基于ANSYS workbench的鋼軌銑削瞬態分析

摘 ?要：為了確定鋼軌在銑削任意時間變化載荷作用下彈性扣件的響應，運用有限元分析軟件ANSYS workbench模塊結合銑削理論對鋼軌進行瞬態分析。分析貼合實際工況，銑削力遵循傅里葉級數方程下評價某大型養路機械現有布局結構銑削瞬態響應。本文主要通過兩個方面分析來驗證現有布局結構銑削瞬態響應：相同銑削螺旋角，不同走行速度瞬態分析;相同走行速度，不同銑削螺旋角瞬態分析。

關鍵詞：鋼軌;ANSYS workbench;瞬態分析

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A ? ?文章編號：2096-6903（2021）03-0000-00

作為鐵路營運中起到承載作用的關鍵部件，鋼軌起著引導車輛行駛并直接承受列車運行過程中產生的動載荷，由于鋼軌本身材質、結構原因以及列車實際運行中復雜多變的載荷及應力影響下，鋼軌從鋪設使用開始，隨著時間的推移，鋼軌表面甚至內部必然會產生疲勞，發生各種傷損，如波磨、裂紋、肥邊、剝落等，以上病害如果不及時維護直接影響鋼軌的使用壽命，威脅著鐵路運營安全。國內外鐵路的鋼軌運用經驗表明，定期對鋼軌進行維護，可以通過改善輪軌接觸位置、降低輪軌接觸應力、增加轉向力矩和防止鋼軌側翻，從而降低輪軌磨耗及滾動接觸疲勞傷損。目前，鐵路運營中修復性維護應用較為廣泛，常見的有打磨、銑削，無論是打磨還是銑削，都是以恢復鋼軌廓形為目的，到達改善輪軌關系，延長使用壽命。通過鋼軌銑削瞬態分析結合實際應用以驗證某大型養路機械現有布局結構，為優化布局提供仿真數據支撐[1]。

1 彈性扣件參數（表1）

彈性扣件外觀如圖1。剛度經過專業設備測試，阻尼經錘擊激勵法測試，采用半功率帶寬法計算經試驗獲取，阻尼試驗數據如圖2。

2 ?鋼軌瞬態分析有限元模型

該大型養路機械走行速度較低，忽略車廂及轉向架的轉動慣量對鋼軌銑削過程動態影響及銑削過程中某大型養路機械與軌道的耦合作用[2]。分析做如下假設：假設鋼軌銑削過程始終保持穩定，剛性連接，可得到鋼軌銑削過程垂向動力學簡化模型如圖3。

利用ANSYS workbench采用2節點12自由度梁單元對鋼軌進行離散建模，建立適用于單節某大型養路機械車的鋼軌長度，模型采用笛卡爾坐標系，在該坐標系下施加轉向架軸重下壓力，彈性扣件彈簧力，順銑約束，瞬態分析有限元模型如圖4。

3 相同銑削螺旋角，不同走行速度瞬態分析

3.1銑削力

3.3 分析計算結果

計算做如下假設：銑削過程中，進入銑削區域的每一個刀齒都能銑到鋼軌，計算時長1 s，步長1/2048s。相同銑削螺旋角，不同走行速度下，隨著走行速度增大振動幅值增大，銑削點動態振動結果如圖8。

4 ?相同走行速度，不同銑削螺旋角瞬態分析

計算做如下假設：銑削過程中，進入銑削區域的每一個刀齒都能銑到鋼軌，計算時長1 s，步長1/2048 s。相同走行速度，不同銑削螺旋角下，25度螺旋布置刀齒不只比0°布置切削力幅值要小，且能有效減少沖擊，銑削點動態振動結果如圖9。

5 結論

本文討論了鋼軌銑削瞬態分析，主要采用2節點12自由度梁單元對鋼軌進行離散建模，建立適用于單節某大型養路機械車的鋼軌長度，分析表明隨著走行速度的增大，振動幅值增大;25度螺旋布置刀齒不只比0°布置切削力幅值要小，且能有效減少沖擊;隨著螺旋角度增大，振動幅值減小，但減小不是很明顯。由以上計算分析驗證了某大型養路機械現有布局結構銑削瞬態響應，為后續新型設計提供數據支撐，希望此思路能為今后同類設計提供必要的參考。

參考文獻

[1]萬敏，馬穎超，張衛紅.銑削加工工藝力學機理研究[J].航空制造技術，2016，59（7）：44-49.

[2]（美）Saeed Moaven.ANSYS理論與應用（第四版）[M].北京：電子工業出版社，2015.

收稿日期：2021-02-26

作者簡介：陶桐（1987—），男，云南昭通人，本科，工程師，研究方向：鐵路大型養路機械的研發及CAE仿真分析。

Abstract：In order to determine the response of elastic fastener under the action of milling load at any time， the transient analysis of rail was carried out by using the finite element analysis software ANSYS Workbench module combined with milling theory. According to the actual working conditions， the milling force follows the Fourier series equation to evaluate the milling transient response of the existing layout structure of a large road maintenance machine. In this paper， two aspects are analyzed to verify the milling transient response of the existing layout structure： the same milling helix angle， different running speed transient analysis; Transient analysis of the same running speed and different milling helix angle.

Key words：Rail;ANSYS Workbench;transient analysis