CRH1A型动车组自动车钩工作原理及故障分析Word文档格式.docx
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年月日
毕业设计(论文)任务书
班级2008级铁道车辆学生姓名李富国学号
发题日期:
2012年2月27日完成日期:
毕业当年的6月15日
题目CRH1A型动车组车自动车钩工作原理及故障分析
1、本论文的目的、意义目前,我国铁路正处在高速发展阶段,动车组在引进加拿大、德国、法国、日本的技术后,通过消化、吸收,已逐渐掌握了关键技术,并设计、生产了拥有自主知识产权的动车组。
而动车组投入商业运营的时间不长,需要监测各运行阶段的状态,发现运行中出现的问题。
自动车钩是用于多重列车车组的编组连接,其可靠性是行车安全的保障,因此有必要对其工作原理和检修记录进行分析,找出故障及其原因,提出解决方案,以确保运行的安全。
2、学生应完成的任务通过对CRH1A型动车组的自动车钩工作原理、载荷传递、运行情况进行分析,列出常见故障,并分析其原因,提出解决方案。
具体任务如下:
(1)毕业论文一本;
(2)六千外文字符的翻译;
(3)绘制CRH1A型动车组自动车钩的三维图;
(4)使用软件对CRH1A型动车组自动车钩的强度进行计算与校核。
3、论文各部分内容及时间分配:
(共16周)
第一部分收集资料及实习,确定设计思路和设计方法(2周)
第二部分完成六千外文字符的翻译(1周)
第三部分分析CRH1A型动车组自动车钩的运用情况及常见故障(1周)
第四部分分析CRH1A型动车组自动车钩的构造与工作原理(2周)
第五部分分析自动车钩的载荷传递情况,并确定其载荷值(1周)
第六部分绘制自动车钩三维图(2周)
第七部分利用软件对自动车钩进行强度计算与校核(3周)
第八部分提出CRH1A型动车组自动车钩的故障解决方案(2周)
第九部分毕业论文的书写(2周)
备注参考文献:
(1)《车辆工程》;
(2)《CRH1A型动车组》;
(3)《机械设计》;
(4)《动车组牵引与制动》;
(5)《高速动车组总体及转向架》
指导教师:
年月日
审批人:
年月日
摘要
CRH1A型动车组自动车钩通常用于连接两列短编动车组,承受来自列车的纵向作用力,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;
工作原理;
强度;
故障
Abstract
TheEMUCRH1AtypeautomaticcouplerisusuallyusedtoconnecttwoshortcompilationofEMU,andtowithstandthelongitudinalforcesfromthetrain.ItsperformanceisrelatedtothesecurityandsmoothofthetypeofCRH1A.Maintenancestaffshouldbefamiliarwiththeautomaticcouple’sstructureandworkingprinciple,andanalysisitsfailuretoseekasolutiontothefailure.
ThispaperanalyzestheEMUCRH1Atypeautomaticcouplermechanicalconnection,electricalconnectionsandairpipetoconnectthemaincomponentsofthestructureandfunction,tobehung,connectinganduncouplingtri-statetheroleofthehookofthereconciliationworksaswell,andthenthepaperhasdrawntheautomaticcouplerCRH1AtypeEMUthree-dimensionalshape.Thepaperhasfinitedelementanalysissoftwaretoestablishthemainlyaffectedcomponent’sanalysismodeltocalculatethestaticstrengthintheprovisionsofthetwoconditions,obtainedbycalculatingthestresscomponentsandtheirlocations,whereproblemsmayarise,Thenthispaperhasanalyzedtheautomaticcouple’s.Modalanalysisofthekeypartsoftheshellandinsidethehookhasbeendone,todeterminethecouplerdoesnotproduceresonance.Accordingtoitskeylocationpronetodifferentproblems,thefaultisdividedintobrittlefracture,mechanicalfailure,thefailureoftheuncouplingandelectricalfailureanalysis.Atlast,thepapergaveandgivesthecorrespondingsolutions,andprecautionsforroutinemaintenance.
Accordingtothetheoreticalanalysis,theEMUCRH1Atypeautomaticcouplerdesignflaw,aslongasroutinemaintenancetoensurecompliance,wecanguaranteethesecurityutilityoftheautomaticcoupler,therebyreducingtheincidenceofaccidents.
Keywords:
CRH1EMU;
automaticcoupler;
workingprinciple;
strengthchecking;
breakdown
第1章绪论
本文的背景与意义
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,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。
当然,任何设计都会出现问题,本文将对CRH1A自动车钩在运营过程中出现问题应用现有的资料和已掌握的知识和技能对其故障做一分析。
分析思路大致为:
先是对自动车钩的工作原理做介绍;
然后用CATIAV5R20和ABAQUS对自动车钩做强度和模态分析;
最后把分析的结论和现场运用过程中出现的故障进行对比分析,提出一些运行应注意的问题以及简单的设计要求。
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ASF·
Keystone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。
本文是除了本科毕业设计的一部分之外,还是作为成都铁路局实习的一部分。
从我国铁路大提速以来,经历的时间并不是很长,和谐号动车组开行时间就只有几年的时间,而国外已有很多年的经验。
国外的动车组上的自动车钩主要是沙库车钩,Deller车钩和日本的差事自动车钩,而CRH1A型动车组采用的车钩是Scharfenbergtype10型自动车钩,是相对于其他型号较为稳定的,没有在使用过程中出现大的故障,是很可靠的自动车钩。
目前CRH1A的使用已有3~5年的时间不等,已经机械设备故障的高发阶段,处于平稳状态。
成都铁路局管辖内成都-遂宁-重庆北高铁线路现阶段配属的动车组为CRH1A型动车组,旅客较多,因此,动车组重联的情况也就多了。
这样就要求在调度使用动车组是考虑整体的情况,使动车组所有的自动车钩都基本处于同一个使用状态。
这就需要我们掌握车钩在使用过程中的故障,或者是正常磨耗带来的影响,这样才能制定科学的调配制度。
本文就通过软件对实际问题进行论证分析,求证故障的根本原因,以提出科学的使用方法和规范的故障处理程序,以及预防故障应注意的地方。
以负责人的态度确保乘客以及列车的安全。
本文的主要内容
本论文主要是利用CATIA建立的CRH1A的三维模型,再用ABAQUS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。
本文的主要内容有几下几点:
(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;
(2)用CATIA软件对自动车钩的钩头做三维造型;
(3)用ABAQUS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。
第2章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。
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。
图2-1自动车钩总体图
1—车钩头2—解钩气缸3、13—空气管路连接4—空气管路连接5—电气钩头操作机构6—车钩钩身8—电气钩头15—空气管路件17—支撑18—电气部件25—空气管路件28—电气部件36—套筒连接43—接地电缆
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
图2-2车钩结构
a—凸锥(凹锥)b—车钩连接面c—连杆1—棘爪2—棘爪3—连杆销4—吊板5—中心轴销6—拉伸弹簧7—弹簧支座8—导杆9—车钩头体
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km/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,在本文的静强度校核中国,采用ZG35CrMo作为壳体(包括钩头体和凸锥面板)的材料选择。
这种材料是经过调质处理和表面喷丸,强度极限大于830MPa。
而钩头内部的钩锁铁都是采用的E级钢,材料的强度极限也不低于830MPa。
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kph。
图2-3车钩连接面
1—前接触面2—凸锥3—导向面4—凸锥5—.导向角臂(杆)
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。
如下图2-4所示自动车钩钩身的结构图:
图2-4钩身结构
1—板2—牵引杆3—橡胶环4—弹性板6—衬套16—衬套24—润滑油嘴25—防尘帽
26—盖30—锁紧垫片41—开口销85—气缸90—闭锁装置
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,车钩被推到底架内。
3.车钩支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。
4.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。
5.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,钩身将被其内部的一个闭锁栓锁住。
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。
图2-5自动车钩闭锁装置
2—栓;
3—中心销;
4—杆;
5—叉形头;
6—拉伸弹簧;
7—套管;
11—中心销;
12—中心销;
13—弹性圆柱销;
14—弹性圆柱销;
15—开口销;
16—滑动轴承;
17—消声装置;
20—气缸
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,如图2-5为自动车钩闭锁装置结构图。
解钩气缸
图2-6自动车钩解钩装置
1—气缸体2—气缸盖3—活塞6—压力弹簧8—O-型圈9—O-型圈12—六角螺栓14—沉头螺钉
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内部的后端。
在解钩过程中,它作用于吊板,是吊板转动,这样就是车钩的平行四边形受力结构脱离开来。
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。
图2-7缓冲装置示意图
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。
连接卡环
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。
图2-8卡环连接
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:
1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
接地线束包括直径500mm2的电缆。
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(如图2-9)。
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。
电气端头同自动车钩钩头的简介情况如图2-10所示。
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。
其中电气端头控制机构如图2-11所示。
图2-9电气端头示意图
图2-10电气端头控制机构侧视图
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
制动空气管路
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
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- CRH1A 车组 自动 车钩 工作 原理 故障 分析