基于nCode的絕緣子清掃裝置清掃臂的疲勞分析

劉超穎, 陳鑫楠, 吳文江, 李斯, 張旭

（1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，石家莊 050043；2.河北中醫學院，石家莊 050200）

0 引言

接觸網腕臂絕緣子露天設置，長期在復雜多樣的環境中運行，環境中的粉塵、工業污染物等堆積在絕緣子表面，使絕緣子在雨、雪、霧、露等天氣下極易發生污閃。絕緣子污閃容易造成鐵路惡性停電事故，解決鐵路接觸網絕緣子的污閃問題對于保障鐵路運輸安全具有重要意義[1]。針對該問題，設計制做了接觸網絕緣子清掃裝置。作為清掃絕緣子的專用設備，設計的清掃裝置既要滿足相關環境的使用要求，又要符合設計要求。清掃刷頭安裝在清掃臂上，清掃臂與連接桿鉸接，形成一個可旋轉的結構，保證了清掃裝置能夠使用單個清掃刷頭清掃兩個腕臂絕緣子。清掃臂是清掃裝置的一個關鍵部件，在實際工況中，清掃臂的某些部位會受到轉矩作用從而出現疲勞破壞，保證清掃臂的使用壽命對于確保清掃裝置的正常使用具有重要意義。鑒于此，本文針對接觸網絕緣子清掃裝置的清掃臂進行了基于nCode的疲勞分析。

1 疲勞分析的理論基礎

疲勞是結構的某部分所受擾動應力，且在足夠多的循環下產生微小的裂紋，在載荷的作用下裂紋會不斷擴展直至發生疲勞失效的過程[2]。在循環載荷作用下，構件產生疲勞破壞所需的應力或應變的循環次數稱為疲勞壽命[3]。

較為常用的疲勞分析方法有以應力-壽命（S-N）曲線為基礎的名義應力法和以應變-壽命（ε-N）曲線為基礎的局部應力應變法[4-5]。S-N曲線適用于高周疲勞即應力循環水平低、循環周次高的情況，是對長壽命疲勞性能的描述，而ε-N曲線則適用于低周疲勞。在實際工況中清掃臂屬于高周疲勞，應用S-N曲線對清掃臂進行疲勞分析。清掃臂的疲勞分析流程如圖1所示。

圖1 清掃臂疲勞分析流程

2 清掃臂疲勞分析

2.1 清掃臂有限元分析

1）有限元模型的建立。采用ANSYS軟件對清掃臂進行有限元分析，首先將SolidWorks中創建的三維模型導入到ANSYS，生成清掃臂模型。

2）定義清掃臂的材料及屬性。接觸網絕緣子清掃裝置清掃臂的材料選取為碳素鋼，密度為7.85×10-6kg/mm3，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，抗拉強度為980 MPa，屈服強度為785 MPa。

3）劃分網格。劃分網格是建立有限元模型的關鍵環節之一，在Workbench中選用四面體網格對清掃臂進行網格劃分，首先根據清掃臂的結構，對清掃臂模型進行切分，再對清掃臂進行網格劃分，模型中節點數為15 038，單元數為7290，生成網格如圖2所示。

圖2 清掃臂的網格劃分

4）對清掃臂進行有限元分析時，將清掃臂近似看成一個簡支梁，分析清掃臂的受力，根據平衡方程求解各力。平衡方程如下：

式中：F1為連接桿對清掃臂的支撐力；F2為電動推桿對清掃臂的支撐力；F3是為平衡F2在水平方向上的分力所產生的力；G1、G2分別為清掃臂兩端受到的重力。

在清掃臂的通孔處施加圓周約束，清掃臂的受力情況如圖3所示。

圖3 清掃臂受力情況

5）分析結果。經過有限元計算求解得出清掃臂的應變云圖、應力云圖如圖4 所示。由仿真結果可知清掃臂的最大變形量是0.000 31 mm；在最大工作載荷下的最大應力是0.535 59 MPa，小于碳素鋼的屈服極限，清掃臂的強度滿足設計要求。

圖4 清掃臂的應變云圖和應力云圖

根據有限元結果應變云圖可知，清掃臂后端變形相對較大，因為步進電動機安裝在清掃臂后端并且處于懸空狀態，靜載荷相對較大。但從數據來看，清掃臂實際變形量很小，且受到的最大應力僅為0.535 59 MPa，說明清掃臂還存在輕量化的空間。

2.2 載荷譜的編制

疲勞壽命預測的基礎和關鍵是對清掃臂疲勞載荷的統計分析，載荷譜對于清掃臂的疲勞壽命分析非常重要，載荷數據定義了清掃臂的使用環境，也決定了疲勞分析的結果[6]。為對清掃臂進行疲勞壽命估算，需得到清掃臂通孔圓柱面所受的載荷譜。本文借助ADAMS對清掃臂進行動力學分析。

根據清掃臂的工況添加載荷，定義清掃機構的運動副。清掃機構多體動力學仿真模型如圖5所示。

圖5 多體動力學模型

設置采樣時間為5 s，通過清掃機構的多體動力學仿真模型運算得到清掃臂的載荷時間歷程，清掃臂的載荷時間歷程曲線如圖6所示[1]。

圖6 載荷時間歷程曲線

由載荷時間歷程曲線可知，隨著清掃臂的旋轉，電動推桿在5 s內會對清掃臂產生60～90 N的推力，并且清掃臂旋轉的角度越大，電動推桿對清掃臂產生的推力越大。

2.3 清掃臂S-N曲線的確定

S-N曲線是應力疲勞分析的基礎，用來表示疲勞強度（疲勞極限）和疲勞壽命之間的關系。一般用S-N曲線表示材料的疲勞特性。S-N曲線采用冪函數公式SαN=C來表示，其中：S為應力；α、C為材料性能常數；N為應力循環次數。

根據碳素鋼的材料屬性，在nCode Designlife模塊得出清掃臂的S-N曲線，如圖7所示。

圖7 清掃臂S-N曲線

3 疲勞壽命結果分析

在nCode軟件中設置新的疲勞壽命分析流程，包括清掃臂的有限元分析、載荷時間歷程曲線、材料的疲勞特性、分析計算、疲勞分析結果五部分，即疲勞五框圖。首先在輸入模塊分別導入清掃臂的有限元分析結果及清掃臂的載荷譜，輸入清掃臂的碳素鋼材料參數，選擇應力疲勞為計算方式，對清掃臂進行疲勞求解，將結果顯示放到nCode的工作區域，完成清掃臂的疲勞壽命分析流程。

清掃臂的疲勞損傷云圖和疲勞壽命云圖如圖8所示。

圖8 疲勞損傷云圖和疲勞壽命云圖

由疲勞損傷云圖可得，在規定的工況循環下，對清掃臂造成的損傷很小，相應的清掃臂的工作壽命完全能夠達到工作要求。對疲勞壽命的結果分析，說明了清掃臂結構設計得過于保守，進而說明清掃臂可以進行輕量化的設計。對于清掃臂的優化，采用拓撲優化的方法。拓撲優化是在一個確定的連續區間內尋找結構內部的非實體區域位置和數量的最佳配置，從而尋求結構分布及節點連接的最優化，使得機構在滿足一定的強度、剛度等約束條件下，某種性能指標值如質量最小等達到最優化[7]。后續如有需要，可以再對清掃臂進行詳細的輕量化設計。

4 結論

通過ANSYS和nCode相結合，對清掃臂進行了疲勞分析，得到了清掃臂在最大載荷下的最大變形量，同時得出了清掃臂的應力分布規律及最大應力，結果顯示清掃臂的強度壽命滿足使用要求。對清掃臂的工作壽命分析可知，清掃臂的壽命達到了設計要求，同時還表明清掃臂存在輕量化的空間，為清掃臂的結構設計及優化提供了理論依據。