謝耿昌，傅茂海，聶 嶸，趙 衛(wèi)，吳克明

（1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650215）

0 引言

XCDW-32型連續(xù)式線路道岔搗固穩(wěn)定車既能對正線區(qū)段連續(xù)搗固穩(wěn)定，又能完成道岔區(qū)的搗固穩(wěn)定作業(yè)［1，2］。主車架是搗固車車體的主要承載部件，在搗固車連掛運(yùn)行、自運(yùn)行及作業(yè)時(shí)均承受著垂直載荷、側(cè)向載荷及扭轉(zhuǎn)載荷，連掛時(shí)還承受牽引力和制動(dòng)力，作業(yè)時(shí)要承受作業(yè)載荷。因此，在沒有大型養(yǎng)路機(jī)械專用的強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，搗固車主車架強(qiáng)度及剛度應(yīng)滿足TB／T1335－1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的要求。本文主要就搗固車主車架強(qiáng)度的有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比及分析。

1 搗固車主車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 為搗固車主車架結(jié)構(gòu)示意圖。由于搗固車主車中部需要為工作小車留出足夠空間，故主車架采用焊接式箱型上懸中梁，上部兩端轉(zhuǎn)接梁采用“Y”形變截面焊接異形梁，轉(zhuǎn)接梁下部支撐梁為變截面焊接箱型梁，底架、縱向梁、側(cè)梁及牽引梁采用矩形管焊接而成，枕梁及起輔助連接上懸中梁及底架作用的立柱采用焊接箱型結(jié)構(gòu)。車架主要管材、板材為Q345D。搗固車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 主車架靜強(qiáng)度計(jì)算分析

2.1 主車架有限元模型

在分析了搗固車主車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用ANSYS 12.1建立主車架的有限元模型。由于主車架除前后從板座、沖擊座及聯(lián)接叉為鑄造件外，其他部位均由板材及矩形管焊接而成，所以主車架結(jié)構(gòu)整體采用4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell63模擬，鑄造件采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid45模擬，前司機(jī)室及作業(yè)司機(jī)室以質(zhì)量單元Mass21的形式施加在安裝位置上，二系懸掛采用彈簧單元Combin14進(jìn)行模擬。整個(gè)主車架鋼結(jié)構(gòu)離散為96 467個(gè)節(jié)點(diǎn)，Shell63單元96467個(gè)，Solid45單元500個(gè)。搗固車主車架的有限元模型如圖2 所示。

圖1 搗固車主車架結(jié)構(gòu)圖

表1 搗固車主要技術(shù)參數(shù)

2.2 主車架計(jì)算工況

此次計(jì)算分析主要根據(jù)TB／T1335－1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》并參照GB／T25336－2010《鐵路大型線路機(jī)械檢查與試驗(yàn)方法》和GB／T25337－2010《鐵路大型線路機(jī)械通用技術(shù)條件》，在取許用應(yīng)力值時(shí)參照了GB／T1591－2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。該車在應(yīng)用時(shí)嚴(yán)禁溜放，禁止通過駝峰［3］。主車架計(jì)算工況如下：①縱向拉伸：垂向靜載荷＋垂向動(dòng)載荷＋側(cè)向載荷＋扭轉(zhuǎn)載荷＋縱向拉伸1 125kN；②縱向壓縮：垂向靜載荷＋垂向動(dòng)載荷＋側(cè)向載荷＋扭轉(zhuǎn)載荷＋縱向壓縮1 180kN；③后端頂車：垂向靜載荷；④前端頂車：垂向靜載荷；⑤兩端起吊：垂向靜載荷＋兩端轉(zhuǎn)向架重量。

圖2 搗固車主車架的有限元模型（局部）

2.3 主車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

工況①、②主要考察主車架在運(yùn)用狀態(tài)下的應(yīng)力分布，工況③、④、⑤主要考察主車架在修理、起吊狀態(tài)下的應(yīng)力分布。主車架在各工況下的最大應(yīng)力值及出現(xiàn)位置見表2。主車架最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況②，由此可以看出：主車架整體縱向力主要通過牽引梁、底架及上懸中梁進(jìn)行傳遞（見圖3 ），在縱向力從底架向上懸中梁傳遞過程中，車輛前端主要通過立柱進(jìn)行傳遞，后端則通過異形梁和轉(zhuǎn)接梁進(jìn)行傳遞。主車架最大應(yīng)力位于車輛前牽引梁補(bǔ)強(qiáng)板筋板處（見圖4 ），此位置由于縱向力的傳遞路線發(fā)生變化，故產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

計(jì)算結(jié)果表明，主車架在各工況下節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 各載荷工況下的主車架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)位置

圖3 工況②下主車架應(yīng)力分布

3 主車架靜強(qiáng)度試驗(yàn)工況

3.1 垂直載荷試驗(yàn)

在已經(jīng)貼好應(yīng)變片的條件下，在車架上均布等同于車架自重的配重，測得的應(yīng)力即為車架自重載荷下的應(yīng)力。在已經(jīng)貼好應(yīng)變片的條件下，在車架上機(jī)構(gòu)安裝位置鋪設(shè)等同于機(jī)構(gòu)重量的配重，測得的應(yīng)力即為車架機(jī)構(gòu)載荷下的應(yīng)力。

車輛在運(yùn)行過程中還會受到垂向動(dòng)載荷的作用，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定垂向動(dòng)載荷下的應(yīng)力由垂直靜載荷下的應(yīng)力乘以垂向動(dòng)荷系數(shù)Kdy得到。

圖4 工況②下主車架最大應(yīng)力點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力分布

3.2 側(cè)向力試驗(yàn)

按照TB／T1335－1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，在計(jì)算或試驗(yàn)車體側(cè)梁、枕梁以及側(cè)墻的強(qiáng)度時(shí)，可不施加側(cè)向力而以加大垂向載荷來考慮側(cè)向力的影響。由于標(biāo)準(zhǔn)中并沒有詳細(xì)規(guī)定大型養(yǎng)路機(jī)械的垂向載荷增加數(shù)值，根據(jù)運(yùn)用條件的相似性，參照貨車為垂向靜載荷的10%來考慮。

3.3 縱向拉伸載荷試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用1 125kN的縱向拉伸載荷，該力沿車鉤中心線一端作用于車輛前從板座上，在另一端聯(lián)接叉處施加約束。由于主車架為上懸中梁結(jié)構(gòu)，在拉伸及壓縮載荷加載過程中容易出現(xiàn)較大變形，所以試驗(yàn)加載時(shí)需緩慢加載，并檢測車架縱向變形及上懸中梁垂向變形。

3.4 縱向壓縮載荷試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用1 180kN的縱向壓縮載荷，該力沿車鉤中心線一端作用于車輛后從板座上，在另一端聯(lián)接叉處施加約束。

3.5 扭轉(zhuǎn)載荷試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，心盤支重式結(jié)構(gòu)的車體不考慮斜對稱載荷，但必須在第一工況中考慮40kN／m的扭轉(zhuǎn)載荷［4］。

3.6 修理和起吊試驗(yàn)

修理工況試驗(yàn)用于模擬修理時(shí)施加于車架上的載荷。在貼好應(yīng)變片的條件下，通過縱向鐵鞋約束車輛縱向移動(dòng)，利用架車機(jī)在一端頂車位架起整備重量下的車架，并在另一端架車位重復(fù)測試。

起吊試驗(yàn)用于模擬維修、吊裝運(yùn)輸及救援時(shí)的情況。將轉(zhuǎn)向架固接在車架上，使用吊車在起吊點(diǎn)將整車吊起，直至轉(zhuǎn)向架脫離鋼軌。

4 仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

4.1 仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

該車架在靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，應(yīng)變片主要選取車架結(jié)構(gòu)的1／2進(jìn)行布點(diǎn)，重要部位則布置對稱測點(diǎn)。車架測點(diǎn)約為110個(gè)，主要布置在上懸中梁、枕梁、側(cè)梁、牽引梁及立柱上。這里主要就縱向壓縮工況的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表3。由表3可以看出，仿真值與試驗(yàn)所測得的應(yīng)力分布趨勢相同，且相對誤差比較小，只有枕梁上相對誤差較大，但相差數(shù)值仍然在13MPa以內(nèi)，其他各測點(diǎn)數(shù)據(jù)相對誤差在10%以內(nèi)。

表3 壓縮工況仿真值與試驗(yàn)值比較

4.2 誤差分析

通過對以上數(shù)據(jù)及主車架模型的分析，現(xiàn)將可能造成有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差異的原因總結(jié)如下：

（1）建模誤差。有限元模型建立時(shí)，考慮的幾何模型為理想模型，不存在制造誤差。但在實(shí)際制造過程中，加工過程及工藝情況都會對主車架有一定的影響［5］。在建模過程中將車架等效為了殼單元，在理論計(jì)算及尺寸處理方面存在一定的誤差。

（2）所選節(jié)點(diǎn)與應(yīng)變片位置差異。試驗(yàn)時(shí)貼應(yīng)變片的位置一般選在距離截面突變處或焊縫5mm～10 mm處。但在根據(jù)應(yīng)變片位置查找有限元模型相應(yīng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，無法做到位置上的完全重合，只能選取位置相近的節(jié)點(diǎn)近似位置，從而導(dǎo)致了仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的差異。

（3）加載方式及應(yīng)力合成方式差異。仿真時(shí)，各工況組合載荷是同時(shí)施加在車架有限元模型上進(jìn)行計(jì)算的，應(yīng)力值是按照有限元理論進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)生的。試驗(yàn)時(shí)，受試驗(yàn)條件的影響，各工況的載荷是分別施加，測得單向應(yīng)力，并進(jìn)行線性疊加得到該工況的應(yīng)力值。而實(shí)際情況下，測得的單向應(yīng)力并不能完全代表該位置應(yīng)力情況，且應(yīng)力值與所施加載荷也不是線性關(guān)系，這也造成了一定的誤差。

5 結(jié)論

在模型建立、加載工況及約束條件合理的情況下，除局部受力復(fù)雜點(diǎn)以外，仿真數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差基本能夠保持在10%以內(nèi)，證明該仿真方法是可行的。

考慮到大型養(yǎng)路機(jī)械與普通鐵道車輛的區(qū)別，主要科研及運(yùn)用單位應(yīng)該在綜合其使用條件及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出適合大型養(yǎng)路機(jī)械的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，為今后的設(shè)計(jì)提供參考，以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及評價(jià)更加合理。

［1］金鑫.基于剛?cè)狁詈蠐v固車司機(jī)室減振特性研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2013：3-10.

［2］鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車車輛檢查站.XCDW－32線路道岔搗固穩(wěn)定車工作、過軌、修理狀態(tài)下車架應(yīng)力測試試驗(yàn)大綱［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2012：5-7.

［3］傅茂海，安琪，謝耿昌，等.XCDW-32連續(xù)式線路道岔搗固穩(wěn)定車搗固車主車架重大改進(jìn)后結(jié)構(gòu)有限元分析報(bào)告［R］.昆明：昆明中鐵大型養(yǎng)路機(jī)械集團(tuán)有限公司，2013：4-8.

［4］蘭州鐵道學(xué)院.TB／T1335－1996鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］.北京：鐵道科學(xué)研究院，1997：35.

［5］Mottershead J E ，F(xiàn)riswell M I.Model updating in structural dynamics：a survey［J］.Journal of Sound and Vibration，1993，167（2）：60-62.