基于SolidWorks的輪對正反壓機的虛擬樣機設計

陳寶根　韓兵　吳建洪

摘 要：在輪對正反壓機的研制階段，利用SolidWorks軟件建立虛擬樣機模型、使用SolidWorks Simulation插件對樣機的關鍵部位進行有限元分析計算。

關鍵詞：輪對正反壓機；虛擬樣機；有限元分析；SolidWorks

機車輪對作為機車走行部中最重要的部件之一，輪對由車軸、車輪和從動齒輪等組成。機車全部重量通過軸頸、輪對作用于鋼軌上，當車輪行經鋼軌接頭、道岔等線路不平順處時，輪對直接承受來自鋼軌的全部垂向和側向沖擊。為保證行車安全，車軸通常采用熱裝、注油壓裝或冷壓組裝工藝壓裝在車輪內，通過過盈配合防止車輪在承受側向沖擊時出現軸向竄動。

在實際生產中，一般使用輪對壓力機模擬輪對承受最大側向沖擊時的輪對軸向竄動情況，確保每只輪對都能夠合格流轉。由于各車型輪對的車輪和從動齒輪等的結構各不相同，輪對試驗的承壓方式也分為正壓和反壓，因此研制一種同時兼容幾種車型輪對正壓、反壓試驗的專用正反壓機就顯得十分必要。

為此，通過使用SolidWorks 2010軟件對輪對正反壓機進行了三維創新設計，利用SolidWorks Simulation對所設計的輪對正反壓機樣機的關鍵部位進行了靜態有限元分析，最終完成了基于SolidWorks的輪對正反壓機的虛擬樣機設計。

1 輪對正反壓機的樣機設計

1.1 輪對三維參數化模型的創建

根據圖紙分析獲知各車型輪對車軸、車輪和從動齒輪的結構、外形尺寸各不相同，在SolidWorks中利用旋轉、拉伸、切除等特征創建了DF4系列、DF7系列、DF8系列和HXn5B輪對等各車型輪對的三維參數化模型（見圖1）。

1.2 樣機的總體設計

正反壓機樣機要同時滿足DF4系列、DF8系列、DF7系列、HXn5B機車輪對的反壓試驗或正壓試驗，并且要求樣機兩端都可以對滾抱或滑抱結構輪對的車輪、輪心及從動齒輪進行正、反壓試驗。

在虛擬樣機的總體設計時，以輪對通用反壓機的結構為基礎：通過固定車輪，使用液壓油缸對車軸施壓相當的沖擊力，模擬機車運行中輪對承受側向沖擊的工況。同時構建左右對稱分布的結構，保證樣機兩端都可以做正、反壓試驗。

在此基礎上，使用兩只支承小車在放置輪對的同時，能夠隨油缸活塞桿在一定的直線范圍內移動，以實現油缸壓力向車輪的傳遞。

1.3 樣機機體的設計

綜合分析各車型輪對的輪轂結構、從動齒輪的直徑尺寸、以及各車輪的正壓或反壓試驗的需要，創建了樣機機體的三維參數化模型。樣機機體作為低合金高強度結構鋼Q460E的整體焊接件，直接利用機體的前后擋板作為車輪正、反壓的支承面，簡化了樣機的設計結構，提高樣機的可靠性和易維護性。合理配置機體前后擋板的開檔尺寸和外形輪廓尺寸，使之既能滿足在各車型輪對正壓或反壓時作為車輪支承面的需要。

1.4 樣機其他部件的設計

在其他部件設計的過程中，采用模塊化思想，把每個零部件做成單獨的模塊。根據總體設計思想及樣機試驗的復雜工況，設計創建了支承小車、過渡支承、油缸、導軌和導向軸等的三維模型、同時通過SolidWorks Toolbox標準件庫調用了包括蝶形螺母、直線軸承等在內的一系列標準件。

1.5 樣機的虛擬裝配

Solidworks采用虛擬裝配模式，提供了自下而上、自上而下或2種方法結合的裝配方法。本文采用自上而下的設計方式，即將已經設計好的零部件的三維參數化模型，按照相互的位置裝配關系進行組裝。這種自上而下的裝配方法更符合一般工程設計的裝配習慣，應用較多。

利用重合、平行、同軸心、線性/圓周陣列、鏡像等配合關系將各零部件依次裝配起來，最終得到輪對正反壓機的整機裝配（見圖2）。

完成組裝后，使用SolidWorks干涉檢查命令來檢查發現，大多數螺紋部位干涉，這是因為在建模時的螺紋孔和螺釘零件的螺距不準確，所以組裝以后不會對位，這時需單擊忽略按鈕來排除。其余部件間不存在干涉現象，樣機的靜態干涉檢查完成。

2 樣機的有限元分析

在產品研發階段，對重點部件和結構使用有限元分析，能夠有效地優化其設計結構，避免研制出不合格的產品。因此，在綜合分析正反壓機運用過程中的受力情況，并以承壓最大的DF4系列反壓試驗為標準，使用SolidWorks Simulation對輪對外側支承擋板進行強度校核。

2.1 建立數學模型

在樣機機體三維模型中取出輪對外側擋板的三維參數化模型，建立擋板的數學模型。在SolidWorks Simulation中配置擋板材料為低合金高強度結構鋼Q460E，定義擋板約束方式為與樣機機體焊接倒角處固定，模擬靜態壓力取正壓或反壓試驗最高壓力值180t，取1800kN。作用面為輪轂與擋板的結合面，設定壓力均勻分布。其中鋼板Q460E的材料屬性見表1。

2.2 建立有限元模型

通過離散化過程，將擋板的數學模型剖分成有限單元，形成擋板的有限元模型。這一過程在視覺上是將幾何模型劃分成網絡，故又稱網格劃分。載荷和支撐在有限元模型建立后，也需要離散化。離散化的載荷和支撐將施加在有限單元網格的節點上。

在輪對外側擋板的網格劃分中采用4 Points雅克比檢查，關閉自動過渡選項，打開光滑表面選項，設定標準單元大小25mm，公差1.25mm。最終劃分輪對外側擋板為37934個單元、58539個節點（見圖3）。

2.3 求解輪對外側擋板的有限元模型

在擋板靜態分析時選用了FFEPlus（Fast Finite Element Plus）來解決有限元分析時出現的線性方程組。該方法采用了迭代算法，并利用了數學中的稀疏矩陣及先進的數據管理技術，計算時方程組收斂的速度較快，同時所得到的結果精度也較高。

根據擋板的有限元模型，基于線性靜態分析，且材料設定為各向同性，利用FFEPlus迭代算法，獲得了擋板的vonMises圖（見圖4）。

2.4 輪對外側擋板的結果分析

根據SolidWorks simulation的分析結果，獲知擋板的最大應力為拉伸應力，σbmax=443.8MPa位于輪對輪心壓裝面的邊線上。鋼板Q460E在厚度大于60到100mm之間時的屈服強度[σ0.2]=400MPa，其抗拉強度[σb]=550-720MPa。擋板的許用安全系數[s]=1.2。

雖然擋板的最大應力超出了材料的屈服極限，卻小于抗拉強度極限，并不會發生失效斷裂。取材料的抗拉強度[σb]=635MPa，擋板的安全系數：

s=[σb]/σbmax=635MPa/443.8MPa =1.43>[s]

擋板的安全系數高于許用安全系數，擋板的選材和結構設計能夠滿足試驗的需要。同時，鑒于擋板最大拉應力超出材料的屈服極限，基于擋板材料Q460E的彈性模量E=2.1GPa，模擬出擋板的應變圖（見圖5）。

由圖可知，輪對外側擋板的在受壓時，最大的彈性形變位移為1.9mm，位于輪轂與擋板結合面的邊緣，符合試驗設想。而根據擋板的應變圖，擋板的最大應變量為0.150%，分析得到擋板在失去來自液壓油缸施加的垂向壓力后，能夠自動復位。因此，樣機機體結構的強度和剛度符合設計要求。

3 虛擬樣機研制的總結

在利用SolidWorks軟件進行輪對正反壓機的創新設計過程中，使用先進的設計方法進行新產品設計具有很多優勢：①利用SolidWorks軟件繪制零件實體以及進行零部件裝配非常方便快捷，能形象直觀地表達預想的設計結果；②利用SolidWorks Simulation軟件有限元分析優化軟件可以隨時對設計對象進行分析測試，優化設計對象的結構。

總之，利用目前的三維設計軟件、有限元分析技術和運動仿真技術，可以幫助設計人員更快捷、更準確地進行新產品研發，能夠十分有效地提高機械產品的設計水平。

參考文獻

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