基于ABAQUS的韶山6B型電力機車從動齒止動片有限元分析

朱博文，路永婕，王建西

（1.太原軌道交通裝備有限公司，太原030009；2.石家莊鐵道大學 機械工程學院，石家莊050043；3.河北省交通安全與控制重點實驗室，石家莊050043；4.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，石家莊050043）

0 引 言

在各種機械設(shè)備中，由于設(shè)備運轉(zhuǎn)過程不同，對設(shè)備上螺紋副防松方式也有所不同，常用措施有防松墊片、彈簧墊圈、開口銷、雙螺母緊固等［1］。韶山6B 電力機車從動齒輪螺釘采用防松墊片（以下簡稱止動片）防松。

圖1 韶山6B 電力機車從動齒輪M24×70 止動片斷裂位置

2013 年10 月，湖北襄陽北機務(wù)段韶山6B 電力機車從動齒輪止動片發(fā)生斷裂，部位為靠近車輪側(cè)M24 螺釘處，經(jīng)我廠售后維修人員檢查發(fā)現(xiàn)止動片斷裂共有10 處，機務(wù)段工作人員出示了其它大修廠維修韶山6B 電力機車從動齒輪止動片的樣件，其材質(zhì)較我廠稍韌，但材料硬度差，厚度約為1 mm，我廠韶山6B 止動片經(jīng)過淬火硬化處理。此次斷裂位置集中在M24 螺釘孔附近，如圖1 所示。

本文采用有限元方法，模擬從動齒輪、螺釘、止動片三者之間相互作用，根據(jù)止動片材質(zhì)熱處理曲線改變其彈性模量和泊松比，仿真計算止動片在螺釘緊固過程中受力特點，借以找到其最佳熱處理溫度。

1 有限元模型建立

根據(jù)韶山6B電力機車相關(guān)結(jié)構(gòu)，從動齒輪材質(zhì)為15CrNi6、止動片材質(zhì)為Q235-A（熱處理）、M24×70 螺釘材質(zhì)為Q235-B，模型材質(zhì)力學性能如表1 所示。

由于本文側(cè)重分析止動片受力特點，為簡化建模過程，在SolidWorks 軟件中將從動齒輪模型繪制成一個很大的質(zhì)量塊，止動片按實際結(jié)構(gòu)建模，M24 螺釘模型刪去螺紋，為模擬螺栓緊固過程，需要在螺釘上施加預(yù)緊力和扭矩。將模型導(dǎo)入ABAQUS 有限元軟件，為得到較高計算精度同時合理減少計算時間［2］，模型采用ABAQUS 中C3D8R 單元，止動片提高劃分網(wǎng)格精度。Abaqus 有限元模型如圖2 所示。

表1 模型材質(zhì)力學性能

圖2 從動齒輪-止動片－螺釘耦合有限元模型

止動片通過螺栓施加緊固力，止動片與螺釘、從動齒輪之間均設(shè)摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.15。分析共分4 個荷載步完成，STEP1 為兩個螺釘施加一個較小預(yù)緊力10 kN，使螺釘緊貼在止動片上；STEP2 為螺釘1 施加預(yù)緊力和扭矩；STEP3 施加對象為螺釘2，預(yù)緊力、力矩不變；STEP4 撤銷預(yù)緊力和力矩。根據(jù)參考文獻［3］，M24 螺釘緊固力矩為450N·m，即STEP2、3 中施加預(yù)緊力為125 kN。螺釘與從動齒輪螺釘孔之間存在滾動副，從動齒輪X、Y、Z 三個方向自由度被完全限制。

2 強度校核

材料在外力作用下會產(chǎn)生兩種破壞：一是不發(fā)生顯著塑性形變時發(fā)生突然斷裂，即脆性斷裂；二是發(fā)生顯著塑性變形而不能繼續(xù)承載破壞，即塑性破壞。依據(jù)四種強度理論，本文針對螺釘加載緊固力后止動片受力進行計算，并對止動片強度進行校核。

2.1 第一強度理論

圖3 止動片有限元模型應(yīng)力云圖

圖4 止動片有限元模型最大應(yīng)力云圖

第一強度理論，即拉應(yīng)力準則。只要最大拉應(yīng)力達到單向拉伸時抗拉強度，材料會發(fā)生脆性斷裂。該理論下屈服判據(jù)為σ＝σb，強度準則為σ≤［σb］。根據(jù)參考文獻［4］，止動片抗拉強度［σb］=375～500 MPa。如圖3 為止動片變形放大200 倍后應(yīng)力云圖。

通 過 分 析ABAQUS 中計算結(jié)果，得到止動片接觸區(qū)節(jié)點應(yīng)力最大值σmax=261.300 MPa≤［σb］，符合第一強度理論。經(jīng)計算，該值出現(xiàn)在荷載步STEP2、3 中，距離螺釘孔越遠，單元所受應(yīng)力越小，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在止動片螺釘孔與從動齒輪接觸位置，如圖4 所示，應(yīng)變放大200倍。

2.2 第二強度理論

第二強度理論，即最大伸長線應(yīng)變準則。即認為最大伸長線應(yīng)變達到單向拉伸時極限應(yīng)變，材料會發(fā)生脆性斷裂。該理論下屈服判據(jù)為εE=σb=σ1-υ（σ2+σ3），強度準則為σ1-υ（σ2+σ3）≤［σb］。根據(jù)第一強度理論，［σb］=375～500 MPa。

經(jīng)計算，得到接觸區(qū)域節(jié)點（σ1-υ（σ2+σ3））max=211.704 MPa≤［σb］，符合第二強度理論。

2.3 第三強度理論

第三強度理論，即最大切應(yīng)力準則。最大切應(yīng)力達到單向拉伸屈服時的切應(yīng)力，材料就會發(fā)生塑性屈服。該理論下屈服判據(jù)為2τmax=σs=σ1-σ3，強度準則為σ1-σ3≤［σs］。根據(jù)參考文獻［4］，屈服點［σs］=235 MPa。

經(jīng)分析，止動片最大切應(yīng)力出現(xiàn)在STEP2、3 荷載步過程中，（σ1-σ3）max=248.390 MPa＞［σs］，材料發(fā)生塑性屈服，當緊固力撤消后，止動片無法恢復(fù)原狀。經(jīng)分析，當執(zhí)行到荷載步STEP4 后，止動片仍有殘余壓應(yīng)力0.003 33 MPa。

2.4 第四強度理論

圖5 止動片緊固變形

經(jīng)計算，螺釘所受最大主應(yīng)力法線方向與實際止動片斷裂方向基本一致。在施加荷載過程中，止動片中間部位會產(chǎn)生變形，變形量最大值為0.787 mm；在現(xiàn)場生產(chǎn)中，從動齒輪止動片在螺釘緊固后，中間部位會發(fā)生凸起變形，如圖5 所示。

3 計算及結(jié)果分析

表2 Q235-A 不同溫度下彈性模量和泊松比

在生產(chǎn)實際中，止動片一般會進行淬火處理以增加材料硬度，而材料彈性模量和泊松比會隨熱處理溫度變化而變化，根據(jù)參考文獻［5］中相關(guān)資料，分析不同熱處理溫度下，彈性模量和泊松比對止動片有限元模型分析結(jié)果有何影響。表2 中所示為不同溫度下Q235-A 力學性能。

在韶山6B 電力機車從動齒輪-止動片-螺釘有限元模型中，根據(jù)溫度變化改變止動片材料彈性模量、泊松比，其余參數(shù)和荷載步不變。仿真過程不再贅述。止動片有限元模型計算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同溫度下止動片有限元模型計算結(jié)果

從圖6 中可以看出，隨溫度增高，止動片最大變形量呈遞增趨勢，變形量不足0.9 mm；各強度理論下應(yīng)力最大值隨溫度增加而降低，除最大切應(yīng)力外，各應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，最大切應(yīng)力則均大于材料的屈服應(yīng)力，止動片發(fā)生塑性屈服。但在溫度為100 ℃時，止動片殘余壓應(yīng)力最小，止動片最大變形量適中。

4 結(jié) 論

根據(jù)止動片實際結(jié)構(gòu)，本文在SolidWorks 軟件中建立各部件模型，隨后導(dǎo)入Abaqus 對螺釘緊固過程中止動片受力進行有限元分析。得出主要結(jié)論如下：

1）可利用SolidWorks 軟件建立結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的部件模型，并在Abaqus 中對其進行有限元仿真分析，結(jié)果與實際工程中近似。

2）隨止動片熱處理溫度提升，螺釘緊固過程中止動片中間部位最大變形量增加。對不同溫度下止動片進行強度校核，除最大切應(yīng)力外，其余強度在許用范圍之內(nèi)，最大主應(yīng)力法線方向與實際裂紋基本一致，材料發(fā)生塑性屈服。在卸載螺釘緊固力后，止動片上有殘余壓應(yīng)力。

本文以韶山6B 電力機車從動齒輪、M24×70 螺釘、止動片為模型進行有限元仿真，獲得不同溫度熱處理后止動片力學性能。需進一步開展的工作有：螺釘存在螺紋旋合情況下，對止動片進行受力分析；齒輪受動載情況下螺釘與止動片受力關(guān)系；考慮止動片翻起時止動受力情況。

［1］ 張小亮，趙曉華.實用技術(shù)與工藝設(shè)備［J］.新技術(shù)新工藝，2003（8）：23.

［2］ 石亦平，周玉蓉.ABAQUS 有限元分析實例詳解［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］ 太原軌道交通裝備有限責任公司.SS4B、SS6B從動齒輪檢修工藝規(guī)［M］.2010.

［4］ 任志俊，薛國祥.實用金屬材料手冊［M］.南京：江蘇科學技術(shù)出版社，2007.

［5］ 董大勤，袁鳳隱.壓力容器與化工設(shè)備實用手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2000.