楊林勇

(金鷹重型工程機(jī)械有限公司， 湖北襄陽 441001 )

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GCY-220Ⅱ重型軌道車底架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊林勇

(金鷹重型工程機(jī)械有限公司， 湖北襄陽 441001 )

分析了GCY-220Ⅱ重型軌道車的運(yùn)用工況、承載底架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和薄弱點(diǎn)，對底架的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，并通過有限元計(jì)算分析進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的底架強(qiáng)度滿足TB/T 1335-1996標(biāo)準(zhǔn)要求。

軌道車； 底架； 優(yōu)化

重型軌道車是各鐵路運(yùn)營單位線路維護(hù)、施工的重要設(shè)備，GCY-220Ⅱ型重型軌道車(以下簡稱軌道車)為方便現(xiàn)場運(yùn)送施工人員和機(jī)具，車上設(shè)有司機(jī)室、隨車吊、載貨平臺(tái)等。

本軌道車整備質(zhì)量約38 t，根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，其底架質(zhì)量應(yīng)不超過8 t，參考同類產(chǎn)品，底架截面高度設(shè)定為250 mm；因?yàn)閯?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、燃油箱、發(fā)電機(jī)組等都布置在車下，底架下表面距軌面高度較大；車上空間布置有司機(jī)室、隨車吊、載貨平臺(tái)等，只能采用底架承載結(jié)構(gòu)。

鑒于以上原因，該車具有底架輕、底盤高、底架截面高度小的特點(diǎn)，與客貨車比較，其車鉤中心線和底架中梁中心線具有330 mm以上的高度差，拉伸壓縮工況時(shí)形成較大的附加彎矩，使得底架可能出現(xiàn)變形大、應(yīng)力高的問題，難于滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1　底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以前設(shè)計(jì)的重型軌道車采用橡膠堆旁承承載方式，為減輕底架質(zhì)量，不設(shè)枕梁，牽引梁長度滿足車鉤緩沖裝置的安裝即可，牽引梁后設(shè)置一根工字鋼橫梁傳遞車輛縱向沖擊力，根據(jù)以往試驗(yàn)表明工字鋼橫梁是整個(gè)底架最薄弱的地方。本軌道車底架設(shè)計(jì)時(shí)，對牽引梁、枕梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，取消了工字鋼橫梁結(jié)構(gòu)，采用了箱型枕梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)減小下牽引梁端部封板與上牽引梁的夾角，使車鉤安裝座端部截面變化更加平緩，改善牽枕緩結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。中梁采用兩根高度為250 mm的箱型梁作為主要承力構(gòu)件，邊梁采用槽鋼。通過有限元分析進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化以確定最終結(jié)構(gòu)。

兩種車架前后結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。

圖1　兩種車架結(jié)構(gòu)對比

2　底架強(qiáng)度評價(jià)依據(jù)的選取

目前軌道車底架強(qiáng)度評價(jià)沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)，可參考的標(biāo)準(zhǔn)有TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[1]和EN 12663-2010 《鐵路應(yīng)用—鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》[2]。

對底架車鉤拉伸壓縮力的要求上，TB/T 1335-1996對客車的要求是車鉤壓縮力1 180 kN，拉伸力980 kN；而按EN 12663-2010對車輛的劃分，軌道車應(yīng)屬于P-Ⅲ類(地鐵、快速交通車輛和輕軌車)，該類型的車車鉤壓縮力和拉伸力按標(biāo)準(zhǔn)分別為800 kN和600 kN。

在安全系數(shù)選取上，EN 12663-2010考慮了計(jì)算和試驗(yàn)的統(tǒng)一以及失效的形式，安全系數(shù)一般取1.0到1.3。而根據(jù)TB/T 1335-1996，軌道車如參考客車類，各材料安全系數(shù)雖然有所差異，但一般都達(dá)到1.6左右。

相對于客車的使用工況而言，軌道車具有使用頻率較低，牽引噸位小，區(qū)間運(yùn)行短等特點(diǎn)。對其底架強(qiáng)度評價(jià)，參照TB/T 1335-1996中有關(guān)客車的要求進(jìn)行，相對偏保守。

3　有限元分析計(jì)算

3.1底架模型及網(wǎng)格劃分

在有限元分析軟件ANSYS中建立軌道車底架的實(shí)體模型，在保證底架主要特性、確保網(wǎng)格順利劃分的情況下對底架局部進(jìn)行簡化，底架為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，故可采用更加適用于鋼板結(jié)構(gòu)的Shell 63號(hào)殼單元對底架結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散[3]。采用自適應(yīng)智能網(wǎng)格的劃分方法，局部區(qū)域人工干預(yù)，底架共離散為85 850個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成Shell 63單元80 827個(gè),見圖2。

圖2　底架實(shí)體模型及局部網(wǎng)格模型

3.2邊界約束條件

軌道車底架支撐在彈簧上，所有基礎(chǔ)均為彈性約束，為準(zhǔn)確模擬底架的承載情況，在二系彈簧座處及中心銷均設(shè)置彈簧單元模擬車輛懸掛系統(tǒng)，車輛各較大設(shè)備重心處設(shè)置質(zhì)量單元進(jìn)行模擬。

3.3載荷工況

根據(jù)TB/T 1335-1996，選取了6種典型工況載荷進(jìn)行模擬分析，如表1所示。

表1　底架有限元分析加載工況

3.4評定依據(jù)

根據(jù)TB/T 1335-1996標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，底架結(jié)構(gòu)在表1各工況載荷作用下的強(qiáng)度可通過結(jié)構(gòu)最大von_Mises應(yīng)力評定，該應(yīng)力定義為：

式中σep為各節(jié)點(diǎn)處von_Mises應(yīng)力；

σi(i=1,2,3)為各節(jié)點(diǎn)主應(yīng)力。

根據(jù)TB/T 1335-1996標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在各載荷作用下底架結(jié)構(gòu)上任一點(diǎn)von_Mises應(yīng)力均不得超過如表2所示的材料許用應(yīng)力。

表2　材料許用應(yīng)力

3.5底架強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果與評定

底架在TB/T 1335-1996標(biāo)準(zhǔn)所要求的各載荷工況作用下，最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)分布情況如表3所示。

通過表3中各載荷工況下的底架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力與材料許用應(yīng)力對比可知：底架在工況2載荷作用下，下牽引梁封板與上牽引梁下蓋板對接處的最大應(yīng)力超出了材料許用應(yīng)力；底架在其余各工況載荷作用下均能滿足TB/T 1335-1996標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，下牽引梁封板與上牽引梁下蓋板對接處需優(yōu)化，并重新進(jìn)行計(jì)算分析驗(yàn)證。

表3　各載荷工況下的底架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)位置表

3.6底架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

底架在計(jì)算工況2下牽引梁端部封板與上牽引梁對接處應(yīng)力達(dá)到244.1 MPa，超出了TB/T 1335-1996規(guī)定的Q345B材料的許用應(yīng)力216 MPa，經(jīng)分析認(rèn)為該處的高應(yīng)力是由于截面突變引起的，因此將封板與上牽引梁下蓋板夾角由開始設(shè)計(jì)時(shí)的45°改為30°[4]，重新計(jì)算后最大應(yīng)力為210.3 MPa，下牽引梁端部封板與上牽引梁對接處應(yīng)力降低為110 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4　底架靜強(qiáng)度試驗(yàn)

參照TB/T 1335-1996標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定，2015年3月由質(zhì)檢中心機(jī)車車輛檢驗(yàn)站對該軌道車底架進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，軌道車的底架在各種工況載荷作用下的合成應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，滿足TB/T 1335-1996標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度要求。且經(jīng)對比分析，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)力數(shù)值比較接近，見表4。

圖3　工況2作用下的底架局部應(yīng)力云圖

測點(diǎn)工況2試驗(yàn)值計(jì)算值試驗(yàn)值與計(jì)算值相差%1-80.3-85.76.722-210.6-210.30.143-186.4-173.27.084-97.5-100.83.385-67.9-70.53.826-112.3-117.54.63

5　結(jié)束語

通過對以往軌道車底架結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的分析，進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)設(shè)計(jì)方案是有效的，為今后底架承載式軌道車的底架設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了借鑒。

[1]TB/T 1335-1996 鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S]．

[2]EN 12663-2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies[S]．

[3]王新敏．Ansys工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]．北京：人民交通出版社，2007.

[4]劉曉波．機(jī)車車體結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)筋的合理設(shè)計(jì)[J]．機(jī)車電傳動(dòng)，2008，3(1):42-44．

Optimization Design of Chassis for GCY-220 Ⅱ Heavy Duty Rail Car

YANG Linyong

(Gemac Engineering Machinery Co.,Ltd., Xiangyang 441001 Hubei,China)

In this paper the author analyses the working condition, structural features and weakness points of the chassis for GCY-220 Ⅱ heavy duty rail car. The chassis has been improved on the basis of its traditional design, and its structure has been optimized through finite element calculation and analysis. Verified by test, the strength of the optimized chassis could meet the requirements of TB/T 1335-1996 standard.

heavy duty rail car; chassis; optimization

1008-7842 (2016) 01-0044-03

??)男，高級工程師(

2015-11-30)

U273.99

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.10