基于ANSYS的火车快装系统液压缸支撑架力学性能仿真

摘要：针对传统轨道装车速度慢，货物堆积阻塞，车皮流通量降低，难以满足生产发展的需求，提出了用优化设计技术建立相应的数学模型，对原有的火车快速装车系统液压缸支撑架钢结构进行力学性能计算仿真，利用ANSYS有限元仿真分析，比较能准确的分析模型，易掌握特性，便于优化设计方案。从而达到合理地分布载荷，确保液压缸支撑架结构稳定，准确分析其特性，为改进快速装车系统提供了依据。

快速装车系统是一种将散装物料按规定的质量连续的称量并装入列车车厢的系统。其定量装车系统主要有缓冲仓、定量仓以及4个配料闸门和1个卸料闸门组成，而闸门的控制完全由快速装车站内的液压系统所控制驱动，因此快速装车站液压系统就成为快速装车站中最为关键的核心设备，被誉为快速装车站的四肢和肌肉。由于液压缸支撑架在开关闸门时受到了很大的冲击载荷，如何能保证液压缸的稳定工作，对于快速装车系统优劣有着决定性的作用。所以对液压缸支撑架的力学分析，对于改良快速装车系统有着至关重要的意义。

1 火车快装系统液压缸支撑架模型建立

火车快装系统液压缸支撑架是由型钢组成的钢结构，上下为H型钢，左右为C型钢，余下为钢板。长度为3 m，宽为0.32 m。

1.1 所选用材料的参数

材料选用Q235-A钢，其材料参数为：

1)杨氏模量E=200 000 MPa;2)泊松比μ=0·3;3)密度ρ=7·8 x 10-6 kg/mm3。

1.2 模型网格划分

由于模型多个体组成一个整体模型，采用自由网格对其进行划分。自由网格是自动化程序最高的划分技术之一，它可以在面上(平面、曲面)自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四面体网格。通常情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术(SMARTSIZE命令)来自动控制网格的大小和疏密分布，也可以人工进行设置网格的大小并控制疏密分布，以及选择分网算法(MOPT命令)。对于较复杂的模型而言，这种划分法省时省力，确定是单元数量通常会很大，计算效率降低。同时，这种方法对于较复杂的三维模型只能生成四面体单元，为了获得较好的精度，建议采用二次四面体单元(solid92)，本文采用solid92单元对模型进行网格划分。

1.3 载荷的确定

本文是以闸门最大承受压力150 t为例，物料与闸门板之间的摩察系数为0.3，所以每块闸门板所承受液压缸给的最大驱动力由公式：

F=μN. (1)

所以得出F=4.5×106N，即每块闸门板受到驱动力为2.25×106N。

随着闸门板越开越大，随着物料的下落，其所受到的压力就会越来越小。液压缸驱动力是一个变化的过程，对于快速定量装车站要求，一般要求在455 s内完成一节车厢的装车，并且每两节车厢之间有105 s的换车时间间隔，一节车厢的实际装车时间只有30 s。系统要求单节车厢装载精度误差小于0.3%，为保证高速卸料的精确控制，液压闸门的启闭速度就非常关键，而系统流量决定了油缸运行速度，而所有执行机构中配料闸门的关闭速度及其流量分析则是保证装车精度的关键。通过一个循环的配料时间分配(快速

配料3 s，中速配料2 s，精细配料4 s)，取2 s是系统流量最大，即驱动力最大。根据F随时间变化设方程为：

闸门板上随着闸门的打开的过程中，面积的减小与物料的减少，压力不断的减小。此过程可看成一个线性过程，在闸门打开的瞬间，每块板的最大压力为F=7.5×106N，均匀分布在每板20个支撑点上F=3.75×105，设方程为：

F=ax+b. (5)

根据在t(0)时，F为最大值;t(10)时，F=0解得：F=37 500-3750xx，x>0。

2 实验结果

根据以上所定义的弹性模量、泊松比以及对自由度的约束和载荷的添加，在ANSYS分析结果，分析GUI命令为：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，当弹出Solution is done的提示框后，表示模型分析完毕，就可以通过后处理器查看模型分析结果了。如下面的图所示，模型的各个位移变化、应力变化、应变变化等等。所采用的单位制为：m—s—kg—N—kPa，后文各图如无注明单位，均遵循此单位制。

如下图1到4，为液压缸支撑架在有限元力学性能分析前后的模型位移对比，由图可知其主要变形的位置在于与液压缸支撑点连接的固定板以及液压缸的支撑点。

由图1至图4得出沿X，Z轴位移最大的点在液压缸支撑点附近分别为节点10 176，位移为0.927 67×10-3mm和节点31 400，位移为0.842 87×10-3mm;沿Y轴最大的位移点在固定板与上下H型钢的连接处为节点352 726，位移为0.129 61×10-3mm。

由图5可以看出，各个整个模型应力分布的情况，沿X轴应力分布主要集中在于10.6 MPa至15.248MPa这个范围内;沿Y轴应力大部分主要集中在5.621 8 MPa范围内，但是在液压缸支撑点，还有支撑板与其的连接处、支撑板与H型钢连接处应力分布高达16.869 4 MPa;沿Z轴应力主要集中在9.01 MPa至10.4 MPa范围内。

单个液压缸的最大载荷为2.25×106 N，选择的液压缸参数为下表所示：

根据最大载荷计算出油缸的最大工作压力：

从上面分析模型的应力，有些位置最大应力超过了液压缸最大工作压力，会导致系统的不稳定性，影响系统工作的工作状态，为此，需要对此模型进行优化，合理地分布载荷，确保液压缸支撑架结构稳定、可靠的工作。