孔德帥, 金 哲, 李 博, 王群偉, 侯 超
(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所, 北京 100081;2 北京縱橫機電科技有限公司, 北京 100094;3 中國鐵路濟南局集團有限公司 濟南西車輛段, 濟南 250117)
EP09制動控制單元是一個機電一體化的電子機械裝置,每個BCU由氣動單元和電子控制裝置兩部分組成。在結構設計上,它將安裝在集成氣路板上的氣動單元和實施電子控制的板卡機箱分割成兩個獨立單元,但又組合在同一箱殼內,這就為故障檢測和維修保養(yǎng)提供了方便。隨著車輛輕量化進程的不斷推進,對車下設備也提出緊湊化、輕量化、智能化的要求。EP09A智能制動閥在EP09制動控制裝置的基礎上,將氣動單元的閥體及管路集成在一塊閥體內,通過兩根M12×288長螺柱固定在與車體連接支架背板上,電子控制裝置集成在一個箱體內并固定在閥體上,向閥體發(fā)送電子指令從而對氣動壓力進行控制。
連接長螺柱的預緊力可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度,增強連接的緊密型和可靠性。文中使用有限元的方法研究長螺柱的預緊對智能制動閥力學性能的影響規(guī)律。
智能制動閥的結構如圖1所示,主要由連接支架、連接背板、集成閥體、雙頭長螺柱和電子機箱及附件等組成,其中背板、閥體及電子機箱采用輕量化的鋁合金材料,連接支架為碳鋼,雙頭螺柱為高強鋼。在計算中所使用的材料參數(shù)如表1所示。
由于車下設備在工作時所受的載荷均為慣性力,智能制動閥的連接支架和雙頭螺柱為主要承力部件,因此在模型簡化時將電子機箱及附件等效成質心位置的質點通過MPC連接到閥體上,不考慮閥體的變形將閥體等效成剛體,忽略連接背板上的附件及倒角等微小特征。高強度雙頭螺柱連接副包括雙頭螺柱、螺母和墊圈,在模型簡化時忽略墊圈的影響,把螺母和雙頭螺柱組合成一體分析,雙頭螺柱與連接背板、閥體之間發(fā)生接觸,接觸屬性定義為具有法向作用關系又有切向作用關系。螺柱的預緊力采用Bolt load模擬。
圖1 智能制動閥結構示意圖
表1 主要材料的性能參數(shù)
在模型的前處理過程中對雙頭螺柱采用六面體C3D8R單元為主的掃略方法進行網格劃分,其他零件采用C3D10的四面體單元進行自由劃分,本模型共劃分成180 116個單元,284 434個節(jié)點,最終的有限元模型如圖2所示。
圖2 有限元模型
按照EN 12663-2000《鐵道應用-軌道車身的結構要求》對結構施加如表2所示的加速度載荷,其中g代表重力加速度。其中坐標系按以下方式規(guī)定:X方向為列車運行方向,Z方向為垂直軌道面向上,Y方向以右手法則確定。智能制動閥在車底的安裝方向如圖3所示。
表2 加速度載荷
圖3 智能控制閥的安裝方向
由于雙頭螺柱與閥體的安裝孔之間存在一定的裝配間隙,因此在沖擊載荷的作用下螺帽與被連接件接觸面的摩擦系數(shù)會影響預緊力的作用效果,從而對螺柱的受力產生一定的影響。假設雙頭螺柱上施加5 000 N預緊力,以螺柱的軸心為圓心以Z向正向為起點沿順時針方向計角度,在沖擊載荷的作用下螺帽與連接背板之間的摩擦系數(shù)μ對接觸面的法向接觸應力的影響規(guī)律如圖4所示,最大接觸應力發(fā)生在螺帽的最外沿。在縱向3g加速度的沖擊載荷下摩擦系數(shù)對法向接觸應力分布影響較小,在270°附近由于靠近連接板的邊緣其接觸應力最小。在橫向1g加速度的沖擊載荷作用下,μ=0.05、μ=0.125和μ=0.2的法向接觸應力分布具有相似的單調性,但μ=0.05的法向接觸應力分布震蕩嚴重,容易形成局部的應力集中。在垂向1.5g加速度的沖擊載荷作用下,當μ=0.05時,由于整個結構的重心偏向X正向使得螺帽垂向上端與連接板發(fā)生嚴重擠壓其法向接觸應力達到最大值。當μ=0.125和μ=0.2時,在不同方向沖擊載荷作用下,接觸應力分布一致,這表明預緊力能夠有效的作用從而抵御各種載荷。整體而言接觸面摩擦系數(shù)越大法向接觸應力分布越均勻,更容易形成可靠的預緊。
圖4 螺帽與連接背板間的摩擦系數(shù)對法向接觸應力的影響規(guī)律
在沖擊載荷的作用下螺帽與閥體之間的摩擦系數(shù)μ對接觸面的法向接觸應力的影響規(guī)律如圖5所示,當μ=0.125和μ=0.2時由于閥體定義為剛體具有無窮大的剛度,因此接觸應力的最大值在接觸面的中圈形成一條等值線其值約為167 MPa,這種中圈均布的接觸應力能夠承受各向的沖擊載荷更容易形成可靠的預緊。而μ=0.05時在垂向和橫向載荷的作用下,法向接觸應力出現(xiàn)不同程度的波動。
圖5 螺帽與閥體間的摩擦系數(shù)對法向接觸應力的影響規(guī)律
接觸面的摩擦系數(shù)對智能制動閥連接雙頭螺柱的最大等效應力的影響規(guī)律如圖6所示。在縱向沖擊載荷作用下接觸面的摩擦系數(shù)對智能制動閥連接雙頭螺柱的最大等效應力幾乎沒有影響。在垂向載荷作用下,螺柱的最大等效應力對接觸面的摩擦系數(shù)的影響較為明顯,縱向載荷次之。其影響規(guī)律為摩擦系數(shù)越大,螺柱的最大等效應力值越小,當摩擦系數(shù)大于0.15時最大等效應力值不再發(fā)生變化,螺栓連接副形成可靠的連接。
圖6 接觸面的摩擦系數(shù)對螺柱最大應力的影響規(guī)律
預緊力可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度,增強連接的緊密性和剛性,較高的預緊力對連接的可靠性和被連接件的壽命都是有益的。由于智能制動閥的固定點在連接支架的頂端,為典型的懸臂梁結構,結構的剛度是設計過程中需重點考慮的因素。雙頭螺柱預緊力對智能制動閥結構的剛度的影響規(guī)律如圖7所示,在縱向載荷作用下,預緊力對智能制動閥的剛度幾乎無影響,而在橫向載荷作用下智能制動閥的剛度對螺柱的預緊力的變化較為敏感,垂向載荷下次之,預緊力越大智能制動閥的剛度越好,當預緊力達到一定水平時,其作用對結構的剛度不再產生影響。
圖7 螺柱預緊力對智能制動閥剛度的影響
振動模態(tài)是機械結構的固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法能夠了解結構在某一易受影響的頻率范圍內的各階主要模態(tài)的特性,就可以預言結構在此頻率段內在外部或內部各種振源作用下的實際振動響應。因此,模態(tài)分析的最終目標是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),為結構系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預報,以及結構動力特性的優(yōu)化設計提供依據。單自由度無阻尼自由振動系統(tǒng)的固有頻率表達式為:
(1)
式(1)中K為結構的剛度,M為結構的質量。
由式(1)可知,結構的固有頻率即振型由結構的質量和剛度決定。
利用ABAQUS求得不同預緊力下智能制動閥的前四階固有頻率如圖8所示。隨著預緊力的增加智能制動閥的固有頻率均有不同程度的增加,當預緊力大于一定程度(5 kN)時,各階固有頻率不再發(fā)生變化。當預緊力分別為1 kN、3 kN、5 kN和6 kN時,一至四階固有頻率的波動分別為0.53 Hz、0.32 Hz、5.9 Hz和0.4 Hz,因此,長螺柱的預緊力對智能制動閥的固有頻率的影響較為有限。
圖8 預緊力對固有頻率的影響
(1)螺帽與連接體之間接觸面的摩擦系數(shù)越大,法向接觸應力分布越均勻,越能夠形成可靠的預緊。螺栓連接被連接體的剛度越大,其接觸面的法向接觸應力分布越均勻,越能夠形成可靠的預緊。
(2)在縱向沖擊載荷下,螺帽與連接體之間的摩擦系數(shù)對雙頭螺柱的最大等效應力幾乎無影響;在垂向載荷作用下,雙頭螺柱的最大等效應力對接觸面的摩擦系數(shù)的影響較為明顯,縱向載荷次之。其影響規(guī)律為摩擦系數(shù)越大,雙頭螺柱的最大等效應力值越小,當摩擦系數(shù)大于0.15時最大等效應力值不再發(fā)生變化。
(3)在縱向載荷作用下,預緊力對智能制動閥的剛度幾乎無影響,而在橫向載荷作用下智能制動閥的剛度對螺柱的預緊力的變化較為敏感,垂向載荷下次之,預緊力越大智能制動閥的剛度越好,當預緊力達到一定水平時,其作用對結構的剛度不再產生影響。
(4)隨著預緊力的增加智能制動閥的各階固有頻率均有不同程度的增加,當預緊力大于一定程度(5 000 N)時,結構的各階固有頻率不再發(fā)生變化。但總體而言,長螺柱的預緊力對智能制動閥的固有頻率的影響較為有限。