某公鐵轉(zhuǎn)換裝置的模態(tài)分析

李紅勛賈楠孟千惠

1. 軍事交通學(xué)院科研部國家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心 天津 300161

2. 軍事交通學(xué)院外訓(xùn)系 天津 300161

某公鐵轉(zhuǎn)換裝置的模態(tài)分析

李紅勛1賈楠1孟千惠2

1. 軍事交通學(xué)院科研部國家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心 天津 300161

2. 軍事交通學(xué)院外訓(xùn)系 天津 300161

采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)公鐵兩用牽引車公鐵轉(zhuǎn)換裝置在轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)時(shí)的模態(tài)進(jìn)行分析，并依據(jù)車架振動(dòng)評(píng)價(jià)原則對(duì)公鐵轉(zhuǎn)換裝置的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。由分析結(jié)果可知，該公鐵兩用牽引車公鐵轉(zhuǎn)換裝置的動(dòng)態(tài)性能符合要求。

公鐵兩用牽引車 公鐵轉(zhuǎn)換裝置 模態(tài)分析

1 前言

公鐵兩用牽引車既能在公路上機(jī)動(dòng)行駛，又能在鐵路上牽引作業(yè)，主要由輪式底盤、鐵路導(dǎo)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和牽引裝置等組成，其借助公鐵轉(zhuǎn)換裝置（轉(zhuǎn)盤和車架）可在鐵路平交道口實(shí)現(xiàn)公鐵轉(zhuǎn)換。公鐵轉(zhuǎn)換裝置是公鐵兩用牽引車進(jìn)行作業(yè)動(dòng)作的主要機(jī)構(gòu)之一，其設(shè)計(jì)的好壞將直接決定著整個(gè)公鐵兩用牽引車的作業(yè)性能。因此，有必要對(duì)公鐵兩用牽引車公鐵轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行研究。本文將采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)公鐵兩用車公鐵轉(zhuǎn)換裝置在公鐵轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)時(shí)的模態(tài)進(jìn)行分析。

2 公鐵轉(zhuǎn)換裝置的實(shí)體建模

采用自底向上的設(shè)計(jì)方法，首先生成零件，再通過裝配關(guān)系構(gòu)建主要工作裝置的三維實(shí)體模型。

通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、特征陣列等操作來建立主要工作裝置各部件（由下至上依次為轉(zhuǎn)盤、液壓舉升缸、前車架和后車架）的實(shí)體模型[1]，如圖1~4所示。

按照虛擬裝配原理，將各零部件進(jìn)行裝配，得到主要工作裝置的三維實(shí)體模型，如圖5所示。

3 公鐵轉(zhuǎn)換裝置的模態(tài)分析

3.1 轉(zhuǎn)盤的模態(tài)分析

3.1.1 模型的建立及邊界條件的處理

轉(zhuǎn)盤材料為HG70鋼，模型中的所有長度單位均為mm，力的單位為N。在SolidWorks軟件中創(chuàng)建的實(shí)體模型通過數(shù)據(jù)接口讀入ANSYS中，選用ANSYS有限元分析軟件默認(rèn)的網(wǎng)格類型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分294 110個(gè)單元，459 235個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在對(duì)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于求解的是轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的固有特性（固有頻率和固有振型），與所受外力無關(guān)，故可忽略外部載荷的作用（自重：9 398.2 N）。就轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性而言，如果轉(zhuǎn)盤有限元模態(tài)分析采用實(shí)際邊界條件支撐，則能夠精確地反映出轉(zhuǎn)盤在工作時(shí)的動(dòng)態(tài)性能，但實(shí)際邊界條件是極其復(fù)雜的，而且添加剛度較大的實(shí)際邊界會(huì)在有限元分析中影響計(jì)算的精度，因此實(shí)際支撐條件下的模態(tài)分析采取近似的方法模擬邊界條件。對(duì)轉(zhuǎn)盤模態(tài)分析時(shí)邊界條件的處理：仿真過程中的轉(zhuǎn)盤模型去除各附件，保留與導(dǎo)輪的連接約束。約束點(diǎn)的確定取在轉(zhuǎn)盤與導(dǎo)輪的連接處，約束點(diǎn)約束水平、豎直和旋轉(zhuǎn)方向的6個(gè)自由度。

3.1.2 模態(tài)分析的計(jì)算結(jié)果

采用Lanczos法對(duì)公鐵轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)盤有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算?？紤]到對(duì)轉(zhuǎn)盤動(dòng)態(tài)特性影響較大的頻率在低頻段，因此提取前4階固有頻率，得到的固有頻率如表1所示，其前4階的1:50振型圖如圖6~9所示。

表1 公鐵轉(zhuǎn)換工況時(shí)車架前4階約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果

從圖6~9前4階固有振型可以看出，第1階與第3階、第2階與第4階的固有振型基本相同，振幅各不相同，第1階和第3階固有振型為整個(gè)結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)（第1階中部幅度大、第3階前后端幅度大），第2階和第4階固有振型為整個(gè)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（第2階左右端幅度大、第4階角端幅度大）。在此給出公鐵轉(zhuǎn)換工況的固有頻率，為結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒激振頻率以及其他激振頻率對(duì)公鐵轉(zhuǎn)換裝置的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)奠定基礎(chǔ)，為隔振、減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。

3.2 車架的模態(tài)分析

3.2.1 模型的建立及邊界條件的處理

車架材料為16Mn鋼，模型中的所有長度單位為mm，力的單位為N。實(shí)體模型通過數(shù)據(jù)接口讀入ANSYS中，選用軟件模塊所默認(rèn)的網(wǎng)格類型，劃分有限元網(wǎng)格。車架模型共劃分32 464個(gè)單元，64 122個(gè)節(jié)點(diǎn)[1]。

在對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，忽略所有外部載荷，自重為33 966.8 N，并采取近似的方法模擬邊界條件，對(duì)鉸接式車架在公鐵轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)進(jìn)行模態(tài)分析。對(duì)車架模態(tài)分析時(shí)邊界條件的處理：仿真過程中的車架模型去除各附件，保留與舉升缸的連接約束；約束點(diǎn)的確定取在車架與舉升缸的連接處，約束點(diǎn)約束水平、豎直和旋轉(zhuǎn)方向的6個(gè)移動(dòng)自由度。

3.2.2 模態(tài)分析的計(jì)算結(jié)果

采用Lanczos法對(duì)公鐵轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)下的車架有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算?？紤]到對(duì)車架動(dòng)態(tài)特性影響較大的頻率集中在低、中頻段，因此提取前6階固有頻率，得到的固有頻率如表2，以及其前6階1:20振型圖（見圖10~15）。

表2 公鐵轉(zhuǎn)換工況時(shí)車架前6階約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果

從圖10~15車架在公鐵轉(zhuǎn)換工況時(shí)各階固有振型中可以看出，前3階固有振型基本相同，振幅各不相同，第1階固有振型為后車架尾部的左右彎曲振動(dòng)，第2階固有振型為后車架尾部的上下彎曲振動(dòng)，第3階固有振型為后車架尾部的里外彎曲振動(dòng)，第4階固有振型為后車架尾部的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第5階固有振型為前車架前端的上下彎曲振動(dòng)，第6階固有振型為后車架中后部波浪型擺振。同時(shí)在公鐵轉(zhuǎn)換過程中，裝置的工作姿態(tài)不會(huì)發(fā)生大的變化，系統(tǒng)的固有頻率和振型也不會(huì)有大的改變。

4 公鐵轉(zhuǎn)換裝置的動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)

由文獻(xiàn)[2]可知，公鐵轉(zhuǎn)換裝置在工作過程中需滿足以下要求，才可使其保持良好的穩(wěn)定性和安全性：

a. 裝置的低階固有頻率應(yīng)低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率，以免發(fā)生共振現(xiàn)象；

b. 裝置的低階固有頻率應(yīng)避開發(fā)動(dòng)機(jī)的常用頻率范圍；

c. 裝置的固有振型應(yīng)盡量光滑。

由文獻(xiàn)[3]可知發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)車架的影響主要考慮爆發(fā)激勵(lì)頻率f：

式中，n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，z為發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)，τ為發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程數(shù)。該公鐵兩用牽引車所配套的怠速n=600 m in/r，相應(yīng)的怠速f=30 Hz。在 n=1 200~2 200 min/r時(shí) ，相應(yīng)的f=60~110 Hz。

公鐵轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)盤的前四階約束模態(tài)均高于正常轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)激勵(lì)頻率，不會(huì)引起共振；車架約束模態(tài)第1階固有頻率均低于發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速及常用轉(zhuǎn)速下的爆發(fā)激勵(lì)頻率，車架不會(huì)發(fā)生共振。車架在公鐵轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的第2階固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速爆發(fā)激勵(lì)頻率相近，有可能引起車架的共振，但由于選用或設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置時(shí)必須考慮懸置的積極隔振作用，因此不會(huì)引起車架的較大振動(dòng)。車架的第3~6階固有頻率高于發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速爆發(fā)激勵(lì)頻率而低于常用轉(zhuǎn)速下的爆發(fā)激勵(lì)頻率，不會(huì)引起車架的共振。

5 結(jié)語

公鐵兩用牽引車車架和轉(zhuǎn)盤的固有頻率和固有振型不僅關(guān)系到其公鐵轉(zhuǎn)換工作過程的穩(wěn)定性，而且會(huì)影響到整車的安全性；基于數(shù)值模擬技術(shù)完成了對(duì)公鐵轉(zhuǎn)換裝置的模態(tài)分析；依據(jù)一定的車架振動(dòng)評(píng)價(jià)原則對(duì)公鐵轉(zhuǎn)換裝置的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。由分析可知，該公鐵兩用牽引車公鐵轉(zhuǎn)換裝置的動(dòng)態(tài)性能符合要求，該分析對(duì)于公鐵轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)意義重大。

[1] 李紅勛,張弛,張賀..基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的鉸接式車架有限元分析[J].專用汽車,2009(12):46-48.

[2] 馮國勝.汽車車架動(dòng)態(tài)特性分析及應(yīng)用[J].汽車技術(shù),1994(8):9-12.

[3] 胡正權(quán).回轉(zhuǎn)制動(dòng)載荷激勵(lì)下的門座起重機(jī)臂架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究[D].武漢理工大學(xué),2003:11-58．

Modal Analysis of Rail-road Switching Device for Road-rail Vehicle

LI Hong-xun et al

The modal analysis of rail-road switching device under working mode is conducted by using numerical simulation technology，and dynamic performance is evaluated on the basis of some vibration evaluation principle. According to the analysis results, performance of the device met the requirements.

road-rail vehicle; rail-road switching device; modal analysis

U469.6+93.02

A

1004-0226(2015)05-0094-04

李紅勛，1981年生，講師，主要研究方向?yàn)檐娪锰胤N車輛設(shè)計(jì)與仿真。

2015-03-03