动车组弹簧微动研磨力学分析及主要研磨参数选择的研究
发布时间：2017-03-21 16:03
本文关键词：动车组弹簧微动研磨力学分析及主要研磨参数选择的研究，，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：随着我国轨道交通运输行业的飞速发展,列车零部件的质量问题显得更为重要。弹簧作为动车组列车减振系统中的重要功能性零件,它起到诸如吸收和隔离振动,保证乘员的舒适和安全,提高车辆在高速运行的平稳性,增加动车组零部件及轨道的使用寿命等作用。由此可见,弹簧的质量问题直接影响到动车的运行性能与运行安全,因此动车组弹簧高精度的设计准则至关重要。在实际应用中,动车组弹簧往往会在工作过程中出现疲劳破坏,位置大多在第1-2圈(弹簧支撑圈与有效圈)之间。这是因为弹簧加工过程中出现的突起、凹坑及褶皱等缺陷在弹簧支撑圈与有效圈之间造成点接触。这些点接触部位很容易引起应力集中以及疲劳裂纹,同时也是疲劳裂纹扩展速度最快的部位。可见,动车组弹簧存在点接触极易导致其力学性能的大幅降低,从而严重影响弹簧的使用寿命。对于动车组弹簧的生产厂家而言,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方法。但人工打磨工艺存在着弊端:生产效率低下;难以实现大规模高效的加工制造;打磨的力度不均匀,影响弹簧的表面质量,且也难以保证打磨后的动车组弹簧的支撑圈与有效圈之间一定是连续接触状态。本文的主要目的是:针对上述问题,给出动车组弹簧振动研磨机的设计构思,期求通过振动研磨机实现弹簧支撑圈与有效圈之间的微动研磨,进而消除弹簧圈之间的点接触。进一步地,在保证加工工件(动车组弹簧)力学性能不变的前提下,找出影响研磨机微动研磨效果的主要研磨工艺参数,并建立弹簧圈间的微动力学量与主要研磨工艺参数之间的关系。因此,有必要对研磨过程中的弹簧进行微动研磨力学分析。本文完成的主要工作如下:(1)阐述了动车组弹簧振动研磨机方案的意义与价值,分析了其微动研磨原理,确定了研磨体施加的力、研磨速度及研磨体位移为研磨机的主要研磨工艺参数。并建立了动车组弹簧振动研磨机主要研磨参数与弹簧圈间的微动力学量之间的关系。(2)以某动车组弹簧为例,结合Solidworks和ANSYS(Workbench)建立了弹簧的精细有限元模型,对弹簧进行刚度特性分析及静强度分析,结果显示弹簧刚度的有限元分析结果与理论结果误差约为2.3%,静强度有限元分析结果与理论解误差为6%,依据所得结果验证了所建模型的正确性。最后,得到了弹簧纵向刚度和横向刚度精确的有限元结果,分别为241.062N/mm和65.207N/mm。(3)为了获得弹簧支撑圈与有效圈之间的接触应力以及研磨体施加给弹簧的力,要对弹簧进行接触分析。用ABAQUS对无凸起动车组弹簧进行了接触分析,获得了其接触应力与压缩位移的关系曲线,结果显示当弹簧压缩位移为45mm时接触应力最大。然后,考虑不同大小和不同位置的凸起情况,对有凸起的动车组弹簧进行了接触分析,结果显示弹簧模型支撑圈与有效圈之间出现最大接触应力时对应的压缩量都小于45mm。最后选取45mm为最大压缩位移,将该状态下对应的支反力作为研磨体施加给弹簧的力,其值为10845N,进而计算出单个弹簧所需的研磨体质量,其值约为1106.6kg。(4)动车组弹簧的研磨过程中,除涉及静态量之外,还涉及到大量的动态量。为避免弹簧在研磨过程发生共振,首先对该弹簧进行了模态分析和预应力下的模态分析,分别获得了其前6阶固有频率及其相应振型。在模态分析的基础上对弹簧进行了谐响应分析,结果显示了共振频率为8Hz、118Hz及140Hz。在实际研磨过程中,应尽量避免外部激励频率落在这几个频率附近。同时为了获得微动研磨速度与研磨位移,进行了弹簧瞬态动力学分析,获得了载荷幅值、激振频率与弹簧圈间的微动研磨位移和速度响应的关系,并据此分析得出:当研磨体位移为17.638mm,电机转速约为900rad/min时,微动研磨达到最佳效果。(5)总的来说,当研磨体质量为1106.6kg,研磨速度为526mm/s,研磨体位移为17.638mm,电机转速约为900rad/min,或激振频率为15Hz时,微动研磨效果最佳。
【关键词】：动车组弹簧 接触分析 模态分析 力学分析 有限元方法
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U266;TG580.68
【目录】：
- 摘要8-10
- Abstract10-13
- 第一章 绪论13-19
- 1.1 课题概述13-14
- 1.1.1 课题的研究背景13-14
- 1.1.2 选题的目的及意义14
- 1.2 弹簧力学分析的研究现状14-16
- 1.2.1 弹簧静力分析15
- 1.2.2 弹簧接触分析15-16
- 1.2.3 弹簧模态分析16
- 1.3 主要研究内容16-18
- 1.4 本章小结18-19
- 第二章 动车组弹簧及其振动研磨机19-29
- 2.1 引言19
- 2.2 动车组弹簧设计简介19-23
- 2.2.1 动车组弹簧的设计要求19
- 2.2.2 动车组弹簧的特性19-20
- 2.2.3 动车组弹簧的几何参数20-21
- 2.2.4 动车组弹簧的制扁21
- 2.2.5 动车组弹簧的计算公式21-22
- 2.2.6 动车组弹簧的原材料22-23
- 2.3 动车组弹簧振动研磨机23-27
- 2.3.1 研磨机工作原理23-24
- 2.3.2 研磨机特点24-25
- 2.3.3 研磨工艺参数25-27
- 2.4 本章小结27-29
- 第三章 动车组弹簧的静力分析29-37
- 3.1 引言29
- 3.2 动车组弹簧刚度特性分析29-34
- 3.2.1 有限元理论29-30
- 3.2.2 弹簧几何模型的建立30-31
- 3.2.3 弹簧有限元模型的建立31-32
- 3.2.4 弹簧垂向刚度分析32-33
- 3.2.5 弹簧横向刚度分析33-34
- 3.3 动车组弹簧静强度分析34-36
- 3.3.1 弹簧静强度条件34-35
- 3.3.2 弹簧静强度分析35-36
- 3.4 本章小结36-37
- 第四章 动车组弹簧的接触分析37-49
- 4.1 引言37
- 4.2 动车组弹簧接触问题描述37-40
- 4.2.1 弹簧的接触37-38
- 4.2.2 ABAQUS软件介绍38-39
- 4.2.3 弹簧的接触疲劳极限39-40
- 4.3 基于ABAQUS的动车组弹簧接触分析40-47
- 4.3.1 动车组弹簧接触分析的难点40
- 4.3.2 无凸起弹簧的接触分析40-43
- 4.3.3 有凸起弹簧的接触分析43-46
- 4.3.4 分析结果46-47
- 4.4 本章小结47-49
- 第五章 动车组弹簧的微动研磨动力学分析49-65
- 5.1 引言49
- 5.2 模态、谐响应及瞬态动力学分析49-51
- 5.2.1 模态分析49-50
- 5.2.2 有预应力的模态分析50
- 5.2.3 谐响应分析50-51
- 5.2.4 瞬态动力学分析51
- 5.3 动车组弹簧的微动研磨动力学分析51-62
- 5.3.1 弹簧的模态分析51-54
- 5.3.2 弹簧预应力下的模态分析54-56
- 5.3.3 弹簧的谐响应分析56-58
- 5.3.4 弹簧的瞬态动力学分析58-62
- 5.4 本章小结62-65
- 第六章 结论与展望65-67
- 6.1 结论65-66
- 6.2 展望66-67
- 参考文献67-71
- 致谢71
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