JC-17B型移動式架車機傳動裝置優(yōu)化設(shè)計

陳紅英， 張士強

（1.唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司，河北唐山063300；2.唐山學(xué)院機電工程系，河北唐山063000）

JC-17B型移動式架車機傳動裝置優(yōu)化設(shè)計

陳紅英1， 張士強2

（1.唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司，河北唐山063300；2.唐山學(xué)院機電工程系，河北唐山063000）

架車機是動車組檢修基地必備的大型關(guān)鍵裝備之一，目前以手動移動式架車機的使用最為普遍。移動式架車機主要由機體、傳動裝置、托頭部分、走行裝置等部分組成。傳動裝置作為其重要組成部分，它的安全性、平穩(wěn)性對整個設(shè)備的工作性能起著重要作用。文中運用現(xiàn)代設(shè)計方法，利用Pro/E、ANSYS等現(xiàn)代工程軟件平臺，對JC-17B型移動式架車機的傳動裝置進行屈曲模態(tài)分析，完成架車機傳動裝置的優(yōu)化設(shè)計，為今后各類架車機的研制、技術(shù)改造和設(shè)備更新提供可靠的設(shè)計依據(jù)。

架車機；傳動裝置；屈曲模態(tài)；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

動車組按規(guī)定進行檢修是保證安全運行的重要工作。在檢修基地集中檢修是我國高速動車組檢修所采用的主要模式［1］。而架車機是動車組檢修的主要設(shè)備［2］。目前，國產(chǎn)高速動車組有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5 4種車型，各車型的技術(shù)參數(shù)不同。為滿足動車多種車型檢修，架車機必須具有良好的可靠性和兼容性。JC-17B型移動式架車機是經(jīng)常采用的動車架車設(shè)備，可以同時實現(xiàn)8輛編組和16輛編組的架車作業(yè)。為了提高效率，對其進行了部分結(jié)構(gòu)改造，托頭部分伸縮采用了電動推桿，行走裝置采用電機拖動，同時原動機從傳統(tǒng)的頂部安裝改裝到底部安裝，方便架車機的維修。其中傳動裝置是其重要組成部分，特別是傳動絲杠的安全性、可靠性對整個設(shè)備的工作性能起著重要作用。目前機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化由以前的經(jīng)驗、類比、靜態(tài)設(shè)計階段，步入了建模、優(yōu)化、動態(tài)設(shè)計階段［3～7］。因此本文利用Pro/E、ANSYS等現(xiàn)代工程軟件平臺，對JC-17B型移動式架車機絲杠進行屈曲模態(tài)有限元分析，完成架車機傳動裝置的優(yōu)化設(shè)計，改善架車機的工作性能，為今后各類架車機的研制、技術(shù)改造和設(shè)備更新提供可靠的設(shè)計依據(jù)。

1 傳動裝置建模

傳動裝置作為架車機工作的主要機構(gòu)之一，主要包括傳動絲杠、傳動螺母、安全螺母、軸承等部件。整個裝置采用絲杠傳動，保證傳動的平穩(wěn)性和架車過程的同步性。裝置配有安全螺母來防止傳動螺母發(fā)生意外。本裝置采用絲杠螺旋傳動，傳動平穩(wěn)。配合軸承、套筒等零件建立整個傳動裝置的實體模型。傳動裝置的裝配圖如圖1所示。

圖1 架車機傳動裝置基本結(jié)構(gòu)

2 絲杠屈曲模態(tài)分析

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)，首先進行帶預(yù)應(yīng)力的靜力分析，屈曲分析的模型采用絲杠靜力分析的模型。設(shè)定分析類型為Static，分析選項中打開預(yù)應(yīng)力按鈕，在絲杠一端添加約束，在另一端施加100 Pa的載荷（這里不必要添加實際載荷，因為后面得到的特征值實際是個系數(shù)，要乘以這里所添加的載荷數(shù)值才是最終的屈曲特征值，所以為了后面的方便通常在這里添加單位載荷，即如10/100/1000/10000……），與靜力分析一樣點擊solve> CurrentLS進行帶預(yù)應(yīng)力的靜力求解。設(shè)定分析類型為Eigen Bucking；屈曲分析選項為Block Lanczos，屈曲階數(shù)為10；點擊solve>CurrentLS進行特征值屈曲求解。列表顯示各階屈曲載荷的特征值，從而得到臨界載荷，其結(jié)果如圖2。

圖2中TIME/PREQ下面對應(yīng)的數(shù)值表示載荷放大倍數(shù)，原模型施加的是100個單位載荷，所以該放大倍數(shù)乘以100就表示歐拉臨界載荷。結(jié)構(gòu)的屈曲分析特征值第1、2階相差不大；第3、4階相差不大；依次類推，這是因為絲杠除鍵槽部分外橫截面為圓形，兩個方向慣性矩相等，它們之間的差異是由鍵槽部分引起的。

由屈曲分析特征值得到各階臨界載荷，如表1所示。

表1 屈曲分析各階臨界載荷

由此可知隨階數(shù)增加，屈曲臨界載荷逐漸增大，即最小的屈曲臨界載荷是1階屈曲載荷，最小值為34.92 MPa，而絲杠所受載荷為35.1 MPa，大于最小臨界載荷，因此絲杠在工作過程中受壓會發(fā)生屈曲。因此設(shè)計時應(yīng)改善絲杠的受力情況，傳動裝置采用將電動機置于絲杠下端的傳動方式，上端采用止推軸承，使絲杠在工作過程中所受力為拉力，以此來防止絲杠在工作過程中發(fā)生屈曲。

3 傳動絲杠的優(yōu)化設(shè)計

圖3 優(yōu)化前等效應(yīng)力云圖

圖4 優(yōu)化前絲杠應(yīng)變云圖

優(yōu)化前絲杠的等效應(yīng)力云圖如圖3所示，最大等效應(yīng)力為53.7 MPa。圖4為優(yōu)化前絲杠的應(yīng)變云圖，最大應(yīng)變?yōu)?.27 mm。表2為定義優(yōu)化變量，表中R為絲杠的半徑，VONSTRESS 為絲杠所受的等效應(yīng)力，V指的是絲杠的體積。

圖5為各參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)的迭代過程。帶“*”為最優(yōu)結(jié)果。第三次迭代最優(yōu)：R=0.037 m，體積為0.011 06 m3。

圖6、圖7、圖8分別為半徑、體積及應(yīng)力迭代過程。圖9中最大等效應(yīng)力為46 MPa。圖10中最大變形為0.016 5 mm。表3為優(yōu)化前后各數(shù)據(jù)對比情況。采用參數(shù)化實體模型的優(yōu)化方法對絲杠進行優(yōu)化，使十分艱巨的工作變得簡單、直觀、高效。絲杠的直徑減小了6 mm，體積減小了12.5%，從而降低重量，節(jié)約材料，節(jié)省成本。絲杠的等效應(yīng)力降低了14.3%，應(yīng)變也顯著降低，使裝置的工作穩(wěn)定性、安全性得到提高。

表2 定義優(yōu)化變量

圖5 迭代過程

圖6 設(shè)計變量R的迭代過程曲線

圖7 目標(biāo)函數(shù)隨設(shè)計變量的迭代過程

圖8 狀態(tài)變量隨設(shè)計變量的迭代過程

4 結(jié)論

圖9 優(yōu)化后絲杠的等效應(yīng)力云圖

圖10 優(yōu)化后絲杠的應(yīng)變云圖

本文對架車機傳動裝置進行三維造型，對關(guān)鍵零件原絲杠進行了屈曲模態(tài)分析，采用使絲杠受拉的方式來改善絲杠受力狀況，并利用ANSYS軟件對關(guān)鍵零件機架絲杠進行了優(yōu)化。實踐證明，基于以上優(yōu)化方法研制的移動架車機在實際運行當(dāng)中效果很好。

表3 優(yōu)化前后各項數(shù)據(jù)對比

［1］ 喻貴忠，劉廣丹，等.國產(chǎn)動車組新穎架車機［J］.機車電傳動，2010（1）：37-41.

［2］ 丁輝.現(xiàn)代城軌車輛檢修工藝裝備綜述［J］.鐵道機車車輛，2007（6）：30-33.

［3］ 卜庭春，李向東，李水水，等.基于ANSYS的橋式起重機卷筒優(yōu)化設(shè)計［J］.煤礦機械，2011（12）：43-45.

［4］ 徐鵬，王年，張帥.基于ANSYS的直線滾動導(dǎo)軌模態(tài)分析［J］.煤礦機械，2011（7）：84-86.

［5］ 楊春暉，王建國，李京山等.基于液壓仿真和有限元的試驗設(shè)備關(guān)鍵零件優(yōu)化設(shè)計［J］.機床與液壓，2012（10）：84-86.

［6］ 石琴，盧利平.基于有限元分析的發(fā)動機罩拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2009（6）：31-33.

［7］ 陳新，何杰．基于動力學(xué)特征的磨床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局設(shè)計［J］.制造技術(shù)與機床，2001（2）：21-22.

（編輯立 明）

Optimization Design of Transmission Device on the JC-17B Mobile Lifting Jack

CHEN Hongying1,ZHANG Shiqiang2
（1.Tangshan Keyuan Environmental Protection Equipment Co.,Ltd,Tangshan 063000,China;2.Department of Electromechanical Engineering,Tangshan College,Tangshan 063000,China）

Mobile lifting jack is one of the large-scale key equipment to CRH train overhaul base,at present the manual mobile lifting jack to use the most general.Mobile lifting jack consists of main frame,transmission device,a head supporting portion,a walking device and other components.Transmission as its important component,its safety stability of the equipment performance plays an important role,This is the use of modern design method,using Pro/E, ANSYS and other modern engineering software platform,to do modal analysis of buckling for transmission device on JC-17B mobile lifting jack,complete the transmission design optimization,for the future of all types of mobile lifting jack development,technological transformation and equipment renewal provides a reliable basis for the design.

mobile lifting jack;transmission;buckling mode;optimization design.

TH 122

A

1002－2333（2014）05－0140－03

陳紅英（1973—），女，工程師，主要研究方向為機械設(shè)計、產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計，煤氣發(fā)生爐研發(fā)；張士強（1974—），男，副教授，碩士，主要從事非標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計及發(fā)動機配氣系統(tǒng)研究。

張士強，zsq933@126.com.

2014-02-25