孔德帥， 金 哲， 李 博， 王群偉， 侯 超

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094；3 中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南西車輛段， 濟(jì)南 250117)

EP09制動(dòng)控制單元是一個(gè)機(jī)電一體化的電子機(jī)械裝置，每個(gè)BCU由氣動(dòng)單元和電子控制裝置兩部分組成。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，它將安裝在集成氣路板上的氣動(dòng)單元和實(shí)施電子控制的板卡機(jī)箱分割成兩個(gè)獨(dú)立單元，但又組合在同一箱殼內(nèi)，這就為故障檢測(cè)和維修保養(yǎng)提供了方便。隨著車輛輕量化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，對(duì)車下設(shè)備也提出緊湊化、輕量化、智能化的要求。EP09A智能制動(dòng)閥在EP09制動(dòng)控制裝置的基礎(chǔ)上，將氣動(dòng)單元的閥體及管路集成在一塊閥體內(nèi)，通過(guò)兩根M12×288長(zhǎng)螺柱固定在與車體連接支架背板上，電子控制裝置集成在一個(gè)箱體內(nèi)并固定在閥體上，向閥體發(fā)送電子指令從而對(duì)氣動(dòng)壓力進(jìn)行控制。

連接長(zhǎng)螺柱的預(yù)緊力可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密型和可靠性。文中使用有限元的方法研究長(zhǎng)螺柱的預(yù)緊對(duì)智能制動(dòng)閥力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 有限元模型

1.1 模型簡(jiǎn)化

智能制動(dòng)閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由連接支架、連接背板、集成閥體、雙頭長(zhǎng)螺柱和電子機(jī)箱及附件等組成，其中背板、閥體及電子機(jī)箱采用輕量化的鋁合金材料，連接支架為碳鋼，雙頭螺柱為高強(qiáng)鋼。在計(jì)算中所使用的材料參數(shù)如表1所示。

由于車下設(shè)備在工作時(shí)所受的載荷均為慣性力，智能制動(dòng)閥的連接支架和雙頭螺柱為主要承力部件，因此在模型簡(jiǎn)化時(shí)將電子機(jī)箱及附件等效成質(zhì)心位置的質(zhì)點(diǎn)通過(guò)MPC連接到閥體上，不考慮閥體的變形將閥體等效成剛體，忽略連接背板上的附件及倒角等微小特征。高強(qiáng)度雙頭螺柱連接副包括雙頭螺柱、螺母和墊圈，在模型簡(jiǎn)化時(shí)忽略墊圈的影響，把螺母和雙頭螺柱組合成一體分析，雙頭螺柱與連接背板、閥體之間發(fā)生接觸，接觸屬性定義為具有法向作用關(guān)系又有切向作用關(guān)系。螺柱的預(yù)緊力采用Bolt load模擬。

圖1 智能制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主要材料的性能參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

在模型的前處理過(guò)程中對(duì)雙頭螺柱采用六面體C3D8R單元為主的掃略方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其他零件采用C3D10的四面體單元進(jìn)行自由劃分，本模型共劃分成180 116個(gè)單元，284 434個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.3 載荷

按照EN 12663-2000《鐵道應(yīng)用-軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》對(duì)結(jié)構(gòu)施加如表2所示的加速度載荷，其中g(shù)代表重力加速度。其中坐標(biāo)系按以下方式規(guī)定：X方向?yàn)榱熊囘\(yùn)行方向，Z方向?yàn)榇怪避壍烂嫦蛏?，Y方向以右手法則確定。智能制動(dòng)閥在車底的安裝方向如圖3所示。

表2 加速度載荷

圖3 智能控制閥的安裝方向

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 摩擦系數(shù)對(duì)螺柱強(qiáng)度的影響

由于雙頭螺柱與閥體的安裝孔之間存在一定的裝配間隙，因此在沖擊載荷的作用下螺帽與被連接件接觸面的摩擦系數(shù)會(huì)影響預(yù)緊力的作用效果，從而對(duì)螺柱的受力產(chǎn)生一定的影響。假設(shè)雙頭螺柱上施加5 000 N預(yù)緊力，以螺柱的軸心為圓心以Z向正向?yàn)槠瘘c(diǎn)沿順時(shí)針?lè)较蛴?jì)角度，在沖擊載荷的作用下螺帽與連接背板之間的摩擦系數(shù)μ對(duì)接觸面的法向接觸應(yīng)力的影響規(guī)律如圖4所示，最大接觸應(yīng)力發(fā)生在螺帽的最外沿。在縱向3g加速度的沖擊載荷下摩擦系數(shù)對(duì)法向接觸應(yīng)力分布影響較小，在270°附近由于靠近連接板的邊緣其接觸應(yīng)力最小。在橫向1g加速度的沖擊載荷作用下，μ=0.05、μ=0.125和μ=0.2的法向接觸應(yīng)力分布具有相似的單調(diào)性，但μ=0.05的法向接觸應(yīng)力分布震蕩嚴(yán)重，容易形成局部的應(yīng)力集中。在垂向1.5g加速度的沖擊載荷作用下，當(dāng)μ=0.05時(shí)，由于整個(gè)結(jié)構(gòu)的重心偏向X正向使得螺帽垂向上端與連接板發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓其法向接觸應(yīng)力達(dá)到最大值。當(dāng)μ=0.125和μ=0.2時(shí)，在不同方向沖擊載荷作用下，接觸應(yīng)力分布一致，這表明預(yù)緊力能夠有效的作用從而抵御各種載荷。整體而言接觸面摩擦系數(shù)越大法向接觸應(yīng)力分布越均勻，更容易形成可靠的預(yù)緊。

圖4 螺帽與連接背板間的摩擦系數(shù)對(duì)法向接觸應(yīng)力的影響規(guī)律

在沖擊載荷的作用下螺帽與閥體之間的摩擦系數(shù)μ對(duì)接觸面的法向接觸應(yīng)力的影響規(guī)律如圖5所示，當(dāng)μ=0.125和μ=0.2時(shí)由于閥體定義為剛體具有無(wú)窮大的剛度，因此接觸應(yīng)力的最大值在接觸面的中圈形成一條等值線其值約為167 MPa，這種中圈均布的接觸應(yīng)力能夠承受各向的沖擊載荷更容易形成可靠的預(yù)緊。而μ=0.05時(shí)在垂向和橫向載荷的作用下，法向接觸應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。

圖5 螺帽與閥體間的摩擦系數(shù)對(duì)法向接觸應(yīng)力的影響規(guī)律

接觸面的摩擦系數(shù)對(duì)智能制動(dòng)閥連接雙頭螺柱的最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律如圖6所示。在縱向沖擊載荷作用下接觸面的摩擦系數(shù)對(duì)智能制動(dòng)閥連接雙頭螺柱的最大等效應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響。在垂向載荷作用下，螺柱的最大等效應(yīng)力對(duì)接觸面的摩擦系數(shù)的影響較為明顯，縱向載荷次之。其影響規(guī)律為摩擦系數(shù)越大，螺柱的最大等效應(yīng)力值越小，當(dāng)摩擦系數(shù)大于0.15時(shí)最大等效應(yīng)力值不再發(fā)生變化，螺栓連接副形成可靠的連接。

圖6 接觸面的摩擦系數(shù)對(duì)螺柱最大應(yīng)力的影響規(guī)律

2.2 預(yù)緊力對(duì)剛度的影響

預(yù)緊力可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密性和剛性，較高的預(yù)緊力對(duì)連接的可靠性和被連接件的壽命都是有益的。由于智能制動(dòng)閥的固定點(diǎn)在連接支架的頂端，為典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的剛度是設(shè)計(jì)過(guò)程中需重點(diǎn)考慮的因素。雙頭螺柱預(yù)緊力對(duì)智能制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)的剛度的影響規(guī)律如圖7所示，在縱向載荷作用下，預(yù)緊力對(duì)智能制動(dòng)閥的剛度幾乎無(wú)影響，而在橫向載荷作用下智能制動(dòng)閥的剛度對(duì)螺柱的預(yù)緊力的變化較為敏感，垂向載荷下次之，預(yù)緊力越大智能制動(dòng)閥的剛度越好，當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到一定水平時(shí)，其作用對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度不再產(chǎn)生影響。

圖7 螺柱預(yù)緊力對(duì)智能制動(dòng)閥剛度的影響

2.3 預(yù)緊力對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

振動(dòng)模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性。通過(guò)模態(tài)分析方法能夠了解結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻率段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)，以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。單自由度無(wú)阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率表達(dá)式為：

(1)

式(1)中K為結(jié)構(gòu)的剛度，M為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

由式(1)可知，結(jié)構(gòu)的固有頻率即振型由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度決定。

利用ABAQUS求得不同預(yù)緊力下智能制動(dòng)閥的前四階固有頻率如圖8所示。隨著預(yù)緊力的增加智能制動(dòng)閥的固有頻率均有不同程度的增加，當(dāng)預(yù)緊力大于一定程度(5 kN)時(shí)，各階固有頻率不再發(fā)生變化。當(dāng)預(yù)緊力分別為1 kN、3 kN、5 kN和6 kN時(shí)，一至四階固有頻率的波動(dòng)分別為0.53 Hz、0.32 Hz、5.9 Hz和0.4 Hz，因此，長(zhǎng)螺柱的預(yù)緊力對(duì)智能制動(dòng)閥的固有頻率的影響較為有限。

圖8 預(yù)緊力對(duì)固有頻率的影響

3 結(jié) 論

(1)螺帽與連接體之間接觸面的摩擦系數(shù)越大，法向接觸應(yīng)力分布越均勻，越能夠形成可靠的預(yù)緊。螺栓連接被連接體的剛度越大，其接觸面的法向接觸應(yīng)力分布越均勻，越能夠形成可靠的預(yù)緊。

(2)在縱向沖擊載荷下，螺帽與連接體之間的摩擦系數(shù)對(duì)雙頭螺柱的最大等效應(yīng)力幾乎無(wú)影響；在垂向載荷作用下，雙頭螺柱的最大等效應(yīng)力對(duì)接觸面的摩擦系數(shù)的影響較為明顯，縱向載荷次之。其影響規(guī)律為摩擦系數(shù)越大，雙頭螺柱的最大等效應(yīng)力值越小，當(dāng)摩擦系數(shù)大于0.15時(shí)最大等效應(yīng)力值不再發(fā)生變化。

(3)在縱向載荷作用下，預(yù)緊力對(duì)智能制動(dòng)閥的剛度幾乎無(wú)影響，而在橫向載荷作用下智能制動(dòng)閥的剛度對(duì)螺柱的預(yù)緊力的變化較為敏感，垂向載荷下次之，預(yù)緊力越大智能制動(dòng)閥的剛度越好，當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到一定水平時(shí)，其作用對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度不再產(chǎn)生影響。

(4)隨著預(yù)緊力的增加智能制動(dòng)閥的各階固有頻率均有不同程度的增加，當(dāng)預(yù)緊力大于一定程度(5 000 N)時(shí)，結(jié)構(gòu)的各階固有頻率不再發(fā)生變化。但總體而言，長(zhǎng)螺柱的預(yù)緊力對(duì)智能制動(dòng)閥的固有頻率的影響較為有限。