基于ANSYS的火車快裝系統(tǒng)液壓缸支撐架力學(xué)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(shè)計(jì)技術(shù)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對原有的火車快速裝車系統(tǒng)液壓缸支撐架鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算仿真，利用ANSYS有限元仿真分析，比較能準(zhǔn)確的分析模型，易掌握特性，便于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。從而達(dá)到合理地分布載荷，確保液壓缸支撐架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，準(zhǔn)確分析其特性，為改進(jìn)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(zhì)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(gè)配料閘門和1個(gè)卸料閘門組成，而閘門的控制完全由快速裝車站內(nèi)的液壓系統(tǒng)所控制驅(qū)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(guān)鍵的核心設(shè)備，被譽(yù)為快速裝車站的四肢和肌肉。由于液壓缸支撐架在開關(guān)閘門時(shí)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(xué)分析，對于改良快速裝車系統(tǒng)有著至關(guān)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(jié)構(gòu)，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(gè)體組成一個(gè)整體模型，采用自由網(wǎng)格對其進(jìn)行劃分。自由網(wǎng)格是自動化程序最高的劃分技術(shù)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(shù)(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(jìn)行設(shè)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(fù)雜的模型而言，這種劃分法省時(shí)省力，確定是單元數(shù)量通常會很大，計(jì)算效率降低。同時(shí)，這種方法對于較復(fù)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(jìn)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(qū)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(qū)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(qū)動力是一個(gè)變化的過程，對于快速定量裝車站要求，一般要求在455 s內(nèi)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(shí)間間隔，一節(jié)車廂的實(shí)際裝車時(shí)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(guān)鍵，而系統(tǒng)流量決定了油缸運(yùn)行速度，而所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)中配料閘門的關(guān)閉速度及其流量分析則是保證裝車精度的關(guān)鍵。通過一個(gè)循環(huán)的配料時(shí)間分配(快速

配料3 s，中速配料2 s，精細(xì)配料4 s)，取2 s是系統(tǒng)流量最大，即驅(qū)動力最大。根據(jù)F隨時(shí)間變化設(shè)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(gè)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(gè)支撐點(diǎn)上F=3.75×105，設(shè)方程為：

F=ax+b. (5)

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果，分析GUI命令為：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，當(dāng)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(jié)果了。如下面的圖所示，模型的各個(gè)位移變化、應(yīng)力變化、應(yīng)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(xué)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(diǎn)連接的固定板以及液壓缸的支撐點(diǎn)。

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

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

單個(gè)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(jì)算出油缸的最大工作壓力：

從上面分析模型的應(yīng)力，有些位置最大應(yīng)力超過了液壓缸最大工作壓力，會導(dǎo)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(jìn)行優(yōu)化，合理地分布載荷，確保液壓缸支撐架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠的工作。