基于增材制造的F8分配閥中間體結構優化設計

朱杰杰，李宗義

(蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

隨著近些年中國鐵路的快速發展，乘坐高鐵動車成為一種方便快捷的出行方式。雖然國家大力發展高速鐵路，但是很多地區仍然未覆蓋高鐵動車。為解決這些地區旅客乘動車出行的迫切需求，同時為提高既有線鐵路運輸服務品質和使用效率，利用既有線的運輸資源和既有機車、客車的檢修資源，在中國鐵路總公司的統籌和指導下，中國中車集團研制了CR200J型動車組[1]。由于運行速度的提高，對輕量化、制動性能和舒適性都提出了更高的要求。

F8分配閥是動車組制動系統的重要組成部分，其中間體(管座)內部結構復雜，有較多的空腔結構和氣路，傳統加工制造工藝是先鑄造毛坯并留有加工余量，后期輔助機加工[2]。傳統加工工藝復雜且零件重量大，不利于動車組輕量化；同時由于鉆孔通常不能實現斜孔或細長孔，因此導致氣路之間垂直相接，流阻大，加之制動波速的影響，導致制動不同步，進而增大縱向沖擊而導致舒適度降低[3]。

增材制造區別于傳統的減材制造工藝，是一種“逐層疊加”、“自下而上”的成型技術[4]，因此可以不考慮傳統制造工藝的約束和限制，從而制造結構復雜的零件，因此賦予零件設計很大的自由度。針對以上問題，基于增材制造的工藝，將F8分配閥中間體進行重新設計，以達到輕量化和改善制動性能的目的。

1 F8分配閥優化設計的研究現狀

上世紀90年代，隨著旅客列車的運行速度越來越高，對列車制動性能提出了更高的要求，為此四方車輛研究所與天津機車車輛機械工廠共同研制了F8型客車分配閥[5-6]。近些年針對不同用途，先后開發出了符合UIC標準的F8G空氣分配閥、用于養路和冶金車輛的F8Y空氣分配閥、快捷貨車用和客/貨兩用的F8H空氣控制閥以及輕量化鋁合金閥體閥蓋的F8L空氣分配閥等系列產品，這些產品性能更加穩定可靠，結構更加合理，且更便于檢修[7]。不難看出，對于F8分配閥的優化只是針對不同用途和故障，在原有閥體結構的基礎上進行微調和改進，性能的提升有限。

其實，制動系統中有很多氣動零部件，其內部結構復雜，與增材制造的優勢很貼合。而且，不同的工藝適合不同的材料與用途，如FDM和SLA工藝可以用于零件原理分析和生產教學，SLS可用于金屬間接成型加工，SLM可用于金屬的直接成型加工[8]。

2 提出的基于增材制造的結構優化方法

當前基于增材制造的結構優化，主要是結合增材制造的工藝限制，在拓撲優化結果的基礎上進行適當的調整，或者是為了實現輕量化而進行網格結構填充[9]，但是后續仍需要進行較多的手動工作。而且，不管是拓撲優化還是網格結構填充，都需要一定的知識儲備和相關軟件的學習和培訓。為了使機械設計人員將增材制造技術應用到實際生產中，提出一種易于入手的基于增材制造的優化設計方法，也為大家提供一種新的設計思路，如圖1。后續以F8分配閥中間體為示例，對此方法進行詳細闡述。

圖1 結構優化方法

F8分配閥由主閥、輔助閥和中間體組成，如圖2所示。當然，F8分配閥還有一種集裝板安裝方式，不在研究范疇之內。其中，中間體由鑄鐵鑄成，用來安裝主閥與輔助閥，起到連接各缸、管、風缸及主閥、輔助閥各個氣路的作用。其內部有兩個空腔，分別是0.8L的局減室和3L的輔助室，其他還有一些內部氣路。

圖2 F8分配閥

2.1 功能結構分析

零件的作用是實現某些功能，而實現這些功能需要特定的結構，比如螺紋結構的作用是為了實現緊固連接。將這些實現特定功能的結構稱為功能結構，F8分配閥中間體有三個功能結構，如圖3，分別是：實現氣路連接作用的管路；實現儲存壓力空氣作用的兩個空腔：局減室與輔助室。

圖3 功能結構分析

2.2 功能結構組合優化

原設計由于加工工藝的限制，管道垂直相交，空腔結構復雜。為了達到輕量化和改善氣動性能的目的，將三個功能結構進行組合優化，一方面將氣路優化成大圓弧過渡、將空腔優化成規則形狀；另一方面考慮到原設計不同的功能結構之間互相分離，松散不緊湊，經過分析比較，將管路設置在空腔結構內部是最優的選擇。

與此同時，由于中間體還需要和主閥、輔助閥裝配，在這一步需要考慮與其他零件的氣路連接。如果將與主閥、輔助閥的連接比作成“輸出界面”的話，那么與制動缸、工作風缸、副風缸和制動管的連接則可以稱之為“輸入界面”。在進行優化設計的時候，兩個輸出“輸出界面”不可以改變，而“輸入界面”則可以改變。優化的結果是一個長方體空腔結構，內部被分成局減室和輔助室，氣路設置在輔助室內部，上方為兩個“輸出界面”，底部為“輸入界面”，如圖4所示。

圖4 功能結構組合優化

2.3 考慮增材制造工藝

增材制造也并非是完全的“自由制造”，由于其“層層疊加”的工藝過程，也有懸垂角度和階梯效應等約束[10]，這就要求在優化設計的同時還應考慮增材制造的工藝約束。由于中間體內部主要是空腔結構，結構優化的主要內容是對空腔頂部支撐結構的設計。支撐結構作用是支撐懸垂區域并傳導熱量，以避免成形過程中出現塌陷、翹曲變形[11]，從而導致制造失敗，如圖5。通常認為當懸垂角度小于45°時，就應該設置支撐結構。但是支撐結構在制造結束后需要去除，導致材料和時間的浪費。

圖5 懸垂角度與可制造性[12]

在這一步中，由于增材制造的工藝約束，考慮到空腔封閉結構不易去除支撐結構，將兩個“輸出界面”設置成45°的自支撐結構。優化的結果是“房子”形狀的空腔結構，內部被分成局減室和輔助室，氣路設置在輔助室內部，上方是兩個45°的“房頂”，分別是兩個“輸出界面”，底部為“輸入界面”，如圖6所示。

圖6 考慮增材制造工藝約束的優化結果

2.4 數值仿真分析

由于增材制造本身的工藝過程，會產生較高的殘余應力而導致變形，甚至會發生制造失敗的情況[13]。所以通過對增材制造過程進行仿真分析來實現對工藝過程的預測，以實現結構優化和質量控制[14]。

考慮到輕量化的目的，采用密度較輕的鋁合金Alsi10 mg材料和激光選區融化(SLM)工藝，之前選取的45°懸垂角度完全可以實現自支撐[15-16]。根據鋁制焊接容器行業標準[17]薄壁厚度公式：

(1)

式中：許用應力：

(2)

同時，根據文獻[18]、[19]取抗拉強度σb=200 MPa，根據列車管壓力取計算壓力pc=600 kPa，綜合考慮形狀、工況等因素，取厚度為2 mm。

仿真分析的結果如圖7。最初的仿真結果如圖7(a)所示，出現兩處變形較大的區域，最大變形達到8 mm和3 mm，但是在其背面與之對應的位置卻未發生較大的變形；分析原因是有分隔局減室和輔助室的結構充當支撐結構，起到支撐和傳遞熱量的作用，如圖7(b)深色部分；因此，將原有結構進行優化，在變形較大的位置添加支撐結構，并對支撐結構也進行優化，如圖7(c)深色部分；最后得到的結果符合預期，如圖7(d)。

2.5 考慮安裝裝配要求

考慮到與主閥、輔助閥的裝配，以及在車體上的安裝，如圖8(a)，需要在螺栓連接件的位置設置加強結構，以加強連接強度，如圖8(b)。由于加工工藝的約束限制，不能出現懸空結構，將與主閥、輔助閥連接的位置設置成“長條”結構。而與車體連接的位置設計在中間體下方，則不要考慮工藝約束，設置四個塊狀結構即可。

圖7 工藝仿真分析

圖8 安裝裝配要求

應用SLA工藝試制成功，與仿真分析的結果一致，符合預期，如圖9。

圖9 SLA工藝試制

3 結 論

基于增材制造的工藝對F8分配閥中間體進行結構優化，優化的結果如表1所列，總結如下。

(1) 由于采用了較小的壁厚和鋁合金材料，優化后的結構重量減少了89%，實現了輕量化的目標；采用大圓弧的氣路連接，優化了制動性能。

表1 優化結果

(2) 提出的基于增材制造的結構優化方法對機械設計人員要求不高，只需要掌握關于增材制造的基本知識即可，易于入手，具有較強的實用性和適用性。

(3) 下一步的工作是基于增材制造的工藝，將主閥和輔助閥也進行結構優化，進一步實現分配閥的輕量化和性能的提升。而且，隨著技術的發展，金屬增材制造的成本會越來越低，在軌道交通行業的應用也會越來越廣泛。