一种机车用过分相传感器安装座结构优化

刘海强++周光滨

摘 要：根据目前运行中过分相传感器安装座焊缝出现裂缝的情况，采用有限元分析软件对其进行一系列主要性能的分析计算以优化过分相传感器安装座结构。结果表明，改进后的过分相传感器安装座从理论上所受最大应力降低26.76%、冲击应力降低22.06%、最大冲击应变能降低55.46%，是一个比较合理的设计输出。

关键词：过分相传感器安装座；有限元分析；性能计算；结构改进

中图分类号：U26 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0049-02

引言

在机车传感器装置中，过分相传感器安装座（下称过分相）的作用是连接机车转向架与过分相传感器，并保证传感器安装的稳定性，提高安装座的耐交变应力性对机车运行过程中具有重大意义。

本文采用有限元对机车过分相的受力、变形量位移、冲击应力、冲击应变能方面进行分析计算，通过对可能的方案进行优选，得到一个所受应力、冲击应力、冲击应变能均减小的过分相。

1 过分相各性能有限元分析计算

1.1 静态分析

根据过分相蓝图建立过分相模型，其中板和连接板的材质为16MnDR，圆筒及筋板的材质为Q345E，焊缝的材料为焊丝G2Si。16MnDR的机械性能为：抗拉强度Rm=540MPa、屈服强度Rel=400MPa；Q345E的机械性能为：抗拉强度Rm=550MPa、屈服强度Rel=360MPa；焊丝G2Si的机械性能为：抗拉强度Rm=524MPa、屈服强度Rel=436MPa。

如图1所示，过分相顶部孔所在平面及孔内表面为固定表面，过分相在静态状态下只受到底部连接板及传感器的重力作用，受力为30N（下限30N）。对其进行受力分析，过分相受应力情况为：在静态状态下受到最大的应力为2.866MPa，处于下筋板与下连接板的焊接部位；最大变形量为1.095×10-3mm，处于下连接板底部，由此可知过分相在静态状态下受力情况远低于零件的屈服强度（此焊缝等级为低级，根据EN15085要求，焊缝的屈服强度要求小于0.5倍焊缝材料屈服强度[1]，因此焊缝的屈服强度Rel=218MPa）。

1.2 疲劳分析

將模型介入100万次循环疲劳破坏分析试验，虽在静态受力下过分相疲劳特征同样是集中在底部连接板焊缝处，但过分相在静态状态下受100万次疲劳破坏分析后依旧完好。

1.3 动态随机震动分析

产品在运行过程中避免不了震动的影响，对其进行动态随机震动分析，由分析结果可知就算是在动态随机震动的情况下受到的应力为6.742MPa，乘以安全系数1.4（因随机震动变形量小，选择较小安全系数）计算后为10.787MPa，同样低于材料的屈服强度。

1.4 动态冲击及交变载荷分析

根据过分相在运行过程中开裂的情况及软件模拟分析结果可知产品在静态状态及随机震动之下不足以对产品产生破坏，于是考虑产品在随车启停过程中惯性力作用，此时便会对过分相顶板产生力矩，于是对过分相进行动态冲击分析，分析结果为：过分相顶板上的4根筋板与板的连接处，因其受机车运行过程中的变速运动引起的动态冲击影响，此处在动态冲击中应力和应变能相对集中，此结构设计无法引导应力、应变能，在反复载荷作用下，可能产生裂缝，并与实际运行过程中开裂处一致。

2 过分相可行方案优选

影响受应力零件（动态加载）的最多故障都是因于形状有关的问题引起的，这些问题不但不能很好的引导应力，还可能引发应力的形成。于是，对过分相上的加强筋进行优化，如图2所示，将筋板斜边处开400的圆弧（此处开400圆弧仅用于建立全局敏感度分析，无特殊意义）。然后将400圆弧尺寸介入模型全局敏感度分析，各方案参数详见表1。

根据以上取点数据，并结合以下公式计算各优化值进行比较，比较结果如表2所示。

最大应力（或最大冲击应力）优化值

最大变形位移优化值

由以上分析可知，模型最大应力集中区域存在于模型下筋板端焊缝区，而模型最大变形位移存在于下板边角区，由过分相实体图可知（图1），过分相下板处还连接有连接板，由于连接板的限制作用，实际中的变形量比理论计算的变形量还要小，由于目前过分相产品在机车的实际运行中，开裂处为上筋板与上板连接的焊缝区，因此冲击应力的优化结果应为主要参考因素，结合全局应力及变形位移，选择圆弧320mm方案，并对其建立模型介入以上分析得出以下结果，将其得出的实际结果与原模型各量计算出的优化值如表3所示。

由以上对比结果可知，优化后最大冲击应力及最大冲击应变能优化效果比较显著，再将其介入1000万次循环疲劳破坏分析试验，同样对疲劳破坏无影响。

3 结束语

通过对过分相结构的改进，与原结构相比最大应力降低26.76%，变形量减少1.28%，最大冲击应力降低22.06%，最大冲击应变能降低52.46%，由此可见改进模型筋板后能良好的传递冲击应力及冲击应变能，是一个合理的设计输出。

参考文献：

[1]EN 15085-3-2007铁路上的应用-铁路车辆及其部件的焊接第3部分：设计要求[Z].endprint