一種機車用過分相傳感器安裝座結構優化

劉海強++周光濱

摘 要：根據目前運行中過分相傳感器安裝座焊縫出現裂縫的情況，采用有限元分析軟件對其進行一系列主要性能的分析計算以優化過分相傳感器安裝座結構。結果表明，改進后的過分相傳感器安裝座從理論上所受最大應力降低26.76%、沖擊應力降低22.06%、最大沖擊應變能降低55.46%，是一個比較合理的設計輸出。

關鍵詞：過分相傳感器安裝座；有限元分析；性能計算；結構改進

中圖分類號：U26 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0049-02

引言

在機車傳感器裝置中，過分相傳感器安裝座（下稱過分相）的作用是連接機車轉向架與過分相傳感器，并保證傳感器安裝的穩定性，提高安裝座的耐交變應力性對機車運行過程中具有重大意義。

本文采用有限元對機車過分相的受力、變形量位移、沖擊應力、沖擊應變能方面進行分析計算，通過對可能的方案進行優選，得到一個所受應力、沖擊應力、沖擊應變能均減小的過分相。

1 過分相各性能有限元分析計算

1.1 靜態分析

根據過分相藍圖建立過分相模型，其中板和連接板的材質為16MnDR，圓筒及筋板的材質為Q345E，焊縫的材料為焊絲G2Si。16MnDR的機械性能為：抗拉強度Rm=540MPa、屈服強度Rel=400MPa；Q345E的機械性能為：抗拉強度Rm=550MPa、屈服強度Rel=360MPa；焊絲G2Si的機械性能為：抗拉強度Rm=524MPa、屈服強度Rel=436MPa。

如圖1所示，過分相頂部孔所在平面及孔內表面為固定表面，過分相在靜態狀態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）。對其進行受力分析，過分相受應力情況為：在靜態狀態下受到最大的應力為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，由此可知過分相在靜態狀態下受力情況遠低于零件的屈服強度（此焊縫等級為低級，根據EN15085要求，焊縫的屈服強度要求小于0.5倍焊縫材料屈服強度[1]，因此焊縫的屈服強度Rel=218MPa）。

1.2 疲勞分析

將模型介入100萬次循環疲勞破壞分析試驗，雖在靜態受力下過分相疲勞特征同樣是集中在底部連接板焊縫處，但過分相在靜態狀態下受100萬次疲勞破壞分析后依舊完好。

1.3 動態隨機震動分析

產品在運行過程中避免不了震動的影響，對其進行動態隨機震動分析，由分析結果可知就算是在動態隨機震動的情況下受到的應力為6.742MPa，乘以安全系數1.4（因隨機震動變形量小，選擇較小安全系數）計算后為10.787MPa，同樣低于材料的屈服強度。

1.4 動態沖擊及交變載荷分析

根據過分相在運行過程中開裂的情況及軟件模擬分析結果可知產品在靜態狀態及隨機震動之下不足以對產品產生破壞，于是考慮產品在隨車啟停過程中慣性力作用，此時便會對過分相頂板產生力矩，于是對過分相進行動態沖擊分析，分析結果為：過分相頂板上的4根筋板與板的連接處，因其受機車運行過程中的變速運動引起的動態沖擊影響，此處在動態沖擊中應力和應變能相對集中，此結構設計無法引導應力、應變能，在反復載荷作用下，可能產生裂縫，并與實際運行過程中開裂處一致。

2 過分相可行方案優選

影響受應力零件（動態加載）的最多故障都是因于形狀有關的問題引起的，這些問題不但不能很好的引導應力，還可能引發應力的形成。于是，對過分相上的加強筋進行優化，如圖2所示，將筋板斜邊處開400的圓弧（此處開400圓弧僅用于建立全局敏感度分析，無特殊意義）。然后將400圓弧尺寸介入模型全局敏感度分析，各方案參數詳見表1。

根據以上取點數據，并結合以下公式計算各優化值進行比較，比較結果如表2所示。

最大應力（或最大沖擊應力）優化值

最大變形位移優化值

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

由以上對比結果可知，優化后最大沖擊應力及最大沖擊應變能優化效果比較顯著，再將其介入1000萬次循環疲勞破壞分析試驗，同樣對疲勞破壞無影響。

3 結束語

通過對過分相結構的改進，與原結構相比最大應力降低26.76%，變形量減少1.28%，最大沖擊應力降低22.06%，最大沖擊應變能降低52.46%，由此可見改進模型筋板后能良好的傳遞沖擊應力及沖擊應變能，是一個合理的設計輸出。

參考文獻：

[1]EN 15085-3-2007鐵路上的應用-鐵路車輛及其部件的焊接第3部分：設計要求[Z].endprint