CRH1A型动车组轨道清扫器吊臂有限元分析
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作者: 唐瑜
摘 要：本文基于CATIA软件平台对CRH1A型动车组轨道清扫器吊臂进行三维建模及有限元分析，结果得到轨道清扫器吊臂的网络图、应力分布图及位移分布图，力求寻找轨道清扫器吊臂的最大应力点、最大形变点位置。
关键词：CRH1A型动车组；轨道清扫器吊臂；三维建模；有限元分析
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.250
0 引言
CRH1A型动车组轨道清扫器由钢排障器、橡胶排障器以及吊臂组成，其中吊臂承载钢排障器以及橡胶排障器的支撑及安装，是轨道清扫器的主要受力部件。针对CRH1A型动车组轨道清扫器吊臂（下文中简称“吊臂”）进行有限元分析可以为吊臂常见裂纹位置提供理论证明。CATIA作为集CAD/CAE/CAM一体化的集成软件，除具有强大的三维实体造型功能，还能直观反映零件和组件的形状、装配关系。同时具有工程分析计算、数控加工等功能。本文以CATIA软件作为三维设计平台对吊臂做静态有限元分析。
1 吊臂简介
CRH1A型动车组轨道清扫器吊臂简介。
（1）数量及分布。CRH1A型动车组轨道清扫器吊臂被安置在两端动车的1位转向架上，1位侧、2位侧各一个，全列动车组共有4个。CRH1A型动车组轨道清扫器按照左右对称共有两种类型，本文选取2位侧轨道清扫器作为研究对象。
（2）作用简介。CRH1A型动车组轨道清扫器用于清扫铁路钢轨上的异物，因此轨道清扫器由钢排障器（用于阻挡大件硬物对动车组的冲撞）、橡胶排障器（用于清扫钢轨上的小件异物，如道砟石等，减少轮对异常磨损）。吊臂机构作为钢排障器、橡胶排障器的承载机构与转向架构架相连，是轨道清扫器的主要受力部件。
2 吊臂实体建模
2.1 草图设计
（1）主要参数。本文根据吊臂的真实测量尺寸进行1：1比例建模，因吊臂为箱体结构，本文箱体厚度设计为10mm，其他主要参数：最大高度445mm、底部纵向宽度280mm、横向宽度235mm。
（2）草图设计。使用CATIA软件的“草图设计”组件，按照吊臂的纵向横截面设计草图。
2.2 三维建模
吊臂三维设计。1）使用“拉伸”命令对吊臂垂直部分进行三维建模，其中箱体厚度设定10mm。2）使用“凹槽”命令在箱体上剪切出钢排障器和橡胶排障器的支撑部分与垂直部分之间的贯通部分。3）使用“边界”命令在结合面上画出吊臂支撑部分横截面的轮廓，然后对轮廓使用“拉伸”命令建立支撑部分的三维模型。4）对吊臂与转向架、排障器之间的安装部分进行“拉伸”和“凹槽”等操作，完成吊臂三维模型。
3 吊臂载荷计算
受力分析。因为吊臂安装在转向架上，位于动车组导流罩后方，故风阻影响较小，故不予考虑；同时因轨道清扫器撞击异物概率较低、冲量大小无法计算，故不考虑撞击大型异物时的工况。本文主要考虑吊臂承载两种排障器时的静态载荷，根据称重钢排障器与橡胶排障器的重量约为30公斤，故设定安装孔所受载荷为F=300N。
4 吊臂有限元分析
（1）施加约束。为模拟真实情况，特结合轨道清扫器吊臂的安装位置（吊臂安装在转向架构架横梁的横梁上），设定吊臂与转向架构架之间的安装面为禁止面（暨确定该安装面相对禁止不动），在该处施加“夹紧约束”。
（2）施加载荷。根据第二章载荷计算，将F 施加在排障器安装孔上，大小设定为300N。
（3）网格划分。使用软件网格划分控件将吊臂按照每个单元45.52mm进行划分，得到节点38851个、单元数11444个。
（4）有限元计算。应力分析。使用CATIA软件自带有限元分析控件进行有限元分析，得到吊臂的最大应力点位于吊臂L型拐角处。
5 吊臂结构改进建议
5.1 吊臂结构优化建议
吊臂是典型的箱型焊接结构。目前在减小和控制焊接变形方面有关单位已进行过大量研究。吊臂的自身结构，如L型结构、内部隔板的数目和位置以及箱体的厚度等因数均会对吊臂的焊接变形产生重要影响。由于吊臂的结构优化目标主要与吊臂的结构形式以及箱体厚度有直接关系，因此可以采用以下两种优化方案：1）将L型拐角处加装加强筋，使其成为三角形受力结构，分散应力集中点；2）改变吊臂内部箱体厚度。
建议做出如下改进：
（1）吊臂的结构尺寸应有一定裕量，在设计时，要从结构上避免横截面的突变，减少L型拐角设计，消除几何尺寸造成的应力集中。
（2）吊臂的材料应采用应力集中系数较低的低碳钢，采用铸造成型较好的成型工艺。（3）选取适当的焊接工艺，以保持构架、焊缝处金属的一致性， 焊缝位置应避开受力危险截面周围。（4）建议将箱体厚度增加，本文因客观原因采用预想方式设定箱体厚度为10mm，可以在实际生产过程中增加箱体厚度，以求降低对大应力点的应力值。
5.2 维护建议
CRH1A型动车组的一级修周期为48小时/次或4000公里/次，动车组运用所应将吊臂L型拐点纳入日常检查，提高日常检查频率。其次动车组运用所还应该结合动车组撞击异物应急预案将吊臂L型拐点检查纳入其中。因为定期制定轨道清扫器吊臂的磁粉探伤项目性价比不高，动车组运用所应结合季度整修，每年春秋两季组织专人对动车组轨道清扫器吊臂的焊缝焊接状态、L型拐角情况重点检查，发现出现问题及时安排更换。
6 结束语
本文结合CATIA有限元设计对吊臂简单的有限元受力分析，得出最大应力点与日常检修中发现的共性故障点相同。本次有限元分析较为简单，可以在以后的有限元分析中详细划分约束，详细规划工况及载荷，进一步提高有限元分析的实效性。
参考文献：
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