周華祥

(湖北理工學院 機電工程學院，湖北 黃石 435003)

轉(zhuǎn)向架存放庫貨架結(jié)構(gòu)設計及有限元分析

周華祥

(湖北理工學院 機電工程學院，湖北 黃石 435003)

為滿足轉(zhuǎn)向架檢修的需求，在轉(zhuǎn)向架檢修庫中特別設置一個立體存放庫。由于國內(nèi)目前沒有轉(zhuǎn)向架的立體存放庫，故采用升降橫移式立體車庫的方式對轉(zhuǎn)向架存放庫貨架結(jié)構(gòu)進行了設計。通過有限元方法對貨架進行分析與計算，在保證貨架承載強度、變形和穩(wěn)定性的要求下，將原來的壁厚8 mm的鋼板改為6 mm，從而減輕了貨架的質(zhì)量，滿足了倉儲的需要。

轉(zhuǎn)向架;立體存放庫;有限元

1 背景及現(xiàn)狀

1.1背景

鐵路是我國國民經(jīng)濟的大動脈，交通運輸系統(tǒng)的骨干。而動車組的運行和維修方式與一般的客車和貨車車輛有較大差別。轉(zhuǎn)向架作為動車組的主要部件，隨著提速和承重技術(shù)的發(fā)展，其檢修較以往更為頻繁，而通常動車檢修基地也設有對轉(zhuǎn)向架進行分解檢修的檢修庫。為了滿足轉(zhuǎn)向架體積大、重量大、縮短轉(zhuǎn)向架檢修周期的需求，對轉(zhuǎn)向架檢修庫中專門設置的轉(zhuǎn)向架存放庫提出了更高的要求[1]。

1.2現(xiàn)狀

國內(nèi)目前尚沒有專門生產(chǎn)轉(zhuǎn)向架立體存放庫的企業(yè)，而且動車轉(zhuǎn)向架較普通轉(zhuǎn)向架更復雜、質(zhì)量更重，且價格昂貴。為適應市場需要，某公司采用類似升降橫移式立體車庫的方式設計制作存放庫以存放轉(zhuǎn)向架[2]。立體存放庫三維圖如圖1所示。

圖1 立體存放庫三維圖

2 貨架的設計

2.1技術(shù)要求

1)貨架為2排×10列×3層貨架形式，每個貨物單元承重8.5t。

2)貨架單元占地面積3 m×5m。

3)貨架應能為轉(zhuǎn)向架提供有效的保護，防止滑落。

4)貨架上面安裝50kg軌道。

2.2設計分析

轉(zhuǎn)向架貨架在設備的總投資中所占比例大，貨架所用鋼材多，因此合理選擇和設計經(jīng)濟的貨架對成本的控制是非常重要的。在保證貨架承載強度、剛度變形和整體穩(wěn)定性的前提下，減輕貨架的重量，減少鋼材消耗，以滿足整體工程需要[3]。

2.3貨架結(jié)構(gòu)設計

貨架的具體結(jié)構(gòu)為三立柱結(jié)構(gòu)，貨位上方鋪設標準導軌，用以承載轉(zhuǎn)向架。每個貨位尺寸為3 500mm×5000mm(均為中心線間距)，貨位間層高大于1800mm。根據(jù)技術(shù)要求，在盡量提供較大貨位空間的基礎上，選用焊接工字梁實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的設計，工字梁采用壁厚8 mm的鋼板焊接而成，大大提高了其承受彎矩的能力。所有焊接后的部件均通過螺栓連接在一起，這保證了整個結(jié)構(gòu)具有可調(diào)性和方便拆卸、運輸?shù)奶匦?。貨架的立柱與地基通過螺栓剛性連接，并可通過防置墊片來彌補地面不平所帶來的高度誤差。

每組貨架(單組3層)的重量包括轉(zhuǎn)向架的重量和單元貨架的自身重量，經(jīng)計算每組貨架自重約為6 t，每組貨架的重量為3×10+6=36 t。

3 分析與計算

3.1分析

以此貨架為研究對象，在工作過程中，貨架受力很復雜，包括輪壓、摩擦力、自身重力、附加力、支撐反力等，但輪壓最大,自重其次，其他力遠小于輪壓，故可以忽略，只需對輪壓和自重進行分析[4]。貨架三維模型圖如圖2所示,貨架有限元模型圖如圖3所示。

圖2 貨架三維模型圖

圖3 貨架有限元模型圖

1)坐標系。采用笛卡兒直角坐標系，以貨架左端部為坐標原點。x坐標沿貨架上軌道方向，y坐標沿豎直方向向上，z坐標與x,y方向垂直。

2)單元類型。貨架為Q235材質(zhì)的工字型型鋼，各部分采用焊接而成。由于鋼板的長、寬尺寸遠大于厚度8 mm的尺寸，結(jié)構(gòu)同時承受垂直荷載和水平荷載；除了產(chǎn)生平面變形外，還產(chǎn)生彎曲變形；在考慮到采用大量的節(jié)點時，特別是考慮計算時間耗費時，高階單元沒有明顯的優(yōu)越性，因此平面的板單元即可滿足計算精度要求，故采用SHELL63彈性板單元。

3)計算荷載。工作狀態(tài)中，只考慮貨架的自重和貨架上軌道壓力的共同作用。

4)結(jié)構(gòu)自重。根據(jù)設計圖紙，模型中貨架的總重量為6 t。

5)鉛垂方向荷載。貨架受到的鉛垂方向荷載為轉(zhuǎn)向架的重量,單個轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量為8.5t，考慮到一定的附加載荷，實際以單層貨架載重為10t來計算，作用在軌道處，轉(zhuǎn)向架軸距為1510mm。貨架受力平面圖如圖4所示。

圖4 貨架受力平面圖

6)水平方向荷載。作用于水平方向的荷載是由大車啟動和制動產(chǎn)生，此力通過車輪傳遞給貨架。從經(jīng)驗來看，水平方向荷載對整體結(jié)構(gòu)影響非常小，可以忽略不計[5]。

3.2計算

1)跨中撓度。貨架y方向變形圖如圖5所示，從圖5中可看出，貨架跨中處y方向的撓度最大,撓度為3.201mm。

2)應力分布。貨架等效應力分布圖(應力大小用色彩表示)如圖6所示。從圖6中可以看出，貨架上受貨物壓力處的縱梁應力最大，最大應力值為128.011MPa。

圖5 貨架y方向變形圖(中間最大撓度3.201mm)

圖6 貨架等效應力分布圖

考慮工字鋼在受壓時可能出現(xiàn)的剪切破壞，貨架XY方向剪應力分布圖如圖7所示。顯然，剪應力值很小，約為47.15MPa,滿足工作要求。

(a)貨架整體XY方向剪應力分布圖

(b)貨架棟梁XY方向剪應力分布圖

4 結(jié)構(gòu)安全要求

根據(jù)結(jié)構(gòu)安全要求，標準EN12663給出屈服極限的安全系數(shù)為1.15，給出拉壓強度的安全系數(shù)為1.50[6]。對Q235而言:

(1)

故其允許最大應力值為204 MPa。

而安全系數(shù)在焊接的種類和類型不同時其取值是不同的，考慮到工字鋼可能采取不同的焊接方式，Q235焊縫安全系數(shù)及對應許用應力值如表1所示。

表1 Q235焊縫安全系數(shù)及對應許用應力值

相對于貨架上工字梁的焊縫采用的不同類型，可以看出除了單填角焊縫類型外，其他類型都滿足強度要求，故焊接中應該避免采用單填角焊縫。

5 結(jié)論

1)貨架上受貨物壓力處的上梁壓應力最大，其等效應力最大值為128.011MPa。應力值均遠小于Q235材料的強度。

2)貨架跨中y方向撓度為3.201mm，為跨距3 000mm的1.067/1000。通用橋式國家標準GB/T14405-93要求梁下?lián)隙葢∮诳缇嗟?.5/1000，滿足要求。

3)從保證貨架強度、剛度和整體穩(wěn)定性，減輕貨架的重量，降低鋼材消耗的目的來看，采用壁厚8 mm的鋼板焊接而成的工字梁貨架遠滿足要求工作，故而可以將工字梁鋼板的厚度取為6 mm,降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量和成本，經(jīng)過驗算可以看出最大等效應力為168.701MPa，仍然滿足工作要求。并且減輕了貨架的質(zhì)量約1.5t。貨架改變板厚為6 mm時的等效應力分布圖如圖8所示。

圖8 貨架改變板厚為6 mm時的等效應力分布圖

[1] 劉紹勇.重慶跨坐式單軌轉(zhuǎn)向架的研制[J].鐵道車輛，2003，41(9)：18-21.

[2] 周興建.CW-220型轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].鐵道車輛，2008，46(7)：1l-24.

[3] 王峰，岳強，王賀.重載大型數(shù)控立體儲存庫的整體設計及機構(gòu)分析[J].金屬加工，2012,20(5):13-15.

[4] 袁清武.車輛構(gòu)造與檢修[M].北京：中國鐵道出版社，2006:16-20.

[5] 王文靜，劉志明，李強,等．CRH2動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架疲勞強度分析[J].北京交通大學學報，2009，33(1)：6-9.

[6] 劉云峰.橋式起重機箱形主梁腹板新型結(jié)構(gòu)研究[D].昆明：昆明理工大學，2001.

(責任編輯桂堤)

Structure Design of Bogie Storage Library Shelves and FiniteElement Analysis

ZhouHuaxiang

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

In order to meet the requirements of bogie maintenance,stereo storage library should be set up in bogie maintenance store.Because there is no domestic bogie three-dimensional storage library,the bogie storing shelves structure is designed with the method based on three-dimensional garage lifting and moving.And through the finite element analysis and calculation,and under the guarantee of bearing strength,rigidity and stability,the thickness of original steel plate is changed from 8 mm to 5mm,which reduces the weight of the shelf and satisfies the need of the warehouse.

bogie;three-dimensional storage library;finite element method

2014-03-05

湖北理工學院重點學科項目；湖北省優(yōu)秀中青年創(chuàng)新團隊項目(項目編號T201014)；湖北省自然科學基金項目(項目編號2011CDC107)。

周華祥(1975— )，男，講師，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.04.005

TB24

A

2095-4565(2014)04-0016-04