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防磨护轨的有限元分析及优化设计

发布于:2016-09-13 18:17
有限元分析

      小半径曲线防磨护轨是针对火车提速而设计的一种新产品,火车提速对道轨和车轮提出了更高的要求,特别是在转弯处,由于受到离心力F的作用,车轮A面会对道轨B面产生巨大压力,由此将引起两轮之间磨擦力的增加。在长时间磨擦力的作用下lL会减小,lG会增大(lL指两车轮A面间距离,lG指两道轨B面间距离),当两者相差到一定数值时,会引起火车运行不平稳甚至脱轨。针对这种情况,提出了小半径曲线防磨护轨的设计,其工作原理图如图所示。
      设计要求:材料50号铸钢,许用应力420MPa,D点最大变形不超过3mm。为保正产品设计的合理性、经济性、可靠性,大家对其进行了有限元分析并提出了优化设计
      根据护轨结构特点,采用了三维块单元模型。有限元模型必须保正节点相连,而护轨形状很不规则,这给单元划分带来困难。为此,建模时对护轨沿XY平面进行了分层,分层点选取YZ平面内形状变化点,在每一层平面上进行网格划分,再将各层模型叠加,形成一个完整的有限元三维模型,如图所示。
      护轨依靠螺栓预紧力压紧楔形铁而固定于道轨1上。螺栓预紧力应保正使其传递到楔形铁上,产生的楔紧力压紧护轨与道轨1,并在外载荷(离心力F)作用到最大值时使得在3点及4点连线上护轨与道轨1不脱开。因而在分析刚度时,沿1点、2点、3点、4点连线上所有节点设定为全约束,这样处理约束对强度分析不妥当,因为在3点及4点处存在变形的趋势,如图所示。所以分析强度时,在4点处,设定其约束为Y向及Z向有位移约束,X向及Y向有转动约束,放开X方向的位移约束及绕Z轴的转动约束;在2点及3点连线上节点处限定其在Y方向只有负方向的位移;1点及2点设定为全约束。这样处理,将强度计算与刚度计算分开进行,使有限元模型更能描述现实问题。护轨受力可分为两部分:一是火车在转弯处产生的离心力F;二是楔形铁产生的楔紧力(螺栓2产生的预紧力只对护轨局部有影响,可忽略不计)。楔形铁产生的楔紧力如果单独处理比较困难,将离心力F乘以一个系数来考虑楔紧力。在转弯处道轨曲率R缓慢变化,根据离心力F也缓慢变化,因而对本问题采用静力分析,载荷取离心力F的最大值,将F乘以系数K均布于D点沿Z方向的9个节点上。
      变形发生的最大点为点D,ΔX=2.634mm,ΔY=0.975mm,ΔZ=0mm,变形在要求的范围之内。由图可知,在D-E线上从0 mm到100mm,长100 mm范围X方向变形为1.13 mm;从100mm到180 mm,长80 mm范围X方向变形为1.50mm;因而g部对护轨刚度影响较小,在满足强度要求的前提下,可以减小g部尺寸。
      护轨产生最大拉应力的部位为沿Z轴方向的i部区域,应力值为1338 MPa,远远超出了材料的许用拉应力。应力分布如图所示。各部的应力值为由图可知,各区应力分布不均匀,最大应力与最小应力之差超过1300MPa;7区应力小于100MPa,基本处于不受力状态,材料利用不充分。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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