鄭鵬，李飛（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110870）

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澆鑄車車架結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析

鄭鵬，李飛
（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110870）

摘要：應(yīng)壓力鑄鋼生產(chǎn)工藝要求，設(shè)計(jì)了一種新型澆鑄車。為探究澆鑄車車架在三種典型工況下的強(qiáng)度和剛度變化，使用三維軟件建立了車架的模型，并運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，得到了車架的受力和變形情況，檢驗(yàn)了車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，并為車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：澆鑄車車架；強(qiáng)度；剛度；有限元

稿件編號(hào):1511-1136

0 引言

隨著我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，一些新型壓鑄產(chǎn)品依靠自身優(yōu)良特性，在實(shí)際使用工況中，都取得很好效果。我國鑄造工作者們都在努力尋找較佳的壓力鑄鋼件生產(chǎn)工藝[1]。應(yīng)生產(chǎn)工藝要求，需要研制一種新型廠內(nèi)軌道澆鑄運(yùn)輸車，壓鑄用軌道澆鑄車是一種特殊的新一代重型運(yùn)輸機(jī)械，主要用于壓力鑄造生產(chǎn)過程中運(yùn)輸模具，并且是壓鑄生產(chǎn)設(shè)備中重要組成部分，由于澆鑄車的承受集中重載的工作性質(zhì)，以及工作環(huán)境和用途的不同，其車架和一般用途鋼包車、平板車結(jié)構(gòu)有明顯不同和要求。其中不僅要在車架上中部承受模具部件集中載荷，而且在車架下中部還要承受鋼包總質(zhì)量載荷，導(dǎo)致車架中部承受很大載重。車架上方有耐火磚，對(duì)車架進(jìn)行隔熱保護(hù)，減少車架受熱變形。

我國對(duì)于此類重型車架設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核時(shí)多依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和方法。這種方法簡單易行，在目前的車輛設(shè)計(jì)中，仍被廣泛使用，但是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期比較長，有時(shí)這種方法會(huì)導(dǎo)致實(shí)體局部強(qiáng)度不足，容易導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生。隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，該領(lǐng)域研究人員開始用有限元分析的方法對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查是否滿足設(shè)計(jì)要求。運(yùn)用這種方法，可以不依賴實(shí)物的試驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，就可以對(duì)其分析，拓?fù)浜蛥?shù)優(yōu)化，還能在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段提供參考及整車性能的模擬試驗(yàn)[2]。

1 車架的有限元分析

基于有限元方法對(duì)某公司項(xiàng)目的澆鑄車車架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。首先根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了澆鑄車的三維模型，通過軟件之間的數(shù)據(jù)交換接口，把經(jīng)過簡化的澆鑄車模型直接導(dǎo)入Ansys workbench有限元軟件中[3]，根據(jù)不同工況條件，對(duì)澆鑄車施加約束與載荷，進(jìn)而分析車架的剛度，強(qiáng)度，應(yīng)力等關(guān)鍵性參數(shù)，最后分析計(jì)算結(jié)果。

1.1 澆鑄車技術(shù)參數(shù)和整車組成

主要技術(shù)參數(shù)：

臺(tái)面尺寸：長6 000 mm，寬3 725 mm。

承載能力：88 t。

行走速度：36 m/min。

軌距：3 475 mm。

生產(chǎn)棒料尺寸：ф800 mm×4 500 mm。

澆鑄車由模具、套筒、底座、耐火磚、導(dǎo)液管、車架、車輪、鋼包、鋼包蓋、連接套等部件組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 澆鑄車車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

澆鑄車車架包括四根縱梁和若干根橫梁，由工字鋼焊接而成，車架中心部分承受集中載荷。車架中間部分有底座、套筒、耐火磚、壓鑄模具、鋼包等部件，整個(gè)車架橫縱梁上面鋪有鋼板，車架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 澆鑄車實(shí)體模型

圖2 車架結(jié)構(gòu)

1.3 有限元模型的建立

車架模型采用三維建模實(shí)現(xiàn)，并將模型導(dǎo)入到Ansys workbench中，車架材料為Q345，特性參數(shù)一致，統(tǒng)一設(shè)置為：密度7 850 kg/m3、泊松比0.3、彈性模量200 GPa[4]。澆鑄車車架為框架式結(jié)構(gòu)，橫縱梁焊接在一起，由于整個(gè)車架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，以及分析重點(diǎn)是車架的結(jié)構(gòu)，在建立模型時(shí)，在不影響強(qiáng)度分析的前提下，忽略了一些小部件的作用，對(duì)于一些對(duì)車架有限元分析影響不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化[5]，例如省略圓角、螺栓孔；澆鑄車車輪部件選用標(biāo)準(zhǔn)零件、電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)車架影響小，對(duì)其省略；不考慮鋼板、工字鋼的焊接應(yīng)力及焊縫型式的影響。在經(jīng)過以上幾何清理后，避免了局部小特征造成不必要的網(wǎng)格劃分困難，車架使用自動(dòng)劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

(1)約束條件：澆鑄車車架由工字鋼梁焊接而成一個(gè)整體，所以在進(jìn)行有限元分析時(shí)一般將車架作為整體來考慮，對(duì)車架前輪軸承采用固定約束，中后車輪采用位移約束，并限制Y向（平行于橫梁方向）、Z向（豎直方向）位移，車架X方向（沿軌道方向）不做約束。

(2)載荷的分析與處理：在分析車架的靜強(qiáng)度的問題上[6]，應(yīng)考慮作用在車架上的所有載荷，一些非重要零件的質(zhì)量，通過估算以均布載荷的方式把相應(yīng)的力施加在作用面上，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。作用在澆鑄車車架上的載荷類型有車架自身質(zhì)量、零件的等效質(zhì)量、慣性力。

1.4 各工況下的載荷分布及計(jì)算結(jié)果

鑄鋼壓鑄件生產(chǎn)的工藝流程為澆鑄車搭載模具到達(dá)預(yù)定位置，由底部桁架上的液壓設(shè)備把鋼包抬高到指定位置，使鋼包和澆鑄車連接、密封、壓入鋼液，使鋼液充滿模具，斷開與鋼包連接，澆鑄車滿載運(yùn)行到卸料位置。車架在實(shí)際工作中受力情況比較復(fù)雜，例如彎曲、扭轉(zhuǎn)、制動(dòng)等。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，我們可以從三個(gè)典型工況來分析車架結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度[7]。在每一工況都要施加一個(gè)車架的自質(zhì)量載荷，其它載荷分析如下：

工況一：鋼液在鋼包內(nèi)，未壓入模具時(shí)，澆鑄車車架底部為主要承重區(qū)域。具體數(shù)據(jù)如下：

（1）車架底座面上承載的總質(zhì)量為38 558 kg，其中包括模具（空）3 150 kg，導(dǎo)液管（滿液）2 881 kg，模具蓋2 120 kg，耐火磚338 kg，底座1 719 kg。

底座面上外加載荷：G1=38 558×9.8=377 868.4（N）。

（2）套筒面上承載的總質(zhì)量為9 837.4 kg，其中包括套筒8 635 kg，壓板1 130.4 kg，緊固件72 kg。

套筒受力面外加載荷：G2=9 837.4×9.8=96 406.52（N）。

（3）車架底部承載總質(zhì)量為38 493.4 kg，其中包括鋼包蓋5 338 kg，鋼包15 058 kg，連接套1 405 kg，鋼液16 642 kg，緊固件50.4 kg。

車架底部外加載荷：G3=38 493.4×9.8=377 235.32 （N），載荷加在四個(gè)受力面上。

有限元分析結(jié)果，如圖3、4所示。

圖3是車架應(yīng)變?cè)茍D分析結(jié)果。車架最大位移值為0.9 mm，出現(xiàn)在車架底部連接板中部。圖4是車架應(yīng)力云圖顯示，最大應(yīng)力值為129.12 MPa，出現(xiàn)在車架底部一些螺栓孔周圍，較大應(yīng)力出現(xiàn)在車架橫梁與承接底部重量的連接板連接處。

圖3 工況一有限元分析應(yīng)變?cè)茍D

圖4 工況一有限元分析應(yīng)力云圖

工況二：鋼液壓入模具中，此時(shí)澆鑄車車架上模具中鋼液充滿，車架底部主要受到鋼包剩余鋼液重力作用。具體數(shù)據(jù)如下：

（1）車架底座面上承載的總質(zhì)量為55 162.8 kg，其中包括模具（鋼液充滿）47 885 kg，導(dǎo)液管（滿液）2 881 kg，模具蓋2 120 kg，中間部分鋼液219.8 kg，耐火磚338 kg，底座1 719 kg。

車架底座面上外加載荷：G1=55 162.8×9.8= 540 595.44（N）。

（2）套筒面上承載的總質(zhì)量為9 837.4 kg，其中包括套筒8 635 kg，壓板1 130.4 kg，緊固件72 kg。

套筒受力面外加載荷：G2=9 837.4×9.8= 96 406.52（N）。

（3）車架底部承載總質(zhì)量為23 515.4 kg，其中包括鋼包蓋5 338 kg，鋼包15 058 kg，連接套1 405 kg，剩余鋼液1 664 kg，緊固件50.4 kg。

車架底部受外加載荷：G3=23 515.4×9.8= 230 450.92（N），載荷加在四個(gè)受力面上。

有限元分析結(jié)果，如圖5、6所示。

圖5車架應(yīng)變?cè)茍D表示，車架最大位移值為0.75 mm，出現(xiàn)在連接澆鑄車底部鋼包蓋的連接管上以及鋼板與連接管連接的邊緣處。圖6車架應(yīng)力云圖表示，最大應(yīng)力值為104.71 MPa，出現(xiàn)在鋼板與連接管連接處，較大應(yīng)力出現(xiàn)在車架橫梁與承接底部重量的連接板連接處和底部一些螺栓孔周圍。

圖5 工況二有限元分析應(yīng)變?cè)茍D

圖6 工況二有限元分析應(yīng)力云圖

工況三：滿載制動(dòng)，澆鑄車在加減速運(yùn)行過程中，啟動(dòng)和停止過程中車架本身會(huì)受到一個(gè)慣性力的作用。具體數(shù)據(jù)如下：

（1）產(chǎn)生慣性力加速度：a=0.5 m/s2，作用在模具上。

（2）車架底部受鋼包蓋和緊固件重力作用，其數(shù)值為52 312.4 N。

有限元分析結(jié)果，如圖7、8所示。

圖7 工況三有限元分析應(yīng)變?cè)茍D

圖8 工況三有限元分析應(yīng)力云圖

圖7車架應(yīng)變?cè)茍D表示，車架最大位移值為0.2 mm，出現(xiàn)在車架承載鋼包重量的連接板螺栓孔周圍。圖8車架應(yīng)力云圖表示，最大應(yīng)力值為23 MPa，出現(xiàn)在車架前中部橫梁與外縱梁連接處和底部一些螺栓孔周圍。

2 有限元結(jié)果分析及校核

表1是應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D得出的對(duì)比結(jié)果。

表1 各工況最大應(yīng)力值和最大變形值

從表1和上面的應(yīng)變?cè)茍D中可以看出，在三種工況下，車架最大位移量為0.9 mm，設(shè)計(jì)滿足使用要求，較大變形主要集中在車架中部和底部承重連接板處，從圖中可以看出這是由于車架上模具以及底部鋼包作用的結(jié)果。由于這些變形不大，不會(huì)對(duì)零件間的配合產(chǎn)生不利影響，從車架變形結(jié)果推斷，車架的剛度性能較好。

從表1和上面的應(yīng)力云圖中可以看出，在三種工況下，車架所受的最大應(yīng)力為129.12 MPa，小于許用應(yīng)力345/1.5=230 MPa，車架靜強(qiáng)度滿足要求。最大應(yīng)力主要集中在前中部橫梁與外縱梁連接處，出現(xiàn)在鋼板與連接管連接處，以及底部一些螺栓孔周圍。較大應(yīng)力發(fā)生在橫縱梁之間的焊接區(qū)域，符合一般工程事實(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中，焊接質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)該區(qū)域的強(qiáng)度起決定性作用，在建立三維模型時(shí)，并沒有對(duì)該部位做特殊處理，僅僅把接觸形式設(shè)置為綁定，而在實(shí)際生產(chǎn)中，焊接后該區(qū)域會(huì)形成過渡圓角，或者有其它加強(qiáng)措施，從而減小該連接區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這樣得到的分析結(jié)果的應(yīng)力值可能比實(shí)際值大。

3 結(jié)語

通過建立車架的三維模型，在三種典型工況下，運(yùn)用有限元分析法對(duì)澆鑄車車架進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析，得知車架承受的最大應(yīng)力值為129.12 MPa，最大變形量為0.9 mm，都小于其許用值，滿足使用要求。由于車架形狀與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況不匹配，在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，要針對(duì)車架整體布局和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提高澆鑄車車架的性能。

參考文獻(xiàn)

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Static strength analysis of casting car frame structure

ZHENG Peng，LI Fei
(Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，Liaoning，China)

Abstract:According to the requirements of the production process of compression cast steel, a new type of casting car is designed.In order to research the strength and rigidity of casting car frame under three kinds of condition , the model of casting car frame was established by three-dimensional software, and the static strength analysis was carried out by using the fi nite element analysis software, the stress and deformation of casting car frame are achieved, and the reliability of frame structure is tested, then the theoretical optimization basis for the frame structure is provided.

Keywords：casting car frame; strength; rigidity; FEM

中圖分類號(hào)：TG232.7：TH22；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1006-9658（2016）03-0065-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.020

收稿日期:2015-11-24

作者簡介：鄭鵬（1964—），男，教授，主要從事機(jī)械工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作.