徐桂安, 孙 宁, 王冬梅, 陈 田

(上海电机学院 机械学院, 上海 201306)

作为轨道交通必不可少的检修设备,架车机的安全性问题一直受到广泛关注[1]。地铁车辆面临的工作环境比较复杂,地铁在工作时容易出现故障问题,若检修不及时,容易引发轨道交通车辆的调度问题。出于安全考虑以及国内轨道交通车辆维修与检修设备研发的空白,轨道交通车辆维修与检修设备大多从德国进口[2],设备质量较好,但进口设备价格昂贵,且在日常维护、技术交流、售后服务、技术培训以及零部件供应等方面也存在许多不便[3]。

潘益明等[4]以架车机的结构参数为依托,研究结构参数与滚轮摩擦系数对载荷系数的影响,并进行了定性分析。Dostal等[5]提出了一种基于有限元的分解算法,通过对网格的预处理以解决多体接触的问题。王鹏等[6]对架车机承载装置提出了设计方案,对机架进行了优化,但未给出等效力学模型。张向红等[7]对关键零件托架进行了静力分析和模态分析,但无接触分析。目前,国内架车机的研究主要集中于方案研究及其改进、同步控制以及使用维护等方面,在结构力学特性方面研究较少[8]。

本文建立了移动式架车机托臂结构的等效空间力学模型,求解各项作用力,并对托臂进行了有限元分析；在ANSYS中建立了托臂的参数化模型,对其强度与刚度进行了校核；基于加载接触有限元分析原理,对托臂进行了接触分析,给出仿真分析的关键技术,为移动式架车机后续的力学分析与优化设计奠定了基础。

1 托臂有限元分析

托臂由托头、支撑板、稳定轮、导轮等部分组成。主要的受力构件是支撑板,其结构特点会影响导轮和稳定轮的受力情况。忽略其他因素,将整个托臂作为一个整体进行受力分析,设F3为托臂导轮受到的力,F2为其反作用力,F1为托臂支持力,G为地铁车厢的重力,受力情况如图1所示。

图1 托臂受力分析

根据托臂的受力分析,托臂的结构形状对整个模型的影响较小,可忽略不计[9]；将模型重心和受力载荷等价至托臂中心[10],如图2所示。分析出托臂的等效力学模型,建立三维坐标系。其中,Fs为托臂载荷；O为托臂中心；O1、O2、O3、O4分别为稳定轮对托臂产生的法向力Fn1、Fn2、Fn3、Fn4和切向力Ft1、Ft2、Ft3、Ft4的中心；M1、M2、M3、M4分别为各个作用力所产生的等效力矩。

图2 托臂的等效力学模型

建立该模型时,忽略安装与加工误差,托臂重力不计,模型为刚体。托臂工作时的状态一般是缓慢和匀速的,车辆架起是一个力矩平衡和作用力平衡的过程,作用在托臂上的空间力学系统为线性系统,可用叠加原理进行分析[11-13],有

式中:an、as、at分别为法向力Fn、切向力Ft、托臂载荷Fs的托臂载荷参数；β1、β2、β3 为结构系数；μ为摩擦因数。

托臂的结构系数决定了载荷参数,无需托臂的具体尺寸,即可获得托臂结构系数与载荷参数的关系,故可以分析出移动式架车机托臂的力学性能与结构系数的关系。

常见材料力学性能指标见表1。在有限元分析时,采用塑性材料,则应力与应变关系模型为双线性强化塑性模型[14]。

表1 常见材料力学性能指标

有限元分析时忽略螺纹连接、表面粗糙度等因素的影响,采用四面体和六面体的实体单元进行网格划分[15],对网格模型简化处理,托臂的网格模型如图3所示。

图3 托臂的网格模型

丝杠对托臂的作用力在中心线上,有限元分析时忽略工作时的偏载,在模型中以某国产架车机的结构系数:β1=0.8,β2=0,β3=0,摩擦因数μ=0.01为基础,计算出结构参数为

托臂工作时,托臂应力云图如图4所示。应力集中发生在托头与侧板接触处,最大应力出现在托头与侧板的连接焊接处,最大应力为245.6 MPa。选取材料为Q235钢时,最大应力小于屈服极限应力,通过调整和更换易损件,托头与侧连接板焊缝应进行圆角处理,以减小应力集中。选取材料为Q235钢时,托臂应力分布合理,因此满足强度要求。

图4 托臂整体应力云图

2 托臂接触分析

该结构模型两侧对称,故两侧受力对称,两侧接触区域的情况一致,对一侧接触对进行有限元分析即可。架车机单侧接触对的位置如图5所示,将托臂一侧隐藏,接触区域A、B、C、D为接触位置。

图5 托臂单侧接触对的位置图

建立架车机的有限元模型如图6所示,利用有限元分析中的实体单元模拟接触区域处的各种结构,整个模型系统离散成约19万个单元、5万个节点。

图6 架车机有限元模型

设置接触对进行模拟,选择托臂的水平面为目标面,伸缩托头的底面为接触面,两者通过设置一致的实常数号来建立接触对[16]。在设置参数时应避免计算结果不收敛,并且加快收敛速度,故选取增广拉格朗日算法[17]、牛顿-拉夫逊方法迭代[18]。

研究接触刚度系数对架车机各接触区域应力的影响,对架车机接触模型进行有限元分析,选取不同的接触刚度系数。各接触区域接触应力与刚度系数的关系如图7所示,各接触区域等效应力与刚度系数的关系如图8所示。

图7 各接触区域接触应力随刚度系数变化曲线

图8 各接触区域等效应力随刚度系数变化曲线

由图7、图8可知,随着刚度系数的增大,接触区域D的接触应力和等效应力均无明显变化,其余接触区域等效应力和接触应力均随着刚度系数的增大而增大,但其增长速率不断减小,最终逐渐稳定。当刚度系数取6和7时,与趋于稳定的接触应力计算出误差,最大接触应力相对误差为(278-277.5)/278=0.17%,接触部位最大等效应力的相对误差为(221-220)/221=0.45%,因此综合考虑精度、计算成本及收敛性,选择刚度系数为6进行有限元接触分析。

综上可知,接触区域的各项应力值均随着刚度系数的增大而不断增大,且逐渐趋于稳定,接触区域A中产生最大等效应力,接触区域A 受到弯矩和接触压力的作用,接触模型的最大等效应力为221 MPa,模型材料为Q235 钢,其屈服强度为255 MPa,许用应力为255/1.1=231.8 MPa。因此,最大等效应力小于许用应力,满足强度要求。

3 结 语

应力集中发生在托头与侧板接触处,最大应力出现在托头与侧板的连接焊接处,当托臂升起时,机架受到弯矩随之增大。采用规则形状的单元对模型进行网格划分,对一些不特别重要的孔或是很小的孔,在进行网格划分时简化处理,根据托臂的特点,由细到粗应逐步变化。本文构建了移动式架车机托臂结构的等效空间力学模型,求解各项作用力,在此基础上对托臂进行了有限元分析,在ANSYS中建立架车机的参数化模型,对其强度与刚度进行了校核,并通过建立移动式架车机的接触模型对托臂进行了接触分析,为移动式架车机后续的力学分析与优化设计奠定了基础。在今后的研究过程中可以考虑对尺寸进行优化,可选取神经网络模型与响应面近似模型进行分析。