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列车用排障器静动态特性分析及结构改进*

2018-09-19,,,,,

现代机械 2018年4期
关键词:频率响应云图模态

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(1.株洲联诚集团有限责任公司,湖南株洲412001;2.湖南工业大学,湖南株洲412007)

0 引言

图1 列车用排障器焊缝开裂实图

列车运行速度快,对安全性要求较高,为防止因轨道障碍物导致列车出轨,引发安全事故,故列车车轮前方需设置排除障碍物的装置,即排障器。近年来,国内外许多学者对列车用排障器结构进行研究,大连交通大学的李娅娜等人针对动车组排障器的结构特点及其材料力学性能进行接触非线性强度计算,给出应力分布并验证其正确性[1]。中国铁路总公司的安治业等人对列车用转向架排障器结构进行了介绍及优化设计[2]。株洲电力机车有限公司的胡坤镜,袁文辉对客运机车排障器进行了强度分析及设计改进[3]。中车大同电力机车有限公司的张红霞等人,通过有限元分析计算,简化了30 t轴重交流传动货运电力机车排障器的结构[4]。今创集团技术开发中心的姜翠香则对引进的200 km/h动车组前头排障装置进行了结构分析[5]。吉林大学的崔城玮等人通过对某地铁线路车辆排障器的动应力及加速度分析处理得到排障器的加速度功率谱,并以此作为输入条件,对排障器进行随机振动疲劳分析[6]。 某型货运列车排障器运行一段时间后发现局部支座位置出现裂纹(图1),为解决列车用排障器开裂问题,本文以某货运列车用排障器为研究对象,运用有限元方法对排障器进行静动态分析,找出失效原因,并对其结构进行改进设计,达到列车运行要求。

1 列车用排障器几何模型

本文运用UG三维建模软件对列车用排障器进行三维建模,如图2。为了便于在hypermesh有限元分析软件中进行加载分析,对列车用排障器做出了适当的简化,忽略了一部分不影响计算精度的细节特征,如工艺孔和倒角等。

2 列车用排障器的静动态分析

2.1 排障器网格划分

图2 列车用排障器三维模型

图3 列车用排障器网格模型

将列车用排障器的三维实体模型导入hypermesh中,对其进行单元离散化处理,接地座材料为1Cr18Ni9Ti,其材料弹性模量为206 GPa,泊松比为0.3,密度取为7.9 g/cm3;除接地座以外的材料均为16MnDR,其弹性模量206 GPa,泊松比为0.3,密度为7.85 g/cm3。综合考虑划分网格的时间及计算效率和精度问题,采用低阶体单元模拟各种不同厚度的钢板,并对吊座顶部添加约束,限制其沿XYZ三个方向的转动自由度及移动自由度。由于忽略排障板与排障支撑板之间的接触变形将其连接近似视为刚性连接,故排障板与排障支撑板之间的焊缝用rigid刚性单元模拟,对于接地座质心位置采用Mass单元进行模拟。根据标准EN 12663《铁路应用铁路车辆车体的结构要求第1部分机车与客运车辆》中6.6.4的要求,应对排障器施加加速度载荷,具体为:x方向±0.15 g,y方向±0.2 g,z方向(1±0.25)g,感应线圈及座子重量10 kg,节点数为52426,单元数为29824个,其网格有限元模型和边界条件如图3所示。 图中,蓝色部分为约束,绿色部分为质量点,红色部分为刚性rigid单元。

2.2 静力学分析结果

通过hypermesh有限元计算分析得到列车用排障器静态位移云图和应力云图,由静态分析位移云图可知,其位移最大变形量为1.245 mm,发生在列车用排障器的接地座底部位,整个接地座较其它构件发生明显位移,如图4。如图5,由应力云图可知其最大应力为24 MPa,发生在吊座支撑板与接地座的连接位置底部,这主要是因为其过渡连接处存在应力集中,造成局部区域出现高应力。但是,接地座材料的许用应力为120 MPa,接地座的最大应力远小于材料的许用值,故初步判断该位置的结构失效不属于强度失效。

图4 静力分析位移云图 图5 静力分析应力云图

2.3 模态分析结果

模态分析包括自由模态和约束模态两大类,其中约束模态需要考虑结构本身、约束以及实际运动情况;约束不同,安装不同,模态结果也不一样。本文进行的排障器模态分析主要考虑边界条件作用下的动态特性,故通过Lanczos方法对列车用排障器进行约束模态分析,取前六阶模态频率及振型,图6为一阶模态振形云图,前六阶模态频率如表1。

图6 一阶模态振形云图

由表中可知排障器一阶频率为16.868 Hz,而根据标准EN 12663《铁路应用铁路车辆车体的结构要求第1部分机车与客运车辆》得知,当车速接近100km/h时,排障器激励频率范围为10 Hz~25 Hz。

表1前六阶模态频率

故根据模态分析结果判断,其一阶固有频率与列车激励频率可能接近而发生共振。

2.4 频率响应分析结果

为进一步分析排障器失效原因,拟开展频率响应分析。频率响应分析可以确定结构在正弦交变载荷作用下的模态响应和分析周期变化载荷对结构产生的周期性变化响应。频率响应分析反映的是结构固有特性,其只与结构的质量、刚度、阻尼特性有关,与载荷大小无关。通过对结构进行频率响应分析,设计人员可以分析结构的动力特性,从而对结构进行改善,克服共振和受迫振动对结构带来的有害影响。另外,振动系统中都存在着阻尼,其主要作用是转移系统的能量。结构振动响应的结果与阻尼系数的设定有很直接的关系。一般结构阻尼系数在0.01~0.15之间,本文设定阻尼系数为0.01。本文在质量点位置施加频率范围为1 Hz~50 Hz的垂直方向的单位力载荷,得到的单位载荷下左右支座危险点的位移和等效应力频率响应曲线如图7和图8所示。从中不难看出,激励频率与排障器一阶固有频率接近,排障器支座上产生的位移和应力响应剧增,这会造成局部位置发生塑性变形,导致破坏。

图8 应力频率响应分析结果

3 排障器的结构改进

基于以上分析结果,针对排障器的薄弱位置,拟采用提高结构刚度和改变结构质量分布的方式对结构进行优化设计,提高结构的静动态性能,保证列车运行安全。改进方案包括两部分:一,在两个接地座和排障板之间分别焊接10 mm厚的钢板,加强接地座的承载能力;二,在两个吊座中部非承载位置分别开两个160 mm×160 mm的减重孔,改变质量分布,提高一阶振动频率。对改进后的结构进行静动态特性分析,静力分析位移云图、应力云图和一阶模态振形云图,分别如图9、图10和图11所示,前六阶振动频率见表2。

图9 改进后排障器静力图10 改进后列车用排障 分析位移云图 器静力分析应力云图

图11 改进后排障器一阶模态振型云图

表2改进后排障器前六阶模态频率

从图9和图10可以看出,接地座加强后,最大位移为0.99mm,最大等效应力为18.77 MPa,出现的位置均未发生变化,但是两者均下降20.5%和21.8%。同时,根据表2改进后排障器模态频率分析结果来看,一阶固有频率提高了61.3%,其他阶次的频率均得到提高。不难看出,改进后的排障器静动态特性均得到改善,为列车排障器的安全可靠运行提高了一种解决方案,充分保证了排障器的工作性能。

4 结论

本文针对某型货运列车用排障器局部位置开裂问题,开展了排障器静动态特性分析,通过分析发现排障器开裂部位最大等效应力远小于许用应力;进而结合排障器模态分析和频率响应分析得出载荷激励频率与一阶固有频率可能接近,初步判断排障器出现裂纹属于振动失效,并提出了一种排障器结构改进设计方案。通过对改进后的排障器进行静动态特性分析,发现接地座最大位移和最大等效应力分别下降了20.5%和21.8%,一阶模态频率提高了61.3%,改善效果显著,这为提高排障器的结构性能提供了一种可行的解决方案。

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