基于增材制造技术的F8型分配阀结构优化设计.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.02.022基于增材制造技术的F8型分配阀结构优化设计王拥军,吴修彬（莱芜职业技术学院，山东济南2 7 110 0）摘要：基于增材制造技术思路构建了F8型空气分配阀结构模型，利用Fluent软件对F8型空气分配阀内部流道进行仿真优化，利用ANSYS进行有限元仿真进行残余应力和变形量分析,采用试验手段对仿真结果进行验证。结果表明：基于增材制造技术制造的F8型空气分配阀可以实现部件轻量化和提高列车制动性能，中间体相比于原设计可减重8 9.0%，最小级位常用制动和大级位制动时制动缸充风速率可分别提升13.5%和2 1.6%，部件残余应力和变形量可满足使用要求。提供了基于增材制造技术的F8型分配阀结构优化设计的新思路，也对其他结构复杂产品的智能制造提供了重要参考。关键词：增材制造技术；F8型空气分配阀；建模；ANSYS；优化设计中图分类号：TH137Abstract:In this paper,the structural model of F8 air distributor valve is built based on the idea of additive manufacturing technology,andthen the internal flow channel of F8 air distributor valve is simulated and optimized by Fluent software,and the residual stress and deformationare analyzed by finite element simulation using ANSYS.Finally,the simulation results are verified by experimental means.The results showthat the F8 air distribution valve manufactured on the basis of additive manufacturing technology can realize the weight reduction of componentsand improve the braking performance of the train.Compared with the original design,the weight of the intermediate can be reduced by89.0%.The air charging rate of the brake cylinder can be increased by 13.5%and 21.6%respectively when the minimum level service brakeand the large level brake are applied.The residual stress and deformation of the components can meet the use requirements.This paperprovides a new idea for structural optimization design of F8 distributor valve based on additive manufacturing technology,and also provides animportant reference for intelligent manufacturing of other products with complex structure.Key words:additive manufacturing technology;F8 air distributor valve;modeling;ANSYS;optimized design0引言制动系统是列车安全运行的保障，主要分为直通式制动系统和自动式制动系统，其中自动式制动系统具有可以实现灵活编组、运用和检修成本低等优点。F8型空气分配阀（以下简称F8阀）广泛应用于自动式制动系统，主要作用是根据列车管压力的变化输出相应的制动缸压力，进而产生制动力。F8阀采用膜板和柱塞结构,阀体内部结构复杂,存在大量不规则空腔和流道。传统的F8阀加工方法是先铸造毛坏并留有适当的加工余量，然后进行辅助机加工,加工工艺复杂且收稿日期：2 0 2 3-0 3-14作者简介：王拥军（19 6 9-）,男，山东济南人，讲师,学士，主要研究方向：机械加工与材料成形。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 2-0 119-0 6Structural Optimization Design of F8 Distributor Valve with AdditiveManufacturing TechnologyWANG Yong-jun,WU Xiu-bin(Laiwu Vocational and Technical College,Jinan 271100,China)获得的阀体重量较大,另外由于钻床钻孔无法加工斜孔和细长孔，所以气路通道之间大多是垂直连接，气体通过时的阻力较大,间接影响了列车的制动性能,降低了旅客的乘坐舒适性。增材制造技术作为一门新兴技术,取消了常规的刀具、夹具工装，减少了复杂的加工工序,利用增材制造设备快速、精密地加工出结构复杂的零部件，为形状复杂零部件的制造提供了便利。本研究采用增材制造技术对F8阀阀体进行优化设计，对于实现轻量化和提高列车制动性能具有重要意义。1基于增材制造技术的F8 阀模型构建F8阀外形结构见图1,主要包括主阀、中间体和辅助阀。以中间体为例进行模型构建，中间体材质为铸铁，主要用于安装主阀和辅助阀，并负责导通副风缸、119当列车处于缓解状态时，列车管充风至最高压力600kPa,所以取p。=6 0 0 k P a,综合考虑形状、工况等因液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期制动缸、列车管、工作风缸及主阀、辅助阀的相关气路。中间体内部包含0.8 L局减室和3 L辅助室共2 个空腔。主阀1.1功能结构组合优化F8阀中间体功能结构主要包括气路连接管路和储存空气的局减室和辅助室，为实现轻量化和提高列车制动性能,将功能结构进行组合优化：一是将空腔优化成规则形状,将空气流道平滑过渡；二是鉴于原中间体结构不同的功能结构之间相互分离、不紧凑,经方案比选，把管路优化在空腔内部。考虑到中间体需与主阀和辅助阀进行装配，将与主阀和辅助阀的连接当作“输出界面”与副风缸、制动缸、工作风缸和制动管的连接当作“输入界面”。结构优化过程中，可以改变“输人界面”，不可以改变“输出界面”。最终优化结果是长方体空腔结构，内部包括局减室和辅助室，气路设置在辅助室内部，上方为2 个“输出界面”，底部为“输人界面”，如图2 所示。背面底面图2 功能结构组合优化图1.2工艺分析为实现轻量化，采用密度较小的铝合金（AISi10mg）和激光选区融化(SLM)工艺。1）最小成型尺寸约束根据铝制焊接容器行业标准，薄壁厚度公式为：P.D;(1)120式中，P。一计算压力D;一直径一焊接接头系数中间体辅助阀接工作风缸接制动缸接副风缸接列车管图1F8阀与主阀连接“输出界面”与辅助阀连接“输出界面”局减室管路与各缸、管连接“输出界面”素,壁厚设置为2 mm。2）悬垂角度约束把悬垂结构的角度设置为大于4 5，以实现自支撑。3）连通性约束由于辅助室、局减室分别与主阀、辅助阀连通，在两个“输出界面”与外界连通，所以无需设置连通性约束。综上,结构优化的结果是“房子”形状的空腔结构，内部包括局减室和辅助室，气路设置在辅助室内部，上方是两个4 5的“房顶”，分别是2 个“输出界面”，底部为“输人界面”,见图3。背面管路局减室辅助室图3 考虑增材制造工艺辅助室辅助阀主阀中间体(a)F8阀装配体图4 装配图1.3装配分析将优化后的中间体与主阀和辅助阀进行装配如图4a所示，考虑到整个结构为薄壁空腔,需在连接处补强提高连接强度。由于加工工艺的限制,不能出现悬空，与主阀连接“输出界面”与辅助阀连接“输出界面”与各缸、管连接底面“输出界面”(b)安装装配图44Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024所以将与主阀、辅助阀连接处加工成“长条”结构，而在优化设计如图6 b所示。中间体下方设置4 个块状结构，与车体进行连接，见图4 b。根据以上初步的优化，中间体重量明显减轻，如表1所示。中间体的体积从2.2 5L减少到0.6 7 L,考虑材料由铸铁更换为铝合金，则质量由16.2 0 kg降低到1.78 kg,减重约8 9.0%。表1优化前后中间体对比表优化前尺寸/mm168 150 250材料铸铁体积/L2.25质量/kg16.202F8阀中间体内部流道优化设计2.1流道优化F8阀中间体主要有3 条内部流道，如图5所示，分别是：（1）列车管一中间体主阀和辅助阀；（2）工作风缸中间体主阀和辅助阀；（3）副风缸中间体主阀一中间体制动缸。R80优化后150 140 250铝合金（AISi10mg)0.671.78(a）优化后的中心线图6 列车管一主阀、辅助阀流道优化2）工作风缸中间体一主阀和辅助阀此流道连接工作风缸与主阀、辅助阀，工作风缸从底部接人，采用直径10 mm的流道进行连接。考虑到主阀、辅助阀的安装面,增材制造的悬垂约束，流道优化设计准则,同时保留3 4 mm的厚度余量，获得如图7所示的流道优化图。(b)优化后的流道副风缸列车管、工作风缸制动缸(a)优化前(b)初步优化后图5中间体内部流道下面分别对3 条内部流道进行优化设计。1）列车管一中间体主阀和辅助阀F8阀通过此流道从列车管（通径2 5mm）获取压缩空气,将列车管从中间体下方接入,用直径2 5 mm的流道连接列车管与主阀、辅助阀。综合考虑主阀、辅助阀的安装面，增材制造的悬垂约束，流道优化设计准则（采用大圆弧过渡），以及与主阀、辅助阀安装（保留34mm的厚度余量），流道中心线如图6 a所示，流道(a）优化后的中心线图7 工作风缸一主阀、辅助阀流道优化3）副风缸一中间体主阀一中间体制动缸通过该流道将副风缸的压缩空气充人制动缸，实现列车制动，其两次经过中间体，分为入口侧和出口侧,见图8。对于人口侧,副风缸从底部以直径18 mm的流道进入中间体,到达主阀时,流道直径变为10 mm。由于底部空间局限，流道中心线不在一个平面内，偏差5mm，见图8 a。结合流道优化设计准则，采用大圆弧过渡，见图8 b。出口侧压缩空气以直径18 mm从主阀进人中间体,与制动缸的连接处设置在中间体下方，考虑底部空间局限和圆弧过渡，中心线如图8 c，最终的结果如图8 d。121(b)优化后的流道边界条件，对流道出口流速进行仿真并对比。（1）最小级位常用制动：列车管减压至50 0 kPa，副风缸（压力为6 0 0 kPa）向制动缸进行充风，设置人口压力为6 0 0 kPa,压力出口为10 1kPa。（2）大级位常用制动：随着制动级位增大，副风缸（压力为6 0 0 kPa)逐渐向制动缸充风,以制动缸压力增加到3 0 0 kPa为例。设置人口压力6 0 0 kPa，出口压力为3 0 0 kPa。利用Fluent软件进行数值模拟，结果如表3所示。液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期(a)入口侧中心线(b)入口侧流道(c)出口侧中心线(d)出口侧流道图8 副风缸制动缸流道优化综上,将F8阀中间体3 个流道进一步优化,得到如图9 所示的内部流道最终图。图9内部流道最终优化2.2充风速率仿真考虑到副风缸充风至制动缸的气路直接关系到制动缸充风速率,从而影响列车制动性能，所以通过对该流道进行流场仿真以验证优化设计结果，将中间体的内部流道简化，得到如表2 所示的结果。表2 副风缸一制动缸流道提取与简化流道提取流道简化原设计表3 优化前后制动缸的充风速率最小级位常用制动优化前设计229.1优化后设计260.1.仿真结果表明，最小级位常用制动时副风缸向制动缸的充风速率从2 2 9.1m/s提高到2 6 0.1m/s，提高幅度约13.5%；大级位制动时副风缸向制动缸的充风速率从9 1.2 m/s提高到110.9 m/s，提升幅度约21.6%。3基于ANSYS的增材制造仿真在增材制造时，由于金属粉末的快速凝固和不均匀的温度梯度，零件内会产生残余应力。残余应力过大会导致零件变形、裂纹，甚至失效。为避免打印失败和降低试错成本，预测残余应力和变形非常重要。下面基于ANSYS的有限元分析方法，进行中间体残余应力和变形量的数值模拟和预测。主阀安装面peTotalDefe2021/6/7 15:34511700.008175 Max辅助阀安装面0.00636580.00727040.00546110.00455650.00365190.00274730.0018427000938053427e5Minm/s大级位制动91.2110.9(a)建模优化设计1）进行第一次仿真得到的变形量结果如图10 所示。图10 a是初步优化设计结果，仿真得到的结果见图10 b，最大的变形选取最小级位常用制动和大级位制动工况，设定8.2mm发生在辅助阀安装面下方,而主阀安装面的相122(b)变形云图图10第一次仿真(c)原因分析Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024同位置变形量却不大。分析原因为辅助阀安装面是较经过多次仿真，设计时就通过仿真预测零件可制大的空腔薄壁结构，制造时热应力无法及时散发，积累造性,降低了试错成本,同时也形成了对零件优化的正成较大的残余应力，最终导致变形。而主阀安装面尽向反馈。管也是薄壁空腔结构，但存在分隔局减室和辅助室的4试验验证结构，可以散发热量，减少热应力积累。2）第二次仿真在辅助阀安装面的下方设置类似加强结构来传递热量,并进行第二次仿真，结果见图11。从图11b仿真结果可看出虽然原最大变形处的变形量减小到0.8 0.9mm，符合预期效果，但左侧面出现了最大约2.1 mm的变形量。因此,在侧面最大变形处也添加类似结构来传递热量以减小变形。同时观察到辅助阀安装面下方的区域变形量较小，尝试优化加强结构的大小。D:AM Struicturnl AnlyisTypeTotal Deformation形Unit:mTime522182021/6/7 15:400.0021407Max0.00190290.0016650.0014271a.00118930.0951430.00071357O.000475710.00023786oMin(a)改进后的模型图11第第二次仿真3）第三次仿真根据第二次的仿真结果,将加强结构进行优化,得到优化模型如图12 a所示，加强结构上部分连接薄壁与内部管路，下部分尺寸变小，连接到阀体底部。仿真结果如图12 b所示，最大变形1.7 mm发生在阀体内部,外部辅助阀安装面下方的变形在1.1 1.2 mm,左侧变形量稍大，约1.5mm。变形量发生很大改善，变形尺寸占总体尺寸的0.7%1.1%，基本符合预期和标准要求。(a)改进后的模型图12 第三次仿真采用伯骊江8 0 0 型SLA打印机，将优化设计的模型转化为STL格式后导入到Magics软件进行处理，设置参数后将文件转化为切片文件，并传输到打印机中进行打印,打印材料为液态光敏树脂。基于增材制造技术将F8阀中间体进行优化设计得到的结果如图13 a所示,经过 SLA工艺试制,将中间体与主阀、辅助阀进行装配，得到最终的产品如图13 b所示。8100Me-00481110-004(b)变形云图:AM Strictural Analysis变Type:Total DeformationTime:52587Unit:m2021/6/99:140.001542918729-0030.00173580.001350.000964320.00115720.000771460.000578590.000385730.00019286OMin(a)建模图13 F8阀优化设计结果将增材制造获取的F8阀装车后，按照TB/T1492铁道车辆制动机单车试验进行单车制动试验，各项试验结果满足标准要求。5结论本研究提出了一种基于增材制造技术的优化设计方法,并应用该技术对F8阀进行结构优化，取得了良好的效果,主要的工作和结论如下：（1）结合增材制造技术的优势和约束条件，根据需求将F8阀中间体重新设计，一方面去除多余材料，在保留实现功能的结构的前提下将其优化成薄壁结构,另一方面尽量避免支撑结构和封闭空腔,轻量化效果明显。（2）利用Fluent对F8阀中间体流道进行优化和1221e-0019117746-001(b)变形云图(b)零件成品仿真，仿真结果表明最小级位常用制动和大级位制动时制动缸充风速度分别提升13.5%和2 1.6%。（3）利用ANSYS对F8阀中间体进行残余应力和变形量仿真，结果表明大尺寸空腔薄壁结构变形量较大，通过设置加强结构和补偿变形得到最终优化设计结果。F8阀中间体经过改进后，两处较大变形量分别从8.2 mm减小到1.1 1.2 mm和从3.5mm减小到123液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期1.5mm,分别减少了8 6.0%和57.1%。参考文献1刘凡，王俊勇，袁锦林.F8型空气分配阀及其电空制动机M.北京：中国铁道出版社,2 0 0 3.2池海.对F8电空制动机制动性能初探 J.铁道机车车辆,2 0 0 1(1):18 -2 0.3安晓钟,代长春.12 0 型空气控制阀制造工艺改进 J.机车车辆工艺,2 0 0 8(2)：16-17.4程海涛，宋立，魏晓东.旅客列车纵向冲动问题计算分析J.中国铁道科学,2 0 0 2（1):7 9-8 7.5 李涤尘,田小永,王永信，等.增材制造技术的发展 J.电加工与模具,2 0 12(S1）：2 0-2 2.6ZHU J H,ZHOU H,WANG C,et al.A Review of TopologyOptimization for Additive 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