JC-17B型移动式架车机传动装置优化设计

陈红英， 张士强

（1.唐山科源环保技术装备有限公司，河北唐山063300；2.唐山学院机电工程系，河北唐山063000）

JC-17B型移动式架车机传动装置优化设计

陈红英1， 张士强2

（1.唐山科源环保技术装备有限公司，河北唐山063300；2.唐山学院机电工程系，河北唐山063000）

架车机是动车组检修基地必备的大型关键装备之一，目前以手动移动式架车机的使用最为普遍。移动式架车机主要由机体、传动装置、托头部分、走行装置等部分组成。传动装置作为其重要组成部分，它的安全性、平稳性对整个设备的工作性能起着重要作用。文中运用现代设计方法，利用Pro/E、ANSYS等现代工程软件平台，对JC-17B型移动式架车机的传动装置进行屈曲模态分析，完成架车机传动装置的优化设计，为今后各类架车机的研制、技术改造和设备更新提供可靠的设计依据。

架车机；传动装置；屈曲模态；优化设计

0 引言

动车组按规定进行检修是保证安全运行的重要工作。在检修基地集中检修是我国高速动车组检修所采用的主要模式［1］。而架车机是动车组检修的主要设备［2］。目前，国产高速动车组有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5 4种车型，各车型的技术参数不同。为满足动车多种车型检修，架车机必须具有良好的可靠性和兼容性。JC-17B型移动式架车机是经常采用的动车架车设备，可以同时实现8辆编组和16辆编组的架车作业。为了提高效率，对其进行了部分结构改造，托头部分伸缩采用了电动推杆，行走装置采用电机拖动，同时原动机从传统的顶部安装改装到底部安装，方便架车机的维修。其中传动装置是其重要组成部分，特别是传动丝杠的安全性、可靠性对整个设备的工作性能起着重要作用。目前机械设备的结构设计、优化由以前的经验、类比、静态设计阶段，步入了建模、优化、动态设计阶段［3～7］。因此本文利用Pro/E、ANSYS等现代工程软件平台，对JC-17B型移动式架车机丝杠进行屈曲模态有限元分析，完成架车机传动装置的优化设计，改善架车机的工作性能，为今后各类架车机的研制、技术改造和设备更新提供可靠的设计依据。

1 传动装置建模

传动装置作为架车机工作的主要机构之一，主要包括传动丝杠、传动螺母、安全螺母、轴承等部件。整个装置采用丝杠传动，保证传动的平稳性和架车过程的同步性。装置配有安全螺母来防止传动螺母发生意外。本装置采用丝杠螺旋传动，传动平稳。配合轴承、套筒等零件建立整个传动装置的实体模型。传动装置的装配图如图1所示。

图1 架车机传动装置基本结构

2 丝杠屈曲模态分析

屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状的技术，首先进行带预应力的静力分析，屈曲分析的模型采用丝杠静力分析的模型。设定分析类型为Static，分析选项中打开预应力按钮，在丝杠一端添加约束，在另一端施加100 Pa的载荷（这里不必要添加实际载荷，因为后面得到的特征值实际是个系数，要乘以这里所添加的载荷数值才是最终的屈曲特征值，所以为了后面的方便通常在这里添加单位载荷，即如10/100/1000/10000……），与静力分析一样点击solve> CurrentLS进行带预应力的静力求解。设定分析类型为Eigen Bucking；屈曲分析选项为Block Lanczos，屈曲阶数为10；点击solve>CurrentLS进行特征值屈曲求解。列表显示各阶屈曲载荷的特征值，从而得到临界载荷，其结果如图2。

图2中TIME/PREQ下面对应的数值表示载荷放大倍数，原模型施加的是100个单位载荷，所以该放大倍数乘以100就表示欧拉临界载荷。结构的屈曲分析特征值第1、2阶相差不大；第3、4阶相差不大；依次类推，这是因为丝杠除键槽部分外横截面为圆形，两个方向惯性矩相等，它们之间的差异是由键槽部分引起的。

由屈曲分析特征值得到各阶临界载荷，如表1所示。

表1 屈曲分析各阶临界载荷

由此可知随阶数增加，屈曲临界载荷逐渐增大，即最小的屈曲临界载荷是1阶屈曲载荷，最小值为34.92 MPa，而丝杠所受载荷为35.1 MPa，大于最小临界载荷，因此丝杠在工作过程中受压会发生屈曲。因此设计时应改善丝杠的受力情况，传动装置采用将电动机置于丝杠下端的传动方式，上端采用止推轴承，使丝杠在工作过程中所受力为拉力，以此来防止丝杠在工作过程中发生屈曲。

3 传动丝杠的优化设计

图3 优化前等效应力云图

图4 优化前丝杠应变云图

优化前丝杠的等效应力云图如图3所示，最大等效应力为53.7 MPa。图4为优化前丝杠的应变云图，最大应变为0.27 mm。表2为定义优化变量，表中R为丝杠的半径，VONSTRESS 为丝杠所受的等效应力，V指的是丝杠的体积。

图5为各参数和目标函数的迭代过程。带“*”为最优结果。第三次迭代最优：R=0.037 m，体积为0.011 06 m3。

图6、图7、图8分别为半径、体积及应力迭代过程。图9中最大等效应力为46 MPa。图10中最大变形为0.016 5 mm。表3为优化前后各数据对比情况。采用参数化实体模型的优化方法对丝杠进行优化，使十分艰巨的工作变得简单、直观、高效。丝杠的直径减小了6 mm，体积减小了12.5%，从而降低重量，节约材料，节省成本。丝杠的等效应力降低了14.3%，应变也显著降低，使装置的工作稳定性、安全性得到提高。

表2 定义优化变量

图5 迭代过程

图6 设计变量R的迭代过程曲线

图7 目标函数随设计变量的迭代过程

图8 状态变量随设计变量的迭代过程

4 结论

图9 优化后丝杠的等效应力云图

图10 优化后丝杠的应变云图

本文对架车机传动装置进行三维造型，对关键零件原丝杠进行了屈曲模态分析，采用使丝杠受拉的方式来改善丝杠受力状况，并利用ANSYS软件对关键零件机架丝杠进行了优化。实践证明，基于以上优化方法研制的移动架车机在实际运行当中效果很好。

表3 优化前后各项数据对比

［1］ 喻贵忠，刘广丹，等.国产动车组新颖架车机［J］.机车电传动，2010（1）：37-41.

［2］ 丁辉.现代城轨车辆检修工艺装备综述［J］.铁道机车车辆，2007（6）：30-33.

［3］ 卜庭春，李向东，李水水，等.基于ANSYS的桥式起重机卷筒优化设计［J］.煤矿机械，2011（12）：43-45.

［4］ 徐鹏，王年，张帅.基于ANSYS的直线滚动导轨模态分析［J］.煤矿机械，2011（7）：84-86.

［5］ 杨春晖，王建国，李京山等.基于液压仿真和有限元的试验设备关键零件优化设计［J］.机床与液压，2012（10）：84-86.

［6］ 石琴，卢利平.基于有限元分析的发动机罩拓扑优化设计［J］.机械设计与制造，2009（6）：31-33.

［7］ 陈新，何杰．基于动力学特征的磨床床身结构优化布局设计［J］.制造技术与机床，2001（2）：21-22.

（编辑立 明）

Optimization Design of Transmission Device on the JC-17B Mobile Lifting Jack

CHEN Hongying1,ZHANG Shiqiang2
（1.Tangshan Keyuan Environmental Protection Equipment Co.,Ltd,Tangshan 063000,China;2.Department of Electromechanical Engineering,Tangshan College,Tangshan 063000,China）

Mobile lifting jack is one of the large-scale key equipment to CRH train overhaul base,at present the manual mobile lifting jack to use the most general.Mobile lifting jack consists of main frame,transmission device,a head supporting portion,a walking device and other components.Transmission as its important component,its safety stability of the equipment performance plays an important role,This is the use of modern design method,using Pro/E, ANSYS and other modern engineering software platform,to do modal analysis of buckling for transmission device on JC-17B mobile lifting jack,complete the transmission design optimization,for the future of all types of mobile lifting jack development,technological transformation and equipment renewal provides a reliable basis for the design.

mobile lifting jack;transmission;buckling mode;optimization design.

TH 122

A

1002－2333（2014）05－0140－03

陈红英（1973—），女，工程师，主要研究方向为机械设计、产品优化设计，煤气发生炉研发；张士强（1974—），男，副教授，硕士，主要从事非标产品设计及发动机配气系统研究。

张士强，zsq933@126.com.

2014-02-25