MT—2型緩沖器彈簧座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

摘 要：建立了MT-2型緩沖器彈簧座有限元模型，通過商業(yè)有限元分析軟件ANSYS對其進(jìn)行前、后處理和計(jì)算，分析得到彈簧座在車輛最大發(fā)生最大縱向力條件下的應(yīng)力分布云圖，并校核其強(qiáng)度。經(jīng)對結(jié)果的分析，彈簧座在緩沖器最大壓縮狀態(tài)時(shí)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵詞：MT-2型緩沖器；彈簧座；強(qiáng)度；有限元

中圖分類號：TG162.74

近年來，中國鐵路重載貨運(yùn)技術(shù)得到了快速發(fā)展，提速貨車技術(shù)得到了全面推廣應(yīng)用。車鉤緩沖系統(tǒng)是鐵路機(jī)車車輛連接與起緩沖作用的重要零部件，是降低列車縱向沖動(dòng)的核心部件之一。結(jié)合試驗(yàn)對緩沖器進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)分析，是改善緩沖器性能，避免行車事故的重要任務(wù)[1]。本文對MT-2型緩沖器的彈簧座進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，研究緩沖器完成緩沖作用時(shí)彈簧座的應(yīng)力分布，研究結(jié)論為緩沖器的技術(shù)改造和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 MT-2型緩沖器及楔塊概況

我國的緩沖器的應(yīng)用和研究，從建國初期的2號、3號緩沖器開始，先后開發(fā)了MX-1型橡膠緩沖器、MT-2型、MT-3型緩沖器以及大容量彈性膠泥HM-1型緩沖器等產(chǎn)品。緩沖器的容量水平從早期的20kJ、35kJ、50kJ提高到了100kJ。目前，我國鐵路貨車上裝用的緩沖器主要是2號、ST型及MT-3型、MT-2型緩沖器。

MT-2型彈簧式摩擦緩沖器由箱體、摩擦機(jī)構(gòu)和彈性元件組成，摩擦機(jī)構(gòu)采用兩楔塊、單壓頭帶兩動(dòng)板的摩擦機(jī)構(gòu)，彈性元件采用多組鋼彈簧組合，箱體不直接參與摩擦作用，緩沖器以預(yù)壓縮狀態(tài)交貨。MT-2緩沖器性能參數(shù)如表1所示。

表1 MT-2型緩沖器的主要技術(shù)參數(shù)

彈簧座是緩沖器摩擦機(jī)構(gòu)中的重要組件，上承緩沖器摩擦系統(tǒng)的沖擊，下接彈簧系統(tǒng)的緩沖，對其進(jìn)行力學(xué)分析具有必要的意義。

2 彈簧座的建模

采用美國ANSYS公司開發(fā)的大型商業(yè)有限元分析軟件ANSYS對彈簧座結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，該軟件可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題，因此它廣泛應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。

ANSYS中建立模型可以從低級單元到高級單元，即先建立關(guān)鍵點(diǎn)，然后由點(diǎn)連接成線由線圍成面，再由多個(gè)面組成的封閉的面生成體。也稱為從下至上的建模。另一種建模方式是從上至下建模，即直接生成體然后再根據(jù)波爾運(yùn)算將體剪接成想要的模型[2]。本文基于楔塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用的建模方式是從下至上建模，即先建立模型的關(guān)鍵點(diǎn)，再聯(lián)結(jié)成線、面，最后形成體模型。MT-2型緩沖器的彈簧座是1/4對稱結(jié)構(gòu)，因此對于整體模型可進(jìn)行1/4結(jié)構(gòu)簡化，其模型如圖1所示。

圖1 MT-2緩沖器彈簧座模型

彈簧座的受力面作用有垂直于法向的摩擦力，因此作用面剖分為surf154面單元（圖2）；彈簧座結(jié)構(gòu)劃分為solid95體單元（圖3），體單元在受力面處ANSYS按照受力面的網(wǎng)格進(jìn)行匹配劃分，體單元?jiǎng)澐值墓?jié)點(diǎn)數(shù)在17萬左右。

圖2 彈簧座受力面網(wǎng)格劃分

圖3 彈簧座的網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

彈簧座的材料為E級鋼，彈性模量為2.0611（GPa），泊松比為0.3。彈簧座的外載荷在《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中有規(guī)定，車輛最大縱向力為2500kN[3]，再根據(jù)力學(xué)分析得到彈簧座不同受力面上的載荷[4]，并施加到模型上。

彈簧座的應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力發(fā)生在彈簧座與楔塊的接觸面上，最大值為634MPa，小于E級鋼的屈服極限690MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖4 最大縱向力條件下彈簧座應(yīng)力分布

4 結(jié)論

有限元分析軟件ANSYS的應(yīng)用，使復(fù)雜的機(jī)構(gòu)模型得以力學(xué)求解。本文以有限元分析理論為基礎(chǔ)，利用ANSYS軟件建立了MT-2型彈簧摩擦式緩沖器彈簧座的有限元模型，并進(jìn)行力學(xué)分析，對緩沖器的強(qiáng)度做出評價(jià)。在緩沖器承受調(diào)車作業(yè)等強(qiáng)沖擊工況時(shí)，整車發(fā)生最大的縱向沖擊力，此時(shí)彈簧座最大應(yīng)力為634MPa，發(fā)生在彈簧座與楔塊接觸面位置，略小于E級鋼的屈服極限690MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。以上研究結(jié)果為彈簧座以及MT-2型緩沖器的改進(jìn)和更新設(shè)計(jì)提供強(qiáng)度數(shù)據(jù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[l]孫竹生，孫翔.組合列車斷鉤原因的列車動(dòng)力學(xué)分析[J].西南交通大學(xué)報(bào)，1987，4：1-2.

[2]王慶五.ANSYS 10.0機(jī)械設(shè)計(jì)高級應(yīng)用實(shí)例[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程（第三版）[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[4]李國軍.HM-1型緩沖器彈簧座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D].大連：大連交通大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文，2010.

作者簡介：張軍（1979-），男，遼寧省蓋州市人，講師，博士，研究方向：力學(xué)。

作者單位：大連交通大學(xué)遼寧省載運(yùn)工具先進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116028

基金項(xiàng)目：遼寧省高等學(xué)校科研計(jì)劃項(xiàng)目（LS2010030）；鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃課題（2012J012-F）。