基于ANSYS 的高速動車組制動控制裝置翻轉臺有限元分析和優化設計

江 濤

（南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

現有翻轉臺為固定式翻轉臺， 在固定式翻轉臺上進行整個制動控制裝置（大風缸、氣路板、側護箱、下護箱等）的組裝。 當制動控制裝置組裝完成后，會在制動控制裝置自動實驗裝置上對整個制動控制裝置進行試驗，完成后將其存放到制動控制裝置成品區。 但是從固定式翻轉臺組裝到制動控制裝置成品區的過程比較復雜， 整個過程比較費人費時，很多地方工序重復，不符合精益生產的理念。 因此，優化設計移動翻轉臺。 本文主要基于ANSYS 有限元分析方法， 以鐵路相關行業標準為判定依據，對翻轉臺強度進行仿真分析，并優化設計了移動翻轉臺。

1 翻轉臺的結構設計

根據已有移動翻轉臺的結構， 在對其進行改造設計后如圖1 所示，主要將其分為底座和翻轉機構兩部分，底座，見圖2，主要由左支架、右支架，底橫梁、腳輪、軸承座、萬向輪和驅動輪組成，翻轉機構，見圖3，主要由左拉桿、右拉桿、上橫梁和吊桿組成。 其中左支架和右支架，見圖4，由左梁、右梁、頂梁和底梁組成。

圖1 移動翻轉臺Fig.1 Moving roll-over table

圖2 底座Fig.2 Pedestal

圖3 翻轉機構Fig.3 Dumping gear

圖4 左支架和右支架Fig.4 Left and right stents

1.1 零件材料及連接

左梁和右梁，頂梁和底梁采用矩形型鋼；底橫梁采用方形型鋼；左拉桿、右拉桿和頂橫梁采用矩形型鋼；各型鋼材料采用Q235B 碳素結構鋼；底座和翻轉機構采用軸承； 左右支架各零件之間和兩個吊桿和上橫梁主要采用焊接連接，左右支架和底橫梁、左右拉桿和上橫梁、腳輪萬向輪和左右支架連接采用螺栓連接。

1.2 零件尺寸及技術要求

根據實際使用翻轉臺的經驗、 制動控制裝置組裝要求及使用方便、 結構安全穩定及使用輕便等要求，確定移動翻轉臺各個零件的尺寸和技術要求。圖5 為吊裝制動控制裝置的移動翻轉臺，制動制動裝置通過螺栓與翻轉機構的吊桿相連。

圖5 吊裝制動控制裝置的移動翻轉臺Fig.5 Moving roll-over table wit lifting btake control device

2 載荷強度分析

為保證其使用安全，需對移動翻轉臺強度進行校核，使用ANSYS 有限元分析軟件對其進行強度分析。 選擇制動控制裝置在翻轉臺上出現應力和變形最大的位置點（以翻轉機構吊著制動控制裝置轉動位置為準，垂直于水平面±90°、平行于水平面±0°），直接在吊桿上施加制動控制裝置的重量，焊接件和螺栓連接之間采用Bonded 綁定接觸模擬，腳輪和萬向輪固定不動進行分析，其應力和變形結果如圖6～13 所示。 從圖中可以看出，以上四種情況下的應力和變形在安全值范圍以內， 說明設計符合翻轉臺載荷強度的要求。

圖6 變形圖（翻轉機構垂直于水平面90°）Fig.6 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane 90°）

圖7 應力圖（垂直于水平面90°）Fig.7 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane 90°）

圖8 變形圖（垂直于水平面-90°）Fig.8 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane -90°）

圖9 應力圖（垂直于水平面-90°）Fig.9 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane -90°）

圖10 變形圖（垂直于水平面0°）Fig.10 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane 0°）

圖11 應力圖（垂直于水平面0°）Fig.11 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane 0°）

圖12 變形圖（垂直于水平面-0°）Fig.12 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane-0°）

圖13 應力圖（垂直于水平面-0°）Fig.13 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane-0）

3 翻轉機構轉動設計

通過現場測試現有翻轉臺，可知翻轉裝置的轉速，其滿足制動控制裝置的裝配要求， 因此新設計移動翻轉臺的翻轉裝置，見圖14，轉速也設定為相同轉速；通過電動機帶動移動翻轉臺的翻轉裝置轉動，由無級變速器和蝸輪蝸桿減速器減速實現移動翻轉臺的轉速。

圖14 翻轉機構轉動電機安裝圖Fig.14 Dumping gear rotating motor installation diagram

控制電路設計：控制電路的電壓為220V，根據移動翻轉臺工作的特點，電機的轉動只需要正反轉點動，所以控制電路設計如圖16 所示。 由圖16 轉動電機控制原理圖所示，合上總開關S，整個電路得電， 按下按鈕SB1，交流接觸器KM1 線圈得電，主觸點閉合，電機正轉，常閉觸點斷開，反轉電路失電，防止電路短路；按下按鈕SB2， 交流接觸器KM2線圈得電，主觸點閉合，電機反轉，常閉觸點斷開，正轉電路失電。

圖15 電動機、無級變速器和蝸桿渦輪減速器Fig.15 The motor，non-polar transmission and worm gear reducer

圖16 轉動電機控制原理圖Fig.16 Control schematic diagram of rotating motor

4 翻轉臺移動設計

由圖17 移動翻轉臺設計圖所示， 移動翻轉臺移動設計采用電動驅動輪帶動翻轉臺移動，驅動輪安裝在左支架前面的彎板下，彎板焊接在左支架的底梁上，拉動移動翻轉臺移動，在右支架安裝萬向腳輪通過扶手認為控制移動翻轉臺的方向， 電動驅動輪由控制器和加速手柄控制。 最終使用狀態示意圖如圖18 所示。

圖17 移動翻轉臺設計圖Fig.17 The design of moving roll-over table

圖18 移動翻轉臺最終狀態Fig.18 Final state of moving roll-over table

5 結論

經過對高速動車組制動控制裝置翻轉臺進行有限元分析，其結構滿足安全要求；并優化設計為移動翻轉臺，設計可行，穩定性好，節省了很多人力和時間，提高了制動控制裝置生產效率。