目前我國的高鐵發(fā)展很快,高鐵的發(fā)展給人們的生活帶來了方便,但火車在一次次提速的同時也帶來了新的技術(shù)難題。火車速度提高了,在拐彎時火車的拐彎角度必然要加大,否則容易引起火車脫軌、側(cè)翻,因此對叉道處或者拐彎處的鐵軌加工提出了新的要求。為了適應(yīng)高速行駛的火車,拐彎處的鐵軌在加工時要讓鐵軌繞軸線方向偏轉(zhuǎn)一個小的角度,以使火車在拐彎時能夠平穩(wěn)過渡。到目前為止,鐵軌的這種小角度偏轉(zhuǎn)加工都是通過熱軋形成的,而這些熱軋的設(shè)備并不是為鐵軌偏轉(zhuǎn)加工而設(shè)計(jì)的,因此加工精度低,加工過程也不能控制。針對以上問題,參照鐵軌的加工工藝要求,作者提出了一種專門用于鐵軌扭轉(zhuǎn)加工的裝置。
1 簡化模型及有限元模型的建立
1.1 對鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置的初步分析
首先,要實(shí)現(xiàn)鋼軌的扭轉(zhuǎn)變形,而且是發(fā)生永久塑性變形,可以在鋼軌上施加扭矩,要保證施加在鋼軌上的扭矩必須使鋼軌所承受的應(yīng)力值超過其屈服強(qiáng)度;其次,在施加載荷時,可以使鋼軌的一端固定,在另一端施加載荷,讓鋼軌發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形;最后,選擇施加載荷的動力系統(tǒng)。由于液壓傳動具有傳動平穩(wěn)、承載能力大、能實(shí)現(xiàn)無級變速等優(yōu)點(diǎn),初步選定液壓驅(qū)動的方式來施加載荷。
1.2 簡化模型的建立
建立鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置三維簡化模型是實(shí)現(xiàn)有限元分析的關(guān)鍵步驟之一。根據(jù)對裝置的初步分析及鋼軌截面圖(圖1)尺寸,利用CATIA V5 R19中零件設(shè)計(jì)模塊建立簡化模型,如圖2所示。
圖1 鋼軌截面圖
圖2 三維簡化模型
這里把夾具簡化為兩個長方體,并且假設(shè)夾具的材料與鋼軌的材料相同,均為高錳鋼,σs≥784MPa,這樣做使得模型更為簡化;另外由于只要知道夾具的應(yīng)力情況,給具體的夾具設(shè)計(jì)提供參考就行,所以這里使用同一種材料,也給分析帶來很大方便。兩個長方體中其中一個長方體的兩端被固定,另一個長方體的兩端被施加載荷,初步設(shè)計(jì)長方體的長為2000mm、寬為200mm、高為300mm。另外,根據(jù)加工要求兩個長方體之間的距離為448mm。
1.3 約束及受力分析
在三維簡化模型的基礎(chǔ)之上,可以進(jìn)一步對模型進(jìn)行約束和受力分析。在其中一個長方體的兩端及后面添加固定約束,這樣,整個模型的自由度就為1;在另外一個長方體的兩端建立方向相反的,大小相等的兩個均布載荷,并且它們的方向與長方體的長度方向垂直。加載方案見圖3,施加約束后的模型見圖4。則有下列關(guān)系式:
T= 2F·(L/2)
式中:F為施加的均布載荷;
T為對力偶構(gòu)成的扭矩;
L/2為力臂。
式中的L即為扭轉(zhuǎn)臂的總長度;F的大小也就是液壓油缸的升力和拉力的大小。
圖3 加載方案
圖4 施加約束載荷后的模型
2 有限元分析模型的建立
2.1 有限元分析前處理
根據(jù)三維簡化模型和力學(xué)模型,可以建立有限元分析模型。
進(jìn)行有限元分析的步驟為:(1)將零件設(shè)計(jì)模塊中的三維簡化模型導(dǎo)入到有限元分析模塊中;(2)添加材質(zhì);(3)劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界約束條件,施加載荷;(4)計(jì)算分析。
查閱相關(guān)資料有:
碳鋼和錳鋼的E為196—216GPa,一般按210GPa計(jì);μ為0.25—0.33,一般按0.3計(jì);α為12.3×106。
力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度σb(MPa):≥980(100);屈服強(qiáng)度σs(MPa):≥784(80);伸長率δ10(%):≥8;斷面收縮率ψ(%):≥30;硬度:熱軋時,不大于HB302;冷拉+熱處理時,不大于HB321。
因此材料定義如圖5所示。
圖5 材料定義及網(wǎng)格劃分
另外,有限元分析中網(wǎng)格的劃分十分重要,它對運(yùn)算結(jié)果的精確性有很大的影響。網(wǎng)格劃分越細(xì),計(jì)算越精確,但是所用的時間也越長,占用的內(nèi)存也越大?紤]到計(jì)算速度,另外此模型的尺寸較大,所以網(wǎng)格不宜劃分太細(xì)。CATIA本身自帶根據(jù)尺寸自動劃分網(wǎng)格的功能,可以利用這一功能對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
2.2 有限元分析結(jié)果
通過CATIA的顯示功能,分別顯示出模型的米塞斯應(yīng)力圖和變形位移云圖,再與高錳鋼的屈服極限比較,一步步改變施加載荷,的大小,直到F足夠大到能使鋼軌發(fā)生塑性變形。當(dāng)F達(dá)到38000N時,分析結(jié)果如圖6所示。
圖6 米塞斯應(yīng)力圖
由分析結(jié)果可以看出:此時的應(yīng)力最大值達(dá)到808MPa,略大于高錳鋼的屈服極限784MPa(當(dāng)F值取到55000N時,最大應(yīng)力為1170MPa),因此可以取油缸的推力為大于38000N的一個適當(dāng)?shù)闹,這也就為油缸的設(shè)計(jì)提供了參考。
另外可以看出長方體模型側(cè)面的應(yīng)力值也達(dá)到了0.0137MPa,也就是說在扭轉(zhuǎn)的同時旋轉(zhuǎn)臂可能會退讓,因此必須在側(cè)面再加以固定,可以考慮借助鎖銷來固定旋轉(zhuǎn)臂。根據(jù)分析結(jié)果,再利用CATIA高級建模功能以及裝配功能可以初步設(shè)計(jì)出整個鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置的裝配結(jié)構(gòu)圖,見圖7。
圖7 鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置總裝配圖
工作原理:首先鋼軌被放到兩對夾具中;然后夾具夾緊鋼軌,鎖銷上移鎖住夾具,防止退讓;兩個扭轉(zhuǎn)油缸開始帶動扭轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動,一直轉(zhuǎn)動到需要的角度。夾緊及松開鋼軌動作由夾緊油缸控制,鎖銷的動作由鎖銷油缸控制,扭轉(zhuǎn)臂的扭轉(zhuǎn)由兩個扭轉(zhuǎn)油缸控制。
3 總結(jié)
利用CATIA V5的有限元分析功能先對鋼軌扭轉(zhuǎn)加工裝置簡化模型進(jìn)行受力分析,為油缸的工作載荷提供參考數(shù)據(jù),也為扭轉(zhuǎn)臂和鎖銷的材料性能提供參考,從而為整個裝置的設(shè)計(jì)提供了合理的依據(jù)。在此基礎(chǔ)之上,利用CATIA的高級建模功能和裝配功能將裝置的零部件設(shè)計(jì)并裝配起來,將整個裝置更加直觀地描述出來,也為設(shè)計(jì)的合理性、裝置的合理性提供了一定的參考。
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本文標(biāo)題:基于CATIA的鋼軌道岔扭轉(zhuǎn)加工裝置的設(shè)計(jì)
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