基于ANSYS 的高速动车组制动控制装置翻转台有限元分析和优化设计

江 涛

（南京中车浦镇海泰制动设备有限公司， 江苏 南京 211800）

0 引言

现有翻转台为固定式翻转台， 在固定式翻转台上进行整个制动控制装置（大风缸、气路板、侧护箱、下护箱等）的组装。 当制动控制装置组装完成后，会在制动控制装置自动实验装置上对整个制动控制装置进行试验，完成后将其存放到制动控制装置成品区。 但是从固定式翻转台组装到制动控制装置成品区的过程比较复杂， 整个过程比较费人费时，很多地方工序重复，不符合精益生产的理念。 因此，优化设计移动翻转台。 本文主要基于ANSYS 有限元分析方法， 以铁路相关行业标准为判定依据，对翻转台强度进行仿真分析，并优化设计了移动翻转台。

1 翻转台的结构设计

根据已有移动翻转台的结构， 在对其进行改造设计后如图1 所示，主要将其分为底座和翻转机构两部分，底座，见图2，主要由左支架、右支架，底横梁、脚轮、轴承座、万向轮和驱动轮组成，翻转机构，见图3，主要由左拉杆、右拉杆、上横梁和吊杆组成。 其中左支架和右支架，见图4，由左梁、右梁、顶梁和底梁组成。

图1 移动翻转台Fig.1 Moving roll-over table

图2 底座Fig.2 Pedestal

图3 翻转机构Fig.3 Dumping gear

图4 左支架和右支架Fig.4 Left and right stents

1.1 零件材料及连接

左梁和右梁，顶梁和底梁采用矩形型钢；底横梁采用方形型钢；左拉杆、右拉杆和顶横梁采用矩形型钢；各型钢材料采用Q235B 碳素结构钢；底座和翻转机构采用轴承； 左右支架各零件之间和两个吊杆和上横梁主要采用焊接连接，左右支架和底横梁、左右拉杆和上横梁、脚轮万向轮和左右支架连接采用螺栓连接。

1.2 零件尺寸及技术要求

根据实际使用翻转台的经验、 制动控制装置组装要求及使用方便、 结构安全稳定及使用轻便等要求，确定移动翻转台各个零件的尺寸和技术要求。图5 为吊装制动控制装置的移动翻转台，制动制动装置通过螺栓与翻转机构的吊杆相连。

图5 吊装制动控制装置的移动翻转台Fig.5 Moving roll-over table wit lifting btake control device

2 载荷强度分析

为保证其使用安全，需对移动翻转台强度进行校核，使用ANSYS 有限元分析软件对其进行强度分析。 选择制动控制装置在翻转台上出现应力和变形最大的位置点（以翻转机构吊着制动控制装置转动位置为准，垂直于水平面±90°、平行于水平面±0°），直接在吊杆上施加制动控制装置的重量，焊接件和螺栓连接之间采用Bonded 绑定接触模拟，脚轮和万向轮固定不动进行分析，其应力和变形结果如图6～13 所示。 从图中可以看出，以上四种情况下的应力和变形在安全值范围以内， 说明设计符合翻转台载荷强度的要求。

图6 变形图（翻转机构垂直于水平面90°）Fig.6 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane 90°）

图7 应力图（垂直于水平面90°）Fig.7 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane 90°）

图8 变形图（垂直于水平面-90°）Fig.8 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane -90°）

图9 应力图（垂直于水平面-90°）Fig.9 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane -90°）

图10 变形图（垂直于水平面0°）Fig.10 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane 0°）

图11 应力图（垂直于水平面0°）Fig.11 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane 0°）

图12 变形图（垂直于水平面-0°）Fig.12 Deformation diagram（perpendicular to horizontal plane-0°）

图13 应力图（垂直于水平面-0°）Fig.13 Stress diagram（perpendicular to horizontal plane-0）

3 翻转机构转动设计

通过现场测试现有翻转台，可知翻转装置的转速，其满足制动控制装置的装配要求， 因此新设计移动翻转台的翻转装置，见图14，转速也设定为相同转速；通过电动机带动移动翻转台的翻转装置转动，由无级变速器和蜗轮蜗杆减速器减速实现移动翻转台的转速。

图14 翻转机构转动电机安装图Fig.14 Dumping gear rotating motor installation diagram

控制电路设计：控制电路的电压为220V，根据移动翻转台工作的特点，电机的转动只需要正反转点动，所以控制电路设计如图16 所示。 由图16 转动电机控制原理图所示，合上总开关S，整个电路得电， 按下按钮SB1，交流接触器KM1 线圈得电，主触点闭合，电机正转，常闭触点断开，反转电路失电，防止电路短路；按下按钮SB2， 交流接触器KM2线圈得电，主触点闭合，电机反转，常闭触点断开，正转电路失电。

图15 电动机、无级变速器和蜗杆涡轮减速器Fig.15 The motor，non-polar transmission and worm gear reducer

图16 转动电机控制原理图Fig.16 Control schematic diagram of rotating motor

4 翻转台移动设计

由图17 移动翻转台设计图所示， 移动翻转台移动设计采用电动驱动轮带动翻转台移动，驱动轮安装在左支架前面的弯板下，弯板焊接在左支架的底梁上，拉动移动翻转台移动，在右支架安装万向脚轮通过扶手认为控制移动翻转台的方向， 电动驱动轮由控制器和加速手柄控制。 最终使用状态示意图如图18 所示。

图17 移动翻转台设计图Fig.17 The design of moving roll-over table

图18 移动翻转台最终状态Fig.18 Final state of moving roll-over table

5 结论

经过对高速动车组制动控制装置翻转台进行有限元分析，其结构满足安全要求；并优化设计为移动翻转台，设计可行，稳定性好，节省了很多人力和时间，提高了制动控制装置生产效率。