2007No15 重型机械
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钢轨端部压力矫直的有限元分析
盛艳明,李 骏
(华东交通大学机电工程学院,江西 南昌 330013)
摘 要:平直度是衡量钢轨质量的重要指标之一,它直接影响列车的运行速度、安全性及舒适性。本文应用ANSYS软件针对钢轨端部弯曲的压力矫直进行了有限元分析,建立了其载荷-挠度模型,使用该模型可进行矫直行程和矫直载荷的计算。实例计算表明,有限元计算结果真实可靠,与实际吻合,对于现场生产和相应自动矫直设备的开发具有实际指导意义。
关键词:钢轨;压力矫直;有限元
中图分类号:TG33312+3 文献标识码:A 文章编号:1001-196X(2007)05-0053-03
FiniteelementanalysisforthepressurestraighteningatrailendsSHENGYan2ming,LIJun(EastChinaJiaotongUniversity,SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,Nanchang330013,China)Abstract:Straightnessisanimportantperformanceoftherail.oftrains.
Itinfluencesrunningspeed,safetyandcomfort
Then,Inthis
Inthearticle,thepressurestraighteningofrailendsisanalyzedbyusingANSYSsoftware.
theload-deflectionmodelisestablished.Bymeansofthemodel,thestraighteningstrokeandstraighteningloadcouldbecalculated.TheexamplecalculationresultsbyFEMarecoincidentwithpracticalresults.Keywords:rail;pressurestraightening;finiteelement
wayitcanprovidescientificbasisfortherailmanufactureandthedesignofautostraighteningequipment.
1 引言
平直度是衡量钢轨质量的重要指标之一,它直接影响列车的运行速度、安全性及舒适性,也是决定钢轨使用寿命的重要参数
[1,2]
里客运专线钢轨技术条件”,对钢轨平直度提出了更严格的要求。
目前在钢轨的生产过程中,必须采用多辊式矫直机进行矫直以保证其平直度。然而,经辊式矫直机矫直后的钢轨在轨端仍会存在弯曲(称为端部盲区)难以矫直,这是由辊式矫直机的辊间距决定的。钢轨的端部弯曲使得在铁路上的钢轨对接有困难,给行车带来影响。而辊式矫直机对端头弯曲为力,因此还必须采用压力矫直机进行端部补充矫直
[1～3]
。GB2585-
81中对钢轨平直度的要求是≤015mm/1m。随
着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,高速铁路运输的市场需求越来越大,保证高速铁路运行的安全性、平稳性和舒适性显得尤为重要。为满足时速超过200公里的客运专线和高速铁路的需要,铁道部于1998年颁布了“时速200公里客运专线钢轨技术条件”和“时速300公
。所以,开展钢轨端部弯
曲的矫直研究对于提高钢轨生产质量、保障列车行车性能安全具有重要的研究意义。
本文在现有压力矫直研究的基础上
[4]
,针
收稿日期:2007-07-11;修订日期:2007-07-31
作者简介:盛艳明(1981-),女,华东交通大学机电学院硕士
研究生。
对钢轨端部高度方向上的矫直问题,采用AN2SYS软件进行了有限元分析,建立了钢轨压力矫
直过程的载荷-挠度模型,应用该模型进行钢轨
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端部矫直行程和矫直载荷的计算,解决了有限元方法在钢轨端部矫直领域中的应用问题,为深入研究钢轨端部矫直过程中的变形问题提供了一种高效而又简洁的方法。
模拟研究,单元类型选择适合三维实体进行有限元模拟的SOLID45单元,材料模型选用双线性随动强化模型
[5]
。需要输入的模型参数取:弹
性模量EX=210GPa,泊松比P为013,屈服应力为550MPa,切线模量为60000MPa。2.3 网格划分
2 钢轨端部矫直的有限元分析
211 建立几何模型
选择合适的单元与网格尺寸进行网格划分,既能够保证所需的计算精度,又能够以较高的计算效率进行模拟计算。考虑到计算结果的准确性,本文中网格尺寸采用手动定义,选用实体单元进行划分。最后整个模型共划分出2660个单元,3759个节点,钢轨断面网格划分情况如图3所示。
我国的标准钢轨分为75kg/m、60kg/m、50kg/m和43kg/m等几种,本文以60kg/m钢
轨为例进行研究,其断面尺寸如图1所示。建立合适的几何模型是保证有限元模拟计算结果准确的基础,本文在建立有限元模型时,尽量对几何模型不做简化,模型的断面采用实际尺寸,模型长度为1m。所建立的几何模型如图2所示。
图3 钢轨断面网格划分图
214 约束和加载求解
钢轨端部的压力矫直实际上也是一个三点弹塑性反弯的过程。矫直时,在钢轨端部由两支点(本文取两支点之间的距离为1m)支撑,在这段
钢轨的中点弯曲处反向加压,使这段钢轨反弯并产生一定的塑性变形,卸载后钢轨发生弹性回
图1 60kg/m钢轨断面图
弹,若回弹量正好等于反弯量,则钢轨端部被矫直
[4]
。若能计算获得总的压下挠度,则可通过
位移传感器测量以进行矫直过程的行程控制。
有限元分析时,在模型底部两端施加约束,然后在模型中部施加反向集中载荷,定义分析类型为小变形静力分析。需要注意的是,由于要同时计算加载时的变形量和卸载后的残余变形量,所以要定义两个荷载步来进行求解,且在两个载
图2 钢轨矫直的几何模型图
荷步都求解完成后才能退出求解器。215 后处理和结果分析
212 模型的材料参数
为了使数据更加直观,便于比较分析,需要进行模拟结果的后处理,ANSYS提供了两个后
关于钢材种类,本文选用U71Mn钢轨进行
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数,即所需的矫直行程(即压下挠度)和所需的矫直压力。
处理器:通用后处理器和时间历程后处理器。本文所用结果均是从通用后处理器所得,分别读出两个载荷步的计算结果,获得加载后的挠度变形量和卸载后的残余挠度变形量。可以对上述模型施加不同的载荷,从而获得一组相应的挠度变形量和残余挠度变形量,即得到相应的载荷-挠度模型
[4]
如图4所示。从图5加载后模
型的挠度情况可以看出,加载后长度方向出现了程度不同的变形情况,这一点完全符合压力矫直实际情况。
图6 初始弯曲量与矫直参数
根据图6可知,若钢轨端部初始弯曲量为017mm,则所需的矫直压下挠度约为6mm,而
所需的矫直压力约为1150kN,这些参数的获得可为现场实际生产提供指导。
4 结论
图4 矫直过程的载荷-挠度模型本文采用有限元方法对钢轨端部的压力矫直过程进行了模拟分析,通过计算建立了挠度-载荷模型,可以根据初始弯曲量获得所需的矫直载荷和矫直行程。本文给出的方法简便、有效,可用于指导现场实际生产,也为相应自动矫直机的设计开发提供了计算依据。参考文献:
[1] 郭华,梅东生,王彦中.钢轨复合矫直技术的应
用[J].轧钢,2002,19(5):11～13.
[2] 张龙华,毕恩复,宋文宇.钢轨矫直技术的发展
及其在鞍钢重轨生产中的应用[J].鞍钢技术,
图5 钢轨截面压下挠度图
2004,(2):36～39.
[3] VolegovIF,PolyakovAP,KolmogorovSV.Math2
3 结果分析
本文根据钢轨端部不同的初始弯曲量,对模型施加一组相应的载荷,通过ANSYS软件计算得到一组相应的变形量即矫直行程,得到如图4所示的载荷-挠度曲线,该曲线与文献[3]的实验研究结果是一致的,说明了有限元分析结果正确,与实际吻合。为便于更为直观有效的加以应用,可将计算结果通过插值的方法,绘成如图6所示,横坐标为初始弯曲量,纵坐标包含两个参
ematicalmodelofrailstraighteningandexperimentalestimationofitsadequacy[J].
JournalofMaterials
ProcessingTechnology,1994,40(1-2):213
～218.
[4] 李骏,邹慧君,熊国良等.压力矫直过程模型的
有限元分析及应用[J].重型机械,2004,(1):
28-30.
[5] 祝磊,马赢.ANSYS入门与提高[M].北京:清
华大学出版社,2004.
