CRH3型动车组裙板挂钩故障分析及改进措施

李福禄，姜树学

（唐山轨道客车有限责任公司 制造技术中心，河北唐山063035）

CRH3型动车组裙板挂钩故障分析及改进措施

李福禄，姜树学

（唐山轨道客车有限责任公司 制造技术中心，河北唐山063035）

CRH3型动车组在武广客运专线运营已3年有余，随着高速动车组运行里程的增长，持续运营时间的增加，线路工况复杂程度的增大，车外部件承受着越来越严峻的载荷，一些部件结构的薄弱点逐渐暴露出来。同时由于维护工作存在一些不恰当的操作，造成了部分部件的损坏。以CRH3型动车组裙板安全挂钩为例，对在运营、维护中出现的断裂故障进行了描述和原因分析，根据有限元分析计算结果制定了结构改进措施和维护建议。

强度分析；动车组；安全挂钩

国内已开通的武广客运专线，气候条件差异大，桥梁、隧道众多，列车要持续高速运营上千公里，车下设备承受空气压力、轮轨相互作用以及车下设备的工作自激振动等因素引起的复杂交变载荷，且时常发生石头、冰块或其他物体与车下设备发生高速打击的意外情况，严重危及高速列车的运用安全。徐炼等［1］系统研究了高速列车车下悬挂结构优化设计方法，并首次实测出武广线的气动载荷数值和规律，本文结合复杂载荷条件下仿真计算分析，提出一种将裙板安全挂钩优化设计的结构。

1 故障描述

CRH3型动车组车下设备均集成到有足够强度的自身框架上，再通过弹性吊装座与车体底架通过螺栓连接。设备框架上部安装固定裙板安装座，安装座又通过裙板锁与裙板上部连接；设备框架下部通过安装角码先于底部横梁通过螺栓连接，再由底部横梁的折页结构与裙板下部连接，实现裙板在车下设备的固结。

裙板安全挂钩是在安装裙板过程中的一个工艺件，在松开裙板时起到防止裙板落下砸伤的作用，也可在安装维护过程中提供裙板的临时悬挂位置，减少对裙板锁的多次紧固等操作程序。在调试阶段和检修阶段都不可缺少。如图1所示。

截止2011年已更换故障裙板挂钩40余次。故障现象为挂钩与车体连接部位裂纹，如图2所示。根据售后反馈的车辆统计，更换平均走行公里数为860 015.43 km。

其中，制动阀板处裙板挂钩的故障率最高，占比54%；风管截断阀处次之，占比25%。而制动阀板处的裙板每次换闸片需开启，使用的频率也较其他的裙板高，说明裙板挂钩故障跟裙板的使用频率有关系。

2 原因分析

从制动阀板处裙板挂钩的故障率最高，风管截断阀处次之统计分析可以看出，裙板频繁开启部位的挂钩易发生裂纹。造成挂钩裂纹的原因与关闭过程中多次撞击挂钩有直接关系。如图3所示，在裙板关闭时，裙板上的限位杆，首先与挂钩的底部接触，此时如未事先将裙板挂钩手动抬起（挂钩不会因发生接触而自动或顺势抬起），裙板上的限位杆会直接撞击挂钩，超出铝制挂钩的弹性变形区而发生开裂。

针对此碰撞，建模后进行了有限元分析计算［2］，材料特性见表1。计算结果表明裙板在关闭时如果施加了除克服裙板自身重力之外的110 N的载荷（相当于仅11 kgf的力），挂钩的支座根部就已达到了材质的屈服极限，而发生塑性变形，甚至开裂，应力云图如图4所示，仿真计算撞击裙板挂钩工况下应力最大位置和开裂位置相吻合［4］。

经现场模拟，用力将裙板关闭，对挂钩实施碰撞时，挂钩支座确实发生变形，并影响到裙板正常关闭。

3 优化措施及效果验证

3.1 明确操作规程

针对裙板在操作过程中存在的撞击风险，补充细化了开、关裙板的操作规程，规定关闭裙板必须手动抬起安全挂钩，避免人为撞击造成损坏。

图5为裙板关闭过程示意图，阶段2到阶段3的过程需手动将挂钩抬起。

3.2 明确关键公差尺寸

针对裙板气动载荷进行了模拟仿真计算，计算结果表明在裙板锁锁闭情况下，裙板受到6 kPa载荷的情况下，挂钩位置附近裙板最大变形为1.528 mm，图6为裙板模块整体位移云图，图7为裙板在安全挂钩处的位移云图。经过武广线的气动载荷线路测试结果表明列车在最恶劣工况下，即隧道内以300 km/h以上的速度交汇时的裙板表面气动载荷压力差不到2 k Pa［1］。

根据计算结果，结合三维设计理论数值最小3 mm，规定了裙板挂钩与裙板之间的最小间隙2 mm。

3.3 优化挂钩结构

针对挂钩承受撞击能力不足的问题，优化挂钩结构，提高挂钩的强度。

（1）增大挂钩支座与底架边梁的接触面积；

（2）将挂钩支座与边梁的安装孔由开口U型孔改成封闭式长圆孔；

（3）将挂钩支座材质由铝合金改为不锈钢，厚度增加到4 mm；

（4）重新设计挂钩支座结构，由分体式改为整体式，根据受力情况调整结构。

改进后的挂钩如图8所示。通过模拟仿真计算，优化后的挂钩方案在施加784 N的载荷时，挂钩的根部最大应力为209.9 MPa，达到材料的屈服极限210 MPa，抗撞击能力提高700%，应力云图见图9。可有效防止裙板在开闭过程中，因误操作对挂钩撞击造成的开裂。

3.4 效果验证

对经过上述改进后的CRH3型动车组进行跟踪统计，在3个月的运营考核期内，没有再发生一起安全挂钩裂纹事故。

4 结束语

借助于ANSYS有限元分析软件，通过对动车组车下裙板安全挂钩进行强度分析和校核，基本得出了挂钩开裂故障的原因及其挂钩整体的应力水平及其安全余量，对挂钩结构的改进优化具有一定的指导意义。而对于车下部件而言，由于动车组高速运行过程中，设备承受振动、冲击、气动压力等交变载荷，其工况更加复杂恶劣。因此，整个结构的疲劳可靠性更是至关重要［5］，尤其是吊装结构疲劳寿命分析［6］。这些问题有待在今后工作中进一步探索和研究。

［1］ 徐炼，马纪军，范乐天，等.高速列车车下悬挂结构优化设计方法［J］.大连交通大学学报2012.333（5）：11-13，37.

［2］ 李黎明.ANSYS有限元分析实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［3］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1991.

［4］ EN 12663：2000《铁道应用—轨道车身的结构要求》.

［5］ 徐凤妹，劳世定.客车车下设备吊挂方式的研究［J］.铁道车辆，2009.47（4）：12-14，38.

［6］ 李晓峰，谢素明，时慧焯，兆文忠.车辆焊接结构疲劳寿命评估方法研究［J］.中国铁道科学，2007，28（3）：74-78.

Cause Analysis and Improvement of Safety Hook for CRH3EMU

LI Fulu，JIANG Shuxue
（Manufacture Technology Center，Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China）

CRH3EMUs have been operated more than 3 years in Wuhan-Guangzhou passenger line.With the increase of running mileage，sustained operation time and line condition complexity，the exterior components have suffered increasingly severe load，and the structure of some components has gradually exposed weak points.At the same time，some components are damaged due to the improper operation of maintenance work.Taking the skirt-board safety hook of CRH3EMU as example，this paper describes the rupture faults during operation and maintenance，analyzes the fault reason，and formulates the structure improvement measures and maintenance proposal according to the calculation results of finite-element analysis.

strength analysis；EMU；safety hook

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.05.19

1008－7842（2014）05－0074－03

3—）男，工程师（

2014－02－16）