动车组自动车钩的主要故障和检修工艺设计

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 1前言 2一、 自动车钩结构及工作原理 4\o"CurrentDocument"概述 4机械连接装置 4电气连接装置 6压缩空气连接装置 7车钩三态作用原理 7本章小结 9二、 自动车钩损伤理论分析 9自动车钩受力分析 9车钩有限元强度校核 10模态分析 13本章小结 15三、 损伤和故障及其解决方案 161-机械失效分析 16机械失效常见形式和分析 16机械故障 19空气连接部件故障 20电气头操作和电气头故障 20参考文献 22致谢 23摘要CRH1A型动车组自动车钩通常用于连列短编动车组，列车的纵向作用力，其性能关系到CRH1A型动车组运行的安全性和平稳性。CRH1A型动车组的检修人员需要对其自动车钩的构造、工作原理有深入的认识，并能分析其故障，寻求解决故障的方法。本文分析了CRH1A型动车组自动车钩机械连接、电气连接和空气管路连接主要部件的结构及其作用，待挂、连接和解钩三态作用的工作原理，绘制了CRH1A型动车组自动车钩的三维造型。对自动车钩进行受力分析，采用有限元分析软件建立主要受力件的分析模型，计算在规定的两种工况时的静强度，通过计算得出应力较大的部件及其位置，这也是自动车钩可能会出现问题的部位，然后对自动车钩进行机械损伤分析。对壳体和钩头内部关键零件进行了模态分析，判定车钩不会产生共振。根据其关键位置容易出现的不同问题，将故障分为脆断、机械故障、解钩故障以及电气故障进行分析，并给出相应的解决措施。提出了日常维护时的注意事项。根据理论的分析，CRH1A型动车组自动车钩不存在设计缺陷，只要确保日常检修的符合规范，就能保证自动车钩的安全实用，从而降低事故的发生率。关键词：动车组；自动车钩；车钩三态；车钩故障第1页共23页刖舌2007年4月18日，中国铁路第六次大提速正式实施，在京哈、京沪、京广等干线大量开行具有自主知识产权的时速200km至250km“和谐号”高速动车组列车。这标志着中国铁路一举进入高速时代。目前，我国高速铁路的营业里程已达7531km,成为世界上高铁运营里程最长的国家。在此过程中我国系统的掌握了动车组的九大关键技术。在自主研制350公里动车组时，我国展开了系统的创新，在轮轨动力学、气动力学控制、车体结构、转向架、牵引系统、制动系统、环境控制、系统集成等制约速度提升的关键技术上实现了重大突破。在大量科学研究试验和运营经验积累的基础上，再开展一系列技术创新，成功研制时速380公里新一代高速列车，用于京沪高铁。在这一台阶，我们在流线型头型、气密强度与气密性、振动模态、转向架、减振降噪、牵引系统、弓网受流、制动系统、旅客界面、智能化等十大关键技术上取得了重要突破。CRH1A型动车组是第一批引进消化吸收的动车组。目前，成都铁路局的20组动车组（CRH1A021〜CRH1A040）承载着两条时速200km/h的高速线路，4.2万人的日均发送量。未来10年将新增营业里程1200公里，新建成成绵乐客运专线、成都至都江堰铁路彭州支线高速客运专线。目前，世界上的机车货车车钩主要是以美国研制的E型和F型车钩为主，主要生产厂家有ASFKeystone公司、McConway&Torley铸钢公司以及哥伦布铸钢公司等。这些公司开发能力都很强、专业化生产程度高、生产规模大；他们大都采用计算机控制的大型电炉熔炼、潮模砂冲击造型生产线等现代化铸造设备，铸件采用Pro/E三维CAD设计，Pro.MechanicaFEA有限元应力分析和铸造工艺凝固模拟等先进技术。这些公司平均日产车钩数百套。客车用车钩主要以德国的Schaku（已被福伊特公司收购）方锥形密接车钩最具代表性，瑞典Dellner公司生产的车钩与Schaku公司生产的车钩基本相同，其中Schaku密接式车钩装置占据了欧洲高速列车的大部分市场，德国ICE系列与法国TGV系列高速列车全部装用Schaku密接式车钩。我国能批量生产客车密接式车钩缓冲器的还只有四方车辆研究所，直接参与的有300-400人，目前通过消化改进技术国外技术已经生产出国产化的密接车钩用于试验。相对于欧系的旅客列车而言，在日系车辆中主要采用的是柴田式自动车钩。本论文主要是利用CATIA建立的CRH1A的三维模型，再用ABAQUS6.11-1对三维模型进行静强度分析和模态分析，得出应力较大部位和固有频率。利用这些结果提出对时间维护过程当中有效的故障解决方案。（1）利用已有资料对自动车钩的结构和原理进行介绍，分析了车钩三态作用原理；第2页共23页（2） 用CATIA软件对自动车钩的钩头做三维造型；（3） 用ABAQUS6.11-1对模型静强度校核和模态分析；（4） 对自动车钩常发生的故障进行分析，提出解决方法。自动车钩结构及工作原理：自动车钩是一列多编组车组各编组之间的机械连接部分，车钩中还包括压缩空气连接装置，是连接制动风管和主风缸空气管路。另外还有传输数据通信的电气连接部分。电气连接钩头是活动的，在多重连挂和结构式可以前后推动。第3页共23页一、自动车钩结构及工作原理概述沙库自动车钩是实现铁道车辆自动连挂的装置。如果两车存在一定的横向和垂向偏移角度，也能实现两车自动连挂。在通过曲线时，允许车辆之间存在一定的横向和垂向的角度，这样就可以就能使两车有相对的转动，而顺利的通过曲线。自动车钩不仅能使两车自动连挂，而且能使车辆之间需要的电气、通信和空气管路自动连接。车钩钩身上有一个气压控制的缩回装置使车钩在解钩状态下缩回350mm。空气管路的连接是和机械连挂同时发生的。司机可以通过远距离控制车钩解钩，也可以通过车钩本身自带的提杆解钩。车钩头连接面处和电动车钩上都有加热器，可以防止列车在高寒地区运行时，由于冰雪带来故障。机械连接装置机械部分是自动车钩的基础部分，一切功能都要在机械部分良好作用的状态下。主要包括钩头、钩身和缓冲器等部分。钩头自动车钩是CRH1A动车组重联时，保证两组车能够顺利连接，并保持连接状态良好的关键部件，而其中钩头是自动车钩中，起这些作用的关键部分。最小连挂速度要求为0.6km/h。连挂时，钩锁铁可以提供牢固，无间隙机械，气动和电动连接。只有钩头部分的良好连接方能保证电气连接端头、制动风管、主风管、解钩风管和解钩风缸的安装状态正常。机械钩头的材料需要采用较高强度的钢，需要有非常高的屈服极限要求，并且还要有较高的能量吸收率。因此，在级钢，材料的强度极限也不低于830MPao车钩连接面是车钩受压时，很重要的部位。当两车钩相互挤压时，都是通过车钩连前端接面传递受力。端面上配有凸锥和凹锥，可以在车钩连挂时保证车钩的接合和对中。最小连挂速度要求为0.6kph。连挂时，钩锁铁可以提供牢固，无间隙机械，气动和电动连接。钩身自动车钩钩身是承受自动车钩钩头到车体的拉伸和压缩的力的部件，具有很好的承受抗冲击的性能，同时具有一定的抗切和抗扭的能力。车钩钩身配有一个连接卡环，车钩解钩时，连接卡环将车钩缩回到前盖板的后面，并且在前盖板打开之后会将车钩伸开到待连挂位置。位于车钩钩身后部的气缸将车钩伸开直到全部打开。车钩钩身由一个气动锁闭装置锁闭在打开位置上。如果要缩第4页共23页回车钩钩身，则必须松开这个气动锁闭装置。当车钩钩身位于缩回位置上时，则车钩钩身由一个内置锁闭螺栓锁闭，其主要的组成部分有自动伸缩装置，闭锁装置，压馈管，中空橡胶垫。车钩钩身用来连接车钩头和车体底架。车钩钩身包括中空橡胶弹簧。钩身上有一个气动伸缩装置，可控制车钩前后伸缩350mm。一个锁闭机构将钩身保持在各自位置。1） 连接车钩钩身的前端配有一个钩环可以通过易分离式套筒连接将车钩钩身连接到车钩头上。车钩钩身的后部通过4个螺拴栓固定在车体底架上。缓冲装置和伸缩装置通过法兰连接。2） 能量吸收冲击和牵引不一致产生的载荷由中空橡胶弹簧吸收，每个中空橡胶弹簧最大位移量45mm。过量载荷通过车钩传递到车底底架。直至底架上剪切部件作用，车钩被推到底架中空橡胶弹簧把车钩保持在直线位置上，除此之外，车钩还配有支撑弹簧（位于车钩钩身和车体底架之间）。车钩位于轨道面之上的高度可以通过两个螺栓进行调整。此外，支撑弹簧和中空橡胶弹簧将解钩车钩保持在中线上防止车钩横向摆动。3） 对中调整中空橡胶弹簧将车钩保持在中线位置上并且使车钩钩身在列车通过曲线轨道之后重新回到轴对称位置。4） 伸缩机构钩身具有一个伸缩机构，当不连挂时，车钩将收缩，位于前导流罩后面，当需要连挂时，前导流罩打开，伸出车钩，位于车钩钩身后面的气缸将钩身前部连同钩头推倒完全伸出位置，一个气控闭锁机构将钩身锁定在伸出位置，如果需要收回车钩，这个闭锁机构需要重新解锁，在车钩回收位置，钩身将被其闭锁装置自动车钩闭锁装置是自动车钩的自动伸缩装置的重要组成部分，两个闭锁栓承受了自动车钩的压缩和拉伸载荷，安装在其上的气缸作为自动车钩的开锁机构。自动车钩的闭锁装置在不联挂的时候是处于缩回的状态，此时的自动车钩钩头没有伸出，处于待联挂位置；当需要进行联挂时，在司机室的司机或者在轨道旁的手动操作员按照操作就可以将自动伸缩装置伸出，准备进行联挂。这个装置是半自动车钩和过渡车钩没有的装置，是自动车钩所特有的设备之一。解钩气缸是作为自动车钩在解钩过程中一个控制部件。它位于自动车钩钩头缓冲装置自动车钩上的缓冲装置有中空橡胶弹簧阻尼器和套筒橡胶垫缓冲器组成，属于屈曲管轴对称屈曲变形型的缓冲器。位于车钩钩身与车底架缓冲两相连接处。缓冲装置的工作原理是将车辆连挂（因为此时车辆有一定的连挂速度）或第5页共23页列车运行过程中产生的纵向冲击和振动力，通过压缩缓冲装置中的橡胶垫阻尼器和缓冲器等部件来吸收冲击能量，从而减缓冲击和振动，保护车辆不受损坏，提高列车运行平稳性。缓冲装置的性能主要表现在阻尼器和缓冲器的形成、最大作用力、容量和能量吸收率，等等。行程是指阻尼器和缓冲器售后产生的最大变形量；足底啊作用力是阻尼器和缓冲器在变形量最大时所受的外力；容量是阻尼器和缓冲器在被压缩的过程中，外力所做的功；能量吸收率是阻尼器和缓冲区吸收冲击能量的能力，要求不低于70%。阻尼器和缓冲器能有效地发挥减振的功能。通过易拆卸卡环连接方式将车钩钩身与机械钩头连接到一起。卡环连接包括两个套筒。两个套筒由4个六角头螺栓和螺帽连结，螺帽下面有锁闭垫圈紧固。电气连接装置电气钩头采用不同的端子将两列车组间电器连接沟通。车钩电气钩头及其接触方式以下特点：电缆和接线柱连接电气钩头罩电缆是防水防变形电缆。电缆引线通过接线柱连接到公针和母针上。插针可从前端更换。通风和排水电气钩头封罩配有排水塞，可以排放冷凝水。此塞口也用于封罩的通风。触点保护电动车钩配有一个保护盖，保护盖在电气钩头前后移动的时候自动开关。当车钩处于连挂状态时，电气钩头紧密压缩，以确保恒定的接触压力。当处于连挂状态时，一个附着在绝缘块四周的橡胶框使电气钩头连挂时处于密封状态，可以防止水或者灰尘进入，保护接触头不受外部环境的影响。对中电气钩头封罩配有对中元件，连挂时可以帮助电气钩头对中。电气钩头控制机构位于车钩头的后部包括一个杠杆系统和一个气缸。这个操作机构可以把电气钩头前后移动。电气钩头控制机构传动电气钩头控制机构动作由气缸(压缩气源来自主风缸管)活塞控制。气源由定向阀控制，电气钩头的连接总是在机械连挂程序之后完成，反之亦然，这样就可以避免对电动接触的损坏。电气钩头手动隔离电气钩头可以进行独立手动隔离，无需松开机械和气动连接。电气钩头移动时，位于机械钩头凹锥一侧的球形塞门必须关闭。这样就可以把电气钩头手动推回到收起位置。接地电缆接地电缆接到车钩上，接受电流并旁通非导电部件。接地电缆的位置有两个，意识在车钩头和车钩身之间，二是在车钩钩身和车体之间。第6页共23页接地线束包括直径500mm2的电缆。（7）电动端头电气端头是两辆重联动车组的电气和通信连接的头，电气端头只有在使用过渡车钩回送动车组时可以不用，其他时候都会投入使用的。线缆的电压有110V的车辆基本应急的电压和控制所用的通信电压。控制机构电气端头控制机构位于车钩头的后部包括一个杠杆系统和一个气缸。这个操作机构可以把电气端头前后移动。电气端头控制机构传动：电气端头控制机构动作由气缸（压缩气源来自MR管）活塞控制。气源由定向阀控制，电气端头的连接总是在机械连挂程序之后完成，反之亦然，这样就可以避免对电动接触的损坏。电气端头手动隔离：电气端头可以进行独立手动隔离，无需松开机械和气动连接。电气端头移动时，位于机械钩头凹锥一侧的球形塞门必须关闭。这样就可以把电气端头手动推回到收起位置。压缩空气连接装置制动管（制动管路）的空气管路连接设置在车钩连接面上并安装装在罩壳内。接头的接口件（包括插口和垫片）突出车钩连接面约8mm,在连挂时被压到配合车钩的接口件上，保证了气密性。一个止挡弹簧防止接口件掉落。空气管路接头配有一个由钩锁铁控制的阀门。阀门保证制动管在连挂和解钩时的自动开关。在车钩断开的情况下，制动管路保持打开状态，启动自动停车动作。车钩三态作用原理机械钩头和钩锁铁确保两节车厢的机械连挂。其表面带有一个凸锥和一个凸锥可以允许车钩在一个比较大的横向和垂向范围在这个操作位置上，两岸缩回到靠近凸锥边缘的位置，有一个棘爪固定。吊板被弹簧拉紧。棘爪突出车钩头一侧并且卡在导杆上。连挂状态：当车钩面向配合车钩时，凸锥把导杆向后压与只当上松开的棘爪密贴。这个动作，使得钩锁铁通过拉伸弹簧转向连挂位置知道连杆咬合到吊板上（吊板压在车钩头的一个止挡上）。连挂之后，钩锁铁形成一个平行四边形以确保力的平衡。钩锁铁只收到均匀作用在连杆上的拉伸载荷。解钩状态：解钩可以通过司机室远程控制完成或轨道侧手动完成。遥控解钩，按下按钮。自动接合连挂可以在阴影所示范围自动车钩技术规范根据由中外合资企业青岛四方-庞巴迪-鲍尔铁路运输设备有限公司（BSP）生产的CRH1A型动车组时，所采用的产品规范，列出关于自动车钩的技术规范。第7页共23页本章小结本章把自动车钩按照机械装置、电气连接部分和压缩空气连接部分，做了较详细的各个部件的结构，以及工作原理。在机械装置部分，详细的阐述了各部件之间配合以及相互作用的原理。机械部分是保证其他两部分起作用的重要前提，因此其稳定性也是整体车钩的关键。只有连接紧密才来保证电气装置和空气管路的正常连接。第8页共23页二、自动车钩损伤理论分析自动车钩受力分析车钩在动车组运行中，若是受拉力，则是拉杆先受力，最终传递到缓冲器±;若是受压力，则是车钩断面先受力，最终传到缓冲器上。因此以下在做受力分析时，是先分析钩头各部件的受力，再对缓冲器受力过载的情况做分析。自动车钩钩头各部件受力自动车钩的钩体内外承受的力是有所区别。当重联动车组起动和加速时，由车钩头内部的结构来承受拉力，传递到钩头体上的也是拉力。车钩受力部件有：车钩头体、中心轴销、吊板、连杆销、连杆。重联动车组起动时，车钩钩头部分与钩身是紧密连接，车身与缓冲装置是紧密连接，只有在车钩头部分才是有缝隙，所以在，两车产生纵向相对运动时，是钩头先受到拉力。钩头部分力的传递依次则是：连杆T连杆销T吊板T中心轴销T车钩头体T连接卡环。自动车钩能够承受的最大拉力为lOOOkNc此时橡胶垫缓冲装置在承受最大的拉伸时形成为45mm。车钩的纵向力也就是动车组牵引、阻力和制动力。车轮与钢轨黏着力是给动车组提供纵向的，因此当牵引力大于黏着力，或者是制动力大于黏着力时都会使车轮在钢轨上打滑，产生脱轨的危险。一般不会使动车组在处于临界黏着力的情况下起动，只有紧急制动时，才会在接近黏着力的情况下制动。动车组运行时都会有阻力。动车组只有在重联或者是救援时才会使用自动车钩。而救援是使用的过渡车钩的最大受拉强度为450kN,小于自动车钩的lOOOkN受拉强度，因此在考虑自动车钩受力是不需要考虑在救援时自动车钩的受拉强度不满足要求的情况。以下是在动车组重联时，在最大的牵引力情况下对自动车钩的强度进行校核。车辆黏着牵引力能提供的最大加速度为1.01m/s2,而车钩能接受2.1m/s2重联动车组的加速度，所以在正常运行中，只要保证车轮不打滑，就能保证车钩不断裂。在下文的静强度校核中,仍采用最大的lOOOkN拉力对车钩强度校核，这样可以满足在运行中的牵引力最大的要求。根据受力的传递情况，设置车钩钩头体和图追面板之间的装配关系，这样来保证壳体的受力情况满足实际要求。而每只拉杆承受的拉力则是整个拉力的一半，也就是500kNo由于吊板与拉杆组成平行四边形，两端受力是同一方向，在计算时，两端受力均采用500kNo当重联动车组承受的是压力时，拉杆承受的是压力。钩头体上不仅有中心轴销沿各自车体方向的压力，还有车钩接触面的压力。这样就使车钩在钩面和中心轴销孔之间承受一定的拉力，而在中心轴销孔到钩头的尾部之间承受的是第9页共23页压力。根据研究的要求，车钩头体的最小拉压强度为830MPa,整个车钩的纵向耐压强度为1500kN。因此，缓冲装置受力过载分析车钩的缓冲装置是车辆中非常重要的一门技术。车辆连挂时一般都有一定的较小速度要求，连挂的速度是依照缓冲装置的容量而设定。所以车辆遁形时速度控制难度就较大，如果超过了设定的连挂速度，缓冲器就有可能被全部压死。车沟里直接传递给车体低价，造成刚性冲击，会对车体上设备及人员安全造成一定的伤害。因此，欧洲的车辆制造商在研制车辆时均要求安装过载保护吸能装置。目前，国内的地铁轻轨市场大多采用欧洲的带有过载保护装置吸能装置的车钩缓冲系统。目前，国外使用的过载保护吸能装置一般有两大类：1） 屈曲管主要有方管、矩形管、锥形管和正弦形式薄壁梁，这类原件主要用于车辆端部的吸能结构设计上，如车辆端部的防爬器。2） 套筒式按其工作原理分，主要有扩张式、收缩式、折叠式等。其中，扩张式和收缩式多与钩缓装置集成在一起使用；折叠式多单独使用与车辆端部。在安装空间上，折叠式占有的空间较大，其余两种占用的空间基本相同。在结构上，折叠式有圆形、方形或方锥形等结构；扩张和收缩式多为圆筒形结构。目前屈曲管应用较多的是圆管和方管。常见的变形方式主要有轴对称区区和翻转变形两。国Pm6Ret2D式中：Pm—材料的屈服强度/Pa；t一屈曲管壁厚/mD一屈曲管中性面直径/m基本参数及计算过载保护吸能装置容量计算可按照动力学的方法计算，也可按照经验公式进行计算。GLu（英）通过对Alstom公司列车的计算分析认为，可用首车的动能直接作用于被冲击车辆，而忽略冲击车辆数量。根据公式计算出来的材料屈服强度和吸能要求，可以选择过载保护装置的橡胶材料。车钩有限元强度校核根据现有文献，自动车钩的强度研究主要集中在对钩体及其在此三维软件中简单装配，从而进一步确定三维实体的形状和尺寸。由于软件之间存在一定的格式接口，强度校核采用的是ABAQUS6.11-1,可以将三维的造型实体直接导入其中，这样就能实现三维造型与强度校核数据之间的无缝连接。并且ABAQUS6.11-1也能进行模态分析，减少学习软件所需的时间。（1）实体造型方法：三维实体造型是一个既要考虑零件本身的形状尺寸要求，又要兼顾强度校核的要求的艰巨任务。在造型时，先根据原理图，以及相关的数据要求将每个零件的形状确定，第10页共23页然后再进行装配。由于车钩有待挂——连挂——解钩三态，根据这样要的运用要求，就能将各个部件的位置和形状确定。由于有限元强度校核，基本的原理就在与将实体网格细化。在造型上合理的一些结构，到了网格划分是就会出现许多的损坏单元，这样就会使强度校核时不准确，或者是根本就不能分析。有一些边的小半径倒圆角部分，会出现这个边上的应力单元全部是损坏的。为了满足校核的要求，由于倒圆角肯定是减少应力集中的，也就是将实体的结构受力情况变好，所以不用考虑倒圆角对强度校核的结构影响。（2） 强度校核要求对于依次断裂来说，应力不得超过材料的强度极限；对疲劳破坏来讲，应力不得超过零件的疲劳极限。零件实体造型零件造型是强度校核的基础，因此在造型时，需要兼顾原理及强度校核的要求。1） 车钩体与凸锥面板钩头的壳体部分是整体铸造的，但是为了内部部件的安装，需要将壳体分为两部分，将凸锥面板先与钩头体做成一个部分。完成此步骤之后，再将保存文件复制一份，并命名为凸锥面板，在用截断命令，沿面板的后端面截断实体，保留面板部分。而车钩头体则是保留另外一部分，这样就可以减少由于数据之间衔接需要的工作量。上述步骤完成之后，再对一些部位进行形状修改。2） 钩头ABAQUS/CAE将各种的功能集成在各模块中，能够通过操作简便的界面进行建模、分析、任务管理和结果评价。其优点在于，每个数据输入步骤都是一个模块，有数据的树形结构图。也有操作性强的模块化命令。使强度校核的数据输入很有条理性。（3） 强度校核的数据输入有以下模块化步骤：1） 部件模块部件模块是ABAQUS实体建立的步骤。可以就在ABAQUS中建模实体模型，不过比较复杂，实用性较低。2） 属性模块在此模块中可以进行材料和截面特性的设置以及弹簧、阻尼器和实体表面壳的定义等。3） 装配模块部件模块中创建或导入的部件，都是在局部坐标系下进行的。对于多个部件构成的物体，必须将其在同一的整体坐标系中进行装配，时期成为一个整体，这部分工作在装配模块中进行。4） 分析步模块此模块主要用于分析步和输出的定义，也可以进行求解控制盒自适应网格划分的设置。在相互作用模块定义接触和在载荷模块中施加载第11页共23页荷和边界条件前，需要创建分析步，选择在初始步还是分析步中设置接触边界条件，载荷则只能在分析步中。5） 相互作用模块此模块主要用于定义装配件各部分之间的相互作用、约束和连接器，故在进入该模块之前，用户需要在装配功能模块中创建装配件并完成各部件实体的定位。相互作用包括接触、弹性基础等。6） 载荷模块此模块主要用于定义模型装配件的载荷、边界条件、预定义场和载荷状况。在定义这些数据时，都需要选择事先创建好的分析步。7） 划分网格模块此模块主要用于CAD模型网格划分，是对于整个分析结果相当重要的一个步骤。网格划分与其他几个步骤没有先后的顺序，不需要选择其他的步骤结果。所以是一个独立的操作步骤。只要在数据提交之前就能保证此步骤的正确。8） 分析和后处理设置完各种数据之后，先要在分析作业模块中创建作业，提交分析得出结果之后才能对结果进行后处理。各部件校核数据及结果如上文提及，分析过程中，将其分为以下若干部分进行分析：车钩头体和凸锥面板、吊板和中心轴销、连杆和连杆销。（1）车钩头体和凸锥面板强度校核由于车钩头体与凸锥面板是整个车钩的关键受力部件，并且需要装配在一起进行静强度校核。1） 材料选取、网格划分和装配关系车钩头体和凸锥面板使用ZG35CrMo,并经过热处理，表面喷丸，强度极限大于830MPa,分析时取830MPa。根据材料性能可至材料的弹性模量E=210GPa,泊松比为0.28。网格划分采用正四面体为单元自由划分。车钩头体的正四面体单元边长为14mm,网格数为32714个。凸锥面板的正四面单元边上为15mm,网格数为17275个。2） 相互作用、载荷和边界条件根据车钩连挂之后的对称状态，需要在凸锥面板和钩头体之间固定约束，即绑定在一起。而两凸锥面板之间就有一定的滑动，即小位移，因此在切向定义摩擦因素为0.12的小位移摩擦，法向定义为硬接触。分析连挂时受力情况，即拉压的情况。工况一定义为压缩，将一车钩钩尾端面进行完全约束，另一端加1500kN的压缩力；工况二定义为拉伸，将两中心轴销孔完全约束，在两车钩的钩尾端面施加1000kN的拉伸力。3） 分析步和分析根据上述的工况要求需要两个分析步，因此创建两个分析步，设置最大增量步数大小为1000,初始增量步大小为0.1,其余默认设置。然后创建任务，提交任务分析。工况一的最大应力出现在尾部圆柱与壳体结合处，值为764MPa；工况二的最大应力出现在尾部圆柱与壳体结合处，值为467.3MPa。第12页共23页材料的许用应力为830MPa,安全系数为1.08和1.77,大于1,满足静强度要求。（2） 吊板强度校核在受到拉力时，通过拉杆的传力的作用实现其功能，是保证两车钩连挂的关键零件。1） 材料选择及网格划分吊板通过中心轴销和钩头体连接，在钩根据车头的受力情况，可以得出，吊板受是在整个车钩受拉力时。而当整个车钩受拉力时，中间的承力部件就是两根连杆，两根连杆总受力为1000kN拉力。工况一：吊板中心轴处采用完全固定，两侧有连杆的连接，因此两侧的力合力为lOOOkN,方向一致，都是在连杆一侧。工况二：把连杆和吊板的配合处完全固定，在吊板的中心轴处加力500kN。2） 作业分析和后处理分析时的两种工况设计两个分析步，两个分析步设置初始增量步大小为0.1,最大增量步数为1000其他值为默认。工况一：在吊板和连杆销配合的凹陷处应力最大，为128.2MPa；工况二：在连杆和吊板配合的凹陷处受应力最大，为172.7MPa。材料许用应力为830MPa,安全系数为6.47和4.8,远大于1,满足静强度要求。（3） 连杆强度分析当车钩处于连挂状态时，有拉杆来承受主要的拉力作用。1） 材料选择及网格划分连杆通过中心轴销和钩头体连接，在钩内部与两车钩相连。连杆的材料选择E级钢，强度极限为830MPa,杨氏模量E=200GPa,泊松比0.4。划分网格式采用正四面体自由划分。正四面体的边长为8mm-2） 装配和载荷连杆是与吊板配合受力的，当车钩受拉力时首先受力是连杆，两连杆共同受力为lOOOkN,因此，加在一根两岸上的力为500kN。分析时分为两种工况，一种是将连杆与连杆销接触位置完全固定，在连杆与另一吊板配合处施加沿连杆向外的力500kN,另一种则是将固定位置和加力位置交换。3） 作业分析和后处理两种工况涉及的两个分析步设置为初始增量步大小为0.1,最大增量步数为1000o工况一的最大受力位置连杆和另一吊板配合的圆柱外侧，应力为120.9MPa。工况二的最大受力在连杆与连杆销配合处，最大的应力为258.2MPa。材料的最大许用应力为830MPa,安全系数分别为6.86和3.21,满足静强度要求。模态分析车钩头和凸锥面板是整个车钩重要受力部件，当两列车之间产生纵向冲动时都是通过车钩作用来传递力。为了保证车钩壳体在正常工作情况下，不会由于与车体或者是其他装置产生的共振使其破坏，需要对壳体做模态分析，掌握车钩头体与凸锥面板的固有频率和自由振动的振型。振动现象是机械结构和机器部件经常遇见的问题之一，由于振动会造成机第13页共23页械结构和机器部件的共振或疲劳，从而破会机械结构和机器部件，由此了解机械结构和机器部件本身具有的振动特性，即结构的固有频率和振型这些承受动载荷结构设计中的重要参数，将会避免在使用中因共振因素造成的不必要的损失。模态分析是确定结构振动特性的一种技术，如：确定结构的自然频率、振型的参与系数，在结构动力学分析中，模态分析是进行进一步更详细动力学分析，如谱响应分析、瞬态动力学分析、频谱分析等的基础。工程实践中模态分析技术广泛应用于评价结构系统的动态特性；在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；诊断及预报结构系统的故障；控制结构的辐射噪声；识别结构系统的载荷等。CRH1A型动车组主要用于城市间的运行，由于成都与重庆间的客流量较大，动车组重联和制动相对一般的动车组较为频繁，车钩上的冲击载荷也频繁变化，所以车钩强度的计算方法也就不同于普通客运列车，必须用一种新的方法来进行研究。分析条件设定建立模型及确定分析步从软件与CATIA接口处导入模型后，需要对模型的材料进行定义，其中材料的密度是必须定义的。定义材料的密度为7870kg/m3,杨氏模量E=213GPa,泊松比为0.286。选择分析步类型并设置响应选项在定义分析步时，考虑到定义的材料必须要是线性材料，因此，在创建线性摄动(LinearPerturbation)中的平率提取分析步(FrequencyExtraction)时，选择非线性为关闭状态，设置请求特征值个数的数值为30(提取的模型的30阶振型)，其他保持为默认值。设置模态提取选项为每个单元的位移、速度和加速度变化输出。装配以及施加边界条件在装配模型中，将两个钩头体按照以下图进行装配。在模态分析中，只有边界条件对模态分析起作用，及时是其他设置了载荷，在分析中也不会起作用。与强度校核不同的地方在于强度校核是根据施加的在和来确定各个网格单元的受力的位移情况。而模态分析是在确定模型的结构和边界条件之后，系统根据其形状和重力来确定模型的固有频率。所以约束时，需要保证一定的自由度。将一个钩头的尾部进行约束，只保留其沿轴向的转动。而另一车钩的尾部对其轴向位移以及横向和垂向的转动进行约束。其中也必须对模型进行网格划分，车钩钩头体的网格是边长为14mm四面体单元，凸锥面板的网格是边上为15mm的四面体单yLo以上步骤完成之后，进入作业模块，创建任务，提交任务。对于一般的结第14页共23页构振动来说，结构的振动可以表达为各阶固有频率的线性组合，其中较低阶振型对结构的影响程度大于高阶振型。因此低阶振型主要决定结构的动态特性。连挂时，壳体的一阶模态固有频率为99.6Hz,而整列动车组在运行过程中的轨道激振频率一般在10Hz左右，因此一阶振动型的固有频率都远大于车辆的激振频率，二阶振动的频率以及以后的阶次振动频率都不可能发生共振现象，从而设计能够满足要求。机械运行中存在很多的周期性的激振源，根据振动稳定的原则，如果一零件与其中的某一零件的振动频率成倍数关系，也就会发生共振现象。这样也会使机械装受破坏，使装置失效。而动车组车钩它本身的各阶频率的0.85倍固有频率大于激振源的频率或者是1.15倍固有频率小于固有频率，因此，自动车钩设计在振动稳定性上式合乎要求的。并且在车钩与车体之间还有缓冲和减振的装置，有效的减小振动。所以自动车钩受到的振动不会造成车钩的作用失效甚至零件损伤。本章小结本章总体上讲，是从自动车钩的理论受力分析其合理性，并得出其受力的关键位置。验证了重联CRH1A型动车组最大牵引力是不会造成车钩的破坏。介绍了缓冲稳定性，并给出一定的计算公式。另外还对壳体和钩头内部部件进行了静强度校核，对壳体的振动固有频率进行测算，验证设计的合理性，并得出受力较大的位置，作为后文的理论依据。第15页共23页三、损伤和故障及其解决方案机械失效分析正常使用的机械装置丧失初始功能的情况属于机械失效。机械装置发生故障的原因主要是由于构成机械的零件失效造成的。失效大致可以分为三类：完全丧失其规定的功能；部分丧失其规定的功能，虽仍能工作，但已不能圆满完成设计规定的任务；严重破损，完全不能在保证安全的情况下继续工作，应及时进行更换或是修复。机械失效常见形式和分析变形失效变形失效有两种情况：一是过量弹性变形失效，虽然应力或温度在工作状态下，曾引起变形导致失效，但测量零件尺寸时，变形已消失，相对运动接触面有擦伤痕迹；二是屈服失效，主要由于工作应力、残余应力和应力集中所造成。只要将失效件进行测量或与正常件进行比较即可确定失效件有明显塑形变形。断裂失效断裂失效有以下4种情况：脆性断裂断裂前没有明显塑形变形的失效，断裂常发生与低温条件，或受冲击载荷作用时，起裂部位常在变截面处也就是应力集中部分，或者存在表面缺陷或零件所受应力产生塑性变形时，并且进一步增加时，该零件与其他零件的匹配关系又允许，塑形变形将可能发生断裂。环境介质引起的断裂金属材料在特定介质条件下，受拉应力作用经过一定时间后发生的裂纹及断裂现象。疲劳断裂循环载荷作用下，经一定循环周次后发生的断裂。蠕变持久断裂金属零件在应力和高温作用下，产生永久变形的失效现象，塑形端口韧窝非常清晰，微孔聚合的部位比较尖锐。表面损伤失效表面损伤分为磨损失效和腐蚀失效。磨损失效包括氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、接触疲劳、微动磨损等，主要观察磨损表面形貌及磨削，表面磨损痕迹记录了磨削的过程。磨损失效在手机与观察磨损实物基础上，判断是小猪要属于哪一类磨损形式。腐蚀失效是指金属材料受环境介质的化学或电化学作用引起的损坏。按金属与介质的作用性质，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，一般由表及里，，生成腐蚀产物，腐蚀痕迹及危害重要表现在：机件表面粗变色、起皮、鼓包、皱裂、分层，引起材料的损耗，机件有些功能丧失。机械失效的原因第16页共23页1） 材料因素引起的失效零件的失效表现为过量的变形和断裂，问题暴露在材料上，但造成失效的本质原因却各种各样，材料的冶金质量是机械能否长期工作的重要因素。材料成分：材料成分是其具有特定的性能及性能随工艺而改变而有特定变化规律的设计不合理和设计考虑不周是零件失效的重要原因之一，对零件的工作条件估计错误；选材不当等因而导致了失效。应力集中：由设计引起的尖角和半径太小的元角等应力集中引起的疲劳断裂占有很高比例；处理的各向异性：钢锭经轧制后，产生纤维结构，使钢材带上方向性，沿纤维方向的机械性能，比垂直纤维方向机械要高；设计不当引起的失效。2） 制造工艺因素引起的零件失效机械制造工艺缺陷，无论哪种加工工艺，铸造、锻造、焊接、表面强化、机械加工、热处理、装配等，如果操作不当，都会造成工艺缺陷，产生工艺裂纹、造成过高的残余失效分析的意义和设备使用中应注意的问题。（5） 机械故障的特性分析1） 渐发性由于磨损、腐蚀、疲劳、老化等过程的发生与时间关系密切，因此机械故障的发生多半与时间有关。在使用中，机械的损伤是逐步产生的，零部件的结构参数也是缓慢变化的,机械的功能参数也是逐渐恶化的，绝大多数故障可能事先通过仪器进行测试和监控。2） 潜在性机械在使用中会出现各种损伤，损伤引起零部件结构参数发生变化，当损伤发展到使零部件结构参数超出允许值时，机械即出现潜在故障。因为通过润滑、清洁、紧固、调整等手段,可以消除或减缓损伤的发展，使潜在故障得到一定程度的控制。3） 耗损性机械磨损、腐蚀、疲劳、老化等过程伴随着能量与质量的变化，其过程是不可逆转的。表现为机械老化程度逐步加剧，故障越来越多。随着使用时间的增加，局部故障的排除虽然能恢复机械的性能，但机械的故障率仍不断上升，新的故障将不断出现。（6） 设备使用中应注意的一些问题机械使用过程中应注意和避免不利因素的发生，以及通过维护保养来延长了机械的使用寿命。1） 保持干净、清洁的环境，避免粉尘等，保持良好的润滑；2） 使用时尽量保持在常温状况，避免低温、高热和温度急剧变化；3） 保持良好的通风，避免潮湿以及酸、碱性气、液体环境；4） 严格按规程操作，避免超载、冲击、震荡，尽量使塑性变形不要发展为断裂，可采用变形限位装置或增加变形保护报警系统；5） 避免阳光暴晒造成设施变形老化。自动车钩机械损伤分析第17页共23页本文章主要是从动车组的应用维护来研究自动车钩的机械损伤。设计中合理的结构，在实际的工程当中也会发生很多的故障。低应力脆断在设计当中我们分析了结构在运用要求的工况下的应力小于材料的许用应力。但是实际的运动当中依然存在在低应力的情况发生突然断裂这种在低应力状况下发生的断裂称之为脆性断裂。大部分的低应力脆断都是发生在采用高强度钢材的结构和大型的焊接件当中。在发生脆性断裂的零件端口处，往往可以找到原来的宏观裂纹的痕迹。根据低应力脆断的断裂的规律，高强度的材料的大量使用、结构的大型化、焊接工艺使用的普遍化、结构工作条件的复杂化和载荷形式的多样化，是低应力脆断发生的大量客观原因。然而在零件结构整体断裂。根据上一章中的车钩强度校核计算，找到了自动车钩在正常工况下的受应力较大的位置。车钩外部受应力较大的位置在钩头的尾部和中心孔处。而内部部件主要是有连杆的两端、吊板的与连杆配合处。整体上讲，以上的几处都是容易发生断裂失效的位置，在自动车钩使用中，无法从生产的角度来改变自动车钩的机械损伤问题，只有从自动车钩的运用角度案例分析自动车钩整体断裂损伤问题。由上章自动车钩的纵向力的分析当中，自动车钩受力主要是受拉神载荷和压缩载荷。为了保证载荷是符合要求的，在检修过程中，还需要及时检查缓冲装置的的安全可靠性，以免车钩整体受正常力的时候，缓冲作用消失，造成对车钩的冲击远大于设计的强度。除此之外，根据上述的理论危险位置，还需要及时检查车钩的这些位置的宏观变形或者是裂纹情况。按照相关的规范要求，用特殊的测量工具测量形状的数据，和安全的的要求相对比，这样就有效的减少由于肉眼无法观察所带来的弊端。从而这样就可以做到一些预防措施。自动车钩零件表面的破坏由于长期的使用，并且是在各种不同的环境在运用，就算是再强的钢材也会由于电化学的腐蚀、化学腐蚀和表面的磨损，对零件的表面造成破坏。这样也会使零件的机械性能渐渐的不能达到规定的要求。这就需要日常的养护，以及及时的更换。电化学的侵蚀主要是由于自动车钩的接地线的影响，一般情况下电化学的侵蚀不会很严重的，因为自动车钩上面本身就带有两个接地线缆。而对于化学腐蚀，影响是同表面的磨损一样的危害。钩头的前端面是要求比较高的，应为自动车钩是安装有电气连接装置和空气管路连接装置，只有在来那个车钩按照规定的要求紧密的连接在一起才会满第18页共23页足这些装置的正常连接。同样对表面要求较高的还有连杆的两端，和吊板的各个配合位置。由于长期的使用，这些在使用中不断经受拉压的的部件表面，除上述提及的原因之外，还会由于接触的疲劳产生表面的破坏。这样同样会影响车钩连接的紧密程度，如果不能达到要求，也会影响车钩其他连接装置的可靠性和连杆的稳定性。自动车钩在运用过程中的表面破坏问题，主要是在日常的维护和检修中来解决。要求对机械钩头的部件进行清洁和检查，包括：连杆、连杆销、吊板、中心轴销、导杆、棘爪和拉伸弹簧。及时更换拉伸弹簧。对吊板、连杆和中心轴销进行磁粉探伤和其他无损探伤。重新油漆各个零件的表面。在车钩的重要位置和关键部件涂抹TOP—2000o这样就能有效的减少由于污物粘附在车钩上所产生的腐蚀。机械故障自动车钩是一个活动的装置，在重联动车组使用时，需要保证其机械运动的规范性，当装置出现故障时，则不能完成规定的活动要求。以下对车钩的连挂、解钩以及空气连接的故障进行分析。连挂故障重联动车组连挂时的自动车钩的连挂故障一般会有以下情况：①连挂要求的最低速度未达标；②车钩前端面有污垢或者其他的障碍物；③凸锥上的障碍物；④导杆出卡死；⑤接地开关故障；⑥棘爪损坏。如果是出现连挂的速度要求不达标的故障，则需要亮列车驶离Im的位置，然后将列车的速度调整到0.6km/h,重新进行连挂。如果无法还是无法连挂，贝U可以确认是其他部件的损坏或者是失效。车钩前端面板的障碍物，一般是由于二级修时没有清理干净，但也不排除是由于在运行过程中才附着上的障碍物。这种故障的处理是将两列车驶离开后清理掉障碍物后重新按照要求进行连挂。凸锥上的障碍物与面板上的障碍物有相似处，可能不同的是凸锥处容易是一些坚硬的障碍物卡在上面，如果没有影响到凸锥的形状要求，就能及时的就地处理，并重新连挂即可。如果是损坏了凸锥的形状，并且导致不能推开导杆不能正常连挂，就需要返回动车运用所进行处理。如果是钩锁过紧，就在棘爪和导杆时间加润滑物，满足要求即可。在这些故障当中，除了导杆和棘爪的故障之外，都是较容易解决和预防的，所以可以就地解决。但如果出现导杆和棘爪的故障，就需要返回动车运用所进行及时的更换或者其他排除故障的处理。第19页共23页车钩的连挂故障不是什么大的故障，不会带来安全事故，给旅客的人生安全带来威胁。但是会影响东动车组正常的使用和调度，耽误时间，增加调度的任务。因此在日出厂的维护是，要做到细致，保证障碍物清理干净