王玉艷，孫麗萍

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

隨著鐵路事業(yè)的迅猛發(fā)展，高速、重載是鐵路發(fā)展的必然趨勢(shì)，也對(duì)鐵道車輛設(shè)計(jì)者提出了更高的要求.在不斷設(shè)計(jì)出新的機(jī)車車輛產(chǎn)品的同時(shí)，更需要校驗(yàn)一下吊具設(shè)備能否在新的載荷條件下滿足技術(shù)要求.對(duì)于鐵路機(jī)車發(fā)運(yùn)吊具，當(dāng)機(jī)車的重量增加時(shí)，需校核其能否在規(guī)定的安全系數(shù)下使用.

本次分析的機(jī)車發(fā)運(yùn)吊具適用于150 t及以下機(jī)車的吊裝，每臺(tái)機(jī)車由兩個(gè)吊具共同作用來實(shí)現(xiàn)機(jī)車吊裝.每個(gè)吊具在75 t載荷下作靜止、上升、下降試驗(yàn);不得有影響強(qiáng)度，安全之缺陷存在.本文對(duì)機(jī)車吊具進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并對(duì)車體吊鋼絲繩進(jìn)行了校核［1-2］.

1 150 t機(jī)車吊具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

150 t機(jī)車吊具主要由車體吊架、吊銷和車體吊鋼絲繩三部分組成.車體吊架由底板、頂板、內(nèi)外立板、吊耳、補(bǔ)板等不同厚度的鋼板和端鐵焊接組成一個(gè)架子;并用螺母把掛鉤圓銷、安全圓銷和架子聯(lián)接起來用于機(jī)車車體的吊裝;材質(zhì)分別為20#鋼、A3和45#鋼，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

機(jī)車車體吊銷有四種，結(jié)構(gòu)形式基本相同，材質(zhì)為20號(hào)鋼，結(jié)構(gòu)如圖2所示.車體吊鋼絲繩的型號(hào)為 D-6×37+1-32.5-160-特 -2，查《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［2］該鋼絲繩為起重機(jī)用鋼絲繩，鋼絲繩直徑為32.5 mm，由6個(gè)小股每股37根鋼絲組成，該鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度為160kg/mm2，破斷拉力總和不小于614 580 N.鋼絲繩一端吊在吊架的端鐵上，另一端安在吊銷上，吊銷安裝在車體底架四個(gè)吊裝部位［3-4］.當(dāng)?shù)踯嚬醋〉跫艿膾煦^圓銷時(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車的吊裝.

圖2 機(jī)車車體吊銷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 150 t機(jī)車吊具的可靠性要求

機(jī)車吊具在載荷作用下應(yīng)能達(dá)到如下所述的安全系數(shù):車體吊架的安全系數(shù)不小于1.5;車體吊銷的安全系數(shù)不小于2.5;車體吊鋼絲繩的安全系數(shù)不小于5.機(jī)車吊具各部位材料的基本力學(xué)特性及許用應(yīng)力［5］見表1.

表1 材料的屈服極限和許用應(yīng)力 MPa

3 150 t機(jī)車吊架有限元分析

3.1 有限元模型

由于150 t機(jī)車吊具具有縱向及橫向兩個(gè)對(duì)稱面，并且所受的載荷也是對(duì)稱的，因此取1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析.機(jī)車吊架只在焊接位置、掛鉤圓銷和安全圓銷聯(lián)接處看成一個(gè)整體.I-DEAS軟件［6-7］建立機(jī)車吊架1/4結(jié)構(gòu)幾何模型如圖3所示.分析全部采用4節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，1/4結(jié)構(gòu)有限元模型共劃分98萬(wàn)個(gè)單元和22萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖3 1/4機(jī)車吊架結(jié)構(gòu)幾何模型和有限元模型

3.2 強(qiáng)度計(jì)算分析

根據(jù)機(jī)車吊具負(fù)載試驗(yàn)，本次有限元強(qiáng)度分析計(jì)算的載荷工況是機(jī)車吊架自重+75 t載荷工況.75 t載荷施加在車體吊鋼絲繩與端鐵的接觸處，方向與重力的施加方向相同垂直向下;在吊具結(jié)構(gòu)的對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，在掛鉤圓銷上與吊車相接處的位置施加徑向位移約束.

有限元分析計(jì)算結(jié)果表明:75 t載荷工況作用下，節(jié)點(diǎn)的最大Mises應(yīng)力為125 MPa，發(fā)生在掛鉤圓銷與吊耳接觸位置，均小于材料的許用應(yīng)力.節(jié)點(diǎn)的Mises應(yīng)力分布如圖4所示.

圖4 機(jī)車吊架自重加75t載荷工況下Mises應(yīng)力云圖

4 機(jī)車車體吊銷有限元分析計(jì)算

4.1 吊銷銷體有限元模型

車體吊銷安裝在車體底架相應(yīng)的吊裝位置，用來吊裝整個(gè)機(jī)車車輛.本次有限元分析采用了兩種有限元模擬方式:

(1)取出底架側(cè)梁吊裝的相應(yīng)位置和吊銷進(jìn)行接觸模擬，具體結(jié)構(gòu)及有限元模型如圖5所示.

圖5 車體吊銷有限元模型(假設(shè)1)

(2)分析吊銷的變形及受力特點(diǎn)，僅對(duì)吊銷進(jìn)行有限元分析，有限元模型如圖6所示.

圖6 車體吊銷有限元模型(假設(shè)2)

4.2 計(jì)算載荷工況及其約束設(shè)置

分析機(jī)車車體吊銷的結(jié)構(gòu)，由其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)性質(zhì)，設(shè)置如下所述的邊界條件:

假設(shè)1:載荷37.5 t分別作用在鋼絲繩與其接觸的位置;吊銷銷體與底架的接觸處設(shè)置接觸約束;在底架側(cè)梁取出的部分邊界設(shè)置固定約束.

假設(shè)2:載荷37.5 t分別作用在鋼絲繩與其接觸的位置;在吊銷銷體的相應(yīng)位置設(shè)置軸向約束.

4.3 計(jì)算結(jié)果及分析

4.3.1 車體吊銷一有限元分析計(jì)算結(jié)果

著名醫(yī)學(xué)家W.Osler曾說過，一個(gè)新建學(xué)科的發(fā)展要靠成立?？茖W(xué)會(huì)、舉辦學(xué)術(shù)會(huì)議、出版學(xué)術(shù)期刊。1992年，中華醫(yī)學(xué)會(huì)高壓氧分會(huì)在北京成立，高壓氧醫(yī)學(xué)進(jìn)入了迅猛發(fā)展期。四川省醫(yī)學(xué)會(huì)結(jié)合省內(nèi)高壓氧醫(yī)學(xué)發(fā)展?fàn)顩r，于1995年協(xié)助從業(yè)人員組建高壓氧醫(yī)學(xué)學(xué)組，使學(xué)科團(tuán)隊(duì)的建設(shè)邁出艱難的第一步，學(xué)科的構(gòu)建框架初具雛形；2003年在省醫(yī)學(xué)會(huì)的大力支持下，四川省第一屆高壓氧專委會(huì)成立，預(yù)示著專業(yè)規(guī)范化管理及學(xué)術(shù)水平的進(jìn)一步提高。

經(jīng)過有限元分析計(jì)算，機(jī)車車體吊銷1，在37.5t載荷作用下:

(a)假設(shè)1，節(jié)點(diǎn)的最大Mises應(yīng)力為333MPa，發(fā)生在吊銷體與底架側(cè)梁接觸的邊界，大于材料的許用應(yīng)力98 MPa，超過材料的屈服強(qiáng)度245 MPa;結(jié)構(gòu)的變形及Mises應(yīng)力分布如圖7(a)所示.

(b)假設(shè) 2，節(jié)點(diǎn)的最大 Mises應(yīng)力為339MPa，發(fā)生的位置同上，大于材料的許用應(yīng)力98 MPa，超過材料的屈服強(qiáng)度245 MPa;結(jié)構(gòu)的變形及Mises應(yīng)力分布如圖7(b)所示.

圖7 37.5 t載荷下車體吊銷1節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力云圖

車體吊銷的有限元分析表明，兩種模擬方式的計(jì)算結(jié)果基本相同，以下其它3種銷體結(jié)構(gòu)，均使用第2種方法進(jìn)行有限元分析計(jì)算.

4.3.2 有限元分析結(jié)果匯總

表2 車體吊銷銷體有限元分析計(jì)算結(jié)果匯總 MPa

由于機(jī)車底架結(jié)構(gòu)的限制，吊銷的外徑不能再增加，當(dāng)增加壁厚時(shí)，如車體吊銷銷體1為實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí)，吊銷的最大應(yīng)力124 MPa，應(yīng)力也是超過材料的許用應(yīng)力，應(yīng)力分布如圖8所示.而且由于吊銷內(nèi)部有機(jī)構(gòu)，是不可能做成實(shí)心的.因此建議采用屈服強(qiáng)度高的材質(zhì)，提高其許用應(yīng)力，如45號(hào)鋼的屈服極限為355 MPa，在安全系數(shù)K=2.5時(shí)，其許用應(yīng)力為142 MPa.并把吊銷的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為可以安裝內(nèi)部機(jī)構(gòu)的最小尺寸，根據(jù)不同的機(jī)車底架結(jié)構(gòu)，在吊銷外徑不變的情況下，適當(dāng)增加吊銷的底架內(nèi)伸端長(zhǎng)度，以滿足150 t載荷吊裝的要求.

圖8 吊銷銷體1為實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)力分布云圖

5 車體吊鋼絲繩強(qiáng)度校核

車體吊鋼絲繩的型號(hào)為D-6×37+1-32.5-160-特 -2，鋼絲繩破斷拉力總和不小于614580 N，查《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》鋼絲繩的安全系數(shù)為K=5，鋼絲繩的許用拉力為:

鋼絲繩的許用拉力=鋼絲繩破斷拉力總和/K=614 580/5=122 916 N

用四根鋼絲繩分別吊75 t重重量，每根鋼絲繩的承受的拉力分別為F1:

F1=75 ×9.8 ×1 000/4=183 750 N

每根鋼絲繩的承受的拉力F1，大于鋼絲繩的許用拉力122 916 N.

查《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》建議鋼絲繩選用的型號(hào)為:D-6×37+1-39公稱抗拉強(qiáng)度為1 700 N/mm2的鋼絲繩 、D-6×37+1-36.5公稱抗拉強(qiáng)度為1 850 N/mm2的鋼絲繩或D-6×37+1-43公稱抗拉強(qiáng)度為1 400 N/mm2的鋼絲繩.鋼絲繩破斷拉力總和≥鋼絲繩的承受的拉力×K=183 750×5=918 750 N.

6 結(jié)論

本文利用I-DEAS軟件對(duì)150 t機(jī)車吊具進(jìn)行了有限元強(qiáng)度和剛度計(jì)算分析.計(jì)算結(jié)果表明:150 t機(jī)車吊架的強(qiáng)度和剛度滿足要求，性能可靠;吊銷強(qiáng)度不滿足要求，建議改進(jìn)吊銷的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)以滿足可靠性要求;但車體吊鋼絲繩的安全系數(shù)較低，建議更換鋼絲繩.本次機(jī)車吊具的可靠性分析可以為機(jī)車吊具設(shè)計(jì)提供一定的參考.

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

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