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        地鐵銑軌車車體靜強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

        2021-06-15 02:54:36史天亮
        起重運(yùn)輸機(jī)械 2021年10期
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)向架車架車體

        史天亮

        中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司 昆明 650215

        0 引言

        鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂痕、波磨和曲線上股鋼軌側(cè)磨是城市軌道交通鋼軌最常見(jiàn)的表面損傷。如果鋼軌表面損傷得不到及時(shí)、有效的整修,將嚴(yán)重影響行車安全以及鋼軌壽命。為了保證列車運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和舒適性,需要使用快速、高效的在線修復(fù)技術(shù)來(lái)消除鋼軌表面?zhèn)麚p,恢復(fù)鋼軌型面和平順度。

        地鐵銑軌車適用于地鐵線路軌道的修復(fù)作業(yè),可一次性銑削消除鋼軌軌頂表面形成的長(zhǎng)波和短波波磨、裂紋、飛邊和剝離掉塊等勞損,使作業(yè)后的鋼軌縱、橫斷面輪廓得到重塑,表面平順度可較好地恢復(fù)[1]。由于地鐵銑軌車具有噪聲低、污染少、作業(yè)后無(wú)殘留物等特點(diǎn),特別適合城市軌道交通、隧道等環(huán)境使用,但其復(fù)雜的作業(yè)機(jī)構(gòu)導(dǎo)致整車質(zhì)量較大,而大部分地鐵軸重要求不能超過(guò)14 t,故需對(duì)車體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)以滿足軸重要求。本文通過(guò)有限元軟件對(duì)地鐵銑軌車車體強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析計(jì)算,并與車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,為后續(xù)同類車型的設(shè)計(jì)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

        1 車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        如圖1所示,地鐵銑軌車車體的主體結(jié)構(gòu)由車架、側(cè)墻、端墻、頂棚等組成。車架是銑軌車主要承載結(jié)構(gòu),主要由枕梁、側(cè)梁、牽引梁、縱梁、橫梁等組成。車架中部安裝有工作裝置,前部安裝司機(jī)室,后部安裝液壓間。車架長(zhǎng)15 320 mm,枕梁為變截面箱形梁,上下蓋板壁厚12 mm,側(cè)板壁厚8 mm;側(cè)梁為變截面的焊接H形鋼梁,截面高度由250 mm、350 mm、750 mm、2 255 mm等,H形鋼梁的翼板壁厚為16 mm和10 mm,腹板壁厚均為10 mm;牽引梁為壁厚12 mm的槽鋼,縱向板壁厚為16 mm;其他橫梁、縱梁均由不同壁厚的板拼焊而成。車架兩側(cè)設(shè)計(jì)有側(cè)墻,側(cè)墻頂部支撐起頂棚。車體傳力結(jié)構(gòu)為整體承載方式,即車體關(guān)鍵部位在承受載荷后,通過(guò)焊接在一起的型材將載荷傳遞到車體各個(gè)部位,進(jìn)而引起車體發(fā)生相應(yīng)變形[2,3]。

        圖1 銑軌車車體模型

        2 車體結(jié)構(gòu)有限元分析

        2.1 車體有限元模型建立

        地鐵銑軌車車體大部分結(jié)構(gòu)為薄板,建立有限元模型可選用殼單元建模分析。采用帶有節(jié)點(diǎn)偏置功能的殼單元建模[4-6],當(dāng)遇到需要改變板厚的情況,只需變更實(shí)常數(shù)或截面數(shù)據(jù)即可,適應(yīng)性強(qiáng),適合設(shè)計(jì)階段使用。本文采用Shell 181號(hào)單元建立車體模型,設(shè)備以質(zhì)量單元的形式施加在各自的質(zhì)心位置,如表1、圖2所示??紤]車架作為主要承載結(jié)構(gòu),劃分網(wǎng)格使用較小的網(wǎng)格,尺寸為15~20 mm,側(cè)墻及頂棚采用較稀疏網(wǎng)格,尺寸為20~30 mm。車體有限元模型包含383 890個(gè)單元和386 810個(gè)節(jié)點(diǎn)。

        表1 銑軌車各部件質(zhì)量

        圖2 銑軌車各部件安裝圖

        2.2 各工況分析計(jì)算

        以車體長(zhǎng)度方向?yàn)閄方向,寬度方向?yàn)閅方向,高度方向?yàn)閆方向。由于殼單元只有2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,故直接在芯盤處約束UY、UZ、ROTX,車輛的計(jì)算工況如表2所示。

        表2 車體靜強(qiáng)度計(jì)算載荷工況

        在表2中,垂直靜載荷工況是測(cè)試車體在自重載荷下的應(yīng)力和中央斷面撓度??v向拉伸、壓縮工況是為了測(cè)試車體在牽引、碰撞等條件下的力學(xué)特性,其載荷分布工況情況如圖3、圖4所示。其中縱向拉伸載荷采用貨車標(biāo)準(zhǔn)取1 125 kN,在車鉤一端施加其一半562 500 N的拉力,在車架與轉(zhuǎn)向架旁撐接觸位置施加4 132 N的斜對(duì)稱載荷,壓縮載荷采用客車標(biāo)準(zhǔn)取1 180 kN,在車鉤一端施加其一半59 000 N的壓力,在車架與轉(zhuǎn)向架旁撐接觸位置施加4 132 N的斜對(duì)稱載荷。垂向總載荷由垂向靜載荷、垂向動(dòng)載荷、側(cè)向力組成。垂向靜載荷為車體的整備質(zhì)量,垂向動(dòng)載荷可換算成垂向靜載荷乘以動(dòng)載荷系數(shù)Kdy,依據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[7],在試驗(yàn)車體側(cè)梁、枕梁的強(qiáng)度時(shí),可通過(guò)加大垂向載荷來(lái)模擬側(cè)向力的影響。貨車側(cè)向力的垂向載荷增加數(shù)值為垂向靜載荷的10%,Kc=0.1。因此,垂向總載荷的計(jì)算式為

        圖3 縱向拉伸工況載荷分布

        圖4 縱向壓縮工況載荷分布

        式中:LZ為垂向總載荷,Lj為垂向靜載荷,Kdy為動(dòng)載荷系數(shù)。

        動(dòng)載荷系數(shù)Kdy的計(jì)算式為

        式中:fj為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度,取39.77 mm;v為車輛的行駛速度,取120 km/h;b為系數(shù),取值為0.05;d為系數(shù),取值為1.65;a為系數(shù),簧上部分取值為1.5;c為系數(shù),簧上部分取值為0.427。

        計(jì)算得出動(dòng)載荷系數(shù)Kdy為0.3,故垂向總載荷為1.4Mg。

        斜對(duì)稱載荷的計(jì)算式[4]為

        式中:Q為斜對(duì)稱載荷;L2為車輛兩端軸頸中心之間的距離,取值為1.8 m;C1為一個(gè)軸箱上軸箱彈簧組的總剛度,取值為1 380 N/mm;C2為轉(zhuǎn)向架抵抗斜對(duì)稱載荷剛度。

        為計(jì)算轉(zhuǎn)向架抵抗斜對(duì)稱載荷剛度,在其中一個(gè)軸箱處施加10 000 N載荷,轉(zhuǎn)向架位移分布如圖5所示。由圖5可知,施加載荷位置的位移為4.43 mm,根據(jù)公式可計(jì)算出C2=10 000/4.43=2 258 N/mm,將其代入式(3)可計(jì)算出轉(zhuǎn)向架斜對(duì)稱載荷Q為4 132 N。

        圖5 轉(zhuǎn)向架位移分布

        整體抬車工況是為了確定在頂車處用架車機(jī)架起車體時(shí),車體任何斷面的應(yīng)力是否不大于材料的屈服極限。其載荷分布工況情況如圖6所示,在車架4個(gè)吊裝點(diǎn)處施加4點(diǎn)平均的整備質(zhì)量。

        圖6 整體抬車工況載荷分布

        2.3 仿真結(jié)果分析

        各計(jì)算工況下,車體各處應(yīng)力要小于材料許用應(yīng)力,車體采用的材料為S355J2,取安全系數(shù)1.15,許用應(yīng)力關(guān)系如表3所示。

        表3 許用應(yīng)力關(guān)系表

        根據(jù)已建立的模型進(jìn)行4種工況仿真研究,最大應(yīng)力仿真結(jié)果如圖7~圖10所示,垂直靜載荷工況最大應(yīng)力為106 MPa,縱向拉伸工況最大應(yīng)力為208 MPa,縱向壓縮工況最大應(yīng)力為214 MPa,整體抬車工況最大應(yīng)力為148 MPa。4種工況計(jì)算應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力,所以其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        圖7 垂直靜載荷工況最大應(yīng)力

        圖8 縱向拉伸工況最大應(yīng)力

        圖9 縱向壓縮工況最大應(yīng)力

        圖10 整體抬車工況最大應(yīng)力

        3 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

        地鐵銑軌車靜應(yīng)力測(cè)試和剛度試驗(yàn)試驗(yàn)委托中國(guó)鐵道科學(xué)院機(jī)車車輛研究所進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)依據(jù)為TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、GB/T 25337-2018《鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械通用技術(shù)條件》[8]和GB/T 25336-2018《鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械檢查與試驗(yàn)方法》[9]。試驗(yàn)內(nèi)容分為:車體在垂直載荷下的靜強(qiáng)度試驗(yàn)、在縱向載荷下的靜強(qiáng)度試驗(yàn)、在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。使用電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)量車體的應(yīng)力,應(yīng)變片采集到的應(yīng)變值根據(jù)虎克定律換算成應(yīng)力,即為該處的應(yīng)力值。選取結(jié)構(gòu)的1/2進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試,重要部分則在對(duì)稱位置布置對(duì)稱點(diǎn)。車架測(cè)點(diǎn)為82個(gè)。應(yīng)變片粘貼位置如圖11所示。車體的撓度變形使用位移傳感器測(cè)量。在車架兩個(gè)側(cè)梁各布置3個(gè)點(diǎn)側(cè)梁撓度,分別為車架中央和兩端芯盤指點(diǎn)處3個(gè)斷面上,取3點(diǎn)撓度平均值作為車架撓度。

        圖11 車體應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布布置圖

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果

        地鐵銑軌車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)在4種工況下的最大應(yīng)力點(diǎn)位置及數(shù)值如表4所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析:4種工況下各點(diǎn)的應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力;垂向靜載荷試驗(yàn)下車體兩側(cè)側(cè)梁的中央撓度都小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。車體鋼結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和垂向彎曲剛度均滿足TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求。

        表4 各工況試驗(yàn)結(jié)果

        3.3 有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

        將有限元仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,可以發(fā)現(xiàn):地鐵銑軌車車體垂向靜載荷、縱向拉伸、縱向壓縮、整體抬車等4種工況仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相同,數(shù)值偏差大約10%,如圖12所示。其主要原因有:

        圖12 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

        1)建模過(guò)程中對(duì)車體結(jié)構(gòu)和載荷施加方式的簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分情況;

        2)車體主要部件在組焊時(shí)產(chǎn)生的焊接變形使各梁端頭產(chǎn)生的制造誤差;

        3)試驗(yàn)測(cè)量貼片位置不一定在單元的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上,導(dǎo)致計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)力與試驗(yàn)測(cè)量應(yīng)力位置存在差異。

        4 結(jié)論

        1)地鐵銑軌車車體的強(qiáng)度和剛度都滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求;

        2)仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果相近,數(shù)值偏差小于10%,驗(yàn)證了有限元模型的可靠性;

        3)通過(guò)有限元模型可以較準(zhǔn)確地判斷出該車體在不同工況下的結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn),對(duì)車體設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)意義。

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