動車組彈簧微動研磨力學分析及主要研磨參數(shù)選擇的研究.pdf

1、隨著我國軌道交通運輸行業(yè)的飛速發(fā)展，列車零部件的質量問題顯得更為重要。彈簧作為動車組列車減振系統(tǒng)中的重要功能性零件，它起到諸如吸收和隔離振動，保證乘員的舒適和安全，提高車輛在高速運行的平穩(wěn)性，增加動車組零部件及軌道的使用壽命等作用。由此可見，彈簧的質量問題直接影響到動車的運行性能與運行安全，因此動車組彈簧高精度的設計準則至關重要。
　　在實際應用中，動車組彈簧往往會在工作過程中出現(xiàn)疲勞破壞，位置大多在第1-2圈（彈簧支撐圈與有效圈

2、）之間。這是因為彈簧加工過程中出現(xiàn)的突起、凹坑及褶皺等缺陷在彈簧支撐圈與有效圈之間造成點接觸。這些點接觸部位很容易引起應力集中以及疲勞裂紋，同時也是疲勞裂紋擴展速度最快的部位?？梢?，動車組彈簧存在點接觸極易導致其力學性能的大幅降低，從而嚴重影響彈簧的使用壽命。
　　對于動車組彈簧的生產廠家而言，解決彈簧支撐圈與有效圈之間點接觸大多是采用人工打磨方法。但人工打磨工藝存在著弊端：生產效率低下；難以實現(xiàn)大規(guī)模高效的加工制造；打磨的力度不

3、均勻，影響彈簧的表面質量，且也難以保證打磨后的動車組彈簧的支撐圈與有效圈之間一定是連續(xù)接觸狀態(tài)。
　　本文的主要目的是：針對上述問題，給出動車組彈簧振動研磨機的設計構思，期求通過振動研磨機實現(xiàn)彈簧支撐圈與有效圈之間的微動研磨，進而消除彈簧圈之間的點接觸。進一步地，在保證加工工件（動車組彈簧）力學性能不變的前提下，找出影響研磨機微動研磨效果的主要研磨工藝參數(shù)，并建立彈簧圈間的微動力學量與主要研磨工藝參數(shù)之間的關系。因此，有必要對研磨

4、過程中的彈簧進行微動研磨力學分析。本文完成的主要工作如下：
　?。?）闡述了動車組彈簧振動研磨機方案的意義與價值，分析了其微動研磨原理，確定了研磨體施加的力、研磨速度及研磨體位移為研磨機的主要研磨工藝參數(shù)。并建立了動車組彈簧振動研磨機主要研磨參數(shù)與彈簧圈間的微動力學量之間的關系。
　?。?）以某動車組彈簧為例，結合Solidworks和ANSYS（Workbench）建立了彈簧的精細有限元模型，對彈簧進行剛度特性分析及靜強度

5、分析，結果顯示彈簧剛度的有限元分析結果與理論結果誤差約為2.3％，靜強度有限元分析結果與理論解誤差為6%，依據(jù)所得結果驗證了所建模型的正確性。最后，得到了彈簧縱向剛度和橫向剛度精確的有限元結果，分別為241.062N/mm和65.207N/mm。
　　（3）為了獲得彈簧支撐圈與有效圈之間的接觸應力以及研磨體施加給彈簧的力，要對彈簧進行接觸分析。用ABAQUS對無凸起動車組彈簧進行了接觸分析，獲得了其接觸應力與壓縮位移的關系曲線，結

6、果顯示當彈簧壓縮位移為45mm時接觸應力最大。然后，考慮不同大小和不同位置的凸起情況，對有凸起的動車組彈簧進行了接觸分析，結果顯示彈簧模型支撐圈與有效圈之間出現(xiàn)最大接觸應力時對應的壓縮量都小于45mm。最后選取45mm為最大壓縮位移，將該狀態(tài)下對應的支反力作為研磨體施加給彈簧的力，其值為10845N，進而計算出單個彈簧所需的研磨體質量，其值約為1106.6kg。
　?。?）動車組彈簧的研磨過程中，除涉及靜態(tài)量之外，還涉及到大量的動

7、態(tài)量。為避免彈簧在研磨過程發(fā)生共振，首先對該彈簧進行了模態(tài)分析和預應力下的模態(tài)分析，分別獲得了其前6階固有頻率及其相應振型。在模態(tài)分析的基礎上對彈簧進行了諧響應分析，結果顯示了共振頻率為8Hz、118Hz及140Hz。在實際研磨過程中，應盡量避免外部激勵頻率落在這幾個頻率附近。同時為了獲得微動研磨速度與研磨位移，進行了彈簧瞬態(tài)動力學分析，獲得了載荷幅值、激振頻率與彈簧圈間的微動研磨位移和速度響應的關系，并據(jù)此分析得出：當研磨體位移為17