基于ANSYS 的高速動車組制動控制裝置翻轉(zhuǎn)臺有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

江 濤

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)臺為固定式翻轉(zhuǎn)臺， 在固定式翻轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行整個制動控制裝置（大風(fēng)缸、氣路板、側(cè)護(hù)箱、下護(hù)箱等）的組裝。 當(dāng)制動控制裝置組裝完成后，會在制動控制裝置自動實(shí)驗(yàn)裝置上對整個制動控制裝置進(jìn)行試驗(yàn)，完成后將其存放到制動控制裝置成品區(qū)。 但是從固定式翻轉(zhuǎn)臺組裝到制動控制裝置成品區(qū)的過程比較復(fù)雜， 整個過程比較費(fèi)人費(fèi)時(shí)，很多地方工序重復(fù)，不符合精益生產(chǎn)的理念。 因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)移動翻轉(zhuǎn)臺。 本文主要基于ANSYS 有限元分析方法， 以鐵路相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為判定依據(jù)，對翻轉(zhuǎn)臺強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了移動翻轉(zhuǎn)臺。

1 翻轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)已有移動翻轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)， 在對其進(jìn)行改造設(shè)計(jì)后如圖1 所示，主要將其分為底座和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩部分，底座，見圖2，主要由左支架、右支架，底橫梁、腳輪、軸承座、萬向輪和驅(qū)動輪組成，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，見圖3，主要由左拉桿、右拉桿、上橫梁和吊桿組成。 其中左支架和右支架，見圖4，由左梁、右梁、頂梁和底梁組成。

圖1 移動翻轉(zhuǎn)臺Fig.1 Moving roll-over table

圖2 底座Fig.2 Pedestal

圖3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.3 Dumping gear

圖4 左支架和右支架Fig.4 Left and right stents

1.1 零件材料及連接

左梁和右梁，頂梁和底梁采用矩形型鋼；底橫梁采用方形型鋼；左拉桿、右拉桿和頂橫梁采用矩形型鋼；各型鋼材料采用Q235B 碳素結(jié)構(gòu)鋼；底座和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用軸承； 左右支架各零件之間和兩個吊桿和上橫梁主要采用焊接連接，左右支架和底橫梁、左右拉桿和上橫梁、腳輪萬向輪和左右支架連接采用螺栓連接。

1.2 零件尺寸及技術(shù)要求

根據(jù)實(shí)際使用翻轉(zhuǎn)臺的經(jīng)驗(yàn)、 制動控制裝置組裝要求及使用方便、 結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定及使用輕便等要求，確定移動翻轉(zhuǎn)臺各個零件的尺寸和技術(shù)要求。圖5 為吊裝制動控制裝置的移動翻轉(zhuǎn)臺，制動制動裝置通過螺栓與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的吊桿相連。

圖5 吊裝制動控制裝置的移動翻轉(zhuǎn)臺Fig.5 Moving roll-over table wit lifting btake control device

2 載荷強(qiáng)度分析

為保證其使用安全，需對移動翻轉(zhuǎn)臺強(qiáng)度進(jìn)行校核，使用ANSYS 有限元分析軟件對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。 選擇制動控制裝置在翻轉(zhuǎn)臺上出現(xiàn)應(yīng)力和變形最大的位置點(diǎn)（以翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)吊著制動控制裝置轉(zhuǎn)動位置為準(zhǔn)，垂直于水平面±90°、平行于水平面±0°），直接在吊桿上施加制動控制裝置的重量，焊接件和螺栓連接之間采用Bonded 綁定接觸模擬，腳輪和萬向輪固定不動進(jìn)行分析，其應(yīng)力和變形結(jié)果如圖6～13 所示。 從圖中可以看出，以上四種情況下的應(yīng)力和變形在安全值范圍以內(nèi)， 說明設(shè)計(jì)符合翻轉(zhuǎn)臺載荷強(qiáng)度的要求。

圖6 變形圖（翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)垂直于水平面90°）Fig.6 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane 90°）

圖7 應(yīng)力圖（垂直于水平面90°）Fig.7 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane 90°）

圖8 變形圖（垂直于水平面-90°）Fig.8 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane -90°）

圖9 應(yīng)力圖（垂直于水平面-90°）Fig.9 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane -90°）

圖10 變形圖（垂直于水平面0°）Fig.10 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane 0°）

圖11 應(yīng)力圖（垂直于水平面0°）Fig.11 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane 0°）

圖12 變形圖（垂直于水平面-0°）Fig.12 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane-0°）

圖13 應(yīng)力圖（垂直于水平面-0°）Fig.13 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane-0）

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動設(shè)計(jì)

通過現(xiàn)場測試現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)臺，可知翻轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，其滿足制動控制裝置的裝配要求， 因此新設(shè)計(jì)移動翻轉(zhuǎn)臺的翻轉(zhuǎn)裝置，見圖14，轉(zhuǎn)速也設(shè)定為相同轉(zhuǎn)速；通過電動機(jī)帶動移動翻轉(zhuǎn)臺的翻轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動，由無級變速器和蝸輪蝸桿減速器減速實(shí)現(xiàn)移動翻轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速。

圖14 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動電機(jī)安裝圖Fig.14 Dumping gear rotating motor installation diagram

控制電路設(shè)計(jì)：控制電路的電壓為220V，根據(jù)移動翻轉(zhuǎn)臺工作的特點(diǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動只需要正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動，所以控制電路設(shè)計(jì)如圖16 所示。 由圖16 轉(zhuǎn)動電機(jī)控制原理圖所示，合上總開關(guān)S，整個電路得電， 按下按鈕SB1，交流接觸器KM1 線圈得電，主觸點(diǎn)閉合，電機(jī)正轉(zhuǎn)，常閉觸點(diǎn)斷開，反轉(zhuǎn)電路失電，防止電路短路；按下按鈕SB2， 交流接觸器KM2線圈得電，主觸點(diǎn)閉合，電機(jī)反轉(zhuǎn)，常閉觸點(diǎn)斷開，正轉(zhuǎn)電路失電。

圖15 電動機(jī)、無級變速器和蝸桿渦輪減速器Fig.15 The motor，non-polar transmission and worm gear reducer

圖16 轉(zhuǎn)動電機(jī)控制原理圖Fig.16 Control schematic diagram of rotating motor

4 翻轉(zhuǎn)臺移動設(shè)計(jì)

由圖17 移動翻轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)圖所示， 移動翻轉(zhuǎn)臺移動設(shè)計(jì)采用電動驅(qū)動輪帶動翻轉(zhuǎn)臺移動，驅(qū)動輪安裝在左支架前面的彎板下，彎板焊接在左支架的底梁上，拉動移動翻轉(zhuǎn)臺移動，在右支架安裝萬向腳輪通過扶手認(rèn)為控制移動翻轉(zhuǎn)臺的方向， 電動驅(qū)動輪由控制器和加速手柄控制。 最終使用狀態(tài)示意圖如圖18 所示。

圖17 移動翻轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)圖Fig.17 The design of moving roll-over table

圖18 移動翻轉(zhuǎn)臺最終狀態(tài)Fig.18 Final state of moving roll-over table

5 結(jié)論

經(jīng)過對高速動車組制動控制裝置翻轉(zhuǎn)臺進(jìn)行有限元分析，其結(jié)構(gòu)滿足安全要求；并優(yōu)化設(shè)計(jì)為移動翻轉(zhuǎn)臺，設(shè)計(jì)可行，穩(wěn)定性好，節(jié)省了很多人力和時(shí)間，提高了制動控制裝置生產(chǎn)效率。