ks02-a-20型齒條式起道器機(jī)體的有限元分析

ks02-a-20型齒條式起道器機(jī)體的有限元分析

1機(jī)體抗彎性能分析齒裂檢測(cè)器是一種小型的鐵路維護(hù)設(shè)備。主要用于鐵路線路的維護(hù)。通過手動(dòng)操作，起訴器將輥從地面上抬起，并離開一定距離內(nèi)的軌道和胡同，以便在找平軌和道峽、填充軌道和更換枕頭木的工作中開展。機(jī)體是齒條式起道器的一個(gè)重要承載零件,工作時(shí),作用在起道器上的負(fù)載將通過機(jī)體傳遞到路基上,其受載為10~20t,為保證起道器正常工作,機(jī)體必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)機(jī)體進(jìn)行剛強(qiáng)度分析十分重要。近年來隨著鐵路運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展,對(duì)線路施工和維修提出了更高的要求,作為基建、維修線路的主要工具之一的齒條式起道器,現(xiàn)場(chǎng)迫切要求提高其起道噸位,即提高其承載能力。昆山躍進(jìn)鑄鋼廠生產(chǎn)的KS02-A-15型齒條式起道器的起道噸位是15t,要求改為20t,但由于起道器在現(xiàn)場(chǎng)需人工搬運(yùn),人工操作,要求其重量及操作力不相應(yīng)增大,故在進(jìn)行機(jī)體的改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí),針對(duì)機(jī)體在使用中的薄弱環(huán)節(jié)是其立柱和底座易彎曲、斷裂,采用了改變其立柱與底座橫截面形狀的方法(如圖1所示),即增大其抗彎截面模量,從而提高其承載能力,而操作力不相應(yīng)增大。筆者用有限元分析軟件ANSYS,對(duì)改進(jìn)后的產(chǎn)品KS02-A-20型齒條式起道器機(jī)體進(jìn)行靜力有限元分析,通過應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D,分析其剛強(qiáng)度。2計(jì)算的元算2.1機(jī)體內(nèi)部調(diào)整安裝機(jī)體的三維幾何模型見圖2。其中齒條鉤部用于頂起鐵軌,頂部可用來頂起重物。工作時(shí),杠桿插入搖桿孔內(nèi)往復(fù)上下扳動(dòng),通過大小牙頂起齒條,從而頂起負(fù)載。齒條受載后傾斜,其頭部及底部分別頂在機(jī)體內(nèi)壁的上下兩處;負(fù)載的力通過齒條、大小牙、搖桿、銷軸傳遞到機(jī)體。2.2簡化計(jì)算模型和模型建立用AUTOCAD軟件建立機(jī)體的三維幾何模型。建立計(jì)算模型時(shí),既要作出必要的簡化,又得保證計(jì)算的精確性,使得計(jì)算模型最大限度地與實(shí)際工程問題相吻合。在AUTOCAD建模中,簡化掉與計(jì)算無關(guān)的尺寸,如鉤、小孔;保留與計(jì)算有關(guān)的倒角、圓角等。有些圓角用倒角代替,以避免劃分網(wǎng)格時(shí)產(chǎn)生小尺寸。通過SAT文件將模型輸入ANSYS進(jìn)行前處理。2.3網(wǎng)格劃分(1)維實(shí)體單元的選擇機(jī)體材料是ZG310-570,其楊氏模量EX=2e5N/mm2泊松比NUXY=0.25根據(jù)機(jī)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選擇三維實(shí)體單元SOLID45。(2)格柵執(zhí)行采用智能控制自由網(wǎng)格劃分,并細(xì)化銷孔處的網(wǎng)格。整體模型網(wǎng)格劃分結(jié)果為單元數(shù)80073個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)18741個(gè)。2.4加載和求解按機(jī)體使用的情況,對(duì)機(jī)體的載荷及邊界條件進(jìn)行簡化。(1)位移約束的施加機(jī)體在實(shí)際工作時(shí)是安放在地上的,進(jìn)行計(jì)算時(shí)將整個(gè)底部施加位移約束:UY=0;機(jī)體與齒條接觸的兩內(nèi)表面,既有壓力,又有摩擦力,可簡化為線約束載荷:UX=0,UY=0;(2)不同面的圓心角通過運(yùn)動(dòng)與受力分析可知,大小牙頂起齒條的頂升力在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中大小與方向都是交替變化的,所以在兩銷孔的圓柱面上施加徑向壓力載荷時(shí),取最大值,方向如圖3所示。由彈性力學(xué)可知:載荷是按余弦規(guī)律作用在偏右的下半個(gè)圓柱面上的。為方便施加載荷,現(xiàn)將受載的偏右的下半個(gè)圓周面分成18份,每份圓弧所對(duì)的圓心角為10°。受載面劃分如圖3所示。然后按照下面公式(2)計(jì)算各面上的分布載荷的大小,載荷分布是對(duì)稱的,依次是中間大,向兩邊逐漸減小,即80°~90°與-80°~-90°面上的載荷大小相同且最小;0°~10°與0°~-10°面上的載荷大小相同且最大。具體數(shù)值參見表1。平衡方程為:P=∫π2?π2P(θ)rlcosθdθ=2∫π20P(θ)rlcosθdθ(1)Ρ=∫-π2π2Ρ(θ)rlcosθdθ=2∫0π2Ρ(θ)rlcosθdθ(1)P(θ)=Pmaxcosθ(2)將式(2)代入式(1)得:P=2Pmax∫π20lrcos2θdθ(3)Ρ=2Ρmax∫0π2lrcos2θdθ(3)式中:P為總壓力(N);Pmax為θ=0°時(shí)的壓力(MPa);P(θ)為在不同角度上的分布載荷(MPa);r為圓柱體半徑(mm);l為圓柱體母線長(mm)。[注:鉤部受載10t時(shí),Fmax=134kN;超載20%時(shí):Fmax=161.2kN;](3)執(zhí)行塊solvecurrentls，用于對(duì)靜態(tài)結(jié)構(gòu)的金元分析3等效力云圖分析通過計(jì)算得到機(jī)體的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。圖4為鉤部受載98kN(10t)和超載20%時(shí)的機(jī)體等效應(yīng)力云圖;圖5為其相應(yīng)的應(yīng)變圖;表2列出了應(yīng)力、應(yīng)變、位移的最大值。4應(yīng)力應(yīng)變分析(1)分析應(yīng)力應(yīng)變的云圖,不難發(fā)現(xiàn)在孔、尖角、轉(zhuǎn)折處有應(yīng)力集中,這部分盡量以較大的光滑曲面過渡,降低應(yīng)力集中,提高產(chǎn)品壽命。銷孔的應(yīng)力、應(yīng)變較大,這部分是危險(xiǎn)區(qū),容易破壞,應(yīng)增加加強(qiáng)筋。(2)應(yīng)力應(yīng)變分布圖表明,機(jī)體的整體應(yīng)力分布還是比較均勻,立柱部分、底座部分、銷孔的應(yīng)力均小于機(jī)體材料ZG31