450t鉗夾車研制及剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真技術(shù)支持

樸明偉,郭強(qiáng),兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028； 2．大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

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450t鉗夾車研制及剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真技術(shù)支持

樸明偉1,郭強(qiáng)1,兆文忠2

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028； 2．大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

對(duì)于450t鉗夾車研制來講，大型剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真提供了多方面的技術(shù)支持，如壓柱油缸的最大壓力、小半徑曲線通過限界分析和鉗夾梁高應(yīng)力區(qū)確定等.剛?cè)狁詈戏抡娣治鼍哂幸韵?個(gè)特點(diǎn)：即利用模板建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整車模型仿真分析；應(yīng)用柔性體接口處理技術(shù)對(duì)策，建立了諸如鉗夾梁等大型柔性體模型；剛?cè)狁詈戏抡妫浼s束力更加接近實(shí)際情況，并為靜強(qiáng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供了科學(xué)數(shù)據(jù).大型剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真分析促進(jìn)了長(zhǎng)大貨車新產(chǎn)品研制能力迅速提升，同時(shí)剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真技術(shù)日趨完善.

鉗夾車；剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真；系統(tǒng)內(nèi)力分析；高應(yīng)力區(qū)確定

0 引言

最新研制的450t鉗夾車，其承載噸位已經(jīng)達(dá)到了美國(guó)480t鉗夾車的國(guó)際先進(jìn)水平.450t鉗夾車的載運(yùn)監(jiān)測(cè)表明：其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.從350t鉗夾車提升到450t鉗夾車或落下孔車，剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真技術(shù)為長(zhǎng)大貨車研制提供了必要的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段支持.考慮到這項(xiàng)技術(shù)對(duì)同類產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有明確的借鑒價(jià)值，本文將較為詳細(xì)地討論其原理及關(guān)鍵技術(shù).

對(duì)于大型承載結(jié)構(gòu)件，如鉗夾梁或側(cè)梁，在載運(yùn)過程中，其橫向撓度變形將對(duì)走行部受力產(chǎn)生很大的影響.與過去半車模型計(jì)算方式不同，剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真技術(shù)考慮了準(zhǔn)靜態(tài)變形或動(dòng)態(tài)振動(dòng)影響，并在以下3個(gè)方面取得了應(yīng)用成果[1-2]：重載運(yùn)行安全性分析、系統(tǒng)內(nèi)力分析及關(guān)鍵部件動(dòng)荷系數(shù)確定、空車回送速度確定.結(jié)合450t鉗夾車研制，本文重點(diǎn)討論系統(tǒng)內(nèi)力分析、小曲線通過超限分析及其鉗夾梁高應(yīng)力區(qū)確定.

1 450t鉗夾車剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h2>

1.1 鉗夾車組裝模型

根據(jù)鉗夾車結(jié)構(gòu)特征分析，繪制DQ45鉗夾車系統(tǒng)模型的拓?fù)潢P(guān)系，見圖1.據(jù)此劃分子系統(tǒng)，并以模板模型建模方式，組裝DQ45的重載長(zhǎng)聯(lián)掛模型.如圖2所示，分別給出了鉗夾梁的位移與動(dòng)應(yīng)力云圖.

1.2 鉗夾梁柔性體建模

根據(jù)柔性體接口處理技術(shù)對(duì)策[1]，重載長(zhǎng)聯(lián)掛車體模型見圖3，其中，4片鉗夾梁采用柔性體模型建立.柔性體是指根據(jù)模態(tài)綜合方法，在特定的約束條件下給出的有限元模型FEM及其有約束模態(tài)解[3].在約束力作用下，如圖2所示，鉗夾梁柔性體將進(jìn)一步給出其彈性變形的位移和動(dòng)應(yīng)力信息.

圖1 DQ45鉗夾車整車模型拓?fù)潢P(guān)系

(a)鉗夾梁變形云圖 (b)鉗夾梁應(yīng)力云圖

圖3 重載長(zhǎng)聯(lián)掛及柔性鉗夾梁

2 重要系統(tǒng)內(nèi)力分析

在DQ45鉗夾車模型組裝后，包括重載長(zhǎng)聯(lián)掛和空載短聯(lián)掛，首先應(yīng)當(dāng)校核靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)載荷，如可移動(dòng)大心盤載荷、液壓旁承載荷等，為相關(guān)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算提供載荷數(shù)據(jù)[4].本節(jié)重點(diǎn)討論重物提升、側(cè)移動(dòng)作以及小曲線通過限界分析.

2.1 壓柱油缸行程與壓力關(guān)系曲線

對(duì)于DQ45鉗夾車研制來講，壓柱油缸壓力是最為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一.在重物提升過程中，重物存在一定程度的輕微側(cè)傾，見圖4(a).因而前端左右壓柱油缸，其壓力也稍有不同，約50 kN.如圖4(b)所示，在壓柱油缸行程0～200 mm內(nèi)，給出了壓柱油缸的行程與壓力關(guān)系曲線，其壓力變化約50 kN.因此，壓柱油缸壓力約為(5 000±50)kN.同時(shí)也可給出車耳的載荷變化.

(a)重物提升過程

(b)壓柱油缸行程與壓力關(guān)系曲線

2.2 側(cè)移油缸行程及其載荷變化

DQ45鉗夾車提供了3種導(dǎo)向方式，即內(nèi)導(dǎo)向、中導(dǎo)向和側(cè)移導(dǎo)向(亦稱外導(dǎo)向).為了避讓障礙物，通常采用側(cè)移導(dǎo)向，其導(dǎo)向距離最大，約38.37 m，且側(cè)移油缸可實(shí)現(xiàn)最大側(cè)向位移，500 mm.但是重物側(cè)移將造成很大的橫向偏載，如圖5(a)所示.結(jié)果重載長(zhǎng)聯(lián)掛車體將產(chǎn)生一定程度的側(cè)傾，因而側(cè)移油缸必須采用聯(lián)動(dòng)鎖定控制，以避免傾覆.如圖5(b)所示，在側(cè)移行程500 mm內(nèi)，側(cè)移油缸僅需要很小的推力就能夠?qū)崿F(xiàn)重物的側(cè)向移動(dòng).但是側(cè)移油缸載荷很快轉(zhuǎn)變?yōu)槔?，以平衡重物傾斜所產(chǎn)生的下滑力.盡管載荷并不是很大，但是側(cè)移油缸必須采用聯(lián)合鎖定控制，以防止重物向下蠕滑或整車傾覆.同時(shí)重物側(cè)移，4位和8位輪對(duì)將出現(xiàn)最大的車輪減載率，如側(cè)移500 mm，最大車輪減載率達(dá)到0.75，因而側(cè)移導(dǎo)向務(wù)必減速慢行.特別值得注意的是2/3位轉(zhuǎn)向架，其最大旁承載荷達(dá)到了500 kN以上.因而4軸轉(zhuǎn)向架構(gòu)架靜強(qiáng)設(shè)計(jì)必須充分考慮這一最大旁承載荷工況.

(a)重物側(cè)移動(dòng)作

(b)側(cè)移油缸行程與載荷

對(duì)于DQ45鉗夾車研制來講，鉗夾梁彈性變形十分重要.對(duì)于前端左右鉗夾梁，取壓柱油缸和上蓋板中點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，如表1所示，如壓柱油缸位置，側(cè)移500 mm，最大橫向撓度達(dá)到-17.4 mm.如上蓋板中點(diǎn)，最大垂向撓度達(dá)到+18.6 mm，且與側(cè)移行程大小無關(guān).也就是說，重物側(cè)移對(duì)鉗夾梁的垂向撓度并不產(chǎn)生任何影響，但是對(duì)鉗夾梁的橫向撓度則有較大的影響，考慮到壓柱油缸預(yù)緊力影響，其橫向撓度至少要增大10～12 mm.由此可見，鉗夾梁支撐設(shè)計(jì)非常成功，最大側(cè)移鉗夾梁橫向撓度得到控制，且等分桿和輔撐桿受力合理.特別注意：下輔撐桿幾乎不受力，僅起到定位作用，而上輔撐桿載荷達(dá)到了80 kN，且與側(cè)移行程無關(guān).左右等分桿則形成了拉/壓受力狀態(tài)，側(cè)移500 mm，分別為56.7 kN(拉)/38.4 kN(壓).

表1 橫向側(cè)移時(shí)鉗夾梁靜撓度(前端) mm

3 小曲線通過限界分析

在側(cè)移500 mm，外導(dǎo)向通過R150m的無超高小曲線時(shí)，相對(duì)軌道中心線，重物底部中心將向彎道內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的最大橫向位移862mm,如圖6所示.同時(shí)相對(duì)軌面，重物的最大側(cè)滾角度，約2.5°，也就是說，側(cè)移500mm，重物側(cè)滾已經(jīng)達(dá)到約2°，而小曲線通過，重物側(cè)滾僅僅增大了約0.5°.由此可見，小曲線通過已經(jīng)超限，重物底部形成了最大橫向超限，約862mm.

圖6 小曲線通過重物相對(duì)軌道的橫移與側(cè)滾變化

4 鉗夾梁高應(yīng)力區(qū)確定

對(duì)于鉗夾梁焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講，其高應(yīng)力區(qū)確定十分重要，如焊縫質(zhì)量等級(jí)選取，需要考慮應(yīng)力集中及其高應(yīng)力影響等因素.如圖7(a)所示，在大超高曲線R300m通過時(shí)，鉗夾梁的最大垂向撓度(或彈性變形)在樞軸處，即導(dǎo)向梁橫梁與鉗夾梁聯(lián)接位置附近.而如圖7(b)所示，在外導(dǎo)向小曲線R150m通過時(shí)，鉗夾梁的高應(yīng)力區(qū)主要在于上/下蓋板附近.根據(jù)壓柱油缸和車耳受力分析，上蓋板主要為壓應(yīng)力區(qū)域，而下蓋板則為拉應(yīng)力區(qū)域.

(a)大超高R 300 m曲線通過(位移云圖)

(b)外導(dǎo)向R 150 m曲線通過(應(yīng)力云圖)

由于車耳鉸銷聯(lián)接，在大超高曲線R300m通過時(shí)，如圖8所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在車耳鉸銷孔的下部有可能被壓潰.因此，車耳鉸銷需要采用內(nèi)套聯(lián)接，內(nèi)套作為易損件.

圖8 在大超高通過時(shí)車耳孔邊最大應(yīng)力部位

5 結(jié)論

(1)對(duì)于鉗夾車等長(zhǎng)大貨車來講，剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)為其新型產(chǎn)品研制提供了有效技術(shù)支持，其具有如下3個(gè)特點(diǎn)：①采用模板建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整車動(dòng)態(tài)仿真；②應(yīng)用柔性體接口處理技術(shù)對(duì)策建立了鉗夾梁或側(cè)梁等大型柔性體模型，因而動(dòng)態(tài)仿真分析考慮其彈性變形的負(fù)面影響；③剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)，其約束力更加接近實(shí)際情況，這為靜強(qiáng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供了科學(xué)的載荷數(shù)據(jù);

(2)DQ45鉗夾車研制，最大載重噸位450t，接近或達(dá)到了世界先進(jìn)水平，因而對(duì)輔助、通過限界以及鉗夾梁設(shè)計(jì)制造提出了更高的技術(shù)要求.針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)仿真分析給出了輔助設(shè)備設(shè)計(jì)的重要技術(shù)參數(shù)，如壓柱油缸的最大壓力，約5 000±50kN.再如小半徑曲線R150m外導(dǎo)向通過時(shí)，重物底部向彎道內(nèi)側(cè)超限界，約862mm.特別是鉗夾梁的高應(yīng)力區(qū)確定，為其焊接結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù);

(3)大型剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)極大地促進(jìn)了我國(guó)長(zhǎng)大貨車研制能力的提升.無論鉗夾車還是落下孔車或大型凹底車，這些工程實(shí)踐也為剛?cè)狁詈霞夹g(shù)的發(fā)展與完善提供了十分難得的機(jī)遇.

[1]樸明偉，丁彥闖，李繁，等.大型剛?cè)狁詈宪囕v動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS，2008，14(5)：875-881.

[2]魏鴻亮，樸明偉，張會(huì)杰，等.大型凹底車剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)撓度分析[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS，2011,17(1)：109-116.

[3]張亞輝，林家浩.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) [M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2007：206-225.

[4]樸明偉，兆文忠.DQ45鉗夾車剛?cè)狁詈蟿?dòng)態(tài)分針分析報(bào)告[R].大連：大連交通大學(xué)，2009.

[5]MATTHEWPC,YUNG-CHANGT,CHRISTOPHEP.CharacteristicConstraintModesforComponentModeSynthesis[J].AIAAJournal, 2001,39(6):1182-1187.

Newly-Developed 450t Schnabel Car and Technical Supports of Rigid-Flex Coupling Dynamical Simulations

PIAO Mingwei1,GUO Qiang1,ZHAO Wenzhong2

( 1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028，China； 2.School of Traffic & Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

For the newly-developed 450t Schnabel car,the following technical supports were received by applying dynamical simulations of rigid-flex coupling,e.g. maximu force of pressure post oil cylinder,gauge analysis in minimum curve negotiation and determination of high strees district in Schnabel girder.Dynamical simulation of rigid-flex coupling has the three features as follows:the dynamical simulation of full vehicle can be analysized by applying template modeling technique;the large-sacled flexible body,like Schnabel girder,can be modeled correctly by the interface transaction technical strategy of flexible body to MBS;and through the dynamical simulation analysis of rigid-flex coupling,the constraint forces can approach the actual ones,which are the scientific data for the designs and experiments of static strength.The rapid promation of developing capacity for special wagons of long and big freight,like Schnabel and well cars,can be implemented by applying the dynamical simulation analysis of large-scaled rigid-flex coupling.

Schnabel car;dynamical simulation of rigid-flex coupling;systemic analysis of inner forces;determination of high strees district

1673-9590(2015)03-0009-05

2014-07-03

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011J008)

樸明偉(1962-), 男，教授，博士，主要從事車輛動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用的研究E-mail:m_w_piao@126.com.

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