基于ABAQUS的智能制动阀力学性能研究*

孔德帅， 金 哲， 李 博， 王群伟， 侯 超

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094；3 中国铁路济南局集团有限公司 济南西车辆段， 济南 250117)

EP09制动控制单元是一个机电一体化的电子机械装置，每个BCU由气动单元和电子控制装置两部分组成。在结构设计上，它将安装在集成气路板上的气动单元和实施电子控制的板卡机箱分割成两个独立单元，但又组合在同一箱壳内，这就为故障检测和维修保养提供了方便。随着车辆轻量化进程的不断推进，对车下设备也提出紧凑化、轻量化、智能化的要求。EP09A智能制动阀在EP09制动控制装置的基础上，将气动单元的阀体及管路集成在一块阀体内，通过两根M12×288长螺柱固定在与车体连接支架背板上，电子控制装置集成在一个箱体内并固定在阀体上，向阀体发送电子指令从而对气动压力进行控制。

连接长螺柱的预紧力可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密型和可靠性。文中使用有限元的方法研究长螺柱的预紧对智能制动阀力学性能的影响规律。

1 有限元模型

1.1 模型简化

智能制动阀的结构如图1所示，主要由连接支架、连接背板、集成阀体、双头长螺柱和电子机箱及附件等组成，其中背板、阀体及电子机箱采用轻量化的铝合金材料，连接支架为碳钢，双头螺柱为高强钢。在计算中所使用的材料参数如表1所示。

由于车下设备在工作时所受的载荷均为惯性力，智能制动阀的连接支架和双头螺柱为主要承力部件，因此在模型简化时将电子机箱及附件等效成质心位置的质点通过MPC连接到阀体上，不考虑阀体的变形将阀体等效成刚体，忽略连接背板上的附件及倒角等微小特征。高强度双头螺柱连接副包括双头螺柱、螺母和垫圈，在模型简化时忽略垫圈的影响，把螺母和双头螺柱组合成一体分析，双头螺柱与连接背板、阀体之间发生接触，接触属性定义为具有法向作用关系又有切向作用关系。螺柱的预紧力采用Bolt load模拟。

图1 智能制动阀结构示意图

表1 主要材料的性能参数

1.2 网格划分

在模型的前处理过程中对双头螺柱采用六面体C3D8R单元为主的扫略方法进行网格划分，其他零件采用C3D10的四面体单元进行自由划分，本模型共划分成180 116个单元，284 434个节点，最终的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

1.3 载荷

按照EN 12663-2000《铁道应用-轨道车身的结构要求》对结构施加如表2所示的加速度载荷，其中g代表重力加速度。其中坐标系按以下方式规定：X方向为列车运行方向，Z方向为垂直轨道面向上，Y方向以右手法则确定。智能制动阀在车底的安装方向如图3所示。

表2 加速度载荷

图3 智能控制阀的安装方向

2 计算结果及分析

2.1 摩擦系数对螺柱强度的影响

由于双头螺柱与阀体的安装孔之间存在一定的装配间隙，因此在冲击载荷的作用下螺帽与被连接件接触面的摩擦系数会影响预紧力的作用效果，从而对螺柱的受力产生一定的影响。假设双头螺柱上施加5 000 N预紧力，以螺柱的轴心为圆心以Z向正向为起点沿顺时针方向计角度，在冲击载荷的作用下螺帽与连接背板之间的摩擦系数μ对接触面的法向接触应力的影响规律如图4所示，最大接触应力发生在螺帽的最外沿。在纵向3g加速度的冲击载荷下摩擦系数对法向接触应力分布影响较小，在270°附近由于靠近连接板的边缘其接触应力最小。在横向1g加速度的冲击载荷作用下，μ=0.05、μ=0.125和μ=0.2的法向接触应力分布具有相似的单调性，但μ=0.05的法向接触应力分布震荡严重，容易形成局部的应力集中。在垂向1.5g加速度的冲击载荷作用下，当μ=0.05时，由于整个结构的重心偏向X正向使得螺帽垂向上端与连接板发生严重挤压其法向接触应力达到最大值。当μ=0.125和μ=0.2时，在不同方向冲击载荷作用下，接触应力分布一致，这表明预紧力能够有效的作用从而抵御各种载荷。整体而言接触面摩擦系数越大法向接触应力分布越均匀，更容易形成可靠的预紧。

图4 螺帽与连接背板间的摩擦系数对法向接触应力的影响规律

在冲击载荷的作用下螺帽与阀体之间的摩擦系数μ对接触面的法向接触应力的影响规律如图5所示，当μ=0.125和μ=0.2时由于阀体定义为刚体具有无穷大的刚度，因此接触应力的最大值在接触面的中圈形成一条等值线其值约为167 MPa，这种中圈均布的接触应力能够承受各向的冲击载荷更容易形成可靠的预紧。而μ=0.05时在垂向和横向载荷的作用下，法向接触应力出现不同程度的波动。

图5 螺帽与阀体间的摩擦系数对法向接触应力的影响规律

接触面的摩擦系数对智能制动阀连接双头螺柱的最大等效应力的影响规律如图6所示。在纵向冲击载荷作用下接触面的摩擦系数对智能制动阀连接双头螺柱的最大等效应力几乎没有影响。在垂向载荷作用下，螺柱的最大等效应力对接触面的摩擦系数的影响较为明显，纵向载荷次之。其影响规律为摩擦系数越大，螺柱的最大等效应力值越小，当摩擦系数大于0.15时最大等效应力值不再发生变化，螺栓连接副形成可靠的连接。

图6 接触面的摩擦系数对螺柱最大应力的影响规律

2.2 预紧力对刚度的影响

预紧力可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性，较高的预紧力对连接的可靠性和被连接件的寿命都是有益的。由于智能制动阀的固定点在连接支架的顶端，为典型的悬臂梁结构，结构的刚度是设计过程中需重点考虑的因素。双头螺柱预紧力对智能制动阀结构的刚度的影响规律如图7所示，在纵向载荷作用下，预紧力对智能制动阀的刚度几乎无影响，而在横向载荷作用下智能制动阀的刚度对螺柱的预紧力的变化较为敏感，垂向载荷下次之，预紧力越大智能制动阀的刚度越好，当预紧力达到一定水平时，其作用对结构的刚度不再产生影响。

图7 螺柱预紧力对智能制动阀刚度的影响

2.3 预紧力对动态特性的影响

振动模态是机械结构的固有的、整体的特性。通过模态分析方法能够了解结构在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频率段内在外部或内部各种振源作用下的实际振动响应。因此，模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报，以及结构动力特性的优化设计提供依据。单自由度无阻尼自由振动系统的固有频率表达式为：

(1)

式(1)中K为结构的刚度，M为结构的质量。

由式(1)可知，结构的固有频率即振型由结构的质量和刚度决定。

利用ABAQUS求得不同预紧力下智能制动阀的前四阶固有频率如图8所示。随着预紧力的增加智能制动阀的固有频率均有不同程度的增加，当预紧力大于一定程度(5 kN)时，各阶固有频率不再发生变化。当预紧力分别为1 kN、3 kN、5 kN和6 kN时，一至四阶固有频率的波动分别为0.53 Hz、0.32 Hz、5.9 Hz和0.4 Hz，因此，长螺柱的预紧力对智能制动阀的固有频率的影响较为有限。

图8 预紧力对固有频率的影响

3 结 论

(1)螺帽与连接体之间接触面的摩擦系数越大，法向接触应力分布越均匀，越能够形成可靠的预紧。螺栓连接被连接体的刚度越大，其接触面的法向接触应力分布越均匀，越能够形成可靠的预紧。

(2)在纵向冲击载荷下，螺帽与连接体之间的摩擦系数对双头螺柱的最大等效应力几乎无影响；在垂向载荷作用下，双头螺柱的最大等效应力对接触面的摩擦系数的影响较为明显，纵向载荷次之。其影响规律为摩擦系数越大，双头螺柱的最大等效应力值越小，当摩擦系数大于0.15时最大等效应力值不再发生变化。

(3)在纵向载荷作用下，预紧力对智能制动阀的刚度几乎无影响，而在横向载荷作用下智能制动阀的刚度对螺柱的预紧力的变化较为敏感，垂向载荷下次之，预紧力越大智能制动阀的刚度越好，当预紧力达到一定水平时，其作用对结构的刚度不再产生影响。

(4)随着预紧力的增加智能制动阀的各阶固有频率均有不同程度的增加，当预紧力大于一定程度(5 000 N)时，结构的各阶固有频率不再发生变化。但总体而言，长螺柱的预紧力对智能制动阀的固有频率的影响较为有限。