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      30 t液 壓起道器底板的靜力有限元分析

      2011-05-12 07:59:56
      鐵道運營技術(shù) 2011年1期
      關(guān)鍵詞:機具油缸底板

      韓 鋼

      (上海交通大學動力工程學院,碩士研究生;上海理工大學附屬二廠,工程師,上海 200032)

      為使鐵路線路經(jīng)常保持良好狀態(tài),必須對其進行養(yǎng)護作業(yè)。而液壓起道器就是其中一種養(yǎng)護機具。液壓起道器的操作力比齒條式的小〔1〕,因此很受鐵路工務(wù)部門的青睞。隨著鐵路高速、重載運輸?shù)陌l(fā)展,線路鋼軌的質(zhì)量越來越大,這對起道器的起道能力提出了更高的要求。為適應這種變化,上海理工大學附屬二廠將所生產(chǎn)的YQD-245型液壓起道器起道噸位由25 t提到30 t。為保證起道器正常工作,底板必須具有足夠的強度和剛度以承受載荷。因此,為替代對底板進行加載試驗,在設(shè)計時有必要用有限元分析軟件ANSYS對底板進行靜力分析。

      1 液壓起道器底板簡介

      起道器底板的中間部分是油缸孔,在其中安裝油缸和活塞桿。在起道時,這部分承受來自鋼軌的所有壓力,因此是底板最主要的受力部位。由于要保持起道器的起道量,因此油缸孔相對于底板的上平面有24 mm的下沉量,這樣就造成了該截面為底板的危險截面,為底板是否達到設(shè)計要求的關(guān)鍵。

      2 有限元分析

      由于功能上的需要,底板的有些橫截面面積計算較復雜。而運用有限元分析軟件ANSYS對新設(shè)計的30 t液壓起道器底板特別是危險截面進行靜力分析,可以通過生成位移、應力圖來分析底板強度。因此,可替代對底板進行的加載試驗,并節(jié)省設(shè)計時間。其分析步驟主要有建立有限元模型、網(wǎng)格劃分、加載和求解。

      2.1 建立有限元模型由于經(jīng)簡化后底板的模型比較簡單且全為拉伸特征,因此可利用ANSYS軟件本身的建模功能,在ANSYS中直接創(chuàng)建實體模型。在建立底板的模型時,應簡化與計算無關(guān)的尺寸,并且不考慮拔模尺寸,取消鑄造圓角,這樣就使模型得到了簡化,也不會影響運算的精度。在這之后,對建立的ANSYS模型進行前處理。

      2.2 網(wǎng)格劃分由于有限元分析過程是將底板的模型離散化,確定邊界條件以及載荷后,要對離散化的每個節(jié)點進行計算,最后求出底板所受應力以及形變情況。

      2.2.1 定義單元屬性 底板材料是鑄鋼,其楊氏模量E=2×105N/mm2,泊松比為0.25。由于底板是具有一定厚度的三維模型,所以選擇10節(jié)點的三維實體單元SOLID92,以增加分析的準確性。

      2.2.2 執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)劃分 由于底板在建模時所采用的特征較簡單,但經(jīng)過這些特征組合后,底板特別是其頭部形狀較復雜,所以采用自由網(wǎng)格劃分法。并在油缸孔的受壓部位,進行細化處理,處理等級為2級。

      采用智能控制自由網(wǎng)絡(luò)劃分,并細化油缸孔處的網(wǎng)格整體模型網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果為17 068個單元,27 720個節(jié)點數(shù)。

      2.3 加載并求解

      2.3.1 加約束 按機具的使用情況,對底板的載荷及邊界條件進行簡化。

      機具在理論上應安放在地面上,但在安放起道器前需要將鋼軌下道砟清除,作業(yè)完后還要將這些道砟回填,所以起道器在實際使用過程中是安放在未清除的道砟上的。這樣不僅可以減少回填道砟的工作量,而且充分利用了機具的起道量提高起道效率。在這里考慮一種極端的情況,即起道器的底板只用頭部與尾部的一部分與道砟接觸,而且這2部分的面積相當小,以至于底板的兩端與道砟形成線接觸,即底板頭部與尾部的端線約束為ALL DOF(即全約束),而其余部分懸空,這樣底板所受彎矩最大,更可以檢驗底板的強度。

      2.3.2 加載荷 由于是液壓傳動,所以頂升力在整個運動過程中變化較小,可視為常數(shù),即壓力等于油缸所受載荷(30 t)除以油缸面積:采用φ90的油缸,壓力p=46.24 MPa。根據(jù)鐵道部標準TB/T 1578《液壓起道器通用技術(shù)條件》的規(guī)定:機具在承受1.2倍額定載荷時,機具零件無明顯的損壞或妨礙使用的變形。因此,還要對超載20%時的底板進行強度檢驗。2.3.3 求解 選擇軟件中的SOLUTION選項下的SOLVE選項,運行其下的CURRENT LS命令進行有限元分析,得出結(jié)果。

      3 結(jié)果分析

      對于底板的彎曲狀況,可通過計算得到液壓起道器底板的變形位移、應力分布情況。見表1。

      表1 位移、應力的最大值

      3.1 底板位移情況在超載時油缸孔處的位移量達到了1.308 mm,比底板受到額定載荷時的1.09 mm有所增加。這部分是危險截面,最容易發(fā)生破壞,與實際中起道器底板發(fā)生斷裂的位置一致??紤]到這是最壞情況,而且有時道砟的下降量也可能大于該值,所以該位移還是可以接受的。在圖1a和圖1b中也明顯看到了底板的變形,所以在此處強化底板的材料是必須的。

      圖1 底板位移分布圖

      3.2 底板應力情況經(jīng)ANSYS分析后,在額定載荷情況下,底板最大應力為0.604E10 Pa(E10表示1010),圖2a方框外部分的應力為0.280E07 Pa(E07表示107)。在超載情況下,底板最大應力為0.725E10 Pa,除圖2b中方框內(nèi)小部分外,其余部分的應力為0.336E07 Pa??梢姷装逯写蟛糠值膽Χ夹∮阼T鋼的屈服極限310 MPa。但在方框內(nèi)底板的最大應力超過了570 MPa的強度極限。這是由于建模時,將底板外形簡化,底板的中間加強筋以及四周建模時采用的均是尖角,因此底板這2處都有較大的應力集中。而實際的底板采用鑄造工藝,這2處全為圓角過渡,底板產(chǎn)生的應力和應變不會那樣大。而底板頭部與尾部只與道砟線接觸的情況,在實際操作中發(fā)生的可能性極少。所以,在底板頭、尾部端線以及中間加強筋處的大應力可以不用考慮。

      圖2 底板應力分布圖

      綜上所述,底板的強度已達到設(shè)計要求。

      4 結(jié)論

      分析應力應變的分布圖,不難發(fā)現(xiàn)在孔、尖角、轉(zhuǎn)折處有應力集中,這部分應盡量以較大的光滑曲面過渡,以降低應力集中,提高產(chǎn)品壽命〔2〕。應力應變分布圖表明,底板整體的分布比較均勻,油缸孔的應力小于材料鑄鋼的屈服強度310 MPa〔3〕,位移的最大值也符合產(chǎn)品的設(shè)計要求。

      采用有限元分析,與傳統(tǒng)的方法相比,極大地提高了分析精度,而且不用進行實物試驗,縮短了設(shè)計開發(fā)時間,并為進一步改進液壓起道器底板的結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

      〔1〕王野平,張文麗,鄭睿,等.齒條式起道器改進設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2003(1):53.

      〔2〕林正英,王野平.齒條式起道器機體的靜力有限元分析〔J〕. 機械研究與應用,2004(6):43.

      〔3〕成大先.機械設(shè)計手冊(第五版)〔M〕.北京:化學工業(yè)出版社,2008.

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