基于SolidWorks的輪對正反壓機的虛擬樣機設(shè)計

陳寶根　韓兵　吳建洪

摘 要：在輪對正反壓機的研制階段，利用SolidWorks軟件建立虛擬樣機模型、使用SolidWorks Simulation插件對樣機的關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析計算。

關(guān)鍵詞：輪對正反壓機；虛擬樣機；有限元分析；SolidWorks

機車輪對作為機車走行部中最重要的部件之一，輪對由車軸、車輪和從動齒輪等組成。機車全部重量通過軸頸、輪對作用于鋼軌上，當(dāng)車輪行經(jīng)鋼軌接頭、道岔等線路不平順處時，輪對直接承受來自鋼軌的全部垂向和側(cè)向沖擊。為保證行車安全，車軸通常采用熱裝、注油壓裝或冷壓組裝工藝壓裝在車輪內(nèi)，通過過盈配合防止車輪在承受側(cè)向沖擊時出現(xiàn)軸向竄動。

在實際生產(chǎn)中，一般使用輪對壓力機模擬輪對承受最大側(cè)向沖擊時的輪對軸向竄動情況，確保每只輪對都能夠合格流轉(zhuǎn)。由于各車型輪對的車輪和從動齒輪等的結(jié)構(gòu)各不相同，輪對試驗的承壓方式也分為正壓和反壓，因此研制一種同時兼容幾種車型輪對正壓、反壓試驗的專用正反壓機就顯得十分必要。

為此，通過使用SolidWorks 2010軟件對輪對正反壓機進(jìn)行了三維創(chuàng)新設(shè)計，利用SolidWorks Simulation對所設(shè)計的輪對正反壓機樣機的關(guān)鍵部位進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析，最終完成了基于SolidWorks的輪對正反壓機的虛擬樣機設(shè)計。

1 輪對正反壓機的樣機設(shè)計

1.1 輪對三維參數(shù)化模型的創(chuàng)建

根據(jù)圖紙分析獲知各車型輪對車軸、車輪和從動齒輪的結(jié)構(gòu)、外形尺寸各不相同，在SolidWorks中利用旋轉(zhuǎn)、拉伸、切除等特征創(chuàng)建了DF4系列、DF7系列、DF8系列和HXn5B輪對等各車型輪對的三維參數(shù)化模型（見圖1）。

1.2 樣機的總體設(shè)計

正反壓機樣機要同時滿足DF4系列、DF8系列、DF7系列、HXn5B機車輪對的反壓試驗或正壓試驗，并且要求樣機兩端都可以對滾抱或滑抱結(jié)構(gòu)輪對的車輪、輪心及從動齒輪進(jìn)行正、反壓試驗。

在虛擬樣機的總體設(shè)計時，以輪對通用反壓機的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)：通過固定車輪，使用液壓油缸對車軸施壓相當(dāng)?shù)臎_擊力，模擬機車運行中輪對承受側(cè)向沖擊的工況。同時構(gòu)建左右對稱分布的結(jié)構(gòu)，保證樣機兩端都可以做正、反壓試驗。

在此基礎(chǔ)上，使用兩只支承小車在放置輪對的同時，能夠隨油缸活塞桿在一定的直線范圍內(nèi)移動，以實現(xiàn)油缸壓力向車輪的傳遞。

1.3 樣機機體的設(shè)計

綜合分析各車型輪對的輪轂結(jié)構(gòu)、從動齒輪的直徑尺寸、以及各車輪的正壓或反壓試驗的需要，創(chuàng)建了樣機機體的三維參數(shù)化模型。樣機機體作為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q460E的整體焊接件，直接利用機體的前后擋板作為車輪正、反壓的支承面，簡化了樣機的設(shè)計結(jié)構(gòu)，提高樣機的可靠性和易維護(hù)性。合理配置機體前后擋板的開檔尺寸和外形輪廓尺寸，使之既能滿足在各車型輪對正壓或反壓時作為車輪支承面的需要。

1.4 樣機其他部件的設(shè)計

在其他部件設(shè)計的過程中，采用模塊化思想，把每個零部件做成單獨的模塊。根據(jù)總體設(shè)計思想及樣機試驗的復(fù)雜工況，設(shè)計創(chuàng)建了支承小車、過渡支承、油缸、導(dǎo)軌和導(dǎo)向軸等的三維模型、同時通過SolidWorks Toolbox標(biāo)準(zhǔn)件庫調(diào)用了包括蝶形螺母、直線軸承等在內(nèi)的一系列標(biāo)準(zhǔn)件。

1.5 樣機的虛擬裝配

Solidworks采用虛擬裝配模式，提供了自下而上、自上而下或2種方法結(jié)合的裝配方法。本文采用自上而下的設(shè)計方式，即將已經(jīng)設(shè)計好的零部件的三維參數(shù)化模型，按照相互的位置裝配關(guān)系進(jìn)行組裝。這種自上而下的裝配方法更符合一般工程設(shè)計的裝配習(xí)慣，應(yīng)用較多。

利用重合、平行、同軸心、線性/圓周陣列、鏡像等配合關(guān)系將各零部件依次裝配起來，最終得到輪對正反壓機的整機裝配（見圖2）。

完成組裝后，使用SolidWorks干涉檢查命令來檢查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)螺紋部位干涉，這是因為在建模時的螺紋孔和螺釘零件的螺距不準(zhǔn)確，所以組裝以后不會對位，這時需單擊忽略按鈕來排除。其余部件間不存在干涉現(xiàn)象，樣機的靜態(tài)干涉檢查完成。

2 樣機的有限元分析

在產(chǎn)品研發(fā)階段，對重點部件和結(jié)構(gòu)使用有限元分析，能夠有效地優(yōu)化其設(shè)計結(jié)構(gòu)，避免研制出不合格的產(chǎn)品。因此，在綜合分析正反壓機運用過程中的受力情況，并以承壓最大的DF4系列反壓試驗為標(biāo)準(zhǔn)，使用SolidWorks Simulation對輪對外側(cè)支承擋板進(jìn)行強度校核。

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

在樣機機體三維模型中取出輪對外側(cè)擋板的三維參數(shù)化模型，建立擋板的數(shù)學(xué)模型。在SolidWorks Simulation中配置擋板材料為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q460E，定義擋板約束方式為與樣機機體焊接倒角處固定，模擬靜態(tài)壓力取正壓或反壓試驗最高壓力值180t，取1800kN。作用面為輪轂與擋板的結(jié)合面，設(shè)定壓力均勻分布。其中鋼板Q460E的材料屬性見表1。

2.2 建立有限元模型

通過離散化過程，將擋板的數(shù)學(xué)模型剖分成有限單元，形成擋板的有限元模型。這一過程在視覺上是將幾何模型劃分成網(wǎng)絡(luò)，故又稱網(wǎng)格劃分。載荷和支撐在有限元模型建立后，也需要離散化。離散化的載荷和支撐將施加在有限單元網(wǎng)格的節(jié)點上。

在輪對外側(cè)擋板的網(wǎng)格劃分中采用4 Points雅克比檢查，關(guān)閉自動過渡選項，打開光滑表面選項，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)單元大小25mm，公差1.25mm。最終劃分輪對外側(cè)擋板為37934個單元、58539個節(jié)點（見圖3）。

2.3 求解輪對外側(cè)擋板的有限元模型

在擋板靜態(tài)分析時選用了FFEPlus（Fast Finite Element Plus）來解決有限元分析時出現(xiàn)的線性方程組。該方法采用了迭代算法，并利用了數(shù)學(xué)中的稀疏矩陣及先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)，計算時方程組收斂的速度較快，同時所得到的結(jié)果精度也較高。

根據(jù)擋板的有限元模型，基于線性靜態(tài)分析，且材料設(shè)定為各向同性，利用FFEPlus迭代算法，獲得了擋板的vonMises圖（見圖4）。

2.4 輪對外側(cè)擋板的結(jié)果分析

根據(jù)SolidWorks simulation的分析結(jié)果，獲知擋板的最大應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，σbmax=443.8MPa位于輪對輪心壓裝面的邊線上。鋼板Q460E在厚度大于60到100mm之間時的屈服強度[σ0.2]=400MPa，其抗拉強度[σb]=550-720MPa。擋板的許用安全系數(shù)[s]=1.2。

雖然擋板的最大應(yīng)力超出了材料的屈服極限，卻小于抗拉強度極限，并不會發(fā)生失效斷裂。取材料的抗拉強度[σb]=635MPa，擋板的安全系數(shù)：

s=[σb]/σbmax=635MPa/443.8MPa =1.43>[s]

擋板的安全系數(shù)高于許用安全系數(shù)，擋板的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足試驗的需要。同時，鑒于擋板最大拉應(yīng)力超出材料的屈服極限，基于擋板材料Q460E的彈性模量E=2.1GPa，模擬出擋板的應(yīng)變圖（見圖5）。

由圖可知，輪對外側(cè)擋板的在受壓時，最大的彈性形變位移為1.9mm，位于輪轂與擋板結(jié)合面的邊緣，符合試驗設(shè)想。而根據(jù)擋板的應(yīng)變圖，擋板的最大應(yīng)變量為0.150%，分析得到擋板在失去來自液壓油缸施加的垂向壓力后，能夠自動復(fù)位。因此，樣機機體結(jié)構(gòu)的強度和剛度符合設(shè)計要求。

3 虛擬樣機研制的總結(jié)

在利用SolidWorks軟件進(jìn)行輪對正反壓機的創(chuàng)新設(shè)計過程中，使用先進(jìn)的設(shè)計方法進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計具有很多優(yōu)勢：①利用SolidWorks軟件繪制零件實體以及進(jìn)行零部件裝配非常方便快捷，能形象直觀地表達(dá)預(yù)想的設(shè)計結(jié)果；②利用SolidWorks Simulation軟件有限元分析優(yōu)化軟件可以隨時對設(shè)計對象進(jìn)行分析測試，優(yōu)化設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)。

總之，利用目前的三維設(shè)計軟件、有限元分析技術(shù)和運動仿真技術(shù)，可以幫助設(shè)計人員更快捷、更準(zhǔn)確地進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)，能夠十分有效地提高機械產(chǎn)品的設(shè)計水平。

參考文獻(xiàn)

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