CRH3车窗粘接强度试验工作车升降系统设计分析

杨宏泽，林奕含，王衍，于喜年

(大连交通大学 机械工程学院， 辽宁 大连 116028)

CRH3车窗粘接强度试验工作车升降系统设计分析

杨宏泽，林奕含，王衍，于喜年

(大连交通大学 机械工程学院， 辽宁 大连 116028)

为检测CRH3车窗粘接强度，设计了车窗粘接强度试验工作车，并借助ANSYS软件对升降系统关键部件的滚珠丝杠副进行受力分析.结果表明，滚珠丝杠副最大应力188.042MPa，小于所用材料许用应力值，满足强度要求；最大应变0.329，为弹性变形，满足刚度要求；丝杠丝母采用Gothic Arch式无间隙沟槽，刚度增强，最大接触应力12.66MPa，与理论计算值相当，接触应力沿滚道呈环形分布，满足接触强度要求；滚珠丝杠副三阶屈曲系数均大于2，试验工作车升降系统稳定性良好.

动车组；粘接强度；滚珠丝杠副；接触分析；屈曲系数；弹性变形

0 引言

CRH3型动车组作为我国自主研发的高速客运列车，其最高时速可达350 km/h，是目前世界上运行速度最快的列车之一[1].如图1为CRH3型动车组车体结构示意图.

图1 CRH3动车组车体结构图

车窗作为CRH3型动车组车体重要组成部件，与车体连接方式有多种，如采用弹性粘接剂连接、机械啮合固定连接及焊接等，目前粘接剂连接应用较为广泛，通过粘接方式可以利用位置设计和几何形状使车窗粘接面积增加[2]，从而提高动车组车窗的安装强度.图2为高速动车组车窗与车体粘接结构示意图.在列车高速运行时，尤其两车相互交会瞬间，由于风力及压强作用使车窗受到推(拉)力与剪切力作用，车体与车窗的粘接强度受到影响，甚至危及乘客人身安全，需要对车窗粘接强度进行试验检测.本文将针对车窗粘接强度试验工作车降系统中核心部件的受力展开分析.

图2 车窗粘接结构图

1 试验工作车结构

根据车窗及车体结构特点和试验环境等要求，设计多套试验工作车方案，要求其具有承载试验能力的同时具有移动及检测设备升降等功能.经过方案论证，采用滚珠丝杠副带动试验平台完成检测设备升降工作方案.图3、图4所示为试验工作车整体装配及车窗粘接强度检测示意图.

该方案由车体及轮系、液压站、传动及升降系统、检测设备、组合支架等部件组成.检测设备的作动器通过法兰螺栓与组合支架连接.当检测设备达到工作位置，由四组液压支柱(图中未示)支撑检测平台，并承受检测设备自重及试验动力的加载，以完成对试验平台的固定和结构加强.工作车底部配有牵引与转向机构，增加工作车移动运输的灵活性.

图3 工作车整体装配图

图4 车窗粘接强度检测示意图

2 传动及升降系统

传动及升降系统为车窗粘接强度试验工作车的重要部分，其中滚珠丝杠副为该系统的核心部件，起到平稳升降试验平台作用，滚珠丝杠副的选型设计及受力过程中应力、应变趋势、稳定性分析结果等关系到整个粘接强度试验的可靠性及试验数据的准确性[3].如图5所示为工作车传动及升降系统图.通过电机+RV减速器驱动涡轮升降机的滚珠丝杠副连接法兰，再通过螺栓与平台连接，并与四根垂向滑块导轨组合实现检测设备的上下垂直移位，完成试验平台升降工作.

该方案采用涡轮减速器中心驱动可保证两组滚珠丝杠副同步升降，且不易出现卡阻现象，比链传动效率高、传动比大，滚珠丝杠副的结构容易安装和操作[4].

图5 传动及升降系统图

3 滚珠丝杠副选择及有限元分析

滚珠丝杠副种类多，其应用场合也不同.根据本案特点，选择承载力大、传动平稳、运行精度高、自带升降功能的SWL滚珠丝杠提升机.经计算，选取丝杠Ф100 mm、螺距20 mm、滚珠SФ9.525 mm，滚珠与丝杠、丝母间采用运转精度高、接触刚度优良的无间隙Gothic Arch沟槽.滚珠丝杠副连接及固定形式如图6所示.因承受偏载作用，采用两端固定方式，以提高滚珠丝杠副的轴向力，增强丝杠刚度[5].滚珠丝杠副选用高碳铬轴承钢制造，其[σs]≥578.42 MPa，[σb]≥861.3 MPa，许用应力[σ]=440.79 MPa，高碳铬轴承钢如若经碳氮共渗后再淬火加低温回火处理，其屈服强度将是普通热处理三倍以上[6].滚珠丝杠副只承受工作平台及试验设备自重，故采用静力学方法，以简化受力分析过程.本文基于Hypermesh和ANSYS有限元分析软件，建立滚珠丝杠副传动系统有限元模型，分析滚珠丝杠副的应力、应变及稳定性.

图6 滚珠丝杠副连接及固定

3.1升降传动系统有限元模型建立

滚珠丝杠副承受工作平台及试验设备自重为3 t，考虑升降过程中动载不均匀情况，设定动载不均匀系数1.16，则当量载荷取3.48 t，对单一滚珠丝杠副施加1/2当量载荷.

应用Hypermesh软件对滚珠丝杠副进行细网格划分，整体结构以体单元Solid185模拟，单元数2 821 657，节点数549 625，滚珠与丝杠、丝母之间定义为接触关系，图7所示为其三维造型及有限元模型图，高强螺栓采用beam188单元进行模拟，在螺栓孔处建立刚性区域，释放rigid单元旋转自由度，并对网格模型进行质量检查，保证有限元计算分析精度.

图7 滚珠丝杠副三维造型及有限元模型图

3.2滚珠丝杠副强度、刚度分析

图8所示为升降状态下滚珠丝杠副各构件应力云图，最大应力188.042 MPa.由于试验平台是通过连接法兰与两组滚珠丝杠副的丝母螺栓连接而实现同步升降，对于单一滚珠丝杠副而言，丝母承受偏载作用，造成丝母应力分布不均匀[7]，图8(a)显示应力位置同时发生在丝母与法兰连接的螺孔边缘及与滚珠接触的滚道上,在升降系统上升阶段,单根丝杠承受偏载, 每个滚珠对丝杠滚道造成挤压形成点应力，所以对丝杠整体来说,应力分布不均匀；图8(b)所示其最大应力166.647 MPa；图8(c)所示滚珠最大应力188.042 MPa，发生在与丝杠丝母接触区域，形成由接触区域向周围扩散的应力云图，而且滚珠与丝杠、滚珠与丝母接触区域承受等同应力.

(a)丝母应力云图

(b)丝杠应力云图

(c)滚珠应力云图

滚珠丝杠副承受最大应力小于材料许用应力值，滚珠丝杠副选型合理，满足强度要求.图9为滚珠丝杠副各构件应变云图.图9(a)显示丝杠应变由下至上呈均匀递增规律变化，最大应变值为3.942×10-3、位置发生在丝杠与滚珠接触区域，应力值远小于材料屈服强度，为弹性变形；图9(b)、9(c)分别为丝母和滚珠的应变云图，其应变趋势与丝杠类同，由下至上呈均匀递增变化，应变值分别为0.329、2.79×10-3，其位置出现在滚珠与丝母接触区域.

(a)丝杠应变云图

(b)丝母应变云图

(c)滚珠应变云图

升降状态下滚珠丝杠副整体最大应变体现在丝母上，应变值为0.329.分析滚珠丝杠副应力发生位置，均在滚珠与丝母、丝杠接触区域，最大应力远小于所用材料的强度极限和屈服极限，所以应变为弹性变形，满足刚度要求.

综上分析，滚珠丝杠副的强度、刚度满足CRH3车窗粘接强度试验工作车设计要求.

4 滚珠丝杠副传动系统接触分析

丝杠、丝母及滚珠在试验工作车升降过程中，每个滚珠与丝杠、滚珠与丝母之间在滚道内为点接触，作用力在接触面上分布不均匀，易发生应力集中以及疲劳失稳现象[8].因此有必要对滚珠丝杠副进行接触分析.

4.1滚珠丝杠副接触对模型建立

滚珠外表面分别与丝杠外表面和丝母内表面接触，选取滚珠外表面为目标面，划分目标单元TARGE170，选取丝杠外表面和丝母内表面为接触面，划分接触单元CONTA174[9]，设置完成并检查接触单元CONTA174外法向，使其指向目标单元TARGE170.接触单元有限元模型如图10所示.

图10 接触对有限元模型

在丝杠丝母Gothic Arch沟槽起始面处利用CERIG命令通过约束方程定义刚性区域， 并对丝母上表面施加1/3当量载荷.试验工作车两组滚珠丝杠副承受载荷具有对称性，为简化分析过程，本文只对一组滚珠丝杠副进行接触分析.

4.2接触应力分析结果

经理论计算，滚珠与丝杠、滚珠与丝母接触应力σH均为12.1 MPa.图11、12分别为滚珠丝杠副接触应力、应变有限元分析云图.滚珠与丝杠最大接触应力为12.66 MPa，最大接触应变为1.426×10-3；滚珠与丝母最大接触应力为7.91 MPa，最大接触应变为0.735×10-3.滚珠丝杠副的接触应力在滚珠与丝杠、丝母接触处分布不均匀，接触应力集中，最大接触应力与理论计算值相近，所受应力表现为边缘效应[9].

如图11所示，接触应力云图表明滚珠与丝母内侧、滚珠与丝杠外侧接触应力呈环形分布.接触应力与理论计算值12.10 MPa相近，小于材料许用应力，满足接触强度要求.

(a) 滚珠与丝杠接触应力云图

(b) 滚珠与丝母接触应力云图

图12滚珠丝杠副接触应变云图，表明滚珠与丝杠外侧、丝母内侧滚道间为滚动接触，产生的挤压应变为弹性变形.

(a) 滚珠与丝杠接触应变云图

(b) 滚珠与丝母接触应变云图

5 升降系统屈曲分析

滚珠丝杠副为最易发生失稳部位[10].为验证升降系统的稳定性，避免滚珠丝杠副失稳现象发生，对升降系统整体进行屈曲分析.图13屈曲系数分析结果表明，发生一阶屈曲局部失稳位置在左侧滚珠与丝杠、丝母接触区域，二、三阶屈曲局部失稳均发生在右侧滚珠与丝杠、丝母接触区域.失稳分析云图显示各阶屈曲系数为负值，原因是屈曲载荷与实际载荷方向相反，重力载荷方向不存在反向可能，所以取其绝对值作为各阶屈曲系数并不影响屈曲分析的正确性.三阶屈曲系数均大于2，满足稳定性要求，本文略去各阶失稳分析云图.

图13 屈曲系数

6 结论

针对CRH3车窗粘接结构特点，设计了车窗粘接强度试验工作车，并借助ANSYS软件对升降系统进行受力分析.结果表明，滚珠丝杠副最大应力188.042 MPa，小于所用材料许用应力440.79MPa，满足强度要求；最大应变0.329，为弹性形变，满足刚度要求.由于丝杠、丝母采用Gothic arch无间隙沟槽制造工艺，丝杠选择两端固定模式，使其刚度增强、弹性变形减小，接触分析应力沿Gothic Arch沟槽呈环形分布，最大接触应力12.66 MPa，与理论计算值相当，满足接触强度要求；滚珠与丝杠、丝母为滚动接触，相互间挤压应变为弹性变形.对升降系统进行稳定性分析，发现发生局部失稳位置在滚珠与丝杠、丝母接触区域，且三阶屈曲系数均大于2，满足稳定性要求.

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DesignandReliabilityAnalysisofLiftingSystemofBondingStrengthTestCarForCRH3

YANG Hongze, LIN Yihan, WANG Yan, YU Xinian

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

This paper is targeted at design experiment bench used for detecting CRH3 window bonding strength, and analyzing the stress of the ball screw pair which is the key parts of the lifting system with the help of ANSYS software. The results show that the maximum stress of the ball screw appear is 188.042 MPa, which is less than the material allowable stress and consistent with the requirement of the strength. The maximal displacement is 0.329 mm, which is regarded as elastic deformation and consistent with the requirement of stiffness, and Gothic Arch screw nut is used to increase the stiffness. The maximum contact stress of 12.66MPa meets the calculation values, and contact stress assumes the circular distribution along the raceway and meets the requirement of contact strength. Three orders of bucking coefficients are larger than 2, and the lifting system of the experiment bench is stable enough.

emu; bonding strength; ball screw pair; contact analysis; buckling coefficient; elastic deformation

1673- 9590(2017)06- 0059- 06

2016-12-12

杨宏泽(1991-)，男，硕士研究生；

于喜年(1958-)，男，教授,硕士，主要从事机械装备设计理论及制造技术、大型工程吊装技术的研究

E-mailxny1960@163.com.

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