客车制动模块有限元强度分析

赵青滨,  ,赵波

 中车青岛四方机车车辆股份有限公司   山东青岛   266000

摘 要：本文依据标准EN12663-1，利用有限元软件，对某客车制动模块安装架进行静强度和疲劳强度分析，确保制动模块安装架满足强度要求。

关键词：制动模块；有限元；静强度；疲劳强度；

1概述

随着社会和经济的发展，轨道车辆得到了快速发展。制动模块作为众多子系统中较早实现模块化设计的制动系统的重要结构[1]，其一方面实现了节省设备林立的车下空间，集成化管理设备安装位置，另一方面极大的简化制动系统的整体设计工作[2]，减小了组装和检修的难度。作为客车制动系统的重要组成部分，制动模块长期处于复杂的机械环境，使其必须面对各种类型的失效形式，如车体振动、冲击、倾斜摇摆、稳态加速度传来的激励以及自身装卸作业中自由跌落和静负载荷振动等，由此产生的振动疲劳破坏严重影响着结构的安全性能。为保证制动模块的可靠性和车辆的安全性，需对制动模块进行相关仿真分析。

2 制动模块有限元分析

2.1制动模块有限元模型建立

本文选取的制动模块主要由安装架、制动设备和风缸组成，其几何模型如图1所示。

图1 制动模块三维模型

制动模块安装架材料为Q355，其材料属性如表1所示。

表1 制动模块安装架材料属性

参数	弹性模量/GPa	泊松比	密度/(Kg/m^3)	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	疲劳强度母材/ MPa	疲劳强度焊缝/ MPa
取值	206	0.3	7.9x103	355	490	78	35

选择在Hypermesh软件中建立壳单元，其中网格大小以5mm为主，对应力梯度较大部位和危险点进行网格细化，整个模块共生成54719个单元和56639个节点。

2.2制动模块工况

依据标准EN 12663-1: 2010+A1:2014《铁路应用—铁路车辆车身的结构要求—第1部分：机车和客运车辆》确定制动模块构架的静强度工况和疲劳强度工况，如表2所示，表中g为重力加速度。

表2 制动模块构架加载工况/N

工况	纵向X	横向Y	垂向Z	备注
静强度/Static	±3g	±g	3g
S1			3g	垂
S2			-1g
S3	3g		1g	垂+纵
S4	-3g		1g
S5		1g	1g	垂+横
S6		-1g	1g
疲劳/Fatigue	±0.15g	±0.15g	1±0.15g
F1	0.3g	0.3g	0.3g	垂+纵+横
F2	0.3g	-0.3g	0.3g
F3	-0.3g	0.3g	0.3g
F4	-0.3g	-0.3g	0.3g

3 制动模块安装架静强度和疲劳强度计算结果及分析

3.1静强度计算结果及分析

制动模块安装架在各工况下的静强度计算数据见表3所示。

表3 制动模块构架静强度计算数据

静强度工况	最大应力/MPa	最大应力位置	屈服强度/MPa	安全系数
S1	75.02	安装梁交汇处	355	4.73
S2	39.66	设备吊挂螺栓处	355	8.95
S3	75.02	安装梁交汇处	355	4.73
S4	72.57	安装梁交汇处	355	4.89
S5	78.17	设备吊挂螺栓处	355	4.54
S6	26.46	设备吊挂螺栓处	355	13.4

  

附图2 S5工况整体应力图  附图3S5工况应力最大处应力云图

最大应力出现在S5工况下，此工况最大应力为78.17Mpa，最大应力为制动设备吊挂螺栓处，安全系数为4.54，S5工况整体应力云图见图2所示，应力最大位置应力云图见附图3所示。

3.2疲劳强度计算结果及分析

制动模块安装架在各工况下的疲劳强度计算数据见表4所示。

表4 制动模块构架疲劳强度计算数据

静强度工况	最大应力/MPa	最大应力位置	疲劳强度/MPa	安全系数
F1	27.11	设备吊挂螺栓处	78	2.88
F2	14.91	设备吊挂螺栓处	78	5.23
F3	30.56	设备吊挂螺栓处	78	2.55
F4	15.92	设备吊挂螺栓处	78	4.89

最大应力出现在F3工况下，此工况最大应力为30.56Mpa，最大应力为制动设备吊挂螺栓处，安全系数为2.55，F3工况整体应力云图见图4所示，应力最大位置应力云图见附图5所示。

  

附图4F3工况整体应力图  附图5F3工况应力最大处应力云图

4结论

通过利用有限元软件对不同工况下的制动模块安装架进行静强度和疲劳强度分析得知，静强度最大应力为78.17Mpa，安全系数为4.54；疲劳强度最大应力为30.56Mpa，安全系数为2.55。由此可知，制动模块安装架静强度和疲劳强度均满足强度要求。

参考文献

[1] Kimura R, Fujita K. Caliper brake device for railway vehicle: U.S. Patent 9,522,684[P]. 2016-12-20.

[2] Ma J, Kremer GE0. A systematic literature review of modular product design (MPD) from the perspective of sustainability[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2016, 86(5-8): 1509-1539.