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    基于增材制造的F8分配閥中間體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

    2022-03-14 03:39:26朱杰杰李宗義
    機(jī)械研究與應(yīng)用 2022年1期
    關(guān)鍵詞:分配閥氣路中間體

    朱杰杰,李宗義

    (蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

    0 引 言

    隨著近些年中國鐵路的快速發(fā)展,乘坐高鐵動(dòng)車成為一種方便快捷的出行方式。雖然國家大力發(fā)展高速鐵路,但是很多地區(qū)仍然未覆蓋高鐵動(dòng)車。為解決這些地區(qū)旅客乘動(dòng)車出行的迫切需求,同時(shí)為提高既有線鐵路運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)和使用效率,利用既有線的運(yùn)輸資源和既有機(jī)車、客車的檢修資源,在中國鐵路總公司的統(tǒng)籌和指導(dǎo)下,中國中車集團(tuán)研制了CR200J型動(dòng)車組[1]。由于運(yùn)行速度的提高,對輕量化、制動(dòng)性能和舒適性都提出了更高的要求。

    F8分配閥是動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分,其中間體(管座)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有較多的空腔結(jié)構(gòu)和氣路,傳統(tǒng)加工制造工藝是先鑄造毛坯并留有加工余量,后期輔助機(jī)加工[2]。傳統(tǒng)加工工藝復(fù)雜且零件重量大,不利于動(dòng)車組輕量化;同時(shí)由于鉆孔通常不能實(shí)現(xiàn)斜孔或細(xì)長孔,因此導(dǎo)致氣路之間垂直相接,流阻大,加之制動(dòng)波速的影響,導(dǎo)致制動(dòng)不同步,進(jìn)而增大縱向沖擊而導(dǎo)致舒適度降低[3]。

    增材制造區(qū)別于傳統(tǒng)的減材制造工藝,是一種“逐層疊加”、“自下而上”的成型技術(shù)[4],因此可以不考慮傳統(tǒng)制造工藝的約束和限制,從而制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件,因此賦予零件設(shè)計(jì)很大的自由度。針對以上問題,基于增材制造的工藝,將F8分配閥中間體進(jìn)行重新設(shè)計(jì),以達(dá)到輕量化和改善制動(dòng)性能的目的。

    1 F8分配閥優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀

    上世紀(jì)90年代,隨著旅客列車的運(yùn)行速度越來越高,對列車制動(dòng)性能提出了更高的要求,為此四方車輛研究所與天津機(jī)車車輛機(jī)械工廠共同研制了F8型客車分配閥[5-6]。近些年針對不同用途,先后開發(fā)出了符合UIC標(biāo)準(zhǔn)的F8G空氣分配閥、用于養(yǎng)路和冶金車輛的F8Y空氣分配閥、快捷貨車用和客/貨兩用的F8H空氣控制閥以及輕量化鋁合金閥體閥蓋的F8L空氣分配閥等系列產(chǎn)品,這些產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定可靠,結(jié)構(gòu)更加合理,且更便于檢修[7]。不難看出,對于F8分配閥的優(yōu)化只是針對不同用途和故障,在原有閥體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)和改進(jìn),性能的提升有限。

    其實(shí),制動(dòng)系統(tǒng)中有很多氣動(dòng)零部件,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與增材制造的優(yōu)勢很貼合。而且,不同的工藝適合不同的材料與用途,如FDM和SLA工藝可以用于零件原理分析和生產(chǎn)教學(xué),SLS可用于金屬間接成型加工,SLM可用于金屬的直接成型加工[8]。

    2 提出的基于增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

    當(dāng)前基于增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,主要是結(jié)合增材制造的工藝限制,在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,或者是為了實(shí)現(xiàn)輕量化而進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)填充[9],但是后續(xù)仍需要進(jìn)行較多的手動(dòng)工作。而且,不管是拓?fù)鋬?yōu)化還是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)填充,都需要一定的知識(shí)儲(chǔ)備和相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。為了使機(jī)械設(shè)計(jì)人員將增材制造技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中,提出一種易于入手的基于增材制造的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,也為大家提供一種新的設(shè)計(jì)思路,如圖1。后續(xù)以F8分配閥中間體為示例,對此方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

    圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

    F8分配閥由主閥、輔助閥和中間體組成,如圖2所示。當(dāng)然,F(xiàn)8分配閥還有一種集裝板安裝方式,不在研究范疇之內(nèi)。其中,中間體由鑄鐵鑄成,用來安裝主閥與輔助閥,起到連接各缸、管、風(fēng)缸及主閥、輔助閥各個(gè)氣路的作用。其內(nèi)部有兩個(gè)空腔,分別是0.8L的局減室和3L的輔助室,其他還有一些內(nèi)部氣路。

    圖2 F8分配閥

    2.1 功能結(jié)構(gòu)分析

    零件的作用是實(shí)現(xiàn)某些功能,而實(shí)現(xiàn)這些功能需要特定的結(jié)構(gòu),比如螺紋結(jié)構(gòu)的作用是為了實(shí)現(xiàn)緊固連接。將這些實(shí)現(xiàn)特定功能的結(jié)構(gòu)稱為功能結(jié)構(gòu),F(xiàn)8分配閥中間體有三個(gè)功能結(jié)構(gòu),如圖3,分別是:實(shí)現(xiàn)氣路連接作用的管路;實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存壓力空氣作用的兩個(gè)空腔:局減室與輔助室。

    圖3 功能結(jié)構(gòu)分析

    2.2 功能結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化

    原設(shè)計(jì)由于加工工藝的限制,管道垂直相交,空腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了達(dá)到輕量化和改善氣動(dòng)性能的目的,將三個(gè)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合優(yōu)化,一方面將氣路優(yōu)化成大圓弧過渡、將空腔優(yōu)化成規(guī)則形狀;另一方面考慮到原設(shè)計(jì)不同的功能結(jié)構(gòu)之間互相分離,松散不緊湊,經(jīng)過分析比較,將管路設(shè)置在空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)部是最優(yōu)的選擇。

    與此同時(shí),由于中間體還需要和主閥、輔助閥裝配,在這一步需要考慮與其他零件的氣路連接。如果將與主閥、輔助閥的連接比作成“輸出界面”的話,那么與制動(dòng)缸、工作風(fēng)缸、副風(fēng)缸和制動(dòng)管的連接則可以稱之為“輸入界面”。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候,兩個(gè)輸出“輸出界面”不可以改變,而“輸入界面”則可以改變。優(yōu)化的結(jié)果是一個(gè)長方體空腔結(jié)構(gòu),內(nèi)部被分成局減室和輔助室,氣路設(shè)置在輔助室內(nèi)部,上方為兩個(gè)“輸出界面”,底部為“輸入界面”,如圖4所示。

    圖4 功能結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化

    2.3 考慮增材制造工藝

    增材制造也并非是完全的“自由制造”,由于其“層層疊加”的工藝過程,也有懸垂角度和階梯效應(yīng)等約束[10],這就要求在優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)還應(yīng)考慮增材制造的工藝約束。由于中間體內(nèi)部主要是空腔結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要內(nèi)容是對空腔頂部支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。支撐結(jié)構(gòu)作用是支撐懸垂區(qū)域并傳導(dǎo)熱量,以避免成形過程中出現(xiàn)塌陷、翹曲變形[11],從而導(dǎo)致制造失敗,如圖5。通常認(rèn)為當(dāng)懸垂角度小于45°時(shí),就應(yīng)該設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)。但是支撐結(jié)構(gòu)在制造結(jié)束后需要去除,導(dǎo)致材料和時(shí)間的浪費(fèi)。

    圖5 懸垂角度與可制造性[12]

    在這一步中,由于增材制造的工藝約束,考慮到空腔封閉結(jié)構(gòu)不易去除支撐結(jié)構(gòu),將兩個(gè)“輸出界面”設(shè)置成45°的自支撐結(jié)構(gòu)。優(yōu)化的結(jié)果是“房子”形狀的空腔結(jié)構(gòu),內(nèi)部被分成局減室和輔助室,氣路設(shè)置在輔助室內(nèi)部,上方是兩個(gè)45°的“房頂”,分別是兩個(gè)“輸出界面”,底部為“輸入界面”,如圖6所示。

    圖6 考慮增材制造工藝約束的優(yōu)化結(jié)果

    2.4 數(shù)值仿真分析

    由于增材制造本身的工藝過程,會(huì)產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力而導(dǎo)致變形,甚至?xí)l(fā)生制造失敗的情況[13]。所以通過對增材制造過程進(jìn)行仿真分析來實(shí)現(xiàn)對工藝過程的預(yù)測,以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和質(zhì)量控制[14]。

    考慮到輕量化的目的,采用密度較輕的鋁合金Alsi10 mg材料和激光選區(qū)融化(SLM)工藝,之前選取的45°懸垂角度完全可以實(shí)現(xiàn)自支撐[15-16]。根據(jù)鋁制焊接容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[17]薄壁厚度公式:

    (1)

    式中:許用應(yīng)力:

    (2)

    同時(shí),根據(jù)文獻(xiàn)[18]、[19]取抗拉強(qiáng)度σb=200 MPa,根據(jù)列車管壓力取計(jì)算壓力pc=600 kPa,綜合考慮形狀、工況等因素,取厚度為2 mm。

    仿真分析的結(jié)果如圖7。最初的仿真結(jié)果如圖7(a)所示,出現(xiàn)兩處變形較大的區(qū)域,最大變形達(dá)到8 mm和3 mm,但是在其背面與之對應(yīng)的位置卻未發(fā)生較大的變形;分析原因是有分隔局減室和輔助室的結(jié)構(gòu)充當(dāng)支撐結(jié)構(gòu),起到支撐和傳遞熱量的作用,如圖7(b)深色部分;因此,將原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,在變形較大的位置添加支撐結(jié)構(gòu),并對支撐結(jié)構(gòu)也進(jìn)行優(yōu)化,如圖7(c)深色部分;最后得到的結(jié)果符合預(yù)期,如圖7(d)。

    2.5 考慮安裝裝配要求

    考慮到與主閥、輔助閥的裝配,以及在車體上的安裝,如圖8(a),需要在螺栓連接件的位置設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu),以加強(qiáng)連接強(qiáng)度,如圖8(b)。由于加工工藝的約束限制,不能出現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu),將與主閥、輔助閥連接的位置設(shè)置成“長條”結(jié)構(gòu)。而與車體連接的位置設(shè)計(jì)在中間體下方,則不要考慮工藝約束,設(shè)置四個(gè)塊狀結(jié)構(gòu)即可。

    圖7 工藝仿真分析

    圖8 安裝裝配要求

    應(yīng)用SLA工藝試制成功,與仿真分析的結(jié)果一致,符合預(yù)期,如圖9。

    圖9 SLA工藝試制

    3 結(jié) 論

    基于增材制造的工藝對F8分配閥中間體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化的結(jié)果如表1所列,總結(jié)如下。

    (1) 由于采用了較小的壁厚和鋁合金材料,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重量減少了89%,實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo);采用大圓弧的氣路連接,優(yōu)化了制動(dòng)性能。

    表1 優(yōu)化結(jié)果

    (2) 提出的基于增材制造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對機(jī)械設(shè)計(jì)人員要求不高,只需要掌握關(guān)于增材制造的基本知識(shí)即可,易于入手,具有較強(qiáng)的實(shí)用性和適用性。

    (3) 下一步的工作是基于增材制造的工藝,將主閥和輔助閥也進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分配閥的輕量化和性能的提升。而且,隨著技術(shù)的發(fā)展,金屬增材制造的成本會(huì)越來越低,在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。

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