
在这个力的传递路径上的零件是最重要的零件，必须要加以计算、校核。这些零部件中的螺栓一定有风险等级为H的螺栓，就一定需要按照VDI2230进行计算。涉及到哪些零件呢？请看下面这些图。
二、高铁列车关键机械零部件采用标准汇总
三、利用德国标准进行高铁列车关键零部件设计实例
1、车钩
首先我们要明确，强度分析不等于有限元计算，有限元计算只可能是强度分析中的一个环节，有些情况下需要有限元作为强度分析的其中一步，如本例的车钩轴承座强度分析。而有些情况下，强度分析是不需要有限元计算的，如本月的线上研讨会中我会举例的车轴的强度计算和分析。各个零件的材料信息如下表所示：
在我们开始此车钩轴承座强度分析开始，我们不是进行有限元计算，而是先计算此轴承座各零件的许用强度，要求许用强度就要先知道零件的实际强度再除以安全系数。
这里就有两个重要的知识点，零件的实际强度，零件的安全系数。这两个数值都是有限元无法给我们提供的，只能依赖于我们对机械设计知识的掌握程度、对德国标准的熟悉程度。
首先，对于安全系数，我们一般是根据FKM获得，但是对于具体行业有具体行业的标准，我们在做强度评价的时候，如果产品已经有成熟的行业标准来规定其各工况下的安全系数，那我们处理的方法是将此行业标准和FKM导则进行结合使用来确定安全系数。另外，材料的屈服强度和抗拉强度，我们具体用哪个来评价？传统方法或是有些欧盟标准如EN12663是对于韧性材料采用屈服强度进行评价，但是FKM告诉我们这样我们不能武断地采用屈服强度而排斥抗拉强度，应该将两者结合起来使用，这也是FKM相比其它标准更全面、更精准的地方之一。对于零件的名义强度值，已材材料，可是根据标(EN 10083)准查询到的轴承座板的材料的抗拉强度为900 MPa, 屈服强度为700 MPa，EN 10083 也是欧洲标准，不会错，但我们计算时候是否就将许用强度定义为700/1.15=609 MPa呢？如果是这样，那么此车轴的轴承座板的许用屈服强度为609 MPa大于其最大应力值466 MPa, 是完全满足的。但实际上答案却不是这样。请看下面的最终评价过程。
那么为什么明明查询标准是700 MPa的强度值，计算许用强度时却不是700/1.15而是400/1.15？
而当下，我国时速600公里高速磁浮交通系统，早已在青岛成功“下线”，成为世界首套设计时速达600公里的高速磁浮交通系统，这标志着我国掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力。在第三届中国仿真技术应用大会上，高速磁浮项目技术总师，中车四方股份公司副总工程师丁叁叁曾接受了《中国经营报》记者的独家专访表示，高速磁浮项目的背后离不开仿真技术的应用与支撑，“没有仿真技术，寸步难行”。
二、高铁列车驱动原理及关键机械零部件
轨道交通车辆按照动力的布置方式分为两大类：动力集中式和动力分散式（Electrical multi-unit，缩写为EMU）。动力集中式列车顾名思义，就是整列车的动力全部集中在一节车上，即机车，就是我们常说的火车头。其布置如下图1所示。
图1-动力集中式列车
而动力分散式列车，就是我们常说的动车组，是将传统列车火车头取消，将其动力分散在各节车内。当然不是每节车厢都有动力，而是根据不同编组方式，如四动四拖等，如下图2所示。有动力的叫动车，以M（motor）表示，没有动力的叫拖车，以T(trailer)表示。
图2-动力分散式列车
由上图1可见，虽然传统列车每节受力都是不同的，但由于各节拖车的互换性，各节拖车的设计基本相同，因此各节车厢的车钩安全系数都是不同，相同成本的情况下，造成整体的安全系数偏低。高铁列车都是动力分散式，因此，每节车厢车钩受到的外载荷相同。所以，簧下零件的安全系数是相同的，簧下零件的利用率得到提升，可以在更大载荷下工作。由于列车在高速工况下，风载是最主要的运行阻力，那么相比于动力集中式列车，动力分散式动车组更适合在高速运行的工况。
对于高铁列车驱动零件都是在簧下布置，包括，驱动系统、轮对、制动系统等，如下图3所示。
图3-动车组驱动系统布置图
1、车轴 2、车轮 3、轴箱 4、一系弹簧 5、转向架构架 6、二系弹簧 7、齿轮箱 8、牵引杆 9、牵引电机 10、鼓形齿联轴器 11、车体牵引座 12、侧挡首先要清楚载荷的来源和传递路径，以上图3转向架为例，三个方向上力的传递路径是：
1）在与地面垂向方向：车体 → 二系空气弹簧 → 转向架构架 → 一系橡胶弹簧 → 轴箱 → 轴箱轴承 → 车轴轴颈 → 车轮 → 钢轨
2）沿着列车行进方向的纵向牵引力：钢轨 → 车轮 → 车轴轴颈 → 轴箱轴承 → 轴箱 → 一系橡胶弹簧 → 转向架构架 → 牵引杆 → 车体牵引座
纵向制动力：与纵向牵引力路径相同，方向相反
3）横向：钢轨 → 车轮轮缘 → 车轴 → 轴箱轴承 →轴箱 → 一系橡胶弹簧 → 转向架构架 → 二系空气弹簧和侧挡 → 车体
在这个力的传递路径上的零件是最重要的零件，必须要加以计算、校核。这些零部件中的螺栓一定有风险等级为H的螺栓，就一定需要按照VDI2230进行计算。涉及到哪些零件呢？请看下面这些图。
图4-联轴器，齿轮箱，轮对， 轴箱，制动器
当然，不在力的传递路径上的零件所涉及的 螺栓，也有很大一部分需要根据VDI2230进行计算。对于螺栓，我们知道是要按照VDI2230进行计算，那么对于螺栓之外的零件，包括联结件、结构件，那也是需要采用德国标准进行计算。下面将这些标准中的一部分列写出来。二、高铁列车关键机械零部件采用标准汇总
三、利用德国标准进行高铁列车关键零部件设计实例
1、车钩
图5-车钩轴承座装配图
首先我们要明确，强度分析不等于有限元计算，有限元计算只可能是强度分析中的一个环节，有些情况下需要有限元作为强度分析的其中一步，如本例的车钩轴承座强度分析。而有些情况下，强度分析是不需要有限元计算的，如本月的线上研讨会中我会举例的车轴的强度计算和分析。各个零件的材料信息如下表所示：
图6-车钩轴承座各零件有限元网格划分
图7-车钩轴承座在受拉工况下的约束、加载、应力结果
图8-车钩轴承座在受压工况下的约束、加载、应力结果
在我们开始此车钩轴承座强度分析开始，我们不是进行有限元计算，而是先计算此轴承座各零件的许用强度，要求许用强度就要先知道零件的实际强度再除以安全系数。
这里就有两个重要的知识点，零件的实际强度，零件的安全系数。这两个数值都是有限元无法给我们提供的，只能依赖于我们对机械设计知识的掌握程度、对德国标准的熟悉程度。
首先，对于安全系数，我们一般是根据FKM获得，但是对于具体行业有具体行业的标准，我们在做强度评价的时候，如果产品已经有成熟的行业标准来规定其各工况下的安全系数，那我们处理的方法是将此行业标准和FKM导则进行结合使用来确定安全系数。另外，材料的屈服强度和抗拉强度，我们具体用哪个来评价？传统方法或是有些欧盟标准如EN12663是对于韧性材料采用屈服强度进行评价，但是FKM告诉我们这样我们不能武断地采用屈服强度而排斥抗拉强度，应该将两者结合起来使用，这也是FKM相比其它标准更全面、更精准的地方之一。对于零件的名义强度值，已材材料，可是根据标(EN 10083)准查询到的轴承座板的材料的抗拉强度为900 MPa, 屈服强度为700 MPa，EN 10083 也是欧洲标准，不会错，但我们计算时候是否就将许用强度定义为700/1.15=609 MPa呢？如果是这样，那么此车轴的轴承座板的许用屈服强度为609 MPa大于其最大应力值466 MPa, 是完全满足的。但实际上答案却不是这样。请看下面的最终评价过程。
那么为什么明明查询标准是700 MPa的强度值，计算许用强度时却不是700/1.15而是400/1.15？
