一種機車用過分相傳感器安裝座結構優(yōu)化

劉海強++周光濱

摘 要：根據(jù)目前運行中過分相傳感器安裝座焊縫出現(xiàn)裂縫的情況，采用有限元分析軟件對其進行一系列主要性能的分析計算以優(yōu)化過分相傳感器安裝座結構。結果表明，改進后的過分相傳感器安裝座從理論上所受最大應力降低26.76%、沖擊應力降低22.06%、最大沖擊應變能降低55.46%，是一個比較合理的設計輸出。

關鍵詞：過分相傳感器安裝座；有限元分析；性能計算；結構改進

中圖分類號：U26 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0049-02

引言

在機車傳感器裝置中，過分相傳感器安裝座（下稱過分相）的作用是連接機車轉向架與過分相傳感器，并保證傳感器安裝的穩(wěn)定性，提高安裝座的耐交變應力性對機車運行過程中具有重大意義。

本文采用有限元對機車過分相的受力、變形量位移、沖擊應力、沖擊應變能方面進行分析計算，通過對可能的方案進行優(yōu)選，得到一個所受應力、沖擊應力、沖擊應變能均減小的過分相。

1 過分相各性能有限元分析計算

1.1 靜態(tài)分析

根據(jù)過分相藍圖建立過分相模型，其中板和連接板的材質為16MnDR，圓筒及筋板的材質為Q345E，焊縫的材料為焊絲G2Si。16MnDR的機械性能為：抗拉強度Rm=540MPa、屈服強度Rel=400MPa；Q345E的機械性能為：抗拉強度Rm=550MPa、屈服強度Rel=360MPa；焊絲G2Si的機械性能為：抗拉強度Rm=524MPa、屈服強度Rel=436MPa。

如圖1所示，過分相頂部孔所在平面及孔內表面為固定表面，過分相在靜態(tài)狀態(tài)下只受到底部連接板及傳感器的重力作用，受力為30N（下限30N）。對其進行受力分析，過分相受應力情況為：在靜態(tài)狀態(tài)下受到最大的應力為2.866MPa，處于下筋板與下連接板的焊接部位；最大變形量為1.095×10-3mm，處于下連接板底部，由此可知過分相在靜態(tài)狀態(tài)下受力情況遠低于零件的屈服強度（此焊縫等級為低級，根據(jù)EN15085要求，焊縫的屈服強度要求小于0.5倍焊縫材料屈服強度[1]，因此焊縫的屈服強度Rel=218MPa）。

1.2 疲勞分析

將模型介入100萬次循環(huán)疲勞破壞分析試驗，雖在靜態(tài)受力下過分相疲勞特征同樣是集中在底部連接板焊縫處，但過分相在靜態(tài)狀態(tài)下受100萬次疲勞破壞分析后依舊完好。

1.3 動態(tài)隨機震動分析

產(chǎn)品在運行過程中避免不了震動的影響，對其進行動態(tài)隨機震動分析，由分析結果可知就算是在動態(tài)隨機震動的情況下受到的應力為6.742MPa，乘以安全系數(shù)1.4（因隨機震動變形量小，選擇較小安全系數(shù)）計算后為10.787MPa，同樣低于材料的屈服強度。

1.4 動態(tài)沖擊及交變載荷分析

根據(jù)過分相在運行過程中開裂的情況及軟件模擬分析結果可知產(chǎn)品在靜態(tài)狀態(tài)及隨機震動之下不足以對產(chǎn)品產(chǎn)生破壞，于是考慮產(chǎn)品在隨車啟停過程中慣性力作用，此時便會對過分相頂板產(chǎn)生力矩，于是對過分相進行動態(tài)沖擊分析，分析結果為：過分相頂板上的4根筋板與板的連接處，因其受機車運行過程中的變速運動引起的動態(tài)沖擊影響，此處在動態(tài)沖擊中應力和應變能相對集中，此結構設計無法引導應力、應變能，在反復載荷作用下，可能產(chǎn)生裂縫，并與實際運行過程中開裂處一致。

2 過分相可行方案優(yōu)選

影響受應力零件（動態(tài)加載）的最多故障都是因于形狀有關的問題引起的，這些問題不但不能很好的引導應力，還可能引發(fā)應力的形成。于是，對過分相上的加強筋進行優(yōu)化，如圖2所示，將筋板斜邊處開400的圓弧（此處開400圓弧僅用于建立全局敏感度分析，無特殊意義）。然后將400圓弧尺寸介入模型全局敏感度分析，各方案參數(shù)詳見表1。

根據(jù)以上取點數(shù)據(jù)，并結合以下公式計算各優(yōu)化值進行比較，比較結果如表2所示。

最大應力（或最大沖擊應力）優(yōu)化值

最大變形位移優(yōu)化值

由以上分析可知，模型最大應力集中區(qū)域存在于模型下筋板端焊縫區(qū)，而模型最大變形位移存在于下板邊角區(qū)，由過分相實體圖可知（圖1），過分相下板處還連接有連接板，由于連接板的限制作用，實際中的變形量比理論計算的變形量還要小，由于目前過分相產(chǎn)品在機車的實際運行中，開裂處為上筋板與上板連接的焊縫區(qū)，因此沖擊應力的優(yōu)化結果應為主要參考因素，結合全局應力及變形位移，選擇圓弧320mm方案，并對其建立模型介入以上分析得出以下結果，將其得出的實際結果與原模型各量計算出的優(yōu)化值如表3所示。

由以上對比結果可知，優(yōu)化后最大沖擊應力及最大沖擊應變能優(yōu)化效果比較顯著，再將其介入1000萬次循環(huán)疲勞破壞分析試驗，同樣對疲勞破壞無影響。

3 結束語

通過對過分相結構的改進，與原結構相比最大應力降低26.76%，變形量減少1.28%，最大沖擊應力降低22.06%，最大沖擊應變能降低52.46%，由此可見改進模型筋板后能良好的傳遞沖擊應力及沖擊應變能，是一個合理的設計輸出。

參考文獻：

[1]EN 15085-3-2007鐵路上的應用-鐵路車輛及其部件的焊接第3部分：設計要求[Z].endprint