基于SolidWorks的和諧型電力機(jī)車二系圓簧仿真分析

皮優(yōu)政

摘要：廣州機(jī)務(wù)段庫內(nèi)整備檢修作業(yè)時，多次發(fā)現(xiàn)和諧型電力機(jī)車二系圓簧斷裂故障。本文基于三維建模軟件SolidWorks對某和諧型電力機(jī)車二系高圓螺旋彈簧建模，利用軟件中的simulation工具對模型進(jìn)行有限元分析。通過分析計(jì)算圓簧的靜態(tài)特性和動態(tài)特性得到了二系圓簧動剪應(yīng)力分布特征。其仿真結(jié)果與實(shí)際圓簧普遍故障處所吻合度較高，說明了圓簧出現(xiàn)故障的原因，為以后機(jī)車二系圓簧的改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SolidWorks;二系圓簧;動應(yīng)力;有限元分析

Abstract： During the reconditioning and maintenance in the depot of guangzhou locomotive depot， the secondary spring fracture fault of harmony electric locomotive was found many times .Based on the 3d modeling software SolidWorks， this paper modeled the high-circle helical spring of a harmonious electric locomotive， and made finite element analysis of the model with the simulation tool in the software.By analyzing and calculating the static and dynamic characteristics of spring， the dynamic shear stress distribution characteristics of secondary spring are obtained.The simulation results are in good agreement with the general fault location of the actual spring， and the reasons for the failure of the spring are explained，thus，more references will be provided for the improvement of the second series round spring.

Key words： SolidWorks;secondary sprin;dynamic stress; finite element analysis

0? 引言

和諧型電力機(jī)車的二系懸掛為“高圓螺旋彈簧+二系垂向油壓減震器+二系橫向油壓減震器”結(jié)構(gòu)。和諧型電力機(jī)車每個轉(zhuǎn)向架上對稱布置了6個二系圓簧，每側(cè)有3個。12個二系圓簧幾乎承載了整個上部車體的重量。作為整個上部車體的衰減緩和振動的減振裝置，二系圓簧的質(zhì)量對機(jī)車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性有重大影響。

二系圓簧的主要失效形式是疲勞破壞[1]，從而引起斷裂。引起疲勞斷裂的因素有很多如自身的諧振、彈簧的材料、高速沖擊載荷及車體重量等等。如圖1所示為某和諧型機(jī)車二系圓簧斷裂現(xiàn)象。隨著我國鐵路交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，對機(jī)車運(yùn)行的安全性要求越來越高，圓簧的設(shè)計(jì)必須滿足大承載、長壽命和高性能等要求。圓簧失效一般是在行車過程中出現(xiàn)的，因此研究圓簧的動應(yīng)力是非常有必要的。

彈簧的各項(xiàng)性能試驗(yàn)一般要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，時間周期長，成本高。有限元分析法是彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化比較快捷可靠的一種方法，節(jié)省大量的時間與成本。本文通過SolidWorks軟件對二系圓簧進(jìn)行三維建模[2]，然后通過軟件中有限元分析工具simulation對圓簧進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)應(yīng)力分析，與現(xiàn)場結(jié)果作比較，證明了仿真結(jié)果的正確性。

1? 計(jì)算模型

和諧型電力機(jī)車二系圓簧制造工藝都是將彈簧鋼棒料熱卷而成[3]，卷成后每端各有3/4圈并緊且磨平，工作時不參與形變只起支撐作用，稱為支撐圈。支撐圈的厚度由5mm到簧條直徑逐漸螺旋增大，并與相鄰的工作圈并緊，從而避免圓簧端部局部應(yīng)力集中。圓簧端部磨平并緊示意圖如圖2所示。

根據(jù)機(jī)車二系圓簧的實(shí)際安裝情況，上部安裝于車體彈簧座內(nèi)，下部安裝于轉(zhuǎn)向架彈簧座內(nèi)，起到支撐車體的作用。在圓簧兩端分別建立彈簧座模型，圓簧支撐圈與彈簧座平面貼合，以保障圓簧受垂向力的作用。某和諧型電力機(jī)車二系圓簧簧條直徑為50mm，中徑為250mm，自由高為560mm，有效圈數(shù)為6.5。其三維模型如圖3所示。在模型分析中，在下安裝座施加全約束，在上安裝座施加耦合約束。利用SolidWorks中的simulation工具對三維模型進(jìn)行離散，其中包括單元數(shù)25334個，節(jié)點(diǎn)數(shù)13988個，其有限元模型如圖4所示。

2? 靜態(tài)分析

2.1 彈簧剛度與應(yīng)力理論計(jì)算

機(jī)車圓簧的材料必須要有足夠的強(qiáng)度和韌性，良好的熱處理性能，一般為52CrMoV4合金鋼，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圓柱螺旋彈簧在受到軸向力的作用時會產(chǎn)生兩種剪應(yīng)力[4]，一種是直接由剪力產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ1，另一種是由剪力產(chǎn)生的力矩引起的剪應(yīng)力τ2。

2.2 彈簧剛度與應(yīng)力仿真計(jì)算

每臺機(jī)車共有12個二系圓簧，車體上部總載荷平均分配到每個圓簧上。在仿真模型中，在下安裝座施加全約束，在上安裝座施加極限載荷Fmax為48200N，其位移仿真結(jié)果如圖5所示，其剪應(yīng)力仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖5可知最大位移量為122.3mm，代入方程F=KX即可求得仿真模型圓簧剛度K。由圖6可知最大剪應(yīng)力發(fā)生在與頂部支撐圈連接的第一個工作圈的內(nèi)側(cè)，最大剪應(yīng)力為467.2MPa。圓簧剛度與剪應(yīng)力的理論結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析如表2所示。由仿真結(jié)果可知，有限元仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果非常相近，說明本文建立的有限元模型是合理的。同時也證明SolidWorks仿真計(jì)算具有非常高的精度，可以滿足各類工藝要求。

3? 動態(tài)分析

機(jī)車實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜多變，輪軌之間的垂向振動屬于圓簧外部的高頻激勵。圓簧由合金鋼制成，也有其固有頻率。在機(jī)車高速運(yùn)行時，固有頻率與外部激勵會產(chǎn)生共振，其應(yīng)力也會發(fā)生變化。研究表明，某和諧型電力機(jī)車在持續(xù)速度（80Km/h）運(yùn)行時，輪軌之間會產(chǎn)生50～70Hz的高頻振動激勵[5]，與圓簧一階彎曲扭轉(zhuǎn)的頻率相近，此時圓簧會產(chǎn)生共振。

為研究圓簧共振時簧絲上的應(yīng)力分布情況，在圓簧仿真模型上安裝座加最大48200N垂向載荷，在下安裝座加幅值為10mm，頻率為60Hz的正弦位移載荷。其正弦位移激勵公式為X=X0sinωt，激勵圖譜如圖7所示。

利用simulation的圖解工具提取最大剪應(yīng)力處的簧絲截面圖，如圖8所示。由圖8中可知，從外表面到內(nèi)表面，剪應(yīng)力先減小后增大，到內(nèi)表面為最大。彈簧鑄造時，螺旋角會使彈簧內(nèi)外表面產(chǎn)生一個彎矩，內(nèi)表面彎矩與垂向載荷疊加使內(nèi)表面應(yīng)力增大，外表面彎矩與垂向載荷抵消使外表面應(yīng)力減少。最大剪應(yīng)力為839.6Mpa，幾乎比靜態(tài)最大剪應(yīng)力增大了一倍。52CrMoV4合金鋼的最小屈服強(qiáng)度為1300Mpa，也說明彈簧設(shè)計(jì)的合理性。

利用simulation的圖解工具提取圓簧內(nèi)表面在第10個位移波峰時的動剪應(yīng)力，如圖9所示。由圖9中可知，動剪應(yīng)力呈波浪式分布，即每一圈有一個動剪應(yīng)力的集中點(diǎn)，大概在0.5倍圈處，動剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距頂部1.5圈位置。

由圖9可知，在60Hz的高頻激勵下，最大動剪應(yīng)力是最大靜剪應(yīng)力的1.8倍。圓簧內(nèi)表面1.5～1.7圈的動剪應(yīng)力最大，機(jī)車運(yùn)行時容易出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。仿真結(jié)果與現(xiàn)場二系圓簧疲勞斷裂現(xiàn)象吻合度較高，證明仿真結(jié)果的正確性，為圓簧的優(yōu)化提供了參考依據(jù)和分析方法。

4? 結(jié)束語

和諧型電力機(jī)車二系圓簧發(fā)生疲勞斷裂處所具有一定的規(guī)律性，本文基于SolidWorks對二系圓簧三維建模和有限元分析。通過對模型的靜態(tài)、動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)了機(jī)車在運(yùn)行中圓簧存在動剪應(yīng)力，最大動剪應(yīng)力幾乎是最大靜剪應(yīng)力的2倍。仿真結(jié)果與現(xiàn)場結(jié)果吻合度較高，圓簧內(nèi)表面距頂端1.5圈處易發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象，證明了仿真結(jié)果的正確性，為以后機(jī)車圓簧的優(yōu)化提供了研究方法。

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