尹明 孫曉麗
摘 要:介紹了冶金車輛心盤的作用,提出了心盤在車輛運行過程中的重要性,說明了心盤的結(jié)構(gòu)及使用情況。車輛在正常工況下運行,心盤存在磨損、裂紋現(xiàn)象,結(jié)合實際情況進行ANSYS有限元分析,找出原因,并給出對策。
關(guān)鍵詞: 冶金車輛;心盤;磨耗;裂紋
冶金車輛心盤是用來承受車體和貨物重量的,它傳遞車體的縱向力和橫向力,當車輛通過彎道時,會以心盤為支點轉(zhuǎn)動—滑動,以使車輛圓滑的通過彎道,可見心盤是冶金車輛的主要連接零部件。在車輛運用、檢修中時常發(fā)現(xiàn)心盤磨損、裂紋故障,多發(fā)生于車體縱向,嚴重威脅著行車安全,因此,研究其故障原因是十分必要的。
1 現(xiàn)狀分析
冶金車輛走行裝置上的心盤大多采用平面心盤,由上心盤和下心盤組成。平面下心盤的中央部有一凸起圓臍,臍中有一個供穿入心盤銷的圓柱孔。這種心盤具有自動復(fù)原能力,當車體橫向傾斜時,分布在心盤作用面上的合成壓力移向心盤邊緣,產(chǎn)生一對復(fù)原力矩,使車體回到原位。
心盤是走行裝置與車體傳動端的重要連接部件。260t魚雷型混鐵車走行裝置上心盤分為大、中、小心盤。大上心盤用螺栓固定在主動端、從動端下面,大下心盤用螺栓固定在大車架上面。260t魚雷型混鐵車走行裝置采用耐磨心盤,其由上心盤、心盤墊、下心盤組成。上、下心盤接觸面在車體載荷的作用下由于相對轉(zhuǎn)動摩擦會產(chǎn)生磨損,尤其在混入砂粒等雜物時磨損更為嚴重。
2 心盤ANSYS有限元分析
2.1 前處理
建立代表心盤裝置接觸體的實體模型,設(shè)置單元類型、實常數(shù)、材料特性等,并用恰當?shù)膯卧愋蜑榻佑|體劃分網(wǎng)格。
2.2 設(shè)定接觸對
定義目標面和接觸面。
2.3 受力、受熱情況
在正常工況下,心盤的受力情況為,垂向靜載荷166405kN,垂向動載荷為266.25kN,垂向總載荷為193030kN。魚雷罐在經(jīng)過重罐—空罐多個周期循環(huán)后達到穩(wěn)定時溫度場分布,在穩(wěn)定工作期間,其罐殼溫度在90268 ℃,小于罐殼蠕變溫度400 ℃;工作一周期工作層最低溫度為865 ℃。心盤一般工作溫度20℃,上心盤上表面平均溫度200℃。
2.4 施加邊界條件,定義載荷步
設(shè)定邊界約束,下心盤完全固定,下心盤下端面設(shè)置為全約束;上心盤可沿Z軸方面轉(zhuǎn)動、移動,上心盤上端面設(shè)置X軸、Y軸方向約束。施加心盤載荷、溫度載荷。定義載荷步選項,設(shè)置自動時間步長,并指定分析時間步的數(shù)目,步長數(shù)5,最大步長10,最小步長3。
2.5 求解,查看結(jié)果
上心盤應(yīng)力云圖中,最大變形量DMX=4.72×104m,最小應(yīng)力SMN=1.58×106Pa,最大應(yīng)力SMX=7.64×108Pa。針對上心盤而言,最大應(yīng)力分布在其上端面加強筋連接處、螺栓孔處,上心盤受熱易發(fā)生彎曲變形,螺栓孔處容易裂紋。
心盤墊應(yīng)力云圖中,最大變形量DMX=4.07×106m,最小應(yīng)力SMN=3.87×105Pa,最大應(yīng)力SMX=1.75×107Pa。心盤墊下端面靠近心盤固定螺栓處的外邊緣應(yīng)力最大,心盤墊上端面相應(yīng)位置所受應(yīng)力較大,這些位置易磨損,磨損帶呈圓環(huán)形,尤其下端面更易磨損。
下心盤應(yīng)力云圖中,最大變形量DMX=2.48×106m,最小應(yīng)力SMN=2072.48Pa,最大應(yīng)力SMX=1.13×107Pa。下心盤上端面環(huán)形平面上靠近立棱圓環(huán)上靠近螺栓處應(yīng)力最大,下端面與之相對應(yīng)的部位應(yīng)力最大,這些位置易磨損,磨損帶呈圓環(huán)形。
由上接觸對、下接觸對接觸應(yīng)力云圖看出,心盤裝置的四個接觸面(上心盤上端面、心盤墊上端面、心盤墊下端面、下心盤上端面)相比較,心盤墊上端面、下心盤的上端面更容易發(fā)生磨損,且下心盤的上端面存在最大磨損,磨損帶呈不規(guī)則圓環(huán)形。
3 對策及建議
3.1 優(yōu)化設(shè)計、制造心盤
設(shè)計、制造結(jié)構(gòu)合理,材料耐磨性高的心盤,以適應(yīng)我部冶金車輛發(fā)展的需要,是解決目前心盤缺陷,提高運行品質(zhì)的根本。
3.2 加強冶金車輛運行管理
為適應(yīng)冶金車輛重載現(xiàn)狀,解決車輛超速、超載問題,有必要嚴格限制機車運行速度,嚴格按照規(guī)章制度進行裝車、調(diào)車作業(yè),嚴禁超速、超載。
3.3 提高心盤檢修質(zhì)量
規(guī)范檢修人員作業(yè)流程,嚴把質(zhì)量關(guān)。根據(jù)《冶金車輛檢修規(guī)程》心盤檢修技術(shù)要求,上心盤根部破損時更換。心盤裂紋時拆下焊修,裂紋長度超過周長1/2時,須全周焊修,焊后熱處理。上心盤體平面磨損,大修超過2㎜、年修超過6㎜時焊后加修。上心盤以螺栓安裝者,須卸下檢查,并確認良好。下心盤摩擦面磨損,大修超過2㎜、年修超過6㎜時焊后加修,立棱厚度不足11㎜,臍部厚度不足7㎜,焊后加修。下心盤與鑄鋼搖枕一體者,其立棱裂紋時焊修,臍部裂紋或破損時焊后加修或鑲套。
3.4 加工修理心盤程序要正確
1)在檢修心盤時,應(yīng)在徹底除去油污、銹蝕后檢查,否則潛在的裂紋難以發(fā)現(xiàn)。
2)若發(fā)現(xiàn)心盤裂紋,要用乙炔焰在裂紋處開60°~70°的V形坡口,坡口的深度和長度應(yīng)根據(jù)裂紋情況而定,以消除裂紋痕跡為準,露出基本金屬,然后施手工電弧焊。
3)焊前必須先確定心盤的材質(zhì),選擇與之相對應(yīng)的等強度焊條。
3.5 做好防銹、儲備工作
加修后的心盤,盡量消除殘余的內(nèi)應(yīng)力,做好心盤防銹、儲備管理工作。對加修好的心盤噴涂一層防銹油,做到合理堆放,盡量避免雨露、地面潮氣及惡劣氣候的侵蝕,發(fā)放時遵循先加修、先發(fā)出的原則。
4 結(jié)論
在冶金車輛運行和檢修方面,分析了心盤產(chǎn)生磨損、裂紋的主要原因,這些原因雖不可避免,但可以通過優(yōu)化設(shè)計、制造心盤,加強冶金車輛運行管理,提高心盤檢修質(zhì)量,正確執(zhí)行加修心盤程序,心盤焊后正火處理,做好心盤防銹、儲備工作的措施有效緩解心盤產(chǎn)生磨損、裂紋,延長使用壽命。
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