基于增材制造的F8分配閥中間體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱杰杰，李宗義

(蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著近些年中國鐵路的快速發(fā)展，乘坐高鐵動(dòng)車成為一種方便快捷的出行方式。雖然國家大力發(fā)展高速鐵路，但是很多地區(qū)仍然未覆蓋高鐵動(dòng)車。為解決這些地區(qū)旅客乘動(dòng)車出行的迫切需求，同時(shí)為提高既有線鐵路運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)和使用效率，利用既有線的運(yùn)輸資源和既有機(jī)車、客車的檢修資源，在中國鐵路總公司的統(tǒng)籌和指導(dǎo)下，中國中車集團(tuán)研制了CR200J型動(dòng)車組[1]。由于運(yùn)行速度的提高，對輕量化、制動(dòng)性能和舒適性都提出了更高的要求。

F8分配閥是動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其中間體(管座)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有較多的空腔結(jié)構(gòu)和氣路，傳統(tǒng)加工制造工藝是先鑄造毛坯并留有加工余量，后期輔助機(jī)加工[2]。傳統(tǒng)加工工藝復(fù)雜且零件重量大，不利于動(dòng)車組輕量化；同時(shí)由于鉆孔通常不能實(shí)現(xiàn)斜孔或細(xì)長孔，因此導(dǎo)致氣路之間垂直相接，流阻大，加之制動(dòng)波速的影響，導(dǎo)致制動(dòng)不同步，進(jìn)而增大縱向沖擊而導(dǎo)致舒適度降低[3]。

增材制造區(qū)別于傳統(tǒng)的減材制造工藝，是一種“逐層疊加”、“自下而上”的成型技術(shù)[4]，因此可以不考慮傳統(tǒng)制造工藝的約束和限制，從而制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，因此賦予零件設(shè)計(jì)很大的自由度。針對以上問題，基于增材制造的工藝，將F8分配閥中間體進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以達(dá)到輕量化和改善制動(dòng)性能的目的。

1 F8分配閥優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)90年代，隨著旅客列車的運(yùn)行速度越來越高，對列車制動(dòng)性能提出了更高的要求，為此四方車輛研究所與天津機(jī)車車輛機(jī)械工廠共同研制了F8型客車分配閥[5-6]。近些年針對不同用途，先后開發(fā)出了符合UIC標(biāo)準(zhǔn)的F8G空氣分配閥、用于養(yǎng)路和冶金車輛的F8Y空氣分配閥、快捷貨車用和客/貨兩用的F8H空氣控制閥以及輕量化鋁合金閥體閥蓋的F8L空氣分配閥等系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)更加合理，且更便于檢修[7]。不難看出，對于F8分配閥的優(yōu)化只是針對不同用途和故障，在原有閥體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)和改進(jìn)，性能的提升有限。

其實(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)中有很多氣動(dòng)零部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與增材制造的優(yōu)勢很貼合。而且，不同的工藝適合不同的材料與用途，如FDM和SLA工藝可以用于零件原理分析和生產(chǎn)教學(xué)，SLS可用于金屬間接成型加工，SLM可用于金屬的直接成型加工[8]。

2 提出的基于增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

當(dāng)前基于增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要是結(jié)合增材制造的工藝限制，在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，或者是為了實(shí)現(xiàn)輕量化而進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)填充[9]，但是后續(xù)仍需要進(jìn)行較多的手動(dòng)工作。而且，不管是拓?fù)鋬?yōu)化還是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)填充，都需要一定的知識(shí)儲(chǔ)備和相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。為了使機(jī)械設(shè)計(jì)人員將增材制造技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，提出一種易于入手的基于增材制造的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，也為大家提供一種新的設(shè)計(jì)思路，如圖1。后續(xù)以F8分配閥中間體為示例，對此方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

F8分配閥由主閥、輔助閥和中間體組成，如圖2所示。當(dāng)然，F(xiàn)8分配閥還有一種集裝板安裝方式，不在研究范疇之內(nèi)。其中，中間體由鑄鐵鑄成，用來安裝主閥與輔助閥，起到連接各缸、管、風(fēng)缸及主閥、輔助閥各個(gè)氣路的作用。其內(nèi)部有兩個(gè)空腔，分別是0.8L的局減室和3L的輔助室，其他還有一些內(nèi)部氣路。

圖2 F8分配閥

2.1 功能結(jié)構(gòu)分析

零件的作用是實(shí)現(xiàn)某些功能，而實(shí)現(xiàn)這些功能需要特定的結(jié)構(gòu)，比如螺紋結(jié)構(gòu)的作用是為了實(shí)現(xiàn)緊固連接。將這些實(shí)現(xiàn)特定功能的結(jié)構(gòu)稱為功能結(jié)構(gòu)，F(xiàn)8分配閥中間體有三個(gè)功能結(jié)構(gòu)，如圖3，分別是：實(shí)現(xiàn)氣路連接作用的管路；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存壓力空氣作用的兩個(gè)空腔：局減室與輔助室。

圖3 功能結(jié)構(gòu)分析

2.2 功能結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化

原設(shè)計(jì)由于加工工藝的限制，管道垂直相交，空腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了達(dá)到輕量化和改善氣動(dòng)性能的目的，將三個(gè)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合優(yōu)化，一方面將氣路優(yōu)化成大圓弧過渡、將空腔優(yōu)化成規(guī)則形狀；另一方面考慮到原設(shè)計(jì)不同的功能結(jié)構(gòu)之間互相分離，松散不緊湊，經(jīng)過分析比較，將管路設(shè)置在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部是最優(yōu)的選擇。

與此同時(shí)，由于中間體還需要和主閥、輔助閥裝配，在這一步需要考慮與其他零件的氣路連接。如果將與主閥、輔助閥的連接比作成“輸出界面”的話，那么與制動(dòng)缸、工作風(fēng)缸、副風(fēng)缸和制動(dòng)管的連接則可以稱之為“輸入界面”。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，兩個(gè)輸出“輸出界面”不可以改變，而“輸入界面”則可以改變。優(yōu)化的結(jié)果是一個(gè)長方體空腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部被分成局減室和輔助室，氣路設(shè)置在輔助室內(nèi)部，上方為兩個(gè)“輸出界面”，底部為“輸入界面”，如圖4所示。

圖4 功能結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化

2.3 考慮增材制造工藝

增材制造也并非是完全的“自由制造”，由于其“層層疊加”的工藝過程，也有懸垂角度和階梯效應(yīng)等約束[10]，這就要求在優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)還應(yīng)考慮增材制造的工藝約束。由于中間體內(nèi)部主要是空腔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要內(nèi)容是對空腔頂部支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。支撐結(jié)構(gòu)作用是支撐懸垂區(qū)域并傳導(dǎo)熱量，以避免成形過程中出現(xiàn)塌陷、翹曲變形[11]，從而導(dǎo)致制造失敗，如圖5。通常認(rèn)為當(dāng)懸垂角度小于45°時(shí)，就應(yīng)該設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)。但是支撐結(jié)構(gòu)在制造結(jié)束后需要去除，導(dǎo)致材料和時(shí)間的浪費(fèi)。

圖5 懸垂角度與可制造性[12]

在這一步中，由于增材制造的工藝約束，考慮到空腔封閉結(jié)構(gòu)不易去除支撐結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)“輸出界面”設(shè)置成45°的自支撐結(jié)構(gòu)。優(yōu)化的結(jié)果是“房子”形狀的空腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部被分成局減室和輔助室，氣路設(shè)置在輔助室內(nèi)部，上方是兩個(gè)45°的“房頂”，分別是兩個(gè)“輸出界面”，底部為“輸入界面”，如圖6所示。

圖6 考慮增材制造工藝約束的優(yōu)化結(jié)果

2.4 數(shù)值仿真分析

由于增材制造本身的工藝過程，會(huì)產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力而導(dǎo)致變形，甚至?xí)l(fā)生制造失敗的情況[13]。所以通過對增材制造過程進(jìn)行仿真分析來實(shí)現(xiàn)對工藝過程的預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和質(zhì)量控制[14]。

考慮到輕量化的目的，采用密度較輕的鋁合金Alsi10 mg材料和激光選區(qū)融化(SLM)工藝，之前選取的45°懸垂角度完全可以實(shí)現(xiàn)自支撐[15-16]。根據(jù)鋁制焊接容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[17]薄壁厚度公式：

(1)

式中：許用應(yīng)力：

(2)

同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[18]、[19]取抗拉強(qiáng)度σb=200 MPa，根據(jù)列車管壓力取計(jì)算壓力pc=600 kPa，綜合考慮形狀、工況等因素，取厚度為2 mm。

仿真分析的結(jié)果如圖7。最初的仿真結(jié)果如圖7(a)所示，出現(xiàn)兩處變形較大的區(qū)域，最大變形達(dá)到8 mm和3 mm，但是在其背面與之對應(yīng)的位置卻未發(fā)生較大的變形；分析原因是有分隔局減室和輔助室的結(jié)構(gòu)充當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)，起到支撐和傳遞熱量的作用，如圖7(b)深色部分；因此，將原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在變形較大的位置添加支撐結(jié)構(gòu)，并對支撐結(jié)構(gòu)也進(jìn)行優(yōu)化，如圖7(c)深色部分；最后得到的結(jié)果符合預(yù)期，如圖7(d)。

2.5 考慮安裝裝配要求

考慮到與主閥、輔助閥的裝配，以及在車體上的安裝，如圖8(a)，需要在螺栓連接件的位置設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)連接強(qiáng)度，如圖8(b)。由于加工工藝的約束限制，不能出現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)，將與主閥、輔助閥連接的位置設(shè)置成“長條”結(jié)構(gòu)。而與車體連接的位置設(shè)計(jì)在中間體下方，則不要考慮工藝約束，設(shè)置四個(gè)塊狀結(jié)構(gòu)即可。

圖7 工藝仿真分析

圖8 安裝裝配要求

應(yīng)用SLA工藝試制成功，與仿真分析的結(jié)果一致，符合預(yù)期，如圖9。

圖9 SLA工藝試制

3 結(jié) 論

基于增材制造的工藝對F8分配閥中間體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果如表1所列，總結(jié)如下。

(1) 由于采用了較小的壁厚和鋁合金材料，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重量減少了89%，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)；采用大圓弧的氣路連接，優(yōu)化了制動(dòng)性能。

表1 優(yōu)化結(jié)果

(2) 提出的基于增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對機(jī)械設(shè)計(jì)人員要求不高，只需要掌握關(guān)于增材制造的基本知識(shí)即可，易于入手，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和適用性。

(3) 下一步的工作是基于增材制造的工藝，將主閥和輔助閥也進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分配閥的輕量化和性能的提升。而且，隨著技術(shù)的發(fā)展，金屬增材制造的成本會(huì)越來越低，在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。