CN105975715B - 17型车钩结构改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种17型车钩结构改进方法，具体包括以下步骤：对车钩进行CAD参数化建模；对车钩网格进行局部简化和局部细化，对接触对区域设定统一的网格；运用赫兹接触理论和有限元接触算法，对钩舌在拉伸工况下传递牵引力的状态进行分析；判断车钩结构是否合理，如结构不合理，则对车钩结构进行改进。采用本发明改进后的车钩具有较高的结构强度，降低甚至消除了车钩局部裂纹和变形破坏的现象，为铁路运输的安全提供可靠保障。

Description

17型车钩结构改进方法

技术领域

本发明涉及铁路运输设备技术领域，特别是一种机车车辆中连接使用的车钩。

背景技术

铁路运输中，需要对货运车辆进行多次编组，车钩作为货运车辆的连挂装置，主要在车辆间起到连接和缓冲的作用，其必须满足多种特性：首先，连挂装置必须具有重载货运的能力，这就需要货运车钩整体能够承受较大的载荷使得其满足运输安全性要求；其次，铁路编组过程中，连挂装置需要不断地进行摘钩/连挂操作，因此货运车钩在功能上必须能够满足列车摘钩/连挂的简易性，同时还需要在结构上保证该装置的耐用性和安全稳定性。但是由于车钩是车辆结构中最容易发生疲劳损坏的构件之一，因此车钩的整体强度直接关系到列车运行是否可靠与安全。

钩舌式车钩作为全球多个国家铁路货运列车的标准连挂装置，经过了一个多世纪的发展，其连挂基本原理仍然保持了最初的设计形态。但是，车钩作为一种通过传统工业流程设计的产品，在使用过程出现的局部破坏案例，仍然反映出了其结构设计存在的缺陷，因此，有必要探索提高车钩结构强度的方法，降低或消除车钩局部裂纹和变形破坏现象，提高铁路运输的安全性。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种针对车钩的改进方法，以降低或消除车钩局部裂纹和变形破坏现象，提高车钩的整体结构强度，为铁路运输的安全提供可靠保障。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

17型车钩结构改进方法，具体包括以下步骤：

A.对车钩进行CAD参数化建模；

B.对车钩设置参数并进行网格划分，对接触对区域设定统一的网格；

C.运用赫兹接触理论公式计算钩舌S面内侧的线接触应力，并在有限元运算中采用控制单一变量的方法间接测定钩舌S面内侧的接触应力的大小与分布；

D.根据钩舌S面内侧在拉伸工况下的应力曲线与对照组曲线是否吻合判断车钩结构是否合理，如不吻合，进行步骤E；

E.根据步骤C的分析结果和步骤D的判断结果，对车钩结构进行改进；并返回步骤C和步骤D，直到车钩结构合理。

上述17型车钩结构改进方法，步骤A具体包括以下内容：

A1.搜集车钩的二维零件图以及装配图资料，在Solidworks软件中进行数字建模；

A2.在拉伸状态下装配钩舌和钩身；

A3.对车钩进行干涉检查。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明通过对车钩进行数字化建模，并结合赫兹接触理论和有限元接触算法对车钩进行装配受力分析，找出车钩潜在的缺陷并分析造成缺陷的原因，以此提出改进车钩结构的合理方法，使改进后的车钩具有较高的结构强度，降低甚至消除了车钩局部裂纹和变形破坏的现象，为铁路运输的安全提供可靠保障。

附图说明

图1为本发明所述17型车钩的结构示意图；

图2为本发明所述两17型钩舌配合的装配图；

图3为两车钩连挂拉伸状态下的装配图；

图4为两车钩钩舌成线接触状态下的结构图；

图5为传统17型车钩钩舌S面内侧在拉伸工况下的应力曲线与对照组曲线对比图；

图6为设置对照组与实验组的测试区域示意图；

图7为17型车钩改进前钩舌S面外侧结构示意图；

图8为17型车钩改进后钩舌S面外侧结构示意图；

图9为17型车钩改进后钩舌S面外侧在拉伸工况下的应力曲线图；

图10为17型车钩改进后的钩舌示意图；

图11为17型车钩改进后的上钩耳结构；

图12为本发明的流程图。

其中：1.钩身，2.钩舌，3.肋板，4.凹槽，5.加强筋。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种17型车钩结构改进方法，其流程如图12所示，具体包括：对车钩进行CAD参数化建模；对车钩网格进行局部简化和局部细化，对接触对区域设定统一的网格；运用赫兹接触理论和有限元接触算法，对钩舌在拉伸工况下传递牵引力的状态进行分析；判断车钩结构是否合理，如结构不合理，则对车钩结构进行改进的内容。

本实施例以17型车钩为例，对其结构进行分析，并提出改进措施，以以提高17型车钩的整体结构强度和安全性。具体改进方法包括以下步骤。

A.对车钩进行CAD参数化建模。

16/17型车钩目前采用的材料为铸造E级钢(ZG25MnCrNiMo)，钩尾框采用的材料为锻造E级钢(25MnCrNiMoA)，具有结构强度高、防脱离防跳锁的能力强、曲线通过性能好的特点，同时具有更小的连挂间隙。但是，作为我国货运列车最新型号的17型车钩，其钩舌作为货车钩缓装置的主要零件，在传递牵引力和制动力的过程中与周围零件间不断产生冲击和碰撞，因此在运行过程中，钩舌、钩身零件存在多处强度较薄弱区域；主要表现为局部出现的裂纹及变形破坏。17型车钩在恶劣工况下，钩舌传递牵引力所经过的接触面面积较小且分布集中，牵引载荷主要作用在钩舌S面内侧的弯折处，调研中发现，钩舌零件的S面内侧易产生疲劳裂纹，裂纹的产生主要是由于车钩在拉伸状态下，钩舌S面内侧的应力总体上由三部分组成：一是车钩纵向的拉伸应力；二是伴随拉伸过程中产生的弯曲应力；三是由钩舌相互挤压碰撞产生的接触应力。

A1.搜集车钩的二维零件图以及装配图资料，在Solidworks软件中进行数字建模；建模过程中，围绕零件的基准模型进行参数化建模，实现模型设计的快速更改。

建模工作采用Solidworks软件完成，建模所使用的二维零件图以及装配图来自于郑州北车辆段的技术档案资料，为中国北车集团齐车公司设计的16/17型车钩。其中钩舌零件的建模参考了16型加厚型钩舌零件图，如图1所示；钩身零件的建模参考了17型车钩钩体零件图，如图1所示；钩锁铁零件的建模参考了16型车钩锁铁组装装配图，钩舌销零件的建模参考了16型车钩钩舌销零件图。两钩舌配合如图2所示。

A2.在拉伸状态下装配钩舌和钩身。

在拉伸状态下，钩舌上牵引突缘前端面22、下牵引突缘前端面21与钩身对应牵引突缘的后端面相接触，因此在两零件xoz与xoy对应平面对齐的基础上，调整钩舌与钩身x方向的相对位置，使牵引突缘接触面的间隙处于较小的状态。完成钩身与钩舌的装配后，将钩舌销装入二者销孔中心位置，避免穿透；将钩锁铁落于钩舌钩锁承台平面上，调整位置使其与钩舌、钩身零件上的钩舌锁面接触或留有较小间隙。

两车钩连挂拉伸下的装配如图3所示，在两车钩xoz与xoy对应平面对齐的基础上，调整两车钩钩舌的相对位置，使两钩钩舌S面的前侧对齐，使一车钩钩舌S面外侧与另一车钩钩舌S面内侧相切，如图3中的A点所示。

A3.对车钩进行干涉检查。

对车钩的装配状态进行检查，保证车钩实现正确的装配状态，避免后续有限元分析中造成网格初始穿透。当干涉出现时，有可能是由于建模的错误造成的，修改调整干涉区域的零件特征，使之达到正确的装配位置，即使装配体处于完全无干涉的状态，从而保证有限元分析过程的顺利进行。

B.对车钩设置参数并进行网格划分，网格划分过程中应进行局部简化和局部细化，实现对接触对区域设定统一的网格。

本发明通过装配体法和接触算法相结合分析车钩整体受力状况；通过对约束条件进行自动调整，可以准确反映车钩间的接触位置与受力面积。在拉伸工况下，17型车钩的主要受力部件为钩体、钩舌、钩锁铁及钩舌销，其中钩舌零件为加厚型号。依据车钩在闭锁状态下的位置关系构建出车钩装配体几何模型，利用其装配模块完成各零部件的精准定位。

有限元分析软件能够解决赫兹接触问题，且有限元分析结果的精确度取决于模型接触区域网格尺寸及单元接触刚度值。接触区域划分网格时，网格尺寸要小于接触区域半宽，最好小于接触半宽的50％。在网格划分中，对接触面网格尺寸控制在5mm以下，小于理论求解出的接触半宽21.1mm，其余部分尺寸控制在15mm～20mm左右，表面以四边形网格为主，混合三角形网格，内部填充一阶四面体单元。

C.运用赫兹接触理论和有限元接触算法，对钩舌在拉伸工况下传递牵引力的状态进行分析。

17型车钩的数字建模及装配完成后，即可将其模型导入至有限元分析软件进行分析求解。在求解器求解之前，需要对数字模型进行相应网格化处理，使之成为有限元模型，另外对模型设定材料参数、接触对和约束条件，使模型得到收敛且合理的求解。对钩身零件销孔施加1000kN的拉力，沿x轴正向，另一侧销孔施加固定约束。在车钩部件可能发生接触的位置设置接触对。然后运用赫兹接触理论公式计算钩舌S面内侧的线接触应力，并在有限元运算中采用控制单一变量的方法间接测定钩舌S面内侧的接触应力的大小与分布。

17型车钩钩舌S面赫兹接触分析及接触力的计算如下。

当两车钩钩舌接触时，在两个主平面上具有不同的曲率半径ρ1、ρ2。在载荷F的作用下接触，当载荷F为0时，接触为一点，接触区域随载荷增大逐渐变化成一椭圆，如图4所示。

对于线接触，赫兹应力采用下式计算获得。

式中：F——作用于接触面上的总压力；

B——初始接触线长度；

ρ1和ρ2——分别为零件1和零件2的初试接触曲率半径，其中正号用于外接触，负号用于内接触；

μ1和μ2——分别为零件1和零件2的泊松比；

E1和E2——分别为零件1和零件2的弹性模量。

具体到本实施例中，可通过在接触面上施加不同的总压力F，获得17型车钩钩舌S面内侧在拉伸工况下的应力曲线，如图5中曲线a所示，实验组曲线a中心附近存在4处较为明显的峰值，最大值接近670MPa。

D.根据钩舌S面内侧在拉伸工况下的应力曲线与对照组曲线是否吻合判断车钩结构是否合理，如不吻合，进行步骤F。设置对照组曲线的目的是为了通过对比考察实验组中区域α的接触因素对该区域的影响，结合理论计算，作为改进的参考。

对照组的设置与运算：将原先运算结果设为实验组并在其基础上，调整接触设置变量，删除区域α所在位置的接触对设置，使分属于两钩舌的单元和节点在运算中互不关联，定义区域α在对照组中的对应位置为区域β。对模型的材料属性、网格划分和约束条件的设置均保持不变。

如图6所示，分别将区域α和区域β所在位置从-140mm至140mm，以10mm为步长取值，共取25组应力值，将数据点输入坐标，绘制成接触区应力曲线，如图5所示，图5中的曲线b为对照组应力曲线。从图5中可以看出，两组曲线呈先递增后递减的趋势，与实验组应力曲线a相比，对照组曲线表现平滑且具有更好的对称性；从图6中可以看出，对照区域β处应力大于550MPa的面积Sb远远小于实验组区域α处的应力大于550MPa的面积Sa。

E.根据步骤C的结果和步骤D的判断分析，对车钩结构进行改进。

根据步骤C的结果和步骤D的判断分析可以看出，17型车钩的整体性能已达到钩舌式车钩的极限，钩舌作为车钩的实现自动连挂和快速摘钩的核心零件，其作为运动机构的同时，还需要承担所有的拉伸和压缩载荷，钩舌一些特征的设计为了实现机构功能，不得不在其强度性能上有所妥协，这些因素是造成17型车钩不能大幅提高承载能力的主要原因。由于同样的原因，钩身零件的主要薄弱环节集中在了钩头特征，与13型系列车钩相比，17型车钩最明显的改进处体现在了钩头的重新设计上，新的钩头设计不仅提高了钩身零件的安全性，同时最大程度的减少了钩舌零件承受恶劣载荷的可能，但是该设计使得钩身零件的复杂性大大提高，同时增大了车钩整体的重量，这些因素增大了车钩的制造难度和制造成本。

为了使17型车钩的钩舌S面内侧在拉伸工况下的应力曲线与对照组曲线相符合，在本发明中，通过改变钩舌S面接触点的位置来有效减小区域α的接触应力。根据有限元分析的结果，钩舌S面外侧受力较小，同时考虑到车钩通用性因素，确定对钩舌S面外侧轮廓进行适当修改即可满足减小区域α接触应力的要求。

首先，对车钩钩舌S面的外侧结构进行改进，改进前钩舌S面外侧结构如图7所示。根据有限元分析的结果，钩舌S面外侧受力较小，同时考虑到车钩通用性因素，确定对钩舌S面外侧轮廓进行适当修改，即使钩舌S面内外侧轮廓相对O点中心对称，改进后的钩舌S面外侧结构如图8所示。图8中R45和R95处即为钩舌S面外侧改进后的具体结构，与原钩舌轮廓相比，修改后的钩舌S面内外侧轮廓相对中心点O中心对称，可在拉伸工况下消除区域α处的赫兹接触。

对改进外侧结构后的钩舌再进行步骤C的分析，改进后钩舌S面外侧在拉伸工况下的应力曲线如图9中曲线c所示，可以看出在拉伸工况下的应力曲线比改进前的实验组曲线a消除了由于赫兹接触造成的局部应力峰值，提高了车钩连挂的安全性。

另外，通过对钩舌S面外侧轮廓进行改进，充分考虑了对于现役车钩的通用性，使得改进的钩舌零件既可以安装在现役16/17型钩身上，同时不对其他所有现役车钩的连挂功能造成任何不利影响。而对于现存的钩舌零件，可以通过打磨去除部分钩舌S面外轮廓的工艺进行改造，使之符合要求。

其次，对车钩钩舌S面的内侧结构进行改进。当不考虑钩舌与现役车钩的通用性时，可选择在钩舌S面中心区域添加一处肋板3，其中肋板宽度为10mm，拔模斜度为12°，如图10所示，增加该区域的刚度，同时需要在钩舌S面外侧去除相应的空间以保证车钩的正常连挂。当对钩舌S面内侧最低处设置10mm高度的肋板3时，,在钩舌S面外侧切除深度为15mm、宽度为15mm的凹槽4，如图10所示，以便在连挂状态时不会产生设计干涉。

对改进内侧结构后的钩舌再进行步骤C的分析，可以看出，对于新增的肋板特征，在圆角和拔模斜度的基础上，对肋板根部进一步增加圆角并对肋板末段分叉处设置尖角桥接进行圆角圆滑处理，可以进一步降低局部的应力集中情况；对于沟槽特征进行相同圆滑处理同样能够进一步降低该区域的应力集中情况。

改进后的钩舌与现役车钩具有通用性，实际应用时，可同时开展钩舌的更换和现有钩舌的改造工作。一方面可以通过扩大新型钩舌的制造使用规模进行更新推广，将需要更换的钩舌零件更换为新型号；另一方面，将能够正常使用的现役车钩通过在其S面外侧开出沟槽、内侧增加肋板的方式，使之能在不降低整体安全性的前提下实现与新型钩舌的连挂匹配。

最后，对车钩钩身进行改进。针对车钩钩身零件的改进主要集中在上下牵引突缘和上下钩耳。通过步骤C分析可知，牵引突缘根部易出现应力集中情况，其中上牵引突缘根部圆角较小，圆角轮廓处出现了明显应力集中现象。因此可通过以下三种方式来降低上钩耳后侧载荷传递区域的应力，其一是增大车钩钩身上牵引突缘的圆角，其二为直接增加上钩耳壁厚，其三是在钩耳背侧增加加强筋设计。本实施例中，参照下钩耳背侧特征，对上钩耳增加6处厚度为5mm的加强筋5来降低上钩耳后侧载荷传递区域的应力，改进后的上钩耳结构如图11所示，这些加强筋处于钩耳碰撞区和碰撞区后侧高应力区域的外侧轮廓，能够起到减小上钩耳受载变形的效果，因而降低钩耳出现裂纹破坏的可能。

本发明通过运用赫兹接触理论，计算出其接触应力；在有限元运算中控制装配单元的接触对，得到接触表面的应力云图对比，统计并绘制出接触区域应力插值曲线图。通过比对判断出接触区域存在的多处应力峰值，从而提出对了17型车钩的改进，使得改进后的17型车钩具有较高的结构强度，降低、甚至消除了车钩局部裂纹和变形破坏的现象，为铁路运输的安全提供可靠保障。

Claims (2)

1.17型车钩结构改进方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

A.对车钩进行CAD参数化建模；

B.对车钩设置参数并进行网格划分，对接触区域设定统一的网格；

C.运用赫兹接触理论公式计算钩舌S面内侧的线接触应力，并在有限元运算中采用控制单一变量的方法间接测定钩舌S面内侧的接触应力的大小与分布；

17型车钩钩舌S面赫兹接触分析及接触力的计算如下，

当两车钩钩舌接触时，在两个主平面上具有不同的曲率半径ρ1、ρ2，在载荷F的作用下接触，当载荷F为0时，接触为一点，接触区域随载荷增大逐渐变化成一椭圆，对于线接触，赫兹应力采用下式计算获得，

式中：F——作用于接触面上的总压力；

B——初始接触线长度；

ρ1和ρ2——分别为零件1和零件2的初试接触曲率半径，其中正号用于外接触，负号用于内接触；

μ1和μ2——分别为零件1和零件2的泊松比；

E1和E2——分别为零件1和零件2的弹性模量；

D.根据钩舌S面内侧在拉伸工况下的应力曲线与对照组曲线是否吻合判断车钩结构是否合理，如不吻合，进行步骤E；

对照组的设置与运算：将原先运算结果设为实验组并在其基础上，调整接触设置变量，删除区域α所在位置的接触对设置，使分属于两钩舌的单元和节点在运算中互不关联，定义区域α在对照组中的对应位置为区域β；分别将区域α和区域β所在位置从-140mm至140mm，以10mm为步长取值，共取25组应力值，将数据点输入坐标，绘制成接触区应力曲线；

E.根据步骤C的分析结果和步骤D的判断结果，对车钩结构进行改进；并返回步骤C和步骤D，直到车钩结构合理；

对车钩结构进行改进时，首先对车钩钩舌S面的外侧结构进行改进，使钩舌S面内外侧轮廓相对O点中心对称；其次，对车钩钩舌S面的内侧结构进行改进，在钩舌S面中心区域添加一处肋板3，其中肋板宽度为10mm，拔模斜度为12°，在钩舌S面外侧去除相应的空间以保证车钩的正常连挂；最后，对车钩钩身进行改进，增大车钩钩身上牵引突缘的圆角，直接增加上钩耳壁厚，在钩耳背侧增加加强筋设计。

2.根据权利要求1所述的17型车钩结构改进方法，其特征在于，步骤A具体包括以下内容：

A1.搜集车钩的二维零件图以及装配图资料，在Solidworks软件中进行数字建模；

A2.在拉伸状态下装配钩舌和钩身；

A3.对车钩进行干涉检查。