李瀧+龍一帆
摘 要:軸箱彈簧是地鐵列車懸掛系統(tǒng)中重要部件之一,它的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量影響到列車轉(zhuǎn)向架一系懸掛系統(tǒng)的安裝精度、運行穩(wěn)定性和系統(tǒng)使用壽命。文章運用Matlab2012a優(yōu)化函數(shù),建立地鐵列車轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧(以圓柱螺旋彈簧為例)設(shè)計模型,通過實例分析某型地鐵列車軸箱彈簧設(shè)計的合理性。
關(guān)鍵詞:優(yōu)化 參數(shù)模型 軸箱彈簧 地鐵車輛
中圖分類號:U270 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)04(c)-0035-02
在地鐵車輛運行過程中,軸箱彈簧起到支撐、連接,減震等作用,是車輛轉(zhuǎn)向架中不可缺少的重要部件,為了提高車輛運行安全性、平穩(wěn)性、舒適性,在結(jié)構(gòu)空間位置、轉(zhuǎn)向架高度、連接部件使用壽命等條件允許的情況下,實現(xiàn)車體輕量化設(shè)計,降低轉(zhuǎn)向架一系懸掛系統(tǒng)制造成本。該文以圓柱螺旋式軸箱彈簧為例,利用Matlab優(yōu)化函數(shù)進行設(shè)計和校驗。
1 理論基礎(chǔ)
基本設(shè)計思路是根據(jù)彈簧載荷計算彈簧剛度設(shè)計彈簧尺寸,通過強度、穩(wěn)定性校核確定彈簧設(shè)計的合理性。
1.1 彈簧尺寸確定
首先,由地鐵車輛在AW3(極限載荷)模式確定每個軸箱彈簧承受的最大載荷;其次,從轉(zhuǎn)向架力學(xué)平衡性和轉(zhuǎn)向架設(shè)計高度選取彈簧撓度;最后,確定彈簧高度和螺旋節(jié)徑及彈簧旋繞比。
剛度計算:p= Fmax/δ=Gd4/8nD3
Fmax為彈簧最大垂向載荷;δ為彈簧變形量(彈簧撓度);G為彈簧剪切模量;d為彈簧材料直徑;D為彈簧螺旋節(jié)徑;n為彈簧有效圈數(shù)。
彈簧旋繞比:4 1.2 彈簧強度、疲勞強度效驗 確保列車運行安全,彈簧最大應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力,即 最大應(yīng)力值:τmax=8FmaxDk/πd3;τmax≤[τ]。 式中,[τ]為彈簧許用應(yīng)力;K為曲度修正系數(shù);C為彈簧旋繞比D/d。 疲勞應(yīng)力值:τe=0.47τmax≤[τ-1],根據(jù)文獻[1]可調(diào)查到;[τ-1]疲勞許用應(yīng)力。 1.3 穩(wěn)定性校驗 為保證彈簧的穩(wěn)定性,彈簧長徑比應(yīng)滿足: H/D≤3.6 式中,H為彈簧自由高度。 1.4 不并圈驗證 保證彈簧在最大壓力下不出現(xiàn)并圈現(xiàn)象,故而 H-λmax≥Hmin 式中,λmax為彈簧最大撓度,Hmin彈簧最小高度。 Hmin=d×z 式中,z為彈簧總?cè)?shù),z=n+1.5。 1.5 無共振驗證 由于軸箱彈簧采用兩端固定形式,用于支撐和減振故彈簧自振頻率應(yīng)滿足: fz ≥2fg 其中,fz=3.56×105d/(D2n)。 2 參數(shù)模型 2.1 模型設(shè)計步驟 (1)以彈簧重量最小為目標,建立目標函數(shù) f(x)=πr2 πD(n+1.5)ρ=0.019d2D(n+1.5) 式中,r=d/2;ρ=0.0078彈簧密度。 (2)根據(jù)上述設(shè)計原理,建立彈簧外形尺寸關(guān)系函數(shù),設(shè)置剛度、強度、穩(wěn)定性等約束條件并求解。 (3)編制并執(zhí)行優(yōu)化程序獲得優(yōu)化結(jié)果。 主要函數(shù):定義函數(shù)Function;有約束最小化函數(shù) Fmincon();創(chuàng)建和編輯參數(shù)結(jié)構(gòu)Optimset()。 (4)完成計算結(jié)果的判斷與分析。 判斷標準:y=[pt1,pt2,pt3,pt4,pt5,pt6,pt7,pt8]均小于或等于0。 2.2 設(shè)計實例 某型地鐵車輛軸箱圓柱螺旋彈簧最大載荷29.5 kN,允許壓縮變形量95.2 mm,自由高度360 mm,工作頻率5~10Hz。彈簧選材60Si2MnA,許用應(yīng)力740 MPa,疲勞許用應(yīng)力285.7MPa進行設(shè)計與校驗。 2.2.1 以降低彈簧重量為目標,編寫目標函數(shù)文件 function f=mbfun(t) f=0.019*t(1)^2*t(2)*(t(3)+1.5) 2.2.2 確定彈簧外形尺寸、強度、穩(wěn)定性等約束條件,編寫約束函數(shù)文件 function[y,ceq]=yuesufun(t) p=79000*t(1)^4/(8*t(3)*t(2)^3);b=29500/p;m=t(2)/t(1);k=(4*m-1)/(4*m-4)+0.615/m;Tmax=1.5*8*29500*t(2)*k/(3.14*t(1)^3) Te=0.47*8*29500*t(2)*k/(3.14*t(1)^3);fz=3.56e5*t(1)/((t(2)^2)*t(3)) l=t(2)/t(1);pt1=Tmax-740;pt2=Te-285.7;pt3=95.2-b; pt4=360-3.6*t(2) %360-95.2*1.5=217.2 pt5=((t(3)+1.5)*t(1))-217.2;pt6=4-(t(2)/t(1));pt7=(t(2)/t(1))-7 pt8=2*10-fz;y=[pt1,pt2,pt3,pt4,pt5,pt6,pt7,pt8];ceq=[] 2.2.3 優(yōu)化彈簧參數(shù),編寫執(zhí)行文件 function f=yhfun() t0=[30,200,4] ;options =optimset('largescale','off','display','final') [t,fval]=fmincon(@mbfun,t0,[],[],[],[],[],[],@yuesufun,options) 2.2.4 輸出結(jié)果 y=-0.0000,-53.8333,-0.0000,-377.9960,0.0000, -2.0421,-0.9579,-38.6355;t=33.9284 204.9989 4.9017;fval=28703 2.2.5 結(jié)果分析 計算結(jié)果顯示判斷標準(約束)均小于或等于0,該次彈簧外形與尺寸參數(shù)優(yōu)化結(jié)果合理。在彈簧實際選用過程中首先結(jié)合國家標準對彈簧尺寸和參數(shù)的規(guī)定,采用近似取值的方法對優(yōu)化后的參數(shù)進行取整,取整后的尺寸參數(shù)必須進行校驗,以保證彈簧設(shè)計的有效性(見表1)。 3 結(jié)語 Matlab軟件在地鐵車輛圓柱螺旋式軸箱彈簧設(shè)計過程中,具有簡單、可靠、適用性強等特點,特別是Matlab最優(yōu)化函數(shù)的應(yīng)用減少了人工計算實驗的時間,讓地鐵車輛圓柱螺旋式軸箱彈簧的設(shè)計和校驗過程更便捷。 參考文獻 [1] 汪曾祥,魏先英,劉祥志.彈簧設(shè)計手冊[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻出版社,1986. [2] 中華人民共和國國家標準.GB/T2089-94,圓柱螺旋壓縮彈簧尺寸及參數(shù)[S]. [3] 張橋平,彭建武,周志剛.城市軌道交通車輛機械[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2014.