葛東坡 ，徐 巍 ，張襯英 ，鐘 萬(wàn) ，萬(wàn) 靂 ，李福金

（1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北時(shí)瑞達(dá)重型工程機(jī)械有限公司，湖北 襄陽(yáng)441116）

0 引言

隨著鐵路行業(yè)在國(guó)民運(yùn)輸業(yè)中的地位越來(lái)越重要，蓄電池工程車由于其綠色環(huán)保及其節(jié)能的特點(diǎn)，在軌道維修方面被廣泛采用且越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)軌道交通業(yè)的青睞。主車架在工程車的主體中有著重要作用，擔(dān)負(fù)著運(yùn)載主體的主要部件，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算與分析是車輛設(shè)計(jì)制造的前提。目前我國(guó)對(duì)工程維修機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還沒(méi)有大深入分析，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析上均沒(méi)有專用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，主要還是依據(jù)現(xiàn)有軌道車輛的一些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，在這種情況下會(huì)導(dǎo)致一些運(yùn)營(yíng)狀況考慮不全，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不盡合理。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與車輛運(yùn)行的可靠性、安全性緊密聯(lián)系，因此進(jìn)行完善和研究軌道車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和方法研究已經(jīng)成為一項(xiàng)緊要任務(wù)[1]。

本文以某型蓄電池工程車主車架的結(jié)構(gòu)入手，利用有限元軟件對(duì)主車架在多種工況下的剛度、強(qiáng)度和模態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，為后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 主車架有限元建模

鐵道工程車輛是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，不但有各部件之間的相互作用力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且還有輪軌之間的相互作用關(guān)系。其理論計(jì)算分析模型需要通過(guò)研究的需求和目標(biāo)，對(duì)一些次要因素進(jìn)行合理的假定或簡(jiǎn)化，對(duì)車輛性能影響較大的主要因素上盡可能符合實(shí)際情況的模擬[1]。文章在行文時(shí)對(duì)蓄電池工程車主車架模型時(shí)有如下假定：

（1）懸掛系統(tǒng)的彈性較小的端板、踏梯、墊板忽略其彈性變形；

（2）分析時(shí)忽略牽引工況和相鄰車之間的影響，只分析單節(jié)模型；

（3）在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)考慮主車架靜態(tài)受力，采用人工加載載荷；

（4）在構(gòu)建模型時(shí)對(duì)主車架上的一些凸臺(tái)、倒角和加強(qiáng)板進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。

計(jì)算分析主車架模型工況時(shí)采用ANSYS軟件。計(jì)算分析時(shí)采用主車架加蓄電池懸掛結(jié)構(gòu)和配重作為力學(xué)模型。蓄電池工程車主車架采用全鋼焊接結(jié)構(gòu)。采用中梁結(jié)構(gòu)，由邊梁、枕梁和其它縱橫梁等組焊構(gòu)成[2]，除圖1所示主要結(jié)構(gòu)外還焊接有加強(qiáng)梁和拉桿底座。該車架該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)13.704 m，寬2.56 m，高0.81 m，本身具有理論質(zhì)量34 719 kg（通過(guò)有限元模型理論得知）。如圖1所示。

圖1 主車架結(jié)構(gòu)示意圖

整車載荷分布均勻，偏載不計(jì)。通過(guò)Solid works建模，導(dǎo)入ANSYS軟件。通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)離散及局部的人工干預(yù)，在ANSYS中對(duì)主車架進(jìn)行離散得到617 337個(gè)節(jié)點(diǎn)，三角形和四邊形板單元共有279 628個(gè)[3]。整車載重由心盤機(jī)構(gòu)和橡膠堆旁承壓鑄在構(gòu)架上，故而在每個(gè)支撐面上施加位移約束邊界條件。在救援工況中，在相應(yīng)救援抬車點(diǎn)施加垂向Z和縱向X的約束。分析計(jì)算后得到模型如圖2。模型中坐標(biāo)原點(diǎn)位于車體中心的地板面上，X坐標(biāo)為橫向，Y坐標(biāo)為垂直方向，Z坐標(biāo)為車輛前進(jìn)方向[3]。在軟件中算得該車體整車模型的理論質(zhì)量為34 719 kg。

圖2 有限元建模及網(wǎng)格劃分

2 工況載荷分析

2.1 主車架的計(jì)算載荷

由于軌道工程車的形狀和受力變化復(fù)雜，強(qiáng)度和剛度的校核分析影響整車的結(jié)構(gòu)性能，其力學(xué)性能缺乏知曉，本文主要依據(jù)現(xiàn)有的已知有效參數(shù)，參照TB/T2541-1995《內(nèi)燃、電力機(jī)車車體強(qiáng)度試驗(yàn)法》和TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，分析可知作用在主車架上的載荷[4]有下列4種載荷：

（1）垂直靜載荷

垂直靜載荷主要是指車體結(jié)構(gòu)自重及內(nèi)部電氣、設(shè)備，按均布載荷作用在底架上，車鉤和排障板則單獨(dú)施加在端頭[5]。有效數(shù)值為340 kN（這是設(shè)計(jì)的已知量）。

（2）垂直動(dòng)載荷

由于軌道車在運(yùn)行中簧上部分振動(dòng)產(chǎn)生的附加垂直動(dòng)載荷，依據(jù)TB/T1335-1996中垂向動(dòng)載荷計(jì)算公式（1）：

公式中fi為彈簧的垂直靜變形量（mm）；v為軌道車的速度（m/s）；a、b、e 為軌道車的工況影響系數(shù)本次計(jì)算垂向動(dòng)荷系數(shù)取Kd=0.3，垂直總載荷作用形式同垂直靜載荷，有效數(shù)據(jù)為443 kN。

（3）牽引力載荷

牽引力作用于枕梁下蓋板，該數(shù)值為設(shè)計(jì)中已知量其有效值為48 kN。

（4）制動(dòng)力載荷

制動(dòng)時(shí)車輛縱向慣性力加速度等于0.25 g。按照3g×軌道車總質(zhì)量計(jì)算得到有效數(shù)值為1 002 kN其作用于枕梁下蓋板。

由TB/T2541-1995《內(nèi)燃、電力機(jī)車車體強(qiáng)度試驗(yàn)法》，結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)[4]，綜合分析本次計(jì)算以下四種工況如下表1。

表1 計(jì)算分析組合工況表

2.2 許用應(yīng)力計(jì)算

本次設(shè)計(jì)底架和懸掛選用低合金鋼16Mn（Q345B）。由TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中規(guī)定，低合金鋼16Mn的屈服極限為345 MPa。在第一工況下許用應(yīng)力為216 MPa，在第二工況下許用應(yīng)力為293 MPa[4]。

分析應(yīng)力結(jié)果采用當(dāng)量應(yīng)力表示。計(jì)算公式（2）為

式中：σe為當(dāng)量應(yīng)力（MPa）；σi為主應(yīng)力（i=1，2，3）（MPa）。

2.3 剛度計(jì)算

整體承載的車體的撓跨比評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)有公式（3）計(jì)算得出：

本次計(jì)算可得fz=15.22 mm。按照既定的公式經(jīng)計(jì)算軌道車整體剛度滿足TB/T1335-1996的要求。

3 主車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度云圖分析

在第一工況垂直靜載荷作用下，云圖顯示如圖3。由云圖和計(jì)算量得知主車架的最大垂向變形為4.2 mm，滿足要求。最大當(dāng)量應(yīng)力小于100 MPa。未超出低合金鋼16Mn的許用應(yīng)力216 MPa[6]。

圖3 工況一云圖

在第二工況垂直靜載荷＋垂直動(dòng)載荷作用下，主車架的最大垂向變形5.4 mm，滿足要求。最大當(dāng)量應(yīng)力約100 MPa，未超出216 MPa。云圖顯示如圖4。

圖4 工況二云圖

在第三工況垂直靜載荷+牽引力作用下，主車架的最大垂向變形為4.1 mm，滿足要求。最大當(dāng)量應(yīng)力小于100 MPa。未超出許用應(yīng)力216 MPa。云圖顯示如圖5。

圖5 工況三云圖

在第四工況垂直靜載荷+制動(dòng)力作用下，主車架的最大垂向變形為15.1 mm，滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求。云圖顯示如圖6。由云圖結(jié)果中可知最大當(dāng)量應(yīng)力315 MPa，超出低合金鋼16Mn的第二工況許用應(yīng)力293 MPa。其位置在牽引梁下部靠近制動(dòng)力施加端部分，有較大面積當(dāng)量應(yīng)力超過(guò)了該值，應(yīng)采取加強(qiáng)措施。本次優(yōu)化結(jié)構(gòu)時(shí)采用添加橫梁結(jié)構(gòu)（優(yōu)化分析圖中有結(jié)構(gòu)顯示），在優(yōu)化分析時(shí)由于加裝橫梁使得最大斷受力減小達(dá)到安全范圍標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該加固方法可行。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后加固后再次進(jìn)行分析計(jì)算[7]，得到應(yīng)力云圖如圖7所示，所得結(jié)果最大當(dāng)量應(yīng)力為273 MPa，未超出低合金鋼16Mn的第二工況許用應(yīng)力293 MPa。經(jīng)驗(yàn)證優(yōu)化措施有效，符合預(yù)期設(shè)想。

圖6 工況四云圖

圖7 工況四優(yōu)化加固后云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某型蓄電池工程車的主車架為研究對(duì)象，通過(guò)建立主車架的有限元分析模型對(duì)車輛在運(yùn)行時(shí)工況受力狀態(tài)的分析組合，確定主車架上載荷的組合工況，運(yùn)用ANSYS分析完成了多種工況下主車架的剛度、強(qiáng)度的計(jì)算分析，進(jìn)行了一次對(duì)設(shè)計(jì)成品的校核。計(jì)算結(jié)果表明：該蓄電池工程車車體模型比較精確地反映結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，結(jié)果更加接近實(shí)際。同時(shí)在規(guī)定計(jì)算的載荷工況下，強(qiáng)度不足工況下的情況經(jīng)過(guò)局部加強(qiáng)優(yōu)化后滿足設(shè)計(jì)需求，本次設(shè)計(jì)主車架完全能夠滿足運(yùn)行的強(qiáng)度和變形需要。