基于增材制造的F8分配阀中间体结构优化设计

2022-03-14朱杰杰李宗义

机械研究与应用 2022年1期

朱杰杰，李宗义

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070)

0 引言

随着近些年中国铁路的快速发展，乘坐高铁动车成为一种方便快捷的出行方式。虽然国家大力发展高速铁路，但是很多地区仍然未覆盖高铁动车。为解决这些地区旅客乘动车出行的迫切需求，同时为提高既有线铁路运输服务品质和使用效率，利用既有线的运输资源和既有机车、客车的检修资源，在中国铁路总公司的统筹和指导下，中国中车集团研制了CR200J型动车组[1]。由于运行速度的提高，对轻量化、制动性能和舒适性都提出了更高的要求。

F8分配阀是动车组制动系统的重要组成部分，其中间体(管座)内部结构复杂，有较多的空腔结构和气路，传统加工制造工艺是先铸造毛坯并留有加工余量，后期辅助机加工[2]。传统加工工艺复杂且零件重量大，不利于动车组轻量化；同时由于钻孔通常不能实现斜孔或细长孔，因此导致气路之间垂直相接，流阻大，加之制动波速的影响，导致制动不同步，进而增大纵向冲击而导致舒适度降低[3]。

增材制造区别于传统的减材制造工艺，是一种“逐层叠加”、“自下而上”的成型技术[4]，因此可以不考虑传统制造工艺的约束和限制，从而制造结构复杂的零件，因此赋予零件设计很大的自由度。针对以上问题，基于增材制造的工艺，将F8分配阀中间体进行重新设计，以达到轻量化和改善制动性能的目的。

1 F8分配阀优化设计的研究现状

上世纪90年代，随着旅客列车的运行速度越来越高，对列车制动性能提出了更高的要求，为此四方车辆研究所与天津机车车辆机械工厂共同研制了F8型客车分配阀[5-6]。近些年针对不同用途，先后开发出了符合UIC标准的F8G空气分配阀、用于养路和冶金车辆的F8Y空气分配阀、快捷货车用和客/货两用的F8H空气控制阀以及轻量化铝合金阀体阀盖的F8L空气分配阀等系列产品，这些产品性能更加稳定可靠，结构更加合理，且更便于检修[7]。不难看出，对于F8分配阀的优化只是针对不同用途和故障，在原有阀体结构的基础上进行微调和改进，性能的提升有限。

其实，制动系统中有很多气动零部件，其内部结构复杂，与增材制造的优势很贴合。而且，不同的工艺适合不同的材料与用途，如FDM和SLA工艺可以用于零件原理分析和生产教学，SLS可用于金属间接成型加工，SLM可用于金属的直接成型加工[8]。

2 提出的基于增材制造的结构优化方法

当前基于增材制造的结构优化，主要是结合增材制造的工艺限制，在拓扑优化结果的基础上进行适当的调整，或者是为了实现轻量化而进行网格结构填充[9]，但是后续仍需要进行较多的手动工作。而且，不管是拓扑优化还是网格结构填充，都需要一定的知识储备和相关软件的学习和培训。为了使机械设计人员将增材制造技术应用到实际生产中，提出一种易于入手的基于增材制造的优化设计方法，也为大家提供一种新的设计思路，如图1。后续以F8分配阀中间体为示例，对此方法进行详细阐述。

图1 结构优化方法

F8分配阀由主阀、辅助阀和中间体组成，如图2所示。当然，F8分配阀还有一种集装板安装方式，不在研究范畴之内。其中，中间体由铸铁铸成，用来安装主阀与辅助阀，起到连接各缸、管、风缸及主阀、辅助阀各个气路的作用。其内部有两个空腔，分别是0.8L的局减室和3L的辅助室，其他还有一些内部气路。

图2 F8分配阀

2.1 功能结构分析

零件的作用是实现某些功能，而实现这些功能需要特定的结构，比如螺纹结构的作用是为了实现紧固连接。将这些实现特定功能的结构称为功能结构，F8分配阀中间体有三个功能结构，如图3，分别是：实现气路连接作用的管路；实现储存压力空气作用的两个空腔：局减室与辅助室。

图3 功能结构分析

2.2 功能结构组合优化

原设计由于加工工艺的限制，管道垂直相交，空腔结构复杂。为了达到轻量化和改善气动性能的目的，将三个功能结构进行组合优化，一方面将气路优化成大圆弧过渡、将空腔优化成规则形状；另一方面考虑到原设计不同的功能结构之间互相分离，松散不紧凑，经过分析比较，将管路设置在空腔结构内部是最优的选择。

与此同时，由于中间体还需要和主阀、辅助阀装配，在这一步需要考虑与其他零件的气路连接。如果将与主阀、辅助阀的连接比作成“输出界面”的话，那么与制动缸、工作风缸、副风缸和制动管的连接则可以称之为“输入界面”。在进行优化设计的时候，两个输出“输出界面”不可以改变，而“输入界面”则可以改变。优化的结果是一个长方体空腔结构，内部被分成局减室和辅助室，气路设置在辅助室内部，上方为两个“输出界面”，底部为“输入界面”，如图4所示。

图4 功能结构组合优化

2.3 考虑增材制造工艺

增材制造也并非是完全的“自由制造”，由于其“层层叠加”的工艺过程，也有悬垂角度和阶梯效应等约束[10]，这就要求在优化设计的同时还应考虑增材制造的工艺约束。由于中间体内部主要是空腔结构，结构优化的主要内容是对空腔顶部支撑结构的设计。支撑结构作用是支撑悬垂区域并传导热量，以避免成形过程中出现塌陷、翘曲变形[11]，从而导致制造失败，如图5。通常认为当悬垂角度小于45°时，就应该设置支撑结构。但是支撑结构在制造结束后需要去除，导致材料和时间的浪费。

图5 悬垂角度与可制造性[12]

在这一步中，由于增材制造的工艺约束，考虑到空腔封闭结构不易去除支撑结构，将两个“输出界面”设置成45°的自支撑结构。优化的结果是“房子”形状的空腔结构，内部被分成局减室和辅助室，气路设置在辅助室内部，上方是两个45°的“房顶”，分别是两个“输出界面”，底部为“输入界面”，如图6所示。

图6 考虑增材制造工艺约束的优化结果

2.4 数值仿真分析

由于增材制造本身的工艺过程，会产生较高的残余应力而导致变形，甚至会发生制造失败的情况[13]。所以通过对增材制造过程进行仿真分析来实现对工艺过程的预测，以实现结构优化和质量控制[14]。

考虑到轻量化的目的，采用密度较轻的铝合金Alsi10 mg材料和激光选区融化(SLM)工艺，之前选取的45°悬垂角度完全可以实现自支撑[15-16]。根据铝制焊接容器行业标准[17]薄壁厚度公式：

(1)

式中：许用应力：

(2)

同时，根据文献[18]、[19]取抗拉强度σb=200 MPa，根据列车管压力取计算压力pc=600 kPa，综合考虑形状、工况等因素，取厚度为2 mm。

仿真分析的结果如图7。最初的仿真结果如图7(a)所示，出现两处变形较大的区域，最大变形达到8 mm和3 mm，但是在其背面与之对应的位置却未发生较大的变形；分析原因是有分隔局减室和辅助室的结构充当支撑结构，起到支撑和传递热量的作用，如图7(b)深色部分；因此，将原有结构进行优化，在变形较大的位置添加支撑结构，并对支撑结构也进行优化，如图7(c)深色部分；最后得到的结果符合预期，如图7(d)。