電機三相線吊繩支架更換條件的分析研究（帶孔鋼板）

嚴堰

摘要：對帶孔鋼板進行簡單的有限元分析。通過ANSYS路徑操作，分析小孔磨損變大后的應(yīng)力、變形及變化規(guī)律。得出小孔在什么情況下磨損嚴重，需要跟換，為材料的可持續(xù)利用和安全質(zhì)量控制提供了可借鑒的方法。

關(guān)鍵詞：動車組;有限元;受力分析

引言

帶孔鋼板是動車組列車車下各部件安全保護掛繩不可或缺的部件之一。在各種情況下都有不同的作用。由于被掛物體的自身重量和列車運行時部件震動使鋼板受到的沖擊載荷，使得帶孔鋼板將受到不同的應(yīng)力條件，從而磨損破壞。被破壞后的鋼板不再起到保護被掛物體的作用，從而可能引發(fā)被掛物體的加劇震動，或者脫落的嚴重后果，以此造成動車組安全事故。

1. 鋼板模型的建立及特征參數(shù)

動車組上電機三相線吊繩帶孔鋼板的規(guī)格有很多，下圖1就是其中的一種。

經(jīng)過初步孔的受力分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要集中在小孔周圍。為了有效的分析鋼板小孔應(yīng)力，現(xiàn)建立鋼板長200mm，寬30mm，厚3mm，其上有三個均勻分布的小圓孔，半徑為5mm，圓心距離鋼板下平面10mm的模型，在一面固定，小孔受垂直方向5KN的力作用，鋼板彈性模量 MPa，泊松比PRXY=0.28，密度（DENS）為7850kg/ 。

2. 受力分析

2.1變形分析

對鋼板上表面進行所有方向約束，對三圓孔下表面施加5KN的垂直力作用。當(dāng)量應(yīng)力最大值為9991.44MPa，發(fā)生在受應(yīng)力集中處;最小值為1.33146MPa，發(fā)生在受集中力較遠處?？梢娋嗉辛ψ饔梦恢幂^遠處，其受力影響相對較小，也印證了圣維南原理的正確性。該原理于1855年由法國力學(xué)家圣維南提出，其內(nèi)容是：分布于彈性體上一小塊面積或體積內(nèi)的載荷所引起的物體中的應(yīng)力，在距載荷作用區(qū)稍遠的地方，基本上只有載荷的合力和合力距有關(guān);載荷的具體分布只影響載荷作用區(qū)附近的應(yīng)力分布。

2.2對小孔的受力分析

動車組運行過程中，小孔會受到不同方向和不同動載荷的磨損作用?，F(xiàn)將模擬小孔磨損變大和單方向磨損進行應(yīng)力分析，并觀察變形情況。

模擬單方向磨損1MM后，對鋼板上表面進行所有方向約束，對三圓孔下方磨損小孔施加5KN的垂直力作用。當(dāng)量應(yīng)力最大值為6373.84MPa，發(fā)生在磨損孔受應(yīng)力集中處;最小值為0.087593MPa。

模擬圓孔磨損變大1MM后，對鋼板上表面進行所有方向約束，對三圓孔下方磨損小孔施加5KN的垂直力作用。當(dāng)量應(yīng)力最大值為11102.4MPa，發(fā)生在受應(yīng)力集中處;最小值為1.64406MPa。

模擬單方向磨損2MM后，對鋼板上表面進行所有方向約束，對三圓孔下方磨損小孔施加5KN的垂直力作用。當(dāng)量應(yīng)力最大值為5513.33MPa，發(fā)生在磨損孔受應(yīng)力集中處;最小值為0.043035MPa。

模擬圓孔磨損變大2MM后，對鋼板上表面進行所有方向約束，對三圓孔下方磨損小孔施加5KN的垂直力作用。當(dāng)量應(yīng)力最大值為12817.3MPa，發(fā)生在受應(yīng)力集中處;最小值為1.70123MPa。

模擬單方向磨損3MM后，對鋼板上表面進行所有方向約束，對三圓孔下方磨損小孔施加5KN的垂直力作用。當(dāng)量應(yīng)力最大值為6345.22MPa，發(fā)生在磨損孔受應(yīng)力集中處;最小值為0.041709MPa。

模擬圓孔磨損變大3MM后，對鋼板上表面進行所有方向約束，對三圓孔下方磨損小孔施加5KN的垂直力作用。當(dāng)量應(yīng)力最大值為17630.1MPa，發(fā)生在受應(yīng)力集中處;最小值為2.27795MPa。

2.3不同程度磨損小孔有限元分析

初步對鐵板進行受力分析后，并沒有得出相對準(zhǔn)確的結(jié)論來判斷鐵板小孔磨損到什么程度時，需要進行更換。為了得到更加準(zhǔn)確的磨損后鐵板變形數(shù)據(jù)，現(xiàn)根據(jù)鐵板小孔單方向磨損的深度來進行受力分析。

鐵板小孔半徑為5mm，中心距離鐵板最近邊緣為5mm，現(xiàn)假設(shè)鐵板小孔磨損程度從0.1mm到2.5mm，進行受力分析：

鐵板的變形位置位于小孔處受最大應(yīng)力值處，鋼板的變形量隨著小孔的磨損深度變大而變大，當(dāng)小孔磨損到0.6mm左右，變形量趨于一個穩(wěn)定值，但是變形量還是在緩慢的增加。

鐵板的最小應(yīng)力值是發(fā)生在受集中力較遠處，鋼板受到的最小應(yīng)力值隨著小孔磨損深度的變大而增加，當(dāng)小孔的磨損程度達到1mm的時候，有個明顯變化趨勢，當(dāng)小孔的磨損程度達到2mm的時候，同樣發(fā)生了一次明顯的變換趨勢。但是由于鐵板的最小應(yīng)力值是發(fā)生在受集中力較遠處。所以對于鐵板小孔的影響將不會很大。

鐵板的最大應(yīng)力值發(fā)生在受應(yīng)力集中處，鐵板的最大應(yīng)力值隨小孔的磨損深度加深而變大，在磨損深度達到1mm的時候，有個急劇變大的現(xiàn)象，隨后稍微的下降，在磨損深度達到2.4mm的時候，又出現(xiàn)了急劇上升的情況，并且隨后下降。

3. 結(jié)論

小孔在磨損達到1mm的時候會出現(xiàn)應(yīng)力增大后變小的現(xiàn)象，此時小孔受到最大應(yīng)力值，變性量此時也相對較大，當(dāng)小孔磨損深度達到2.4mm的時候，再次出現(xiàn)了應(yīng)力增大隨后隨著磨損的加深應(yīng)力變小的現(xiàn)象。

每次對小孔施加的作用力都是5KN，可以看出小孔在不同程度下的受力和變形情況會隨著磨損的加深而改變，當(dāng)小孔磨損1mm時，最大應(yīng)力急劇增加，此時小孔可能受到變形破壞，需要跟換鋼板。如果此次沒有跟換鐵板，在磨損程度達到2.4mm時，小孔再次受到最大應(yīng)力值，此時小孔二次受到急劇增加的最大應(yīng)力值。小孔可能再次受到變形破環(huán)。

鋼板小孔距離鋼板邊緣的距離為5mm，根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，初步判斷小孔破損程度不宜大于小孔距離邊緣寬度的1/2，如果發(fā)現(xiàn)小孔磨損超過1/2，將需要更換帶孔鐵板。為了更加準(zhǔn)確的確定更換條件，需要對帶孔鋼板進行疲勞實驗。

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