楊宏澤，林奕含，王衍，于喜年

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116028)

CRH3車(chē)窗粘接強(qiáng)度試驗(yàn)工作車(chē)升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

楊宏澤，林奕含，王衍，于喜年

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116028)

為檢測(cè)CRH3車(chē)窗粘接強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了車(chē)窗粘接強(qiáng)度試驗(yàn)工作車(chē)，并借助ANSYS軟件對(duì)升降系統(tǒng)關(guān)鍵部件的滾珠絲杠副進(jìn)行受力分析.結(jié)果表明，滾珠絲杠副最大應(yīng)力188.042MPa，小于所用材料許用應(yīng)力值，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；最大應(yīng)變0.329，為彈性變形，滿(mǎn)足剛度要求；絲杠絲母采用Gothic Arch式無(wú)間隙溝槽，剛度增強(qiáng)，最大接觸應(yīng)力12.66MPa，與理論計(jì)算值相當(dāng)，接觸應(yīng)力沿滾道呈環(huán)形分布，滿(mǎn)足接觸強(qiáng)度要求；滾珠絲杠副三階屈曲系數(shù)均大于2，試驗(yàn)工作車(chē)升降系統(tǒng)穩(wěn)定性良好.

動(dòng)車(chē)組；粘接強(qiáng)度；滾珠絲杠副；接觸分析；屈曲系數(shù)；彈性變形

0 引言

CRH3型動(dòng)車(chē)組作為我國(guó)自主研發(fā)的高速客運(yùn)列車(chē)，其最高時(shí)速可達(dá)350 km/h，是目前世界上運(yùn)行速度最快的列車(chē)之一[1].如圖1為CRH3型動(dòng)車(chē)組車(chē)體結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 CRH3動(dòng)車(chē)組車(chē)體結(jié)構(gòu)圖

車(chē)窗作為CRH3型動(dòng)車(chē)組車(chē)體重要組成部件，與車(chē)體連接方式有多種，如采用彈性粘接劑連接、機(jī)械嚙合固定連接及焊接等，目前粘接劑連接應(yīng)用較為廣泛，通過(guò)粘接方式可以利用位置設(shè)計(jì)和幾何形狀使車(chē)窗粘接面積增加[2]，從而提高動(dòng)車(chē)組車(chē)窗的安裝強(qiáng)度.圖2為高速動(dòng)車(chē)組車(chē)窗與車(chē)體粘接結(jié)構(gòu)示意圖.在列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，尤其兩車(chē)相互交會(huì)瞬間，由于風(fēng)力及壓強(qiáng)作用使車(chē)窗受到推(拉)力與剪切力作用，車(chē)體與車(chē)窗的粘接強(qiáng)度受到影響，甚至危及乘客人身安全，需要對(duì)車(chē)窗粘接強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè).本文將針對(duì)車(chē)窗粘接強(qiáng)度試驗(yàn)工作車(chē)降系統(tǒng)中核心部件的受力展開(kāi)分析.

圖2 車(chē)窗粘接結(jié)構(gòu)圖

1 試驗(yàn)工作車(chē)結(jié)構(gòu)

根據(jù)車(chē)窗及車(chē)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和試驗(yàn)環(huán)境等要求，設(shè)計(jì)多套試驗(yàn)工作車(chē)方案，要求其具有承載試驗(yàn)?zāi)芰Φ耐瑫r(shí)具有移動(dòng)及檢測(cè)設(shè)備升降等功能.經(jīng)過(guò)方案論證，采用滾珠絲杠副帶動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)完成檢測(cè)設(shè)備升降工作方案.圖3、圖4所示為試驗(yàn)工作車(chē)整體裝配及車(chē)窗粘接強(qiáng)度檢測(cè)示意圖.

該方案由車(chē)體及輪系、液壓站、傳動(dòng)及升降系統(tǒng)、檢測(cè)設(shè)備、組合支架等部件組成.檢測(cè)設(shè)備的作動(dòng)器通過(guò)法蘭螺栓與組合支架連接.當(dāng)檢測(cè)設(shè)備達(dá)到工作位置，由四組液壓支柱(圖中未示)支撐檢測(cè)平臺(tái)，并承受檢測(cè)設(shè)備自重及試驗(yàn)動(dòng)力的加載，以完成對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的固定和結(jié)構(gòu)加強(qiáng).工作車(chē)底部配有牽引與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，增加工作車(chē)移動(dòng)運(yùn)輸?shù)撵`活性.

圖3 工作車(chē)整體裝配圖

圖4 車(chē)窗粘接強(qiáng)度檢測(cè)示意圖

2 傳動(dòng)及升降系統(tǒng)

傳動(dòng)及升降系統(tǒng)為車(chē)窗粘接強(qiáng)度試驗(yàn)工作車(chē)的重要部分，其中滾珠絲杠副為該系統(tǒng)的核心部件，起到平穩(wěn)升降試驗(yàn)平臺(tái)作用，滾珠絲杠副的選型設(shè)計(jì)及受力過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變趨勢(shì)、穩(wěn)定性分析結(jié)果等關(guān)系到整個(gè)粘接強(qiáng)度試驗(yàn)的可靠性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[3].如圖5所示為工作車(chē)傳動(dòng)及升降系統(tǒng)圖.通過(guò)電機(jī)+RV減速器驅(qū)動(dòng)渦輪升降機(jī)的滾珠絲杠副連接法蘭，再通過(guò)螺栓與平臺(tái)連接，并與四根垂向滑塊導(dǎo)軌組合實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的上下垂直移位，完成試驗(yàn)平臺(tái)升降工作.

該方案采用渦輪減速器中心驅(qū)動(dòng)可保證兩組滾珠絲杠副同步升降，且不易出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，比鏈傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比大，滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)容易安裝和操作[4].

圖5 傳動(dòng)及升降系統(tǒng)圖

3 滾珠絲杠副選擇及有限元分析

滾珠絲杠副種類(lèi)多，其應(yīng)用場(chǎng)合也不同.根據(jù)本案特點(diǎn)，選擇承載力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)行精度高、自帶升降功能的SWL滾珠絲杠提升機(jī).經(jīng)計(jì)算，選取絲杠Ф100 mm、螺距20 mm、滾珠SФ9.525 mm，滾珠與絲杠、絲母間采用運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、接觸剛度優(yōu)良的無(wú)間隙Gothic Arch溝槽.滾珠絲杠副連接及固定形式如圖6所示.因承受偏載作用，采用兩端固定方式，以提高滾珠絲杠副的軸向力，增強(qiáng)絲杠剛度[5].滾珠絲杠副選用高碳鉻軸承鋼制造，其[σs]≥578.42 MPa，[σb]≥861.3 MPa，許用應(yīng)力[σ]=440.79 MPa，高碳鉻軸承鋼如若經(jīng)碳氮共滲后再淬火加低溫回火處理，其屈服強(qiáng)度將是普通熱處理三倍以上[6].滾珠絲杠副只承受工作平臺(tái)及試驗(yàn)設(shè)備自重，故采用靜力學(xué)方法，以簡(jiǎn)化受力分析過(guò)程.本文基于Hypermesh和ANSYS有限元分析軟件，建立滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)有限元模型，分析滾珠絲杠副的應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定性.

圖6 滾珠絲杠副連接及固定

3.1升降傳動(dòng)系統(tǒng)有限元模型建立

滾珠絲杠副承受工作平臺(tái)及試驗(yàn)設(shè)備自重為3 t，考慮升降過(guò)程中動(dòng)載不均勻情況，設(shè)定動(dòng)載不均勻系數(shù)1.16，則當(dāng)量載荷取3.48 t，對(duì)單一滾珠絲杠副施加1/2當(dāng)量載荷.

應(yīng)用Hypermesh軟件對(duì)滾珠絲杠副進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格劃分，整體結(jié)構(gòu)以體單元Solid185模擬，單元數(shù)2 821 657，節(jié)點(diǎn)數(shù)549 625，滾珠與絲杠、絲母之間定義為接觸關(guān)系，圖7所示為其三維造型及有限元模型圖，高強(qiáng)螺栓采用beam188單元進(jìn)行模擬，在螺栓孔處建立剛性區(qū)域，釋放rigid單元旋轉(zhuǎn)自由度，并對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行質(zhì)量檢查，保證有限元計(jì)算分析精度.

圖7 滾珠絲杠副三維造型及有限元模型圖

3.2滾珠絲杠副強(qiáng)度、剛度分析

圖8所示為升降狀態(tài)下滾珠絲杠副各構(gòu)件應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力188.042 MPa.由于試驗(yàn)平臺(tái)是通過(guò)連接法蘭與兩組滾珠絲杠副的絲母螺栓連接而實(shí)現(xiàn)同步升降，對(duì)于單一滾珠絲杠副而言，絲母承受偏載作用，造成絲母應(yīng)力分布不均勻[7]，圖8(a)顯示應(yīng)力位置同時(shí)發(fā)生在絲母與法蘭連接的螺孔邊緣及與滾珠接觸的滾道上,在升降系統(tǒng)上升階段,單根絲杠承受偏載, 每個(gè)滾珠對(duì)絲杠滾道造成擠壓形成點(diǎn)應(yīng)力，所以對(duì)絲杠整體來(lái)說(shuō),應(yīng)力分布不均勻；圖8(b)所示其最大應(yīng)力166.647 MPa；圖8(c)所示滾珠最大應(yīng)力188.042 MPa，發(fā)生在與絲杠絲母接觸區(qū)域，形成由接觸區(qū)域向周?chē)鷶U(kuò)散的應(yīng)力云圖，而且滾珠與絲杠、滾珠與絲母接觸區(qū)域承受等同應(yīng)力.

(a)絲母應(yīng)力云圖

(b)絲杠應(yīng)力云圖

(c)滾珠應(yīng)力云圖

滾珠絲杠副承受最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力值，滾珠絲杠副選型合理，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求.圖9為滾珠絲杠副各構(gòu)件應(yīng)變?cè)茍D.圖9(a)顯示絲杠應(yīng)變由下至上呈均勻遞增規(guī)律變化，最大應(yīng)變值為3.942×10-3、位置發(fā)生在絲杠與滾珠接觸區(qū)域，應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，為彈性變形；圖9(b)、9(c)分別為絲母和滾珠的應(yīng)變?cè)茍D，其應(yīng)變趨勢(shì)與絲杠類(lèi)同，由下至上呈均勻遞增變化，應(yīng)變值分別為0.329、2.79×10-3，其位置出現(xiàn)在滾珠與絲母接觸區(qū)域.

(a)絲杠應(yīng)變?cè)茍D

(b)絲母應(yīng)變?cè)茍D

(c)滾珠應(yīng)變?cè)茍D

升降狀態(tài)下滾珠絲杠副整體最大應(yīng)變體現(xiàn)在絲母上，應(yīng)變值為0.329.分析滾珠絲杠副應(yīng)力發(fā)生位置，均在滾珠與絲母、絲杠接觸區(qū)域，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于所用材料的強(qiáng)度極限和屈服極限，所以應(yīng)變?yōu)閺椥宰冃?，滿(mǎn)足剛度要求.

綜上分析，滾珠絲杠副的強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足CRH3車(chē)窗粘接強(qiáng)度試驗(yàn)工作車(chē)設(shè)計(jì)要求.

4 滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)接觸分析

絲杠、絲母及滾珠在試驗(yàn)工作車(chē)升降過(guò)程中，每個(gè)滾珠與絲杠、滾珠與絲母之間在滾道內(nèi)為點(diǎn)接觸，作用力在接觸面上分布不均勻，易發(fā)生應(yīng)力集中以及疲勞失穩(wěn)現(xiàn)象[8].因此有必要對(duì)滾珠絲杠副進(jìn)行接觸分析.

4.1滾珠絲杠副接觸對(duì)模型建立

滾珠外表面分別與絲杠外表面和絲母內(nèi)表面接觸，選取滾珠外表面為目標(biāo)面，劃分目標(biāo)單元TARGE170，選取絲杠外表面和絲母內(nèi)表面為接觸面，劃分接觸單元CONTA174[9]，設(shè)置完成并檢查接觸單元CONTA174外法向，使其指向目標(biāo)單元TARGE170.接觸單元有限元模型如圖10所示.

圖10 接觸對(duì)有限元模型

在絲杠絲母Gothic Arch溝槽起始面處利用CERIG命令通過(guò)約束方程定義剛性區(qū)域， 并對(duì)絲母上表面施加1/3當(dāng)量載荷.試驗(yàn)工作車(chē)兩組滾珠絲杠副承受載荷具有對(duì)稱(chēng)性，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，本文只對(duì)一組滾珠絲杠副進(jìn)行接觸分析.

4.2接觸應(yīng)力分析結(jié)果

經(jīng)理論計(jì)算，滾珠與絲杠、滾珠與絲母接觸應(yīng)力σH均為12.1 MPa.圖11、12分別為滾珠絲杠副接觸應(yīng)力、應(yīng)變有限元分析云圖.滾珠與絲杠最大接觸應(yīng)力為12.66 MPa，最大接觸應(yīng)變?yōu)?.426×10-3；滾珠與絲母最大接觸應(yīng)力為7.91 MPa，最大接觸應(yīng)變?yōu)?.735×10-3.滾珠絲杠副的接觸應(yīng)力在滾珠與絲杠、絲母接觸處分布不均勻，接觸應(yīng)力集中，最大接觸應(yīng)力與理論計(jì)算值相近，所受應(yīng)力表現(xiàn)為邊緣效應(yīng)[9].

如圖11所示，接觸應(yīng)力云圖表明滾珠與絲母內(nèi)側(cè)、滾珠與絲杠外側(cè)接觸應(yīng)力呈環(huán)形分布.接觸應(yīng)力與理論計(jì)算值12.10 MPa相近，小于材料許用應(yīng)力，滿(mǎn)足接觸強(qiáng)度要求.

(a) 滾珠與絲杠接觸應(yīng)力云圖

(b) 滾珠與絲母接觸應(yīng)力云圖

圖12滾珠絲杠副接觸應(yīng)變?cè)茍D，表明滾珠與絲杠外側(cè)、絲母內(nèi)側(cè)滾道間為滾動(dòng)接觸，產(chǎn)生的擠壓應(yīng)變?yōu)閺椥宰冃?

(a) 滾珠與絲杠接觸應(yīng)變?cè)茍D

(b) 滾珠與絲母接觸應(yīng)變?cè)茍D

5 升降系統(tǒng)屈曲分析

滾珠絲杠副為最易發(fā)生失穩(wěn)部位[10].為驗(yàn)證升降系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免滾珠絲杠副失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)升降系統(tǒng)整體進(jìn)行屈曲分析.圖13屈曲系數(shù)分析結(jié)果表明，發(fā)生一階屈曲局部失穩(wěn)位置在左側(cè)滾珠與絲杠、絲母接觸區(qū)域，二、三階屈曲局部失穩(wěn)均發(fā)生在右側(cè)滾珠與絲杠、絲母接觸區(qū)域.失穩(wěn)分析云圖顯示各階屈曲系數(shù)為負(fù)值，原因是屈曲載荷與實(shí)際載荷方向相反，重力載荷方向不存在反向可能，所以取其絕對(duì)值作為各階屈曲系數(shù)并不影響屈曲分析的正確性.三階屈曲系數(shù)均大于2，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，本文略去各階失穩(wěn)分析云圖.

圖13 屈曲系數(shù)

6 結(jié)論

針對(duì)CRH3車(chē)窗粘接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了車(chē)窗粘接強(qiáng)度試驗(yàn)工作車(chē)，并借助ANSYS軟件對(duì)升降系統(tǒng)進(jìn)行受力分析.結(jié)果表明，滾珠絲杠副最大應(yīng)力188.042 MPa，小于所用材料許用應(yīng)力440.79MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；最大應(yīng)變0.329，為彈性形變，滿(mǎn)足剛度要求.由于絲杠、絲母采用Gothic arch無(wú)間隙溝槽制造工藝，絲杠選擇兩端固定模式，使其剛度增強(qiáng)、彈性變形減小，接觸分析應(yīng)力沿Gothic Arch溝槽呈環(huán)形分布，最大接觸應(yīng)力12.66 MPa，與理論計(jì)算值相當(dāng)，滿(mǎn)足接觸強(qiáng)度要求；滾珠與絲杠、絲母為滾動(dòng)接觸，相互間擠壓應(yīng)變?yōu)閺椥宰冃?對(duì)升降系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)生局部失穩(wěn)位置在滾珠與絲杠、絲母接觸區(qū)域，且三階屈曲系數(shù)均大于2，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求.

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DesignandReliabilityAnalysisofLiftingSystemofBondingStrengthTestCarForCRH3

YANG Hongze, LIN Yihan, WANG Yan, YU Xinian

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

This paper is targeted at design experiment bench used for detecting CRH3 window bonding strength, and analyzing the stress of the ball screw pair which is the key parts of the lifting system with the help of ANSYS software. The results show that the maximum stress of the ball screw appear is 188.042 MPa, which is less than the material allowable stress and consistent with the requirement of the strength. The maximal displacement is 0.329 mm, which is regarded as elastic deformation and consistent with the requirement of stiffness, and Gothic Arch screw nut is used to increase the stiffness. The maximum contact stress of 12.66MPa meets the calculation values, and contact stress assumes the circular distribution along the raceway and meets the requirement of contact strength. Three orders of bucking coefficients are larger than 2, and the lifting system of the experiment bench is stable enough.

emu; bonding strength; ball screw pair; contact analysis; buckling coefficient; elastic deformation

1673- 9590(2017)06- 0059- 06

2016-12-12

楊宏澤(1991-)，男，碩士研究生；

于喜年(1958-)，男，教授,碩士，主要從事機(jī)械裝備設(shè)計(jì)理論及制造技術(shù)、大型工程吊裝技術(shù)的研究

E-mailxny1960@163.com.

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