转辙机传动关键零件的结构强度疲劳分析
转辙机传动关键零件的结构强度及疲劳分析
[左思佳,李兵*]
[西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安,710049]
[*通讯作者 联系电话:029-82663689 电子邮箱:[email protected]]
[ 摘 要 ] 转辙机关键传动部件(锁块,销轴)在运行过程中承受推拉动作带来的交变载荷,有发生疲劳
损坏的可能,严重威胁高速铁路交通的安全,因此对其进行疲劳仿真很有必要。利用ANSYS
Workbench 对关键零件进行静力学分析。按照正常工况(推力5KN )添加边界条件,获得了
传动过程中的应力分布。利用nCode Designlife 对关键零件进行了疲劳仿真分析,获得了伤
害和寿命分布。研究工作和分析结果将为转辙机的使用和设计改进提供参考。
[ 关键词 ] 转辙机;静力分析;疲劳分析
Structure strength and fatigue analysis of transmission key
parts of Switch machine
[Zuo Sijia, Li Bing]
[State Key Laboratory for Manufacturing systems Engineering, Xi’an, 710049]
[*Corresponding author. Tel.:029-82663689. E-mail address: [email protected]]
[ Abstract ] In the process of running of push and pull, switch machine transmission parts (locking piece,pin )
has possibility of fatigue damage for the alternating load. The safety of railway transportation faces
great challenge, so the fatigue simulation is necessary. Statics analysis of key parts is performed
using ANSYS Workbench. The boundary conditions are added according to the actual working
condition (Force=5KN)and the stress distribution in the process of transmission is obtained. Using
nCode Designlife fatigue simulation analyses focus on key parts, damage and life distribution are
obtained. The research and analysis will be helpful for the use of the switch machine and provide
reference for design improvements.
[ Key words ] Switch machine;static analysis;fatigue analysis
1. 前言
转辙机是铁路上常用的一种设备,具有以下三个基本功能:道岔转换、道岔锁闭、道岔状态的监督和表示[1]。其中道岔转换过程,转辙机只有推出和拉入两个动作,完成这个动作的核心零件(包括锁块,动作杆,销轴,推板套)承受推拉循环载荷,易产生疲劳破坏。某型号电动转辙机是针对高铁道岔转换研发的新型转辙机,更加严苛的工作条件使得新型设备需要更高
的传动效率和可靠性,以及更长的使用寿命,因此针对关键传动部件的疲劳寿命分析显得尤为重要。
本次分析采用ANSYS Workbench 对传动部件装配模型进行静力分析,之后将静力分析的结果导入nCode Designlife中,添加交变载荷和材料S-N 曲线,从而获得正常工况下的使用寿命。
2. 静力分析
2.1 几何模型
转辙机整机模型由厂方提供,从中提取出所要分析的零件模型,进入SpaceClaim 进行简化。本次静力疲劳分析的对象主要包含转辙机内部以下七个零件:锁块,动作杆,销轴,锁闭铁,压板,方孔套,推板套。简化后模型如图2.1所示。
图2.1简化后转辙机关键零件装配模型
2.2 材料参数
材料的力学性能参数和所对应的零件如表2.2所示。
表2.2 材料力学性能参数
2.3 网格模型
针对不同的零件模型特点,采用不同的划分方法[2]。得到最终网格情况为:整体划分以高阶六面体单元为主,节点数1399139,单元数342085。
2.4 接触设置
此装配体中包含9个零件,共形成12个接触。为了便于计算收敛,将局部刚度对系统刚度影响小的位置的接触均采用线性接触[3]。压板和动作杆直接的接触采用bonded ;两个方孔套和动作杆之间的接触采用No separation;锁块和动作杆之间的接触采用No
separation ;锁块和推板套之间的接触采用No separation;锁块和锁闭铁之间的接触采用No separation ;锁块和销轴之间的接触采用Frictionless ;销轴和动作杆之间的接触采用Rough ;销轴和压板之间的接触采用Frictionless ;压板和锁块之间的接触采用Frictionless 。
2.5 边界条件
方孔套作为支撑件,外圆面添加固定约束(A )。锁闭铁与底壳连接,在其侧面和底面添加固定约束(B )。按照额定推力,推板套与丝杠连接位置添加载荷5000N ,方向平行于丝杠轴向(C )。推板套沿丝杠轴向直线运动,在其顶面和侧面添加无摩擦约束(D )。动作杆和道岔连接位置,设置位移约束,限制Y 向移动(E )。整体边界条件如图2.3所示。
图2.3 整体边界条件
2.6 分析结果
经过计算,得到关键零件(动作杆,销轴,锁块)的变形如图2.4所示,从图中可看出,最大位移为0.03mm ,不影响整体传动性能。销轴和锁块的vonMises 应力分布如图2.5所示,从图中可以看出,关键零件的最大应力为96MPa ,出现在锁块上转角应力集中处。
图2.4 关键零件变形图
图2.5 关键零件应力分布图
3. 疲劳分析
3.1 材料的S-N 曲线
针对45钢和40Cr ,根据P-S-N 方程[4],
Lg Np=Ap+Bp*Lgσ
式中: Np—存活率为p 时破坏循环次数;σ—应力幅的平均值(MPa);选取偏安全设计的存活率为90%对应的参数Ap 和Bp 值,在Designlife 中创建了对应的S-N 曲线,如图3.1所示。
图3.1 45钢和40Cr 的S-N 曲线
HT200通过输入拉伸极限,Ncode 自动生成材料S-N 曲线的方法。S-N 曲线如图3.2所示。
图3.2 HT200的S-N 曲线
3.2 交变载荷
采用的载荷数据是计算机生成的正弦交变载荷,根据实际工况,设置一个循环为10s ,频率0.1Hz 。
3.3 分析结果
经过计算,得到传动关键零件的疲劳寿命云图,如图3.3所示。
图3.3 传动关键零件的疲劳寿命云图
由图3.3可以看出,整个结构寿命最短的部位和应力最大的部位是重合的,该位置的节点编号是1060134,寿命是1.09e9,满足铁路安全标准中使用极限循环次数1.0e7次的要求[5]。
4. 结论
通过静力分析和疲劳分析的计算结果,可以确定该传动部件的刚度和强度都满足要求,使用寿命也能满足安全标准,具体结论如下:
(1) 整个结构的最大应力为96MPa ,最大应力出现在锁块弯角处,小于锁块材料40Cr 的屈
服极限785MPa ,可知变形依然属于弹性变形;且变形量很小,不会影响到传动。
(2) 整个结构寿命最短的部位和应力最大的部位是重合的,该位置的节点编号是1060134,
寿命是1.09e9,满足铁路安全标准中使用极限循环次数1.0e7次的要求。得到结论为:转辙机的正常推拉动作不会产生疲劳破坏。
[参考文献]
[1] 杨晓君.浅谈ZD9型电动转辙机的工作原理及养护维修[J] .西铁科技,2006,3:41-42.
[2] 李兵,何正嘉,陈雪峰. ANSYS Workbench 设计、仿真与优化[M]. 北京:清华大学出版社. 2013.
[3] 李兵,陈雪峰,卓颉. ANSYS 工程应用[M]. 北京:清华大学出版社. 2010.
[4] 姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京:国防工业出版社,.2003.
[5] TB-T 25338.1-2010 , 铁路道岔转辙机 第一部分:通用技术条件[S].