30 t液 壓起道器底板的靜力有限元分析

韓 鋼

（上海交通大學動力工程學院，碩士研究生；上海理工大學附屬二廠，工程師，上海 200032）

為使鐵路線路經(jīng)常保持良好狀態(tài)，必須對其進行養(yǎng)護作業(yè)。而液壓起道器就是其中一種養(yǎng)護機具。液壓起道器的操作力比齒條式的小〔1〕，因此很受鐵路工務(wù)部門的青睞。隨著鐵路高速、重載運輸?shù)陌l(fā)展，線路鋼軌的質(zhì)量越來越大，這對起道器的起道能力提出了更高的要求。為適應這種變化，上海理工大學附屬二廠將所生產(chǎn)的YQD-245型液壓起道器起道噸位由25 t提到30 t。為保證起道器正常工作，底板必須具有足夠的強度和剛度以承受載荷。因此，為替代對底板進行加載試驗，在設(shè)計時有必要用有限元分析軟件ANSYS對底板進行靜力分析。

1 液壓起道器底板簡介

起道器底板的中間部分是油缸孔，在其中安裝油缸和活塞桿。在起道時，這部分承受來自鋼軌的所有壓力，因此是底板最主要的受力部位。由于要保持起道器的起道量，因此油缸孔相對于底板的上平面有24 mm的下沉量，這樣就造成了該截面為底板的危險截面，為底板是否達到設(shè)計要求的關(guān)鍵。

2 有限元分析

由于功能上的需要，底板的有些橫截面面積計算較復雜。而運用有限元分析軟件ANSYS對新設(shè)計的30 t液壓起道器底板特別是危險截面進行靜力分析，可以通過生成位移、應力圖來分析底板強度。因此，可替代對底板進行的加載試驗，并節(jié)省設(shè)計時間。其分析步驟主要有建立有限元模型、網(wǎng)格劃分、加載和求解。

2.1 建立有限元模型由于經(jīng)簡化后底板的模型比較簡單且全為拉伸特征，因此可利用ANSYS軟件本身的建模功能，在ANSYS中直接創(chuàng)建實體模型。在建立底板的模型時，應簡化與計算無關(guān)的尺寸，并且不考慮拔模尺寸，取消鑄造圓角，這樣就使模型得到了簡化，也不會影響運算的精度。在這之后，對建立的ANSYS模型進行前處理。

2.2 網(wǎng)格劃分由于有限元分析過程是將底板的模型離散化，確定邊界條件以及載荷后，要對離散化的每個節(jié)點進行計算，最后求出底板所受應力以及形變情況。

2.2.1 定義單元屬性 底板材料是鑄鋼，其楊氏模量E=2×105N/mm2，泊松比為0.25。由于底板是具有一定厚度的三維模型，所以選擇10節(jié)點的三維實體單元SOLID92，以增加分析的準確性。

2.2.2 執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)劃分 由于底板在建模時所采用的特征較簡單，但經(jīng)過這些特征組合后，底板特別是其頭部形狀較復雜，所以采用自由網(wǎng)格劃分法。并在油缸孔的受壓部位，進行細化處理，處理等級為2級。

采用智能控制自由網(wǎng)絡(luò)劃分，并細化油缸孔處的網(wǎng)格整體模型網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果為17 068個單元，27 720個節(jié)點數(shù)。

2.3 加載并求解

2.3.1 加約束 按機具的使用情況，對底板的載荷及邊界條件進行簡化。

機具在理論上應安放在地面上，但在安放起道器前需要將鋼軌下道砟清除，作業(yè)完后還要將這些道砟回填，所以起道器在實際使用過程中是安放在未清除的道砟上的。這樣不僅可以減少回填道砟的工作量，而且充分利用了機具的起道量提高起道效率。在這里考慮一種極端的情況，即起道器的底板只用頭部與尾部的一部分與道砟接觸，而且這2部分的面積相當小，以至于底板的兩端與道砟形成線接觸，即底板頭部與尾部的端線約束為ALL DOF（即全約束），而其余部分懸空，這樣底板所受彎矩最大，更可以檢驗底板的強度。

2.3.2 加載荷 由于是液壓傳動，所以頂升力在整個運動過程中變化較小，可視為常數(shù)，即壓力等于油缸所受載荷（30 t）除以油缸面積：采用φ90的油缸，壓力p=46.24 MPa。根據(jù)鐵道部標準TB/T 1578《液壓起道器通用技術(shù)條件》的規(guī)定：機具在承受1.2倍額定載荷時，機具零件無明顯的損壞或妨礙使用的變形。因此，還要對超載20%時的底板進行強度檢驗。2.3.3 求解 選擇軟件中的SOLUTION選項下的SOLVE選項，運行其下的CURRENT LS命令進行有限元分析，得出結(jié)果。

3 結(jié)果分析

對于底板的彎曲狀況，可通過計算得到液壓起道器底板的變形位移、應力分布情況。見表1。

表1 位移、應力的最大值

3.1 底板位移情況在超載時油缸孔處的位移量達到了1.308 mm，比底板受到額定載荷時的1.09 mm有所增加。這部分是危險截面，最容易發(fā)生破壞，與實際中起道器底板發(fā)生斷裂的位置一致?？紤]到這是最壞情況，而且有時道砟的下降量也可能大于該值，所以該位移還是可以接受的。在圖1a和圖1b中也明顯看到了底板的變形，所以在此處強化底板的材料是必須的。

圖1 底板位移分布圖

3.2 底板應力情況經(jīng)ANSYS分析后，在額定載荷情況下，底板最大應力為0.604E10 Pa（E10表示1010），圖2a方框外部分的應力為0.280E07 Pa（E07表示107）。在超載情況下，底板最大應力為0.725E10 Pa，除圖2b中方框內(nèi)小部分外，其余部分的應力為0.336E07 Pa?？梢姷装逯写蟛糠值膽Χ夹∮阼T鋼的屈服極限310 MPa。但在方框內(nèi)底板的最大應力超過了570 MPa的強度極限。這是由于建模時，將底板外形簡化，底板的中間加強筋以及四周建模時采用的均是尖角，因此底板這2處都有較大的應力集中。而實際的底板采用鑄造工藝，這2處全為圓角過渡，底板產(chǎn)生的應力和應變不會那樣大。而底板頭部與尾部只與道砟線接觸的情況，在實際操作中發(fā)生的可能性極少。所以，在底板頭、尾部端線以及中間加強筋處的大應力可以不用考慮。

圖2 底板應力分布圖

綜上所述，底板的強度已達到設(shè)計要求。

4 結(jié)論

分析應力應變的分布圖，不難發(fā)現(xiàn)在孔、尖角、轉(zhuǎn)折處有應力集中，這部分應盡量以較大的光滑曲面過渡，以降低應力集中，提高產(chǎn)品壽命〔2〕。應力應變分布圖表明，底板整體的分布比較均勻，油缸孔的應力小于材料鑄鋼的屈服強度310 MPa〔3〕，位移的最大值也符合產(chǎn)品的設(shè)計要求。

采用有限元分析，與傳統(tǒng)的方法相比，極大地提高了分析精度，而且不用進行實物試驗，縮短了設(shè)計開發(fā)時間，并為進一步改進液壓起道器底板的結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

〔1〕王野平，張文麗，鄭睿，等.齒條式起道器改進設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2003(1)：53.

〔2〕林正英，王野平.齒條式起道器機體的靜力有限元分析〔J〕. 機械研究與應用，2004(6)：43.

〔3〕成大先.機械設(shè)計手冊（第五版）〔M〕.北京：化學工業(yè)出版社，2008.