基于ANSYS的火車快裝系統(tǒng)液壓缸支撐架力學性能仿真

摘要：針對傳統(tǒng)軌道裝車速度慢，貨物堆積阻塞，車皮流通量降低，難以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求，提出了用優(yōu)化設計技術建立相應的數(shù)學模型，對原有的火車快速裝車系統(tǒng)液壓缸支撐架鋼結構進行力學性能計算仿真，利用ANSYS有限元仿真分析，比較能準確的分析模型，易掌握特性，便于優(yōu)化設計方案。從而達到合理地分布載荷，確保液壓缸支撐架結構穩(wěn)定，準確分析其特性，為改進快速裝車系統(tǒng)提供了依據(jù)。

快速裝車系統(tǒng)是一種將散裝物料按規(guī)定的質量連續(xù)的稱量并裝入列車車廂的系統(tǒng)。其定量裝車系統(tǒng)主要有緩沖倉、定量倉以及4個配料閘門和1個卸料閘門組成，而閘門的控制完全由快速裝車站內的液壓系統(tǒng)所控制驅動，因此快速裝車站液壓系統(tǒng)就成為快速裝車站中最為關鍵的核心設備，被譽為快速裝車站的四肢和肌肉。由于液壓缸支撐架在開關閘門時受到了很大的沖擊載荷，如何能保證液壓缸的穩(wěn)定工作，對于快速裝車系統(tǒng)優(yōu)劣有著決定性的作用。所以對液壓缸支撐架的力學分析，對于改良快速裝車系統(tǒng)有著至關重要的意義。

1 火車快裝系統(tǒng)液壓缸支撐架模型建立

火車快裝系統(tǒng)液壓缸支撐架是由型鋼組成的鋼結構，上下為H型鋼，左右為C型鋼，余下為鋼板。長度為3 m，寬為0.32 m。

1.1 所選用材料的參數(shù)

材料選用Q235-A鋼，其材料參數(shù)為：

1)楊氏模量E=200 000 MPa;2)泊松比μ=0·3;3)密度ρ=7·8 x 10-6 kg/mm3。

1.2 模型網(wǎng)格劃分

由于模型多個體組成一個整體模型，采用自由網(wǎng)格對其進行劃分。自由網(wǎng)格是自動化程序最高的劃分技術之一，它可以在面上(平面、曲面)自動生成三角形或四邊形網(wǎng)格，在體上自動生成四面體網(wǎng)格。通常情況下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技術(SMARTSIZE命令)來自動控制網(wǎng)格的大小和疏密分布，也可以人工進行設置網(wǎng)格的大小并控制疏密分布，以及選擇分網(wǎng)算法(MOPT命令)。對于較復雜的模型而言，這種劃分法省時省力，確定是單元數(shù)量通常會很大，計算效率降低。同時，這種方法對于較復雜的三維模型只能生成四面體單元，為了獲得較好的精度，建議采用二次四面體單元(solid92)，本文采用solid92單元對模型進行網(wǎng)格劃分。

1.3 載荷的確定

本文是以閘門最大承受壓力150 t為例，物料與閘門板之間的摩察系數(shù)為0.3，所以每塊閘門板所承受液壓缸給的最大驅動力由公式：

F=μN. (1)

所以得出F=4.5×106N，即每塊閘門板受到驅動力為2.25×106N。

隨著閘門板越開越大，隨著物料的下落，其所受到的壓力就會越來越小。液壓缸驅動力是一個變化的過程，對于快速定量裝車站要求，一般要求在455 s內完成一節(jié)車廂的裝車，并且每兩節(jié)車廂之間有105 s的換車時間間隔，一節(jié)車廂的實際裝車時間只有30 s。系統(tǒng)要求單節(jié)車廂裝載精度誤差小于0.3%，為保證高速卸料的精確控制，液壓閘門的啟閉速度就非常關鍵，而系統(tǒng)流量決定了油缸運行速度，而所有執(zhí)行機構中配料閘門的關閉速度及其流量分析則是保證裝車精度的關鍵。通過一個循環(huán)的配料時間分配(快速

配料3 s，中速配料2 s，精細配料4 s)，取2 s是系統(tǒng)流量最大，即驅動力最大。根據(jù)F隨時間變化設方程為：

閘門板上隨著閘門的打開的過程中，面積的減小與物料的減少，壓力不斷的減小。此過程可看成一個線性過程，在閘門打開的瞬間，每塊板的最大壓力為F=7.5×106N，均勻分布在每板20個支撐點上F=3.75×105，設方程為：

F=ax+b. (5)

根據(jù)在t(0)時，F(xiàn)為最大值;t(10)時，F(xiàn)=0解得：F=37 500-3750xx，x>0。

2 實驗結果

根據(jù)以上所定義的彈性模量、泊松比以及對自由度的約束和載荷的添加，在ANSYS分析結果，分析GUI命令為：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，當彈出Solution is done的提示框后，表示模型分析完畢，就可以通過后處理器查看模型分析結果了。如下面的圖所示，模型的各個位移變化、應力變化、應變變化等等。所采用的單位制為：m—s—kg—N—kPa，后文各圖如無注明單位，均遵循此單位制。

如下圖1到4，為液壓缸支撐架在有限元力學性能分析前后的模型位移對比，由圖可知其主要變形的位置在于與液壓缸支撐點連接的固定板以及液壓缸的支撐點。

由圖1至圖4得出沿X，Z軸位移最大的點在液壓缸支撐點附近分別為節(jié)點10 176，位移為0.927 67×10-3mm和節(jié)點31 400，位移為0.842 87×10-3mm;沿Y軸最大的位移點在固定板與上下H型鋼的連接處為節(jié)點352 726，位移為0.129 61×10-3mm。

由圖5可以看出，各個整個模型應力分布的情況，沿X軸應力分布主要集中在于10.6 MPa至15.248MPa這個范圍內;沿Y軸應力大部分主要集中在5.621 8 MPa范圍內，但是在液壓缸支撐點，還有支撐板與其的連接處、支撐板與H型鋼連接處應力分布高達16.869 4 MPa;沿Z軸應力主要集中在9.01 MPa至10.4 MPa范圍內。

單個液壓缸的最大載荷為2.25×106 N，選擇的液壓缸參數(shù)為下表所示：

根據(jù)最大載荷計算出油缸的最大工作壓力：

從上面分析模型的應力，有些位置最大應力超過了液壓缸最大工作壓力，會導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，影響系統(tǒng)工作的工作狀態(tài)，為此，需要對此模型進行優(yōu)化，合理地分布載荷，確保液壓缸支撐架結構穩(wěn)定、可靠的工作。