基于SolidWorks的轮对正反压机的虚拟样机设计

陈宝根　韩兵　吴建洪

摘 要：在轮对正反压机的研制阶段，利用SolidWorks软件建立虚拟样机模型、使用SolidWorks Simulation插件对样机的关键部位进行有限元分析计算。

关键词：轮对正反压机；虚拟样机；有限元分析；SolidWorks

机车轮对作为机车走行部中最重要的部件之一，轮对由车轴、车轮和从动齿轮等组成。机车全部重量通过轴颈、轮对作用于钢轨上，当车轮行经钢轨接头、道岔等线路不平顺处时，轮对直接承受来自钢轨的全部垂向和侧向冲击。为保证行车安全，车轴通常采用热装、注油压装或冷压组装工艺压装在车轮内，通过过盈配合防止车轮在承受侧向冲击时出现轴向窜动。

在实际生产中，一般使用轮对压力机模拟轮对承受最大侧向冲击时的轮对轴向窜动情况，确保每只轮对都能够合格流转。由于各车型轮对的车轮和从动齿轮等的结构各不相同，轮对试验的承压方式也分为正压和反压，因此研制一种同时兼容几种车型轮对正压、反压试验的专用正反压机就显得十分必要。

为此，通过使用SolidWorks 2010软件对轮对正反压机进行了三维创新设计，利用SolidWorks Simulation对所设计的轮对正反压机样机的关键部位进行了静态有限元分析，最终完成了基于SolidWorks的輪对正反压机的虚拟样机设计。

1 轮对正反压机的样机设计

1.1 轮对三维参数化模型的创建

根据图纸分析获知各车型轮对车轴、车轮和从动齿轮的结构、外形尺寸各不相同，在SolidWorks中利用旋转、拉伸、切除等特征创建了DF4系列、DF7系列、DF8系列和HXn5B轮对等各车型轮对的三维参数化模型（见图1）。

1.2 样机的总体设计

正反压机样机要同时满足DF4系列、DF8系列、DF7系列、HXn5B机车轮对的反压试验或正压试验，并且要求样机两端都可以对滚抱或滑抱结构轮对的车轮、轮心及从动齿轮进行正、反压试验。

在虚拟样机的总体设计时，以轮对通用反压机的结构为基础：通过固定车轮，使用液压油缸对车轴施压相当的冲击力，模拟机车运行中轮对承受侧向冲击的工况。同时构建左右对称分布的结构，保证样机两端都可以做正、反压试验。

在此基础上，使用两只支承小车在放置轮对的同时，能够随油缸活塞杆在一定的直线范围内移动，以实现油缸压力向车轮的传递。

1.3 样机机体的设计

综合分析各车型轮对的轮毂结构、从动齿轮的直径尺寸、以及各车轮的正压或反压试验的需要，创建了样机机体的三维参数化模型。样机机体作为低合金高强度结构钢Q460E的整体焊接件，直接利用机体的前后挡板作为车轮正、反压的支承面，简化了样机的设计结构，提高样机的可靠性和易维护性。合理配置机体前后挡板的开档尺寸和外形轮廓尺寸，使之既能满足在各车型轮对正压或反压时作为车轮支承面的需要。

1.4 样机其他部件的设计

在其他部件设计的过程中，采用模块化思想，把每个零部件做成单独的模块。根据总体设计思想及样机试验的复杂工况，设计创建了支承小车、过渡支承、油缸、导轨和导向轴等的三维模型、同时通过SolidWorks Toolbox标准件库调用了包括蝶形螺母、直线轴承等在内的一系列标准件。

1.5 样机的虚拟装配

Solidworks采用虚拟装配模式，提供了自下而上、自上而下或2种方法结合的装配方法。本文采用自上而下的设计方式，即将已经设计好的零部件的三维参数化模型，按照相互的位置装配关系进行组装。这种自上而下的装配方法更符合一般工程设计的装配习惯，应用较多。

利用重合、平行、同轴心、线性/圆周阵列、镜像等配合关系将各零部件依次装配起来，最终得到轮对正反压机的整机装配（见图2）。

完成组装后，使用SolidWorks干涉检查命令来检查发现，大多数螺纹部位干涉，这是因为在建模时的螺纹孔和螺钉零件的螺距不准确，所以组装以后不会对位，这时需单击忽略按钮来排除。其余部件间不存在干涉现象，样机的静态干涉检查完成。

2 样机的有限元分析

在产品研发阶段，对重点部件和结构使用有限元分析，能够有效地优化其设计结构，避免研制出不合格的产品。因此，在综合分析正反压机运用过程中的受力情况，并以承压最大的DF4系列反压试验为标准，使用SolidWorks Simulation对轮对外侧支承挡板进行强度校核。

2.1 建立数学模型

在样机机体三维模型中取出轮对外侧挡板的三维参数化模型，建立挡板的数学模型。在SolidWorks Simulation中配置挡板材料为低合金高强度结构钢Q460E，定义挡板约束方式为与样机机体焊接倒角处固定，模拟静态压力取正压或反压试验最高压力值180t，取1800kN。作用面为轮毂与挡板的结合面，设定压力均匀分布。其中钢板Q460E的材料属性见表1。

2.2 建立有限元模型

通过离散化过程，将挡板的数学模型剖分成有限单元，形成挡板的有限元模型。这一过程在视觉上是将几何模型划分成网络，故又称网格划分。载荷和支撑在有限元模型建立后，也需要离散化。离散化的载荷和支撑将施加在有限单元网格的节点上。

在轮对外侧挡板的网格划分中采用4 Points雅克比检查，关闭自动过渡选项，打开光滑表面选项，设定标准单元大小25mm，公差1.25mm。最终划分轮对外侧挡板为37934个单元、58539个节点（见图3）。

2.3 求解轮对外侧挡板的有限元模型

在挡板静态分析时选用了FFEPlus（Fast Finite Element Plus）来解决有限元分析时出现的线性方程组。该方法采用了迭代算法，并利用了数学中的稀疏矩阵及先进的数据管理技术，计算时方程组收敛的速度较快，同时所得到的结果精度也较高。

根据挡板的有限元模型，基于线性静态分析，且材料设定为各向同性，利用FFEPlus迭代算法，获得了挡板的vonMises图（见图4）。

2.4 轮对外侧挡板的结果分析

根据SolidWorks simulation的分析结果，获知挡板的最大应力为拉伸应力，σbmax=443.8MPa位于轮对轮心压装面的边线上。钢板Q460E在厚度大于60到100mm之间时的屈服强度[σ0.2]=400MPa，其抗拉强度[σb]=550-720MPa。挡板的许用安全系数[s]=1.2。

雖然挡板的最大应力超出了材料的屈服极限，却小于抗拉强度极限，并不会发生失效断裂。取材料的抗拉强度[σb]=635MPa，挡板的安全系数：

s=[σb]/σbmax=635MPa/443.8MPa =1.43>[s]

挡板的安全系数高于许用安全系数，挡板的选材和结构设计能够满足试验的需要。同时，鉴于挡板最大拉应力超出材料的屈服极限，基于挡板材料Q460E的弹性模量E=2.1GPa，模拟出挡板的应变图（见图5）。

由图可知，轮对外侧挡板的在受压时，最大的弹性形变位移为1.9mm，位于轮毂与挡板结合面的边缘，符合试验设想。而根据挡板的应变图，挡板的最大应变量为0.150%，分析得到挡板在失去来自液压油缸施加的垂向压力后，能够自动复位。因此，样机机体结构的强度和刚度符合设计要求。

3 虚拟样机研制的总结

在利用SolidWorks软件进行轮对正反压机的创新设计过程中，使用先进的设计方法进行新产品设计具有很多优势：①利用SolidWorks软件绘制零件实体以及进行零部件装配非常方便快捷，能形象直观地表达预想的设计结果；②利用SolidWorks Simulation软件有限元分析优化软件可以随时对设计对象进行分析测试，优化设计对象的结构。

总之，利用目前的三维设计软件、有限元分析技术和运动仿真技术，可以帮助设计人员更快捷、更准确地进行新产品研发，能够十分有效地提高机械产品的设计水平。

参考文献

[1] 吴宗泽，卢颂峰，冼健生. 简明机械零件设计手册[M].北京：中国电力出版社.2011

[2] （美）DS SolidWorks?公司. SolidWorks? Simulation基础教程（2010版）[M]. 北京：机械工业出版社.2010.

[3] 张利强，赵亦希. HXn5型机车轮对压装工艺仿真研究[J].内燃机车，2013，5：19-22