孫明，劉靜

( 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122)

目前我國的高鐵發(fā)展很快，高鐵的發(fā)展給人們的生活帶來了方便［1］，但火車在一次次提速的同時(shí)也帶來了新的技術(shù)難題?；疖囁俣忍岣吡?，在拐彎時(shí)火車的拐彎角度必然要加大，否則容易引起火車脫軌、側(cè)翻，因此對叉道處或者拐彎處的鐵軌加工提出了新的要求。為了適應(yīng)高速行駛的火車，拐彎處的鐵軌在加工時(shí)要讓鐵軌繞軸線方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)小的角度，以使火車在拐彎時(shí)能夠平穩(wěn)過渡［2］。到目前為止，鐵軌的這種小角度偏轉(zhuǎn)加工都是通過熱軋形成的，而這些熱軋的設(shè)備并不是為鐵軌偏轉(zhuǎn)加工而設(shè)計(jì)的，因此加工精度低，加工過程也不能控制。針對以上問題，參照鐵軌的加工工藝要求［3－5］，作者提出了一種專門用于鐵軌扭轉(zhuǎn)加工的裝置。

1 簡化模型及有限元模型的建立

1.1 對鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置的初步分析

首先，要實(shí)現(xiàn)鋼軌的扭轉(zhuǎn)變形，而且是發(fā)生永久塑性變形，可以在鋼軌上施加扭矩，要保證施加在鋼軌上的扭矩必須使鋼軌所承受的應(yīng)力值超過其屈服強(qiáng)度;其次，在施加載荷時(shí)，可以使鋼軌的一端固定，在另一端施加載荷，讓鋼軌發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形;最后，選擇施加載荷的動(dòng)力系統(tǒng)。由于液壓傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力大、能實(shí)現(xiàn)無級變速等優(yōu)點(diǎn)，初步選定液壓驅(qū)動(dòng)的方式來施加載荷。

1.2 簡化模型的建立

建立鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置三維簡化模型是實(shí)現(xiàn)有限元分析的關(guān)鍵步驟之一。根據(jù)對裝置的初步分析及鋼軌截面圖(圖1)尺寸，利用CATIA V5 R19 中零件設(shè)計(jì)模塊建立簡化模型，如圖2 所示。

圖1 鋼軌截面圖

這里把夾具簡化為兩個(gè)長方體，并且假設(shè)夾具的材料與鋼軌的材料相同，均為高錳鋼，σs≥784 MPa，這樣做使得模型更為簡化;另外由于只要知道夾具的應(yīng)力情況，給具體的夾具設(shè)計(jì)提供參考就行，所以這里使用同一種材料，也給分析帶來很大方便。兩個(gè)長方體中其中一個(gè)長方體的兩端被固定，另一個(gè)長方體的兩端被施加載荷，初步設(shè)計(jì)長方體的長為2 000 mm、寬為200 mm、高為300 mm。另外，根據(jù)加工要求兩個(gè)長方體之間的距離為448 mm。

圖2 三維簡化模型

1.3 約束及受力分析

在三維簡化模型的基礎(chǔ)之上，可以進(jìn)一步對模型進(jìn)行約束和受力分析。在其中一個(gè)長方體的兩端及后面添加固定約束，這樣，整個(gè)模型的自由度就為1;在另外一個(gè)長方體的兩端建立方向相反的，大小相等的兩個(gè)均布載荷，并且它們的方向與長方體的長度方向垂直。加載方案見圖3，施加約束后的模型見圖4。則有下列關(guān)系式:

T = 2F·(L/2)式中:F 為施加的均布載荷;

T 為對力偶構(gòu)成的扭矩;

L/2 為力臂。

式中的L 即為扭轉(zhuǎn)臂的總長度;F 的大小也就是液壓油缸的升力和拉力的大小。

圖3 加載方案

圖4 施加約束載荷后的模型

2 有限元分析模型的建立

2.1 有限元分析前處理

根據(jù)三維簡化模型和力學(xué)模型，可以建立有限元分析模型。

進(jìn)行有限元分析的步驟為［6－7］:(1)將零件設(shè)計(jì)模塊中的三維簡化模型導(dǎo)入到有限元分析模塊中;(2)添加材質(zhì);(3)劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界約束條件，施加載荷;(4)計(jì)算分析。

查閱相關(guān)資料有:

碳鋼和錳鋼的E 為196 ～216 GPa，一般按210 GPa 計(jì);μ 為0.25 ～0.33，一 般 按0.3 計(jì);α 為12.3 ×106。

力學(xué)性能［1］:抗拉強(qiáng)度σb(MPa):≥980(100);屈服強(qiáng)度σs(MPa):≥784 (80);伸長率δ10(%):≥8;斷面收縮率ψ (%):≥30;硬度:熱軋時(shí)，不大于HB302;冷拉+ 熱處理時(shí)，不大于HB321。

因此材料定義如圖5 所示。

圖5 材料定義及網(wǎng)格劃分

另外，有限元分析中網(wǎng)格的劃分十分重要，它對運(yùn)算結(jié)果的精確性有很大的影響。網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算越精確，但是所用的時(shí)間也越長，占用的內(nèi)存也越大。考慮到計(jì)算速度，另外此模型的尺寸較大，所以網(wǎng)格不宜劃分太細(xì)。CATIA 本身自帶根據(jù)尺寸自動(dòng)劃分網(wǎng)格的功能，可以利用這一功能對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 有限元分析結(jié)果

通過CATIA 的顯示功能，分別顯示出模型的米塞斯應(yīng)力圖和變形位移云圖，再與高錳鋼的屈服極限比較，一步步改變施加載荷F 的大小，直到F 足夠大到能使鋼軌發(fā)生塑性變形。當(dāng)F 達(dá)到38 000 N 時(shí)，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 米塞斯應(yīng)力圖

由分析結(jié)果可以看出:此時(shí)的應(yīng)力最大值達(dá)到808 MPa，略大于高錳鋼的屈服極限784 MPa (當(dāng)F值取到55 000 N 時(shí)，最大應(yīng)力為1 170 MPa)，因此可以取油缸的推力為大于38 000 N 的一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?，這也就為油缸的設(shè)計(jì)提供了參考。

另外可以看出長方體模型側(cè)面的應(yīng)力值也達(dá)到了0.013 7 MPa，也就是說在扭轉(zhuǎn)的同時(shí)旋轉(zhuǎn)臂可能會退讓，因此必須在側(cè)面再加以固定，可以考慮借助鎖銷來固定旋轉(zhuǎn)臂。根據(jù)分析結(jié)果，再利用CATIA 高級建模功能以及裝配功能可以初步設(shè)計(jì)出整個(gè)鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置的裝配結(jié)構(gòu)圖，見圖7。

圖7 鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置總裝配圖

工作原理:首先鋼軌被放到兩對夾具中;然后夾具夾緊鋼軌，鎖銷上移鎖住夾具，防止退讓;兩個(gè)扭轉(zhuǎn)油缸開始帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，一直轉(zhuǎn)動(dòng)到需要的角度。夾緊及松開鋼軌動(dòng)作由夾緊油缸控制，鎖銷的動(dòng)作由鎖銷油缸控制，扭轉(zhuǎn)臂的扭轉(zhuǎn)由兩個(gè)扭轉(zhuǎn)油缸控制。

3 總結(jié)

利用CATIA V5 的有限元分析功能先對鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置簡化模型進(jìn)行受力分析，為油缸的工作載荷提供參考數(shù)據(jù)，也為扭轉(zhuǎn)臂和鎖銷的材料性能提供參考，從而為整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)提供了合理的依據(jù)。在此基礎(chǔ)之上，利用CATIA 的高級建模功能和裝配功能將裝置的零部件設(shè)計(jì)并裝配起來，將整個(gè)裝置更加直觀地描述出來，也為設(shè)計(jì)的合理性、裝置的合理性提供了一定的參考。

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