一種機(jī)車用過(guò)分相傳感器安裝座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉海強(qiáng)++周光濱

摘 要：根據(jù)目前運(yùn)行中過(guò)分相傳感器安裝座焊縫出現(xiàn)裂縫的情況，采用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行一系列主要性能的分析計(jì)算以優(yōu)化過(guò)分相傳感器安裝座結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，改進(jìn)后的過(guò)分相傳感器安裝座從理論上所受最大應(yīng)力降低26.76%、沖擊應(yīng)力降低22.06%、最大沖擊應(yīng)變能降低55.46%，是一個(gè)比較合理的設(shè)計(jì)輸出。

關(guān)鍵詞：過(guò)分相傳感器安裝座；有限元分析；性能計(jì)算；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：U26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）27-0049-02

引言

在機(jī)車傳感器裝置中，過(guò)分相傳感器安裝座（下稱過(guò)分相）的作用是連接機(jī)車轉(zhuǎn)向架與過(guò)分相傳感器，并保證傳感器安裝的穩(wěn)定性，提高安裝座的耐交變應(yīng)力性對(duì)機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中具有重大意義。

本文采用有限元對(duì)機(jī)車過(guò)分相的受力、變形量位移、沖擊應(yīng)力、沖擊應(yīng)變能方面進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)對(duì)可能的方案進(jìn)行優(yōu)選，得到一個(gè)所受應(yīng)力、沖擊應(yīng)力、沖擊應(yīng)變能均減小的過(guò)分相。

1 過(guò)分相各性能有限元分析計(jì)算

1.1 靜態(tài)分析

根據(jù)過(guò)分相藍(lán)圖建立過(guò)分相模型，其中板和連接板的材質(zhì)為16MnDR，圓筒及筋板的材質(zhì)為Q345E，焊縫的材料為焊絲G2Si。16MnDR的機(jī)械性能為：抗拉強(qiáng)度Rm=540MPa、屈服強(qiáng)度Rel=400MPa；Q345E的機(jī)械性能為：抗拉強(qiáng)度Rm=550MPa、屈服強(qiáng)度Rel=360MPa；焊絲G2Si的機(jī)械性能為：抗拉強(qiáng)度Rm=524MPa、屈服強(qiáng)度Rel=436MPa。

如圖1所示，過(guò)分相頂部孔所在平面及孔內(nèi)表面為固定表面，過(guò)分相在靜態(tài)狀態(tài)下只受到底部連接板及傳感器的重力作用，受力為30N（下限30N）。對(duì)其進(jìn)行受力分析，過(guò)分相受應(yīng)力情況為：在靜態(tài)狀態(tài)下受到最大的應(yīng)力為2.866MPa，處于下筋板與下連接板的焊接部位；最大變形量為1.095×10-3mm，處于下連接板底部，由此可知過(guò)分相在靜態(tài)狀態(tài)下受力情況遠(yuǎn)低于零件的屈服強(qiáng)度（此焊縫等級(jí)為低級(jí)，根據(jù)EN15085要求，焊縫的屈服強(qiáng)度要求小于0.5倍焊縫材料屈服強(qiáng)度[1]，因此焊縫的屈服強(qiáng)度Rel=218MPa）。

1.2 疲勞分析

將模型介入100萬(wàn)次循環(huán)疲勞破壞分析試驗(yàn)，雖在靜態(tài)受力下過(guò)分相疲勞特征同樣是集中在底部連接板焊縫處，但過(guò)分相在靜態(tài)狀態(tài)下受100萬(wàn)次疲勞破壞分析后依舊完好。

1.3 動(dòng)態(tài)隨機(jī)震動(dòng)分析

產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中避免不了震動(dòng)的影響，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)隨機(jī)震動(dòng)分析，由分析結(jié)果可知就算是在動(dòng)態(tài)隨機(jī)震動(dòng)的情況下受到的應(yīng)力為6.742MPa，乘以安全系數(shù)1.4（因隨機(jī)震動(dòng)變形量小，選擇較小安全系數(shù)）計(jì)算后為10.787MPa，同樣低于材料的屈服強(qiáng)度。

1.4 動(dòng)態(tài)沖擊及交變載荷分析

根據(jù)過(guò)分相在運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)裂的情況及軟件模擬分析結(jié)果可知產(chǎn)品在靜態(tài)狀態(tài)及隨機(jī)震動(dòng)之下不足以對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生破壞，于是考慮產(chǎn)品在隨車啟停過(guò)程中慣性力作用，此時(shí)便會(huì)對(duì)過(guò)分相頂板產(chǎn)生力矩，于是對(duì)過(guò)分相進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊分析，分析結(jié)果為：過(guò)分相頂板上的4根筋板與板的連接處，因其受機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中的變速運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)沖擊影響，此處在動(dòng)態(tài)沖擊中應(yīng)力和應(yīng)變能相對(duì)集中，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法引導(dǎo)應(yīng)力、應(yīng)變能，在反復(fù)載荷作用下，可能產(chǎn)生裂縫，并與實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)裂處一致。

2 過(guò)分相可行方案優(yōu)選

影響受應(yīng)力零件（動(dòng)態(tài)加載）的最多故障都是因于形狀有關(guān)的問(wèn)題引起的，這些問(wèn)題不但不能很好的引導(dǎo)應(yīng)力，還可能引發(fā)應(yīng)力的形成。于是，對(duì)過(guò)分相上的加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示，將筋板斜邊處開(kāi)400的圓弧（此處開(kāi)400圓弧僅用于建立全局敏感度分析，無(wú)特殊意義）。然后將400圓弧尺寸介入模型全局敏感度分析，各方案參數(shù)詳見(jiàn)表1。

根據(jù)以上取點(diǎn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合以下公式計(jì)算各優(yōu)化值進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表2所示。

最大應(yīng)力（或最大沖擊應(yīng)力）優(yōu)化值

最大變形位移優(yōu)化值

由以上分析可知，模型最大應(yīng)力集中區(qū)域存在于模型下筋板端焊縫區(qū)，而模型最大變形位移存在于下板邊角區(qū)，由過(guò)分相實(shí)體圖可知（圖1），過(guò)分相下板處還連接有連接板，由于連接板的限制作用，實(shí)際中的變形量比理論計(jì)算的變形量還要小，由于目前過(guò)分相產(chǎn)品在機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行中，開(kāi)裂處為上筋板與上板連接的焊縫區(qū)，因此沖擊應(yīng)力的優(yōu)化結(jié)果應(yīng)為主要參考因素，結(jié)合全局應(yīng)力及變形位移，選擇圓弧320mm方案，并對(duì)其建立模型介入以上分析得出以下結(jié)果，將其得出的實(shí)際結(jié)果與原模型各量計(jì)算出的優(yōu)化值如表3所示。

由以上對(duì)比結(jié)果可知，優(yōu)化后最大沖擊應(yīng)力及最大沖擊應(yīng)變能優(yōu)化效果比較顯著，再將其介入1000萬(wàn)次循環(huán)疲勞破壞分析試驗(yàn)，同樣對(duì)疲勞破壞無(wú)影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)過(guò)分相結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，與原結(jié)構(gòu)相比最大應(yīng)力降低26.76%，變形量減少1.28%，最大沖擊應(yīng)力降低22.06%，最大沖擊應(yīng)變能降低52.46%，由此可見(jiàn)改進(jìn)模型筋板后能良好的傳遞沖擊應(yīng)力及沖擊應(yīng)變能，是一個(gè)合理的設(shè)計(jì)輸出。

參考文獻(xiàn)：

[1]EN 15085-3-2007鐵路上的應(yīng)用-鐵路車輛及其部件的焊接第3部分：設(shè)計(jì)要求[Z].endprint