30 t液 壓起道器底板的靜力有限元分析

韓 鋼

（上海交通大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，碩士研究生；上海理工大學(xué)附屬二廠，工程師，上海 200032）

為使鐵路線路經(jīng)常保持良好狀態(tài)，必須對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)。而液壓起道器就是其中一種養(yǎng)護(hù)機(jī)具。液壓起道器的操作力比齒條式的小〔1〕，因此很受鐵路工務(wù)部門(mén)的青睞。隨著鐵路高速、重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，線路鋼軌的質(zhì)量越來(lái)越大，這對(duì)起道器的起道能力提出了更高的要求。為適應(yīng)這種變化，上海理工大學(xué)附屬二廠將所生產(chǎn)的YQD-245型液壓起道器起道噸位由25 t提到30 t。為保證起道器正常工作，底板必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度以承受載荷。因此，為替代對(duì)底板進(jìn)行加載試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)有必要用有限元分析軟件ANSYS對(duì)底板進(jìn)行靜力分析。

1 液壓起道器底板簡(jiǎn)介

起道器底板的中間部分是油缸孔，在其中安裝油缸和活塞桿。在起道時(shí)，這部分承受來(lái)自鋼軌的所有壓力，因此是底板最主要的受力部位。由于要保持起道器的起道量，因此油缸孔相對(duì)于底板的上平面有24 mm的下沉量，這樣就造成了該截面為底板的危險(xiǎn)截面，為底板是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。

2 有限元分析

由于功能上的需要，底板的有些橫截面面積計(jì)算較復(fù)雜。而運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)新設(shè)計(jì)的30 t液壓起道器底板特別是危險(xiǎn)截面進(jìn)行靜力分析，可以通過(guò)生成位移、應(yīng)力圖來(lái)分析底板強(qiáng)度。因此，可替代對(duì)底板進(jìn)行的加載試驗(yàn)，并節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。其分析步驟主要有建立有限元模型、網(wǎng)格劃分、加載和求解。

2.1 建立有限元模型由于經(jīng)簡(jiǎn)化后底板的模型比較簡(jiǎn)單且全為拉伸特征，因此可利用ANSYS軟件本身的建模功能，在ANSYS中直接創(chuàng)建實(shí)體模型。在建立底板的模型時(shí)，應(yīng)簡(jiǎn)化與計(jì)算無(wú)關(guān)的尺寸，并且不考慮拔模尺寸，取消鑄造圓角，這樣就使模型得到了簡(jiǎn)化，也不會(huì)影響運(yùn)算的精度。在這之后，對(duì)建立的ANSYS模型進(jìn)行前處理。

2.2 網(wǎng)格劃分由于有限元分析過(guò)程是將底板的模型離散化，確定邊界條件以及載荷后，要對(duì)離散化的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，最后求出底板所受應(yīng)力以及形變情況。

2.2.1 定義單元屬性 底板材料是鑄鋼，其楊氏模量E=2×105N/mm2，泊松比為0.25。由于底板是具有一定厚度的三維模型，所以選擇10節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元SOLID92，以增加分析的準(zhǔn)確性。

2.2.2 執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)劃分 由于底板在建模時(shí)所采用的特征較簡(jiǎn)單，但經(jīng)過(guò)這些特征組合后，底板特別是其頭部形狀較復(fù)雜，所以采用自由網(wǎng)格劃分法。并在油缸孔的受壓部位，進(jìn)行細(xì)化處理，處理等級(jí)為2級(jí)。

采用智能控制自由網(wǎng)絡(luò)劃分，并細(xì)化油缸孔處的網(wǎng)格整體模型網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果為17 068個(gè)單元，27 720個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.3 加載并求解

2.3.1 加約束 按機(jī)具的使用情況，對(duì)底板的載荷及邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化。

機(jī)具在理論上應(yīng)安放在地面上，但在安放起道器前需要將鋼軌下道砟清除，作業(yè)完后還要將這些道砟回填，所以起道器在實(shí)際使用過(guò)程中是安放在未清除的道砟上的。這樣不僅可以減少回填道砟的工作量，而且充分利用了機(jī)具的起道量提高起道效率。在這里考慮一種極端的情況，即起道器的底板只用頭部與尾部的一部分與道砟接觸，而且這2部分的面積相當(dāng)小，以至于底板的兩端與道砟形成線接觸，即底板頭部與尾部的端線約束為ALL DOF（即全約束），而其余部分懸空，這樣底板所受彎矩最大，更可以檢驗(yàn)底板的強(qiáng)度。

2.3.2 加載荷 由于是液壓傳動(dòng)，所以頂升力在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變化較小，可視為常數(shù)，即壓力等于油缸所受載荷（30 t）除以油缸面積：采用φ90的油缸，壓力p=46.24 MPa。根據(jù)鐵道部標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1578《液壓起道器通用技術(shù)條件》的規(guī)定：機(jī)具在承受1.2倍額定載荷時(shí)，機(jī)具零件無(wú)明顯的損壞或妨礙使用的變形。因此，還要對(duì)超載20%時(shí)的底板進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)。2.3.3 求解 選擇軟件中的SOLUTION選項(xiàng)下的SOLVE選項(xiàng)，運(yùn)行其下的CURRENT LS命令進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)果。

3 結(jié)果分析

對(duì)于底板的彎曲狀況，可通過(guò)計(jì)算得到液壓起道器底板的變形位移、應(yīng)力分布情況。見(jiàn)表1。

表1 位移、應(yīng)力的最大值

3.1 底板位移情況在超載時(shí)油缸孔處的位移量達(dá)到了1.308 mm，比底板受到額定載荷時(shí)的1.09 mm有所增加。這部分是危險(xiǎn)截面，最容易發(fā)生破壞，與實(shí)際中起道器底板發(fā)生斷裂的位置一致。考慮到這是最壞情況，而且有時(shí)道砟的下降量也可能大于該值，所以該位移還是可以接受的。在圖1a和圖1b中也明顯看到了底板的變形，所以在此處強(qiáng)化底板的材料是必須的。

圖1 底板位移分布圖

3.2 底板應(yīng)力情況經(jīng)ANSYS分析后，在額定載荷情況下，底板最大應(yīng)力為0.604E10 Pa（E10表示1010），圖2a方框外部分的應(yīng)力為0.280E07 Pa（E07表示107）。在超載情況下，底板最大應(yīng)力為0.725E10 Pa，除圖2b中方框內(nèi)小部分外，其余部分的應(yīng)力為0.336E07 Pa。可見(jiàn)底板中大部分的應(yīng)力都小于鑄鋼的屈服極限310 MPa。但在方框內(nèi)底板的最大應(yīng)力超過(guò)了570 MPa的強(qiáng)度極限。這是由于建模時(shí)，將底板外形簡(jiǎn)化，底板的中間加強(qiáng)筋以及四周建模時(shí)采用的均是尖角，因此底板這2處都有較大的應(yīng)力集中。而實(shí)際的底板采用鑄造工藝，這2處全為圓角過(guò)渡，底板產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變不會(huì)那樣大。而底板頭部與尾部只與道砟線接觸的情況，在實(shí)際操作中發(fā)生的可能性極少。所以，在底板頭、尾部端線以及中間加強(qiáng)筋處的大應(yīng)力可以不用考慮。

圖2 底板應(yīng)力分布圖

綜上所述，底板的強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

分析應(yīng)力應(yīng)變的分布圖，不難發(fā)現(xiàn)在孔、尖角、轉(zhuǎn)折處有應(yīng)力集中，這部分應(yīng)盡量以較大的光滑曲面過(guò)渡，以降低應(yīng)力集中，提高產(chǎn)品壽命〔2〕。應(yīng)力應(yīng)變分布圖表明，底板整體的分布比較均勻，油缸孔的應(yīng)力小于材料鑄鋼的屈服強(qiáng)度310 MPa〔3〕，位移的最大值也符合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

采用有限元分析，與傳統(tǒng)的方法相比，極大地提高了分析精度，而且不用進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，縮短了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間，并為進(jìn)一步改進(jìn)液壓起道器底板的結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

〔1〕王野平，張文麗，鄭睿，等.齒條式起道器改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003(1)：53.

〔2〕林正英，王野平.齒條式起道器機(jī)體的靜力有限元分析〔J〕. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2004(6)：43.

〔3〕成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）〔M〕.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.