基于nCode的絕緣子清掃裝置清掃臂的疲勞分析

劉超穎, 陳鑫楠, 吳文江, 李斯, 張旭

（1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050043；2.河北中醫(yī)學(xué)院，石家莊 050200）

0 引言

接觸網(wǎng)腕臂絕緣子露天設(shè)置，長(zhǎng)期在復(fù)雜多樣的環(huán)境中運(yùn)行，環(huán)境中的粉塵、工業(yè)污染物等堆積在絕緣子表面，使絕緣子在雨、雪、霧、露等天氣下極易發(fā)生污閃。絕緣子污閃容易造成鐵路惡性停電事故，解決鐵路接觸網(wǎng)絕緣子的污閃問題對(duì)于保障鐵路運(yùn)輸安全具有重要意義[1]。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)制做了接觸網(wǎng)絕緣子清掃裝置。作為清掃絕緣子的專用設(shè)備，設(shè)計(jì)的清掃裝置既要滿足相關(guān)環(huán)境的使用要求，又要符合設(shè)計(jì)要求。清掃刷頭安裝在清掃臂上，清掃臂與連接桿鉸接，形成一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，保證了清掃裝置能夠使用單個(gè)清掃刷頭清掃兩個(gè)腕臂絕緣子。清掃臂是清掃裝置的一個(gè)關(guān)鍵部件，在實(shí)際工況中，清掃臂的某些部位會(huì)受到轉(zhuǎn)矩作用從而出現(xiàn)疲勞破壞，保證清掃臂的使用壽命對(duì)于確保清掃裝置的正常使用具有重要意義。鑒于此，本文針對(duì)接觸網(wǎng)絕緣子清掃裝置的清掃臂進(jìn)行了基于nCode的疲勞分析。

1 疲勞分析的理論基礎(chǔ)

疲勞是結(jié)構(gòu)的某部分所受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)下產(chǎn)生微小的裂紋，在載荷的作用下裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展直至發(fā)生疲勞失效的過程[2]。在循環(huán)載荷作用下，構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞所需的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命[3]。

較為常用的疲勞分析方法有以應(yīng)力-壽命（S-N）曲線為基礎(chǔ)的名義應(yīng)力法和以應(yīng)變-壽命（ε-N）曲線為基礎(chǔ)的局部應(yīng)力應(yīng)變法[4-5]。S-N曲線適用于高周疲勞即應(yīng)力循環(huán)水平低、循環(huán)周次高的情況，是對(duì)長(zhǎng)壽命疲勞性能的描述，而ε-N曲線則適用于低周疲勞。在實(shí)際工況中清掃臂屬于高周疲勞，應(yīng)用S-N曲線對(duì)清掃臂進(jìn)行疲勞分析。清掃臂的疲勞分析流程如圖1所示。

圖1 清掃臂疲勞分析流程

2 清掃臂疲勞分析

2.1 清掃臂有限元分析

1）有限元模型的建立。采用ANSYS軟件對(duì)清掃臂進(jìn)行有限元分析，首先將SolidWorks中創(chuàng)建的三維模型導(dǎo)入到ANSYS，生成清掃臂模型。

2）定義清掃臂的材料及屬性。接觸網(wǎng)絕緣子清掃裝置清掃臂的材料選取為碳素鋼，密度為7.85×10-6kg/mm3，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為980 MPa，屈服強(qiáng)度為785 MPa。

3）劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在Workbench中選用四面體網(wǎng)格對(duì)清掃臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先根據(jù)清掃臂的結(jié)構(gòu)，對(duì)清掃臂模型進(jìn)行切分，再對(duì)清掃臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型中節(jié)點(diǎn)數(shù)為15 038，單元數(shù)為7290，生成網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 清掃臂的網(wǎng)格劃分

4）對(duì)清掃臂進(jìn)行有限元分析時(shí)，將清掃臂近似看成一個(gè)簡(jiǎn)支梁，分析清掃臂的受力，根據(jù)平衡方程求解各力。平衡方程如下：

式中：F1為連接桿對(duì)清掃臂的支撐力；F2為電動(dòng)推桿對(duì)清掃臂的支撐力；F3是為平衡F2在水平方向上的分力所產(chǎn)生的力；G1、G2分別為清掃臂兩端受到的重力。

在清掃臂的通孔處施加圓周約束，清掃臂的受力情況如圖3所示。

圖3 清掃臂受力情況

5）分析結(jié)果。經(jīng)過有限元計(jì)算求解得出清掃臂的應(yīng)變?cè)茍D、應(yīng)力云圖如圖4 所示。由仿真結(jié)果可知清掃臂的最大變形量是0.000 31 mm；在最大工作載荷下的最大應(yīng)力是0.535 59 MPa，小于碳素鋼的屈服極限，清掃臂的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 清掃臂的應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力云圖

根據(jù)有限元結(jié)果應(yīng)變?cè)茍D可知，清掃臂后端變形相對(duì)較大，因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)安裝在清掃臂后端并且處于懸空狀態(tài)，靜載荷相對(duì)較大。但從數(shù)據(jù)來看，清掃臂實(shí)際變形量很小，且受到的最大應(yīng)力僅為0.535 59 MPa，說明清掃臂還存在輕量化的空間。

2.2 載荷譜的編制

疲勞壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵是對(duì)清掃臂疲勞載荷的統(tǒng)計(jì)分析，載荷譜對(duì)于清掃臂的疲勞壽命分析非常重要，載荷數(shù)據(jù)定義了清掃臂的使用環(huán)境，也決定了疲勞分析的結(jié)果[6]。為對(duì)清掃臂進(jìn)行疲勞壽命估算，需得到清掃臂通孔圓柱面所受的載荷譜。本文借助ADAMS對(duì)清掃臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

根據(jù)清掃臂的工況添加載荷，定義清掃機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副。清掃機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖5所示。

圖5 多體動(dòng)力學(xué)模型

設(shè)置采樣時(shí)間為5 s，通過清掃機(jī)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)仿真模型運(yùn)算得到清掃臂的載荷時(shí)間歷程，清掃臂的載荷時(shí)間歷程曲線如圖6所示[1]。

圖6 載荷時(shí)間歷程曲線

由載荷時(shí)間歷程曲線可知，隨著清掃臂的旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)推桿在5 s內(nèi)會(huì)對(duì)清掃臂產(chǎn)生60～90 N的推力，并且清掃臂旋轉(zhuǎn)的角度越大，電動(dòng)推桿對(duì)清掃臂產(chǎn)生的推力越大。

2.3 清掃臂S-N曲線的確定

S-N曲線是應(yīng)力疲勞分析的基礎(chǔ)，用來表示疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）和疲勞壽命之間的關(guān)系。一般用S-N曲線表示材料的疲勞特性。S-N曲線采用冪函數(shù)公式SαN=C來表示，其中：S為應(yīng)力；α、C為材料性能常數(shù)；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)碳素鋼的材料屬性，在nCode Designlife模塊得出清掃臂的S-N曲線，如圖7所示。

圖7 清掃臂S-N曲線

3 疲勞壽命結(jié)果分析

在nCode軟件中設(shè)置新的疲勞壽命分析流程，包括清掃臂的有限元分析、載荷時(shí)間歷程曲線、材料的疲勞特性、分析計(jì)算、疲勞分析結(jié)果五部分，即疲勞五框圖。首先在輸入模塊分別導(dǎo)入清掃臂的有限元分析結(jié)果及清掃臂的載荷譜，輸入清掃臂的碳素鋼材料參數(shù)，選擇應(yīng)力疲勞為計(jì)算方式，對(duì)清掃臂進(jìn)行疲勞求解，將結(jié)果顯示放到nCode的工作區(qū)域，完成清掃臂的疲勞壽命分析流程。

清掃臂的疲勞損傷云圖和疲勞壽命云圖如圖8所示。

圖8 疲勞損傷云圖和疲勞壽命云圖

由疲勞損傷云圖可得，在規(guī)定的工況循環(huán)下，對(duì)清掃臂造成的損傷很小，相應(yīng)的清掃臂的工作壽命完全能夠達(dá)到工作要求。對(duì)疲勞壽命的結(jié)果分析，說明了清掃臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得過于保守，進(jìn)而說明清掃臂可以進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)。對(duì)于清掃臂的優(yōu)化，采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法。拓?fù)鋬?yōu)化是在一個(gè)確定的連續(xù)區(qū)間內(nèi)尋找結(jié)構(gòu)內(nèi)部的非實(shí)體區(qū)域位置和數(shù)量的最佳配置，從而尋求結(jié)構(gòu)分布及節(jié)點(diǎn)連接的最優(yōu)化，使得機(jī)構(gòu)在滿足一定的強(qiáng)度、剛度等約束條件下，某種性能指標(biāo)值如質(zhì)量最小等達(dá)到最優(yōu)化[7]。后續(xù)如有需要，可以再對(duì)清掃臂進(jìn)行詳細(xì)的輕量化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

通過ANSYS和nCode相結(jié)合，對(duì)清掃臂進(jìn)行了疲勞分析，得到了清掃臂在最大載荷下的最大變形量，同時(shí)得出了清掃臂的應(yīng)力分布規(guī)律及最大應(yīng)力，結(jié)果顯示清掃臂的強(qiáng)度壽命滿足使用要求。對(duì)清掃臂的工作壽命分析可知，清掃臂的壽命達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還表明清掃臂存在輕量化的空間，為清掃臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了理論依據(jù)。