輪對壓裝機的力學行為分析研究

韓雪芳

在鐵路大發展的今天,鐵路提速是當前技術進步的主題,制約提速的關鍵技術之一是走行部件的制造及檢修技術的落后。車輛輪對是走行部最重要的部件,其組裝精度和質量的高低直接影響提速安全。因此,對鐵路車輛輪對的加工裝配,鐵路行業歷來都非常重視。輪對的裝配裝備已由退卸和壓裝工作分離的兩種機床演變為拆、裝一體的結構。輪對壓裝機的承載能力是否滿足輪對壓裝要求,變形是否會影響輪對裝配質量是必要的。為此,本文對輪對壓裝機在壓裝工況下的力學行為進行了分析研究。

1 輪對壓裝機整體機械結構

本文所研究的輪對壓裝機為單端壓裝方式。整體的機械結構主要包括主立柱、副立柱,上連接梁、下連接梁。這些部件構成壓裝機的主體,承載壓裝力,在主立柱內有主壓頭油缸。主壓頭、副壓頭分別安裝在主立柱、副立柱上。主壓頭裝在主壓油缸的大活塞的前端部,是實現壓裝的部件。副壓頭裝在副立柱上,起定位和承載壓裝力的作用。

在主壓頭和副壓頭上,分別安裝有右擺錘和左擺錘。上連接梁上裝有檢測桿,兩根檢測桿的根部分別連接位移傳感器,用于測量輪對的相關數據和采集壓頭移動的位置信號,以便控制壓頭移動的速度和距離,保證組裝的輪對內側距和輪位差滿足規定的要求。檢測桿的移動由液壓缸驅動。同時,檢測桿也具有隨動功能。

2 輪對壓裝機上連接梁的實體模型與力學特征

2.1 分析過程中采用的實體模型

輪對壓裝機的上連接梁是固定主立柱和副立柱的關鍵部件,是輪對壓裝機床結構最薄弱的部分,驗證其強度是否滿足壓裝工況的強度要求是必要的。研究過程中,選用輪對拆裝機的上連接梁為研究對象。在CAD軟件UG下,對照上連接梁設計圖紙,模擬上連接梁的三維模型。上連接梁是實心的鋼梁結構,所用的材料是 45號鋼,其楊氏模量E=2.1×1011Pa,泊松比 M=0.3,45號鋼的屈服強度不小于355 MPa。

2.2 上連接梁的力學特征

主副立柱的上端面開有U形槽,上連接梁插入U形槽內,通過螺栓連接固定。輪對壓裝過程中,上連接梁可防止主副立柱的上端分別向左右發生偏移,則固定上連接梁與主副立柱的螺栓對上連接梁的左右兩端有較大的作用力。此外,上連接梁受到自身的重力,其對上連接梁的變形影響不大,可忽略不計。

上連接梁螺栓觸面處的壓力計算見圖1。

圖1a)～圖1d)中F1的反作用力 F1′即為立柱對上連接的作用力。L1為壓頭端面圓心到固定上連接梁的螺栓中心處的距離;L2為壓頭端面圓心到固定下連接梁螺栓中心處的距離。圖1b),c)中,力F3,F4的作用點距離壓頭端面圓心的距離相等,且F3+F4=F;則F3和F4的合力與F等效。在輪對壓裝過程中,壓頭推動車輪的移動速度十分緩慢,可近似為勻速直線運動。根據力學平衡原理可得:

其中,F1′為F1的反作用力,則 F1=F1′。

上連接梁與固定螺栓接觸面受力部分的面積S=24 492 mm2,L1=927 mm,L2=1 073 mm,則作用在接觸面上的壓力 P=F1′/S。因此,當 F=3 000 kN 時,F1′=1 612.9 kN,P=65.854 N/mm2。

3 有限元模型及邊界條件

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS11.0對上連接梁進行分析計算。ANSYS程序遇有較強的前處理和后處理功能,其提供的后處理功能可方便地輸出所需書籍和圖形,這些功能不但有利于提高計算精度,也便于在工程設計中參考。

將在UG軟件中建立的實體模型導入到ANSYS中建立有限元模型。劃分網格時,采用Solid92四面體十節點實體單元。上連接梁劃分網格后的實體模型見圖2。在上連接梁與主副立柱U形槽連接的接觸前后面施加UZ方向的位移約束,接觸底面施加UY方向的位移約束,與固定螺栓接觸面受力部分的面積上施加面載荷。

本次計算分別討論了在壓裝左右車輪時,壓頭軸向施加3 000 kN,架起3.5 t輪對的情況。

4 計算結果及分析

4.1 上連接梁的變形和應力分布情況

壓頭軸向施加3 000 kN,架起3.5 t輪對時上連接梁總應力云圖如圖3所示。從圖3中可以看出,上連接梁的較大應力主要集中出現在上連接梁螺栓孔內,其中最大應力為 137.745 MPa。其余部分應力較為均勻,上連接梁兩螺栓孔之間的應力較小,大小在15.238 M Pa～30.63 MPa之間。從上連接梁X,Y,Z三個方向的應力云圖可以看出,上連接梁 X,Y,Z方向的較大應力集中在螺栓孔內,其中X方向的最大應力為130.207 MPa;Y方向的最大應力為61.214 M Pa;Z方向的最大應力為44.828 MPa。三個方向上都是螺栓孔內應力變化明顯,其余部分應力分布較均勻。

壓頭軸向施加3 000 kN,架起3.5 t輪對時上連接梁總變形云圖如圖4所示。從圖4中可以看出,上連接梁的較大變形主要集中出現在上連接梁螺栓孔的左右兩端,其中左端的最大變形在上連接梁為0.436 mm;從兩端靠近中間,變形大小近似為階梯遞減的逐漸變小。從上連接梁 X,Y,Z三個方向的變形云圖可以看出,上連接梁X方向的較大變形集中在上連接梁左端,大小為0.436 mm;右端的最大變形為0.327 mm。Y方向的最大變形為0.021 mm;Z方向的最大變形為0.003 mm。

4.2 對比分析

表1列出了上連接梁最大應力和最大變形的計算值及位置當壓頭施加到最大壓力3 000 kN時,上連接梁的最大變形為0.436 mm;最大應力為137.745 MPa,小于45號鋼的屈服強度355 MPa,證明上連接梁具有足夠的強度。將 X,Y,Z三個方向的有限元計算值進行比較,可知上連接梁的最大應力和最大變形都出現在X方向。其余兩個方向的應力和變形值較小,這與理論初步估計值是符合的。。

表1 上連接梁有限元計算值比較

5 結語

通過建立有限元模型,對壓裝工況進行計算,可知上連接梁的應力和變形滿足輪對壓裝工況的強度要求。有足夠的強度和剛度,處于安全狀態。在荷載作用下的最大應力未超過材料的屈服極限,并且具有一定的安全儲備,其安全性是有保障的。

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