李 杰，傅茂海，何文信，李亞威

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

大型養(yǎng)路機(jī)械主要是指養(yǎng)護(hù)和維修鐵路線路的機(jī)械設(shè)備。線路搗固車(chē)是當(dāng)前鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械中十分重要的一種機(jī)械化設(shè)備，它對(duì)軌道進(jìn)行撥道、起道抄平和道床肩部道砟的夯實(shí)作業(yè)，對(duì)提升道砟密實(shí)度、增加軌道的穩(wěn)定性以及保證列車(chē)安全運(yùn)行具有重要作用[1-3]。搗固車(chē)車(chē)架是整車(chē)最重要的承載件，整車(chē)的大質(zhì)量設(shè)備(如搗固旋轉(zhuǎn)裝置、起撥道裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)、檢測(cè)設(shè)備及司機(jī)室等)都安裝在車(chē)架上。由于線路搗固車(chē)在作業(yè)時(shí)工況惡劣并且受力復(fù)雜，故對(duì)車(chē)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性提出了更高的要求。

1 線路搗固車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

本文以某型號(hào)線路搗固車(chē)為例，根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)條件，計(jì)算所用車(chē)輛的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 車(chē)輛基本參數(shù)

2 搗固車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)

該車(chē)架屬于車(chē)架承載式設(shè)計(jì)，除了少部分區(qū)域?yàn)殍T造件外，其他部分均為鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，由若干個(gè)縱向梁和橫向梁組焊而成，其中多數(shù)縱向梁和橫向梁均釆用矩形方管，枕梁是由上、下蓋板和雙腹板組成的箱型焊接結(jié)構(gòu)，上弦梁采用兩個(gè)箱型對(duì)接拼焊結(jié)構(gòu)，前端從板座和緩沖餅安裝座以及后端牽引梁安裝座分別焊在車(chē)架的相應(yīng)位置，整車(chē)通過(guò)上弦梁連接主車(chē)架前后底架來(lái)傳遞縱向力[4-5]。搗固車(chē)車(chē)架三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—牽引梁安裝座；2—枕梁；3—上弦梁；4—前端從板座；5—緩沖餅安裝座

3 車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 車(chē)架有限元模型

車(chē)架有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系中，X軸指向車(chē)輛運(yùn)行前方，Y軸與線路方向相垂直，Z軸垂直于軌道平面，其正方向?yàn)樨Q直向上，坐標(biāo)系XOY平面與原點(diǎn)的設(shè)置和3-D模型一致。采用4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell 63和8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid45對(duì)主車(chē)架進(jìn)行離散。司機(jī)室、搗固裝置、液壓油箱等大質(zhì)量部件和其余均布質(zhì)量均以Mass 21質(zhì)量單元模擬，代表大質(zhì)量部件的質(zhì)量單元與車(chē)架安裝座的連接通過(guò)梁?jiǎn)卧狟eam188連接。

3.2 車(chē)架靜強(qiáng)度計(jì)算

車(chē)架結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12663∶2010《Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies，Part 1:Locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons》進(jìn)行。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該車(chē)輛屬L類(lèi)車(chē)輛，評(píng)定車(chē)架結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算工況有拉壓工況、起吊工況和架車(chē)工況等，靜強(qiáng)度計(jì)算工況如表2所示。表2中，m1為整備狀態(tài)車(chē)架質(zhì)量，m2為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，m4為超常裝載量,g為重力加速度。

表2 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

根據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)，在各計(jì)算工況下，車(chē)架結(jié)構(gòu)各處應(yīng)力應(yīng)滿足如下要求：

(1)

其中：σC為計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力；R為材料屈服強(qiáng)度；S1為安全系數(shù)，母材區(qū)域取1.15，焊縫區(qū)域取1.265。

車(chē)架結(jié)構(gòu)采用符合GB/T1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》要求的Q345-D鋼制造，材料的屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 材料屈服強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果表明：在所有載荷工況下，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于材料在該工況下的許用應(yīng)力，靜強(qiáng)度滿足EN12663的要求。其中在工況2下車(chē)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大，TOP面、BOTTOM面最大應(yīng)力分別為297.74 MPa和290.97 MPa，應(yīng)力分布如圖2所示。車(chē)架鋼結(jié)構(gòu)的垂向變形分布如圖3所示，整備狀態(tài)下車(chē)架的最大垂向變形(相對(duì)于轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn))為-11.135 mm。

圖2 工況2下車(chē)架應(yīng)力分布

3.3 車(chē)架疲勞強(qiáng)度評(píng)估

車(chē)架疲勞強(qiáng)度分析基于標(biāo)準(zhǔn)EN 12663第6.6、6.7和6.8節(jié)進(jìn)行，評(píng)估疲勞強(qiáng)度的載荷工況見(jiàn)表4。根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)5.6.2條建議，車(chē)架疲勞強(qiáng)度評(píng)估通過(guò)疲勞極限法進(jìn)行，車(chē)架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度根據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟研究試驗(yàn)委員會(huì)ERRI B 12/RP 17報(bào)告提供的方法進(jìn)行評(píng)估。由于焊接結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展方向與計(jì)算最大主應(yīng)力方向相垂直，因此，評(píng)估時(shí)首先獲得各節(jié)點(diǎn)計(jì)算工況下的最大主應(yīng)力及其方向，再將其余各工況下的應(yīng)力向最大主應(yīng)力方向投影，并獲得循環(huán)的最小應(yīng)力。將各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布點(diǎn)入Goodman曲線中，以許用應(yīng)力幅與計(jì)算應(yīng)力幅的比值作為節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)大于1.00[6]。

圖3 車(chē)架垂向變形分布(放大100倍)

載荷工況載荷F—1縱向0．15g，橫向0．15g，垂向1．15gF—2縱向0．15g，橫向0．15g，垂向0．85gF—3縱向0．15g，橫向-0．15g，垂向1．15gF—4縱向0．15g，橫向-0．15g，垂向0．85gF—5縱向-0．15g，橫向0．15g，垂向1．15gF—6縱向-0．15g，橫向0．15g，垂向0．85gF—7縱向-0．15g，橫向-0．15g，垂向1．15gF—8縱向-0．15g，橫向-0．15g，垂向0．85gF—9/F—10縱向2．92g，垂向1g：整車(chē)制動(dòng)載荷198．4kN

對(duì)各計(jì)算載荷工況下車(chē)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行考察，分別得到車(chē)架母材區(qū)、角接接頭區(qū)、對(duì)接接頭區(qū)疲勞強(qiáng)度最薄弱的3個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和安全系數(shù)，見(jiàn)表5。母材區(qū)、角接接頭區(qū)和對(duì)接接頭區(qū)各節(jié)點(diǎn)在Goodman-Smith圖中的位置分別如圖4、圖5、圖6所示，圖中的橫坐標(biāo)σmean表示節(jié)點(diǎn)平均應(yīng)力，縱坐標(biāo)σ表示節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，σmax和σmin分別表示該節(jié)點(diǎn)在應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明:車(chē)架結(jié)構(gòu)各部位的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)均大于1.00，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性滿足EN12663標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 車(chē)架疲勞強(qiáng)度危險(xiǎn)點(diǎn)

4 車(chē)架模態(tài)分析

車(chē)架模態(tài)計(jì)算旨在分析主車(chē)架自身的振動(dòng)情況，以發(fā)現(xiàn)是否有不利于車(chē)輛運(yùn)行的振動(dòng)形式，避免共振等不利行為出現(xiàn)。主車(chē)架模態(tài)分析在ANSYS有限元分析軟件中進(jìn)行，采用Block Lanczos法計(jì)算。去除剛體模態(tài)后，主車(chē)架前6階模態(tài)自振頻率見(jiàn)表6。

圖4 母材區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在Goodman-Smith圖中的位置

圖5 角接接頭區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在Goodman-Smith圖中的位置

圖6 對(duì)接接頭區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在Goodman-Smith圖中的位置

從表6可見(jiàn)：車(chē)架結(jié)構(gòu)最低階自振頻率為6.962 2 Hz，在轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)匹配中應(yīng)考慮其影響，以避免運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)共振現(xiàn)象，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)某型號(hào)線路搗固車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)，利用ANSYS分析軟件建立了車(chē)架的有限元模型，基于EN12663標(biāo)準(zhǔn)分析了該結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算工況下的應(yīng)力和變形分布。結(jié)論如下：

(1) 車(chē)架結(jié)構(gòu)在整備下的最大垂向變形為-11.135 mm，制作時(shí)應(yīng)據(jù)此制定上撓量。

(2) 在計(jì)算載荷工況下，車(chē)架最大當(dāng)量應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力值，在循環(huán)載荷的作用下，車(chē)架各節(jié)點(diǎn)的最小疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)均大于1.00。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12663的要求。

(3) 計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)最低階振型為一階垂直彎曲，自振頻率為6.96 Hz，應(yīng)合理配置轉(zhuǎn)向架的懸掛參數(shù)，以確保車(chē)輛正常運(yùn)行。

表6 車(chē)架低階自振頻率與振動(dòng)模態(tài)

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