基于ANSYS開發(fā)設(shè)計(jì)鐵路客車轉(zhuǎn)向架專用起重吊具

漆 靜

（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，四川 成都 610100）

目前主機(jī)廠生產(chǎn)及維修系統(tǒng)解決鐵路客車轉(zhuǎn)向架起重方式常采用鋼絲繩捆綁吊鉤（吊環(huán)）穿過(guò)鋼絲繩完成起吊作業(yè)，或通過(guò)吊鉤（吊環(huán)）直接起吊轉(zhuǎn)向架某些部位完成起吊作業(yè)。這種起吊方式不僅低效，吊點(diǎn)的不穩(wěn)定造成的沖擊對(duì)轉(zhuǎn)向架設(shè)備本身結(jié)構(gòu)也有影響，缺乏專業(yè)起重吊具導(dǎo)致現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架移動(dòng)低效率，同時(shí)起重前鋼絲繩的捆綁作業(yè)也伴隨著安全隱患。

為此，需要專業(yè)、高效、自動(dòng)的起吊轉(zhuǎn)向架使用的起重吊具。客車轉(zhuǎn)向器起重裝置，尤其是一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收、放吊鉤用于轉(zhuǎn)向架起重的吊具裝置且輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更能滿足主機(jī)廠節(jié)約能耗，完成綠色工廠建設(shè)需要。

1 轉(zhuǎn)向架吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

箱梁結(jié)構(gòu)作為該型吊具大體骨架，其承受著負(fù)載和自重，在局部受載后，薄板體可由平面變成翹曲狀態(tài)導(dǎo)致局部失穩(wěn)。運(yùn)用ANSYS二次分析其金屬結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，可有效預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)合理性。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮承受載荷平均比率分散程度，可分散集中力和力矩的作用，這對(duì)其抗剪切和彎曲作用有很大幫助，使其穩(wěn)定性增強(qiáng)。

開發(fā)客車轉(zhuǎn)向架專用自動(dòng)化吊具裝備，可包括吊裝前定位分析裝置、起吊過(guò)程鎖止機(jī)構(gòu)和自動(dòng)釋放裝置等，建立適宜的新型自動(dòng)化吊具用于鐵路客車轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移及存儲(chǔ)。將開發(fā)設(shè)計(jì)的鐵路客車轉(zhuǎn)向架自動(dòng)化吊裝設(shè)備改進(jìn)調(diào)整后可繼續(xù)用于汽車生產(chǎn)領(lǐng)域用于汽車懸架的自動(dòng)化吊裝，運(yùn)用機(jī)器雙目視覺(jué)原理開發(fā)相關(guān)智能定位系統(tǒng)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能化。本文設(shè)計(jì)該型 15t吊具結(jié)構(gòu)材料為 Q235B，各構(gòu)件為箱型梁或工字型梁結(jié)構(gòu)，對(duì)稱布置。上吊點(diǎn)為 4個(gè)吊耳，吊點(diǎn)間距縱橫向分別為1 650 mm、1 610 mm；下吊點(diǎn)為轉(zhuǎn)銷結(jié)構(gòu)，吊點(diǎn)距縱橫向分別為2 321 mm、2 885 mm。采用有限元方法建實(shí)體模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，單元類型為板殼單元。約束加載于 4個(gè)上吊耳孔上，載荷加載于轉(zhuǎn)銷支承板上，對(duì)吊具結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析。吊具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 吊具主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 吊具結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析

基于 ANSYS軟件建立轉(zhuǎn)向架吊具系統(tǒng)的參數(shù)化模型，文章對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，提取用于優(yōu)化的邊界條件以及檢驗(yàn)系統(tǒng)各主要機(jī)構(gòu)的合理性；使用 APDL參數(shù)化有限元分析語(yǔ)言，建立助力系統(tǒng)重要部位的參數(shù)化模型，并對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，以便于分析和優(yōu)化，對(duì)各子系統(tǒng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化；基于ANSYS有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行靜強(qiáng)度和剛度分析，檢驗(yàn)吊具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。考慮到吊具在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中隨起重機(jī)大車的運(yùn)行其吊具存在一定擺動(dòng)，按以下工況對(duì)吊架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析驗(yàn)算。

（1）額定起重量均布于四個(gè)吊點(diǎn)時(shí)，計(jì)算吊具結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度；

（2）額定起重量在水平面內(nèi)的縱橫方向偏離吊具中心線10%時(shí)，計(jì)算吊具結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度；

（3）額定起重量在水平面內(nèi)的縱橫方向偏離吊具中心線20%時(shí)，計(jì)算吊具結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。

項(xiàng)目研究技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目研究技術(shù)路線

3 結(jié)構(gòu)ANSYS有限元計(jì)算

本文討論兩個(gè)橫隔板間可容納一個(gè)曲形腹板時(shí)的局部穩(wěn)定性分析，結(jié)合此次設(shè)計(jì)的專用吊具主梁腹板特點(diǎn)，采用其一個(gè)單元區(qū)間進(jìn)行分析。選用具有4節(jié)點(diǎn)及6自由度的SHELL63板殼單元，在承受面內(nèi)和法線方向有載荷作用時(shí)有彎曲和薄膜效應(yīng)。因此，可將局部屈曲分析轉(zhuǎn)化為由上、下翼緣板和腹板組成的工字梁模型進(jìn)行局部分析。

構(gòu)建約束時(shí)將翼緣板與曲形腹板相交處沿著橫向主梁跨度方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和沿著主梁垂直方向的位移自由度耦合，以此約束翼緣板對(duì)腹板作用。其次，對(duì)腹板兩端作簡(jiǎn)支處理，曲形腹板兩邊緣約束平行于起重大車軌道運(yùn)行方向；上下翼緣板兩端約束平行于大車軌道行駛方向和主梁豎直方向的位置自由度；最后，約束腹板上下兩邊中點(diǎn)處沿著主梁跨度方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以防止主梁發(fā)生剛體位移。總體結(jié)構(gòu)有限元模型主要采用板殼單元，共有單元19 773個(gè)，節(jié)點(diǎn)19 758個(gè)。吊具結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

圖3 該型專用吊具ANSYS分析模型數(shù)據(jù)

3.1 剛度驗(yàn)算

（1）工況一：吊具下貨物重心與吊具中心重合，即四個(gè)吊點(diǎn)載荷均布時(shí)，有效懸臂變形量計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 吊具端梁有效懸臂處垂直繞度（工況一）

（2）工況二：額定起重量在水平面內(nèi)的縱橫方向偏離吊具中心線 10%時(shí)，分析其有效懸臂彎曲變形情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 吊具端梁有效懸臂處垂直繞度（工況二）

（3）工況三：額定起重量在水平面內(nèi)的縱橫方向偏離吊具中心線 20%時(shí)，分析其有效懸臂剛度，結(jié)果如圖6所示。

圖6 吊具端梁有效懸臂處垂直繞度（工況三）

3.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

（1）工況四：吊具下貨物重心與吊具中心重合，即四個(gè)吊點(diǎn)載荷均布時(shí)，最大應(yīng)力集中點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 吊具吊耳處應(yīng)力局部圖（工況四）

（2）工況五：額定起重量在水平面內(nèi)的縱橫方向偏離吊具中心線 10%時(shí)，分析其最大應(yīng)力表現(xiàn)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 吊具吊耳處最大應(yīng)力局部圖（工況五）

（3）工況六：額定起重量在水平面內(nèi)的縱橫方向偏離吊具中心線 20%時(shí)，分析其最大應(yīng)力表現(xiàn)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 吊具吊耳處應(yīng)力局部圖

根據(jù)以上計(jì)算工況，15T吊具結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及剛度（豎直方向變形）情況列于表1。

表1 吊具有限元計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

該型專用于動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的自動(dòng)起重吊具靜剛度及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如下：

（1）按照主梁跨中垂直靜撓度推薦值為

式中，為主梁跨度，=1 610 mm。

吊具結(jié)構(gòu)主梁跨中最大撓度為0.681 mm，未超過(guò)結(jié)構(gòu)許用值，吊具主梁結(jié)構(gòu)靜剛度滿足要求。

（2）按照端梁跨中垂直靜撓度推薦值為

式中，為主梁跨度，=1 650 mm。

吊具結(jié)構(gòu)端梁最大撓度0.406 mm，未超過(guò)結(jié)構(gòu)許用值，吊具端梁結(jié)構(gòu)靜剛度滿足要求。

（3）按照有效懸臂位置垂直靜撓度推薦值為

式中，為主梁有效懸臂，=637.5 mm。

吊具結(jié)構(gòu)有效懸臂位置垂直方向最大撓度為0.898 mm，未超過(guò)結(jié)構(gòu)許用值， 吊具有效懸臂結(jié)構(gòu)靜剛度滿足要求。

（4）強(qiáng)度計(jì)算結(jié)論

金屬結(jié)構(gòu)材料均采用Q235鋼。

吊具在載荷重心偏移 20%滿載時(shí)，結(jié)構(gòu)吊耳連接處最大復(fù)合應(yīng)力131.514 MPa，未超過(guò)許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。根據(jù)以上計(jì)算，吊具結(jié)構(gòu)在15 T載荷作用下，并考慮1.15倍的動(dòng)載系數(shù)，載荷重心在水平面內(nèi)縱橫向偏離吊具中心線 20%以內(nèi)時(shí)，吊具結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度均滿足使用要求。

（5）合理布置箱梁中橫向加勁肋將有效提高箱梁扭轉(zhuǎn)剛度和局部屈曲臨界載荷，同時(shí)，減少殘余應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)（畸變）縱向翹曲位移及截面畸變橫向位移等。由于橫向加勁肋受力分析的復(fù)雜性，通常可依據(jù)主梁高厚比和局部區(qū)格的穩(wěn)定性來(lái)確定橫向加勁肋的布置間距。