徐美晨，張 霖

(長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

軌道車(chē)輛的質(zhì)量大，慣性大，而輪軌的摩擦力較小，故在線路末端設(shè)置擋車(chē)器等防護(hù)設(shè)備是一項(xiàng)十分必要的被動(dòng)性安全措施。擋車(chē)器結(jié)構(gòu)在承受沖擊載荷作用時(shí)，須要有足夠的強(qiáng)度，以保證列車(chē)在不損壞軌道設(shè)施的情況下，可靠停在軌道線路內(nèi)[1]。因而對(duì)擋車(chē)器結(jié)構(gòu)的可靠性研究尤為重要，隨著有限元仿真分析方法的不斷完善，在擋車(chē)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，可通常運(yùn)用有限元法對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真分析[2]。

本文以原吉林日?qǐng)?bào)社倉(cāng)庫(kù)軌道末端的固定式擋車(chē)器為研究對(duì)象，通過(guò)運(yùn)用專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課、核心課和方向課的知識(shí)和技能完成實(shí)地測(cè)繪、三維建模和接觸非線性分析。

1 擋車(chē)器結(jié)構(gòu)的測(cè)繪

尺寸測(cè)量是零件測(cè)繪過(guò)程中的一個(gè)必要步驟，測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)于有限元模型構(gòu)建的正確性和數(shù)值法求解結(jié)果的可靠性具有重要作用。運(yùn)用所學(xué)“公差及測(cè)量技術(shù)”和“軌道車(chē)輛新技術(shù)”課程的知識(shí)進(jìn)行擋車(chē)器結(jié)構(gòu)測(cè)量，在進(jìn)行擋車(chē)器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)擋車(chē)器表面已布滿鐵銹。為了保證測(cè)量的精確性，先用砂紙將鐵銹除去，再利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行多次測(cè)量取平均值。在測(cè)量擋車(chē)器立柱距軌面之間的距離時(shí)，利用卷尺和紅外線水平儀配合多次測(cè)量取平均值。擋車(chē)器主要部件測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1擋車(chē)器主要部件測(cè)量數(shù)據(jù)mm

部件尺寸工字型橫梁中心線板支撐架長(zhǎng)358381595寬4611．51042高20151042

在考察擋車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之后，得知該擋車(chē)器屬于庫(kù)外固定式擋車(chē)器。庫(kù)外固定式擋車(chē)器是安裝在鐵路盡頭線防止車(chē)輛溜逸時(shí)撞擊車(chē)擋的安全設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，維護(hù)方便?？梢杂迷谲?chē)輛編組較小，沖擊速度不高的場(chǎng)合，這正是其設(shè)置在貨運(yùn)線末端的原因。

[指導(dǎo)教師]張 霖(1989- )，男，講師，碩士，從事數(shù)值仿真研究。

運(yùn)用所學(xué)“CAD/CAM”和“SolidWorks基礎(chǔ)”課程的知識(shí)建立了該庫(kù)外固定式擋車(chē)器的三維幾何模型，強(qiáng)化了使用建模工具對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)繪圖和建模的技能。為保證擋車(chē)器三維幾何模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性與靈活性，構(gòu)建參考基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸。根據(jù)所測(cè)得數(shù)據(jù)，應(yīng)用Solidworks軟件將所有零部件構(gòu)建好之后，將各零部件按照擋車(chē)器的實(shí)際連接情況進(jìn)行裝配，以保證三維模型裝配的正確性[3]。

擋車(chē)器的三維幾何模型如圖1所示，其中庫(kù)外固定式擋車(chē)器的擋板通過(guò)兩個(gè)M20螺栓與工字型橫梁連接，兩根工字型橫梁通過(guò)七個(gè)M20螺栓與擋車(chē)器支架連接。由于螺栓是標(biāo)準(zhǔn)件，在測(cè)量時(shí)僅需要測(cè)量螺栓直徑，通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得到該直徑下螺栓結(jié)構(gòu)的詳細(xì)幾何尺寸。

圖1 擋車(chē)器三維幾何模型

圖2 擋車(chē)器有限元模型

2 接觸非線性有限元分析

基于構(gòu)建的庫(kù)外固定式擋車(chē)器三維幾何模型，運(yùn)用所學(xué)“材料力學(xué)”“有限元及在車(chē)輛強(qiáng)度中應(yīng)用”和“機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)”課程的知識(shí)，對(duì)該擋車(chē)器中的螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸非線性有限元分析。主要包括橫梁結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析，對(duì)吊座構(gòu)建實(shí)體接觸模型，采用接觸對(duì)定義連接關(guān)系，計(jì)算并評(píng)估結(jié)構(gòu)中橫梁和墊板連接區(qū)域的螺栓強(qiáng)度。

本次構(gòu)建的有限元模型全部采用三維實(shí)體單元，擋車(chē)器有限元模型如圖2所示。所構(gòu)建的擋車(chē)器有限元模型中三維實(shí)體單元總數(shù)為303692，其中六面體單元數(shù)為299038，占比98%，楔形單元數(shù)為4654，占比2%，單元類(lèi)型均采用三維低階單元SOLID185。

圖3 螺栓接觸對(duì)模型

在模擬螺栓結(jié)構(gòu)載荷傳遞時(shí)，在接觸區(qū)域創(chuàng)建的接觸對(duì)采用的目標(biāo)單元為170，接觸單元為174，像皮膚一樣覆蓋在結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的有限元模型上。這兩類(lèi)單元非常適合面對(duì)面接觸問(wèn)題，如過(guò)盈裝配接觸、進(jìn)料接觸、鍛造和深拉深[4]。本次研究的方法具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和普適性，是軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析的一種重要方法[5]。在該擋車(chē)器有限元模型中總計(jì)9個(gè)螺栓，45個(gè)接觸對(duì)。接觸區(qū)域發(fā)生在螺母與墊板、墊板與橫梁以及橫梁與橫梁之間，如圖3所示為螺栓接觸對(duì)模型。

本次非線性有限元分析的工況為壓縮工況，主要模擬貨運(yùn)列車(chē)在軌道線路末端撞擊擋車(chē)器的情況。擋車(chē)器設(shè)置在軌道線路末端，列車(chē)撞擊擋車(chē)器前已經(jīng)制動(dòng)并滑行一定距離，因而撞擊擋車(chē)器的沖擊載荷可以等效為水平的靜載荷[6]。壓縮工況的靜載荷為158.1 t，施加于前端墊板面上。通過(guò)調(diào)用非線性求解器，得到該工況下?lián)踯?chē)器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，圖4為擋車(chē)器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。

在壓縮工況下，該擋車(chē)器結(jié)構(gòu)整體的最大等效應(yīng)力發(fā)生在擋車(chē)器上部擋板邊緣處，由應(yīng)力云圖可知其值為651.212 MPa。通過(guò)對(duì)擋車(chē)器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖分析可知，該最大等效應(yīng)力為局部應(yīng)力，除去邊緣處的局部位置，其它位置處的等效應(yīng)力均在260 MPa以下。根據(jù)GB_T699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》，75號(hào)鋼等的屈服強(qiáng)度均達(dá)到880 MPa以上，而廣泛使用的45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度也達(dá)到了355 MPa。

在壓縮工況下，螺栓的最大等效應(yīng)力發(fā)生在螺栓桿根部，圖5為螺栓的應(yīng)力云圖，由圖可知其值為584.401 MPa。而本次計(jì)算選用的螺栓是強(qiáng)度等級(jí)為10.9的M20螺栓標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知螺栓屈服強(qiáng)度為900 MPa，遠(yuǎn)大于螺栓的最大應(yīng)力584.401 MPa，因而擋車(chē)器中的9個(gè)螺栓結(jié)構(gòu)均滿足屈服強(qiáng)度要求。

圖4 擋車(chē)器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

圖5 螺栓的應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

(1)通過(guò)實(shí)地測(cè)量和運(yùn)用三維軟件造型的方式，綜合運(yùn)用理論知識(shí)和軟件技能解決了實(shí)際問(wèn)題，將實(shí)際模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭汕蠼獾臄?shù)學(xué)模型，得到了庫(kù)外固定式擋車(chē)器的三維幾何模型。

(2)根據(jù)擋車(chē)器結(jié)構(gòu)中載荷的傳遞路線，充分考慮擋車(chē)器螺栓之間復(fù)雜的接觸關(guān)系，對(duì)擋車(chē)器模型進(jìn)行了靜強(qiáng)度的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：選用M20的螺栓，螺栓預(yù)緊力在15330N時(shí)，擋車(chē)器和螺栓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是符合要求的。

(3)本文將結(jié)構(gòu)測(cè)量測(cè)繪、計(jì)算機(jī)建模和有限元分析三個(gè)專(zhuān)業(yè)技能結(jié)合，通過(guò)對(duì)原吉林日?qǐng)?bào)社倉(cāng)庫(kù)軌道末端的固定式擋車(chē)器進(jìn)行非線性有限元分析，為擋車(chē)器的螺栓設(shè)計(jì)提供了可行方案。

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