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        基于廣義模塊化的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架可重構(gòu)設(shè)計(jì)方法

        2013-10-17 13:29:24胡光忠肖守訥柳忠彬
        制造業(yè)自動(dòng)化 2013年22期
        關(guān)鍵詞:構(gòu)架轉(zhuǎn)向架廣義

        胡光忠,肖守訥,柳忠彬,

        HU Guang-zhong1,XIAO Shou-ne2,LIU Zhong-bin1,2

        (1. 四川理工學(xué)院,自貢 643000;2. 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

        0 引言

        轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架中的最重要部件之一,把轉(zhuǎn)向架各部件聯(lián)接成為一個(gè)整體的承載部件,起著支撐、定位與承載的作用。構(gòu)架功能和結(jié)構(gòu)都具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性,一直是轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)開發(fā)的重點(diǎn)[1~5],但是現(xiàn)有研究主要是針對構(gòu)架的強(qiáng)度和可靠性進(jìn)行材料、載荷測試和仿真優(yōu)化,很少有構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。這主要是構(gòu)架結(jié)構(gòu)受各種零部件安裝位置的限制,其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式。

        傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)的模塊是基于系列化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思想的,其模塊功能和結(jié)構(gòu)實(shí)體都具有獨(dú)立性,模塊間的接口具有固定的形式。對于一些復(fù)雜機(jī)械零部件,如機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架,不同性能的轉(zhuǎn)向架,其構(gòu)架變化不僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的尺度上,其幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,用傳統(tǒng)的以固定的尺寸系列的模塊化或者參數(shù)化很難描述出產(chǎn)品的系列變化,可重構(gòu)設(shè)計(jì)是一種有效解決設(shè)計(jì)重用和創(chuàng)新問題的方法[6,7]。由于構(gòu)架的復(fù)雜性,如果作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu),其可重構(gòu)度較低,如果將各種“子結(jié)構(gòu)”獨(dú)立出來,其可重構(gòu)性將發(fā)生顯著變化。通過分析構(gòu)架的“子結(jié)構(gòu)”也發(fā)現(xiàn)其具有相對獨(dú)立的功能和結(jié)構(gòu),因此本文提出基于廣義模塊化的構(gòu)架可重構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

        1 廣義模塊化設(shè)計(jì)

        1.1 廣義模塊的定義

        較早提出和應(yīng)用廣義模塊化設(shè)計(jì)的原理和方法是在液壓機(jī)個(gè)性化的設(shè)計(jì)中[8],隨后文獻(xiàn)[9,10]系統(tǒng)地闡述了廣義模塊化設(shè)計(jì)原理及方法。本文針對轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的特征,進(jìn)一步豐富廣義模塊化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵及應(yīng)用。

        廣義模塊:廣義模塊是具有既定功能、參數(shù)化結(jié)構(gòu)和接口的結(jié)構(gòu)實(shí)體模塊。廣義模塊可以描述為功能、幾何結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、載荷、約束、材料和制造工藝等工程參量的函數(shù):

        式中:Fr—廣義模塊的功能集;

        G—幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),與功能相對應(yīng),是廣義模塊功能的承擔(dān)者,采用參數(shù)化的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建模;

        P—幾何模型的設(shè)計(jì)參數(shù),即設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)變量;

        R—模塊的約束條件;

        L—模塊的載荷參數(shù);

        Pr—制造工藝方法,不同的制造工藝決定了模塊的性能特征以及接口的連接形式等。

        1.2 廣義模塊的分類

        與傳統(tǒng)的參數(shù)化模塊化相比,廣義模塊化具有以下兩點(diǎn)顯著特征:1)用參數(shù)化廣義模塊取代剛性模塊;2)用參數(shù)化廣義接口取代剛性接口。其分為參數(shù)化模塊、柔性模塊和虛擬模塊:

        參數(shù)化模塊:即傳統(tǒng)的模塊,以一組尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)的模塊結(jié)構(gòu)稱之為參數(shù)化模塊。尺寸參數(shù)不能改變模塊的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系,只是結(jié)構(gòu)的放大與縮小,全部參數(shù)確定后成為固定模塊。

        柔性模塊:模塊參數(shù)的改變將影響模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊,稱為柔性模塊,其相應(yīng)的接口也是參數(shù)化的,稱為柔性接口。將影響模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)稱為柔性參數(shù),柔性參數(shù)的取值受一定尺寸范圍的約束,也不能超出模塊規(guī)格的應(yīng)用范圍。柔性參數(shù)一經(jīng)確定就變成參數(shù)化。

        如圖1所示某構(gòu)架邊梁(1/2模型),其參數(shù)主要有邊梁上蓋板的寬度、側(cè)板幾何參數(shù)等,其中加強(qiáng)筋板的數(shù)量N為柔性參數(shù)。當(dāng)參數(shù)取不同值時(shí),變形成不同類的邊梁。

        圖1 柔性模塊示意圖

        虛擬模塊:在某些結(jié)構(gòu)實(shí)體零件中,存在一類模塊其實(shí)體結(jié)構(gòu)上不能再分,但幾何實(shí)體在結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)等方面相對固定,且具有特定子功能,因此可進(jìn)一步細(xì)分為不同的模塊特征,稱作虛擬模塊。虛擬模塊之間接口連接需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)布爾運(yùn)算,稱為虛擬接口。

        如圖2所示,構(gòu)架的各種安裝座,如牽引座、電機(jī)懸掛座等,是通過焊接工藝焊接的;有些本身是一個(gè)整體,如一系懸掛安裝座從制造的角度不能再分,但是可以在CAD意義上進(jìn)行劃分。把上述模塊劃分為虛擬模塊。

        圖2 虛擬模塊示意圖

        1.3 產(chǎn)品廣義模塊劃分

        產(chǎn)品廣義模塊化設(shè)計(jì)以廣義模塊為設(shè)計(jì)單元,廣義模塊除具備傳統(tǒng)模塊的特征外,增加了新的特點(diǎn):1)廣義模塊的獨(dú)立性主要體現(xiàn)為功能獨(dú)立性,結(jié)構(gòu)不一定獨(dú)立。由于引入了虛擬柔性模塊的概念,廣義模塊的劃分可在結(jié)構(gòu)實(shí)體域內(nèi)進(jìn)行;2)廣義模塊的結(jié)構(gòu)模型是具有不完全幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,通過結(jié)構(gòu)參數(shù)定制可生成具體結(jié)構(gòu),稱為模塊實(shí)例,模塊實(shí)例等同于剛性模塊。根據(jù)式(1),結(jié)合傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)思想,采用分層建立產(chǎn)品的模塊結(jié)構(gòu)體系,如圖3所示。

        按照上述結(jié)構(gòu),廣義模塊化產(chǎn)品一般包含剛性模塊、參數(shù)化模塊和廣義模塊,剛性模塊可以進(jìn)一步劃分為若干剛性模塊;參數(shù)化模塊可以進(jìn)一步劃分為剛性模塊或參數(shù)模塊;廣義模塊中包含剛性模塊、參數(shù)化模塊、柔性模塊和虛擬模塊,其中柔性模塊可以進(jìn)一步劃分為柔性模塊和虛擬模塊。

        圖3 廣義模塊化產(chǎn)品的模塊層次結(jié)構(gòu)圖

        圖4 廣義模塊產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計(jì)

        2 廣義模塊化產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計(jì)

        由包含廣義模塊組成的產(chǎn)品,稱為廣義產(chǎn)品。廣義模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)指由廣義模塊參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。廣義產(chǎn)品庫是由一組廣義產(chǎn)品的集合組成,當(dāng)賦予其參數(shù)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的具體值時(shí),就唯一確定一個(gè)產(chǎn)品對象。如圖4所示,由若干個(gè)廣義模塊組合為廣義產(chǎn)品就是產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計(jì)。在廣義產(chǎn)品重構(gòu)時(shí),根據(jù)用戶需求只需要對部分廣義模塊進(jìn)行實(shí)例化,其他模塊可保持不變。實(shí)例化工程包括廣義模塊組合和優(yōu)化仿真過程,所以,廣義模塊產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計(jì)便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。廣義模塊化產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計(jì)具體過程如下:

        由廣義產(chǎn)品模塊集組成產(chǎn)品矩陣:

        在機(jī)車車輛設(shè)計(jì)中,運(yùn)行速度是決定轉(zhuǎn)向架及其構(gòu)架的主要參數(shù),作為主參數(shù),從低到高排成一列,相同速度等級的不同結(jié)構(gòu)(軸重等)作為橫向系列,可以構(gòu)成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)品集。

        設(shè)上述產(chǎn)品集可以由一組廣義產(chǎn)品模塊生成:

        把第一列可以定義為基型產(chǎn)品,相應(yīng)的每一行為變形產(chǎn)品。

        產(chǎn)品功能需求集:

        根據(jù)式(5),經(jīng)過模塊優(yōu)選和仿真,便可以求解出模塊的實(shí)例化參數(shù),得到用戶需求產(chǎn)品。

        3 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架設(shè)計(jì)功能模塊

        圖5 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架功能

        3.1 構(gòu)架的功能、結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

        1)構(gòu)架功能

        構(gòu)架是把轉(zhuǎn)向架各部件組成一個(gè)總體的一個(gè)重要承載部件,其結(jié)構(gòu)形式的選擇與結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向架總體設(shè)計(jì)、相關(guān)部件(如彈簧懸掛裝置、軸箱定位裝置、輪對及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等)的結(jié)構(gòu)形式及其對安裝、檢修空間的需要、構(gòu)架的強(qiáng)度、剛度條件和采用的工藝方式等確定。

        作為轉(zhuǎn)向架,其構(gòu)架的主要功能連接各個(gè)零部件和傳遞各種載荷,通過一系懸掛及其減振器連接軸箱,從而實(shí)現(xiàn)保持輪對在轉(zhuǎn)向架內(nèi)的位置;通過二系空氣彈簧連接車體,承擔(dān)來自車體的重量及沖擊等。載荷主要有垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷、斜對稱載荷、懸掛載荷、制動(dòng)載荷和各種減振器載荷。載荷根據(jù)工況不同,分為超常載荷、運(yùn)營載荷及特殊載荷,因此需要不同工況組合進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞壽命校核。因各種零部件及其載荷通過構(gòu)架連接傳遞實(shí)現(xiàn),必須保證各個(gè)零部件的位置精度,因此構(gòu)架需具有足夠的剛度保持整個(gè)轉(zhuǎn)向架的性能。作為核心部件的構(gòu)件功能如圖5所示。

        2)構(gòu)架結(jié)構(gòu)

        構(gòu)架主要由側(cè)梁、橫梁、縱向輔助梁、空氣彈簧支撐梁、定位臂和齒輪傳動(dòng)座等組成。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架可以通過安裝托架實(shí)現(xiàn)互換。如某型動(dòng)車組構(gòu)架,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        3)構(gòu)架參數(shù)

        設(shè)計(jì)參數(shù)由屬性參數(shù)和性能參數(shù)構(gòu)成,屬性參數(shù)有結(jié)構(gòu)類型、特征尺寸參數(shù)和材料工藝參數(shù)。性能參數(shù)指各種載荷及其強(qiáng)度,本文不做詳細(xì)論述。

        (1)構(gòu)架類型Tbf(Bogie frame type),來自轉(zhuǎn)向架總體參數(shù);

        圖6 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架示意圖

        圖7 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模塊化設(shè)計(jì)功能模塊

        (2)構(gòu)架尺寸參數(shù):

        固定軸距WB(Wheelbase),來自轉(zhuǎn)向架總體參數(shù);

        輪廓尺寸(長×寬×高)Lf、Wf、Hf;

        側(cè)梁中心線間距Ssb(Spacing of side beam)

        橫梁中心線間距Scb(Spacing of crossbeam)

        3.2 系統(tǒng)功能模塊

        焊接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但其主要組成部分具有相對固定的幾何結(jié)構(gòu)和相對獨(dú)立功能,根據(jù)廣義模塊化設(shè)計(jì)方法,將其劃分為若干虛擬模塊和柔性模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。構(gòu)架的廣義的模塊化設(shè)計(jì),其目的是滿足轉(zhuǎn)向架重構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)建設(shè)計(jì)資源庫,因此,其系統(tǒng)架構(gòu)必須支持構(gòu)件的模糊識別選擇和再創(chuàng)新設(shè)計(jì)。支持重構(gòu)設(shè)計(jì)的廣義模塊化構(gòu)架設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要功能模塊如圖7所示。

        全局參數(shù)模塊:構(gòu)架設(shè)計(jì)的全局參數(shù)來自于轉(zhuǎn)向架總體設(shè)計(jì)參數(shù),主要包括構(gòu)架的結(jié)構(gòu)類型參數(shù),如類型(動(dòng)車或拖車)、結(jié)構(gòu)類型(H型或口型等)、懸掛類型,總體尺寸、材料、工藝參數(shù)等。為支持重構(gòu)設(shè)計(jì),全局參數(shù)中包含對構(gòu)架性能描述的關(guān)鍵參數(shù),如最高運(yùn)行速度、軸重、穩(wěn)定性、可靠性、承載能力等指標(biāo)。

        結(jié)構(gòu)三維模塊設(shè)計(jì):根據(jù)轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特征,抽取其模塊進(jìn)行廣義參數(shù)設(shè)計(jì),主要模塊有中梁(橫梁)、邊梁、二系彈簧座、橫梁輔助梁、軸箱轉(zhuǎn)臂座、電機(jī)安裝座、齒輪箱安裝座、制動(dòng)裝置安裝座、一系垂向減振器座、牽引拉桿座和邊梁筋板等,其中,邊梁筋板屬于柔性模塊,各模塊通過布爾運(yùn)算進(jìn)行組裝。

        4 設(shè)計(jì)應(yīng)用

        某型動(dòng)車組是8輛編組,采用4動(dòng)4拖的動(dòng)力分散型。運(yùn)營速度為200km/h,最高實(shí)驗(yàn)速度為270km/h。

        轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要輪廓及斷面尺寸如表1,構(gòu)架總體方案及邊梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)見圖8和圖9所示,完成的構(gòu)架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        表1 某型轉(zhuǎn)向架主要輪廓及斷面尺寸

        圖8 構(gòu)架總體方案界面

        圖9 邊梁模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        5 結(jié)束語

        本章針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其“子結(jié)構(gòu)”具有相對獨(dú)立的功能和結(jié)構(gòu)形態(tài)的特點(diǎn),結(jié)合廣義模塊化設(shè)計(jì)研究成果,擴(kuò)展了廣義模塊的定義及其模塊構(gòu)建方法,并以某型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為例詳細(xì)論述構(gòu)架廣義模塊化設(shè)計(jì)的方法及其系統(tǒng)的開發(fā)過程,初步實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)。

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