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原文传递高速动车组弹簧振动研磨机的设计与分析

论文题名：	高速动车组弹簧振动研磨机的设计与分析
关键词：	高速动车组弹簧;振动研磨机;仿真分析;参数优选;稳定性
摘要：	目前我国高速铁路运营里程已逾1.9万公里，位居世界第一，我国高铁技术以及应用发展势头迅猛。高铁列车通常是指设计及运行时速达300km/h以上的动车组列车，而高速度也意味着对机械结构性能的高要求。高速动车组弹簧，作为动车组构架和轮对轴箱之间轴箱悬挂装置的主要减振构件，主要作用是缓和轨道对机车的冲击和振动，改善部件工作可靠性和乘员舒适度，避免动车组零部件及轨道受到过大的振动与冲击，其性能直接决定了机车运行平稳性和安全性。　　而在实际应用中，高速动车组弹簧由于其支撑圈和有效圈之间的点接触，往往会在工作过程中出现疲劳破坏，影响了高速动车组的运行安全，提高了高速动车组的运行成本。　　高速动车组弹簧的生产厂家为解决弹簧支撑圈与有效圈之间点接触大多是采用人工打磨进行处理，将点接触转变为线面接触或者面面接触。但人工打磨存在诸多弊端:(1)费时费力;(2)打磨质量的稳定性难以保证;(3)加工成本高;(4)对工人熟练度要求高;(5)影响弹簧疲劳寿命;(6)环境污染较重。　　本文在总结国内外高速动车组弹簧相关研究现状的基础上，根据工程实际中高速动车组弹簧支撑圈和有效圈之间连续线接触的要求，以及为了达到此要求而在实际加工中采用人工打磨加工所具有的低效、技术要求高、成本高等问题，提出弹簧微动研磨的解决思路和高速动车组弹簧振动研磨机的设计方案，通过模拟实验验证了思路的可行性。继而完成了高速动车组弹簧振动研磨机的设计，并利用虚拟样机技术对高速动车组弹簧振动研磨机进行了仿真分析，分析了其运动学轨迹、静强度和动强度。然后利用刚柔耦合分析技术对弹簧振动研磨机的主要技术参数进行了优选。本文完成的主要工作如下: 　　(1)总结了国内外高速动车组弹簧相关的研究现状，着重分析这些研究的重点及其存在的不足，对高速动车组弹簧形成了一个较为完整的认识，然后针对高速动车组弹簧支撑圈与相连有效圈的接触部位需要人工打磨的工程实际问题，提出了转变人工打磨为机械化加工，对弹簧支撑圈进行激振，使得弹簧支撑圈和其有效圈之间产生均匀的低频微动研磨，从而得出弹簧微动研磨的解决思路和高速动车组弹簧振动研磨机的设计方案，克服人工打磨弹簧的低效、技术要求高、成本高等缺点。　　(2)在弹簧微动研磨的解决思路和高速动车组弹簧振动研磨机的设计方案的基础上，根据微动摩擦学理论，阐述了微动研磨机理，即弹簧微动研磨是微动摩擦学在弹簧加工中推陈出新的应用，通过使弹簧支撑圈和相邻有效圈之间产生微动研磨，两者即可产生一定的挤压错动，从而使得两者接触区域的结点发生塑性流动，两者的接触轮廓区面积增大，亦即其真实接触面积增大，使得接触区域由点接触变为连续的线接触，从而降低轮廓峰接触区的应力，使得应力分布趋于均匀，提高疲劳寿命。然后通过模拟实验，验证了弹簧微动研磨的可行性，接着对弹簧微动研磨方法进行了概括，弹簧的微动研磨运动在机械上实现的方法，就是通过一定结构的弹簧座，将弹簧立起装夹，然后通过研磨体对弹簧施加竖直压缩和横向激振，使得弹簧在定量压缩的状态下，由研磨体带动，其支撑圈和相邻有效圈之间产生一定频率和幅度的微动研磨，为后续的高动车组弹簧振动研磨机设计与分析奠定基础。　　(3)在方案的可行性通过了实验验证后，提出了三种具体设计方案，亦即自重施压式、液压施压式和凸轮施压式等，依据生产成本、能耗及加工难易程度等因素对比分析三种解决方案的优点与不足，选定了凸轮施压式高速动车组弹簧振动研磨机的设计方案。然后依据设计条件与要求，对高速动车组弹簧振动研磨机的主要零部件进行了设计与分析，例如振动电机的选择、研磨体的设计、滚珠盘的设计和凸轮的设计等，完成了振动研磨机的基本机械结构设计，以便于后期进行仿真分析。　　(4)利用虚拟样机技术，通过三维建模软件Solidworks建立高速动车组弹簧振动研磨机的三维模型，并将三维模型导入多刚体动力学软件ADAMS，建立高速动车组弹簧振动研磨机的刚性虚拟样机模拟，对其进行了运动学仿真分析，得到了高速动车组弹簧振动研磨机的运动轨迹为预期运动半径2mm下的圆形运动轨迹，验证了所建立的分析模拟可靠性;再将三维模型导入有限元分析软件ANSYS，建立了有限元模型，进行了静强度分析，根据研磨装配体的变形情况，滚珠盘和研磨体下移45.14mm，与设计要求的误差为0.3％，判断出所建立的研磨体有限元模型较为准确有效;同时根据研磨装配体的静应力分布，滚珠盘、研磨体和底座应力均未超过145.98MPa，处于厚度为20mm的Q235号钢的屈服极限225MPa范围内，最大静应力为切应力且出现在弹簧内侧，其大小为1313.8Mpa，并未超过材料为60Si2CrVAT、直径为16mm的许用切应力1430MPa，未使得弹簧产生失效，故在研磨装配体的施压工况下，研磨装配体的静强度合格;而动强度分析结果表明，其最大动应力是弹簧的切应力，大小为113.62MPa，又材料为60Si2CrVAT、直径为16mm的弹簧许用切应力1430MPa，故在所设计的弹簧振动研磨机中弹簧切向动强度合格;同时研磨体、弹簧座和底座的最大切应力均未超过20MPa且分布均匀，满足振动机械设计要求，即振动机械最大动应力在振动频率处于30Hz以下时，其切应力不应超过27MPa，故研磨装配体的动强度合格。　　(5)由于ADAMS直接生成高速动车组弹簧的柔性体效果较差，故利用ANSYS与ADAMS联合仿真，先在ANSYS中导出中性体，再在ADAMS中构建柔性体;然后依弹簧振动研磨机的竖直压缩量ξ、激振频率f和运动半径R0等三个参数为主要设计参数进行优化设计。根据设计条件，对每个参数各取三个水平，通过正交试验安排，进行九次刚柔耦合分析试验。为了获得较好的研磨质量，同时保证一定的研磨速度，通过在支撑圈和有效圈各选定一个点，提取每次分析中X轴方向两点相对位移在一个周期内相邻极大值与极小值之差A及其出现频率fA，然后根据A的均值A与fA之积，再除以极值的标准差σ，所得结果作为评价研磨效果的评价指标k，其中A表示研磨位移，A越大，研磨位移越大，研磨效率越高;fA表示研磨速度，fA越大，研磨速度越大，研磨效率越高;σ表示一定时间内研磨位移的离散程度，σ越小，研磨位移的离散程度越小，研磨质量越高。最后根据极差分析和方差分析进行优选，得出了一组优选的高速动车组弹簧振动研磨机参数组合A1B3C3，具体为ξ=45mm，R0=2.1mm，f=24Hz的技术参数。
作者：	陈明华
专业：	机械工程
导师：	宋方臻
授予学位：	硕士
授予学位单位：	济南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文