王曉東，劉 捷，蔡川雄，李悅熙薇，吳 磊

(1.昆明冶金高等專科學(xué)校冶金與礦業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650033；2.中國鐵建高新裝備股份有限公司,云南 昆明 650215)

道岔搗固穩(wěn)定車是中國鐵建高新裝備股份有限公司從奧地利引進(jìn)的進(jìn)口車型，但是由于歐洲大型養(yǎng)路機械的標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)有所不同，相比之下，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]更為嚴(yán)格。國內(nèi)上線的各種鐵路車輛，其車架必須按照國內(nèi)的相關(guān)要求進(jìn)行靜強度試驗。試驗主要分為縱向拉伸試驗、縱向壓縮試驗、垂向試驗、頂車試驗、扭轉(zhuǎn)試驗、修理工況、起吊工況等。其中垂向試驗主要采取砂袋、鐵塊等重物加載，最消耗時間，所以此次試驗先進(jìn)行了垂向試驗。但是，在進(jìn)行縱向拉伸及壓縮試驗時發(fā)現(xiàn)，車架的部分區(qū)域應(yīng)力超出了試驗允許的最大值，由于是成熟設(shè)計的進(jìn)口車型，不可能對車架及整車作出很大的改動，所以只能在原有的結(jié)構(gòu)框架內(nèi)進(jìn)行補強，優(yōu)化設(shè)計，以滿足國內(nèi)的試驗標(biāo)準(zhǔn)，否則無法上線運行[3-4]。

道岔搗固穩(wěn)定車主車架的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其中關(guān)于材料，其底架采用的是鐵路上常見的Q345D，立柱及上弦梁采用的是強度更高的Q420D。

表1 道岔搗固穩(wěn)定車主車架的主要技術(shù)參數(shù)

1 計算工況說明

基于ANSYS的有限元計算，對車架進(jìn)行局部補強，原則上應(yīng)該進(jìn)行7種工況的分析計算，但是由于情況特殊，該車架為國外設(shè)計、廠內(nèi)加工，在做過部分靜強度試驗后發(fā)現(xiàn)其它試驗滿足要求，但縱向試驗無法通過，且縱向試驗對結(jié)果的貢獻(xiàn)值很大。因此為了保證試驗順利通過，在工期很緊的情況下，筆者只對縱向拉伸、縱向壓縮工況進(jìn)行計算，即縱向拉伸力為980 kN，縱向壓縮力為 1 180 kN，均沿車鉤中心線作用在前從板座上及連接桿的耳座上；并將計算結(jié)果與已得試驗結(jié)果的垂向試驗等疊加之后，對車架的強度進(jìn)行判定。

2 有限元建模

為了真實有效地模擬車架在各種工況下的受力情況，考慮到車架是由大量的鋼板及矩形管組成，本文選用殼單元進(jìn)行模擬計算，因為4節(jié)點殼單元shell181有節(jié)點偏置功能選項，因此選用該單元建模非常方便，結(jié)果更加準(zhǔn)確。

線路道岔搗固車主車架在實際使用中約80%的重量由芯盤承受，這類轉(zhuǎn)向架應(yīng)用范圍很廣，其心盤處是球鉸支撐。本次計算以車架的長度方向為X向，寬度方向為Y向，高度方向為Z向。在芯盤處的中心節(jié)點直接約束UY，UZ，ROTX，為了避免剛體位移，在其中一個芯盤處的中心節(jié)點約束UX，2個芯盤處都釋放ROTY。心盤處為球形鉸接，在鉸接區(qū)域范圍以內(nèi)，車架上對應(yīng)的位置實際上是不受力或受力極小的，因此可以將此區(qū)域處理為剛性區(qū)域，以避免只約束一個節(jié)點帶來的應(yīng)力集中問題。[5]

3 縱向拉伸工況計算

縱向拉伸力為980 kN，沿車鉤中心線作用在2個前從板座上。計算結(jié)果如圖1、2所示。限于篇幅，從圖1可以知曉車架全貌，不再給出車架的三維圖。

圖1 縱向拉伸工況下車架的總變形Fig.1 The total deformation of frame under longitudinal tensile condition

由圖1可知，在縱向拉伸工況下，車架的變形量較大，達(dá)130 mm，如此大的縱向變形量也反映出立柱與上弦梁交界處承受了很大的彎矩，從而會產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。這種由上弦梁連接2塊底架的結(jié)構(gòu)，縱向剛度比較差，但為了滿足工作裝置的需求，只能對車架進(jìn)行局部加強，而無法從根本上更改其結(jié)構(gòu)。

由圖2(a)可知，車架上的應(yīng)力分布非常不均勻，大應(yīng)力點幾乎全部集中在上弦梁上，最大等效應(yīng)力值為432 MPa。因此設(shè)計中底架采用Q345D，而上弦梁采用Q420D材料是合理的。

由圖2(b)可知，最大等效應(yīng)力值 432 MPa 的位置為立柱與上弦梁交界的筋板上。

由圖2(c)(d)可知，單獨觀察2塊底架上的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)底架上的應(yīng)力分布比較均勻，說明材料利用比較充分，與以往車架設(shè)計的應(yīng)力分布及應(yīng)力值數(shù)值大小也比較接近，最大應(yīng)力點均為牽引力直接作用的部位，應(yīng)力最大值為181 MPa。

由圖2(e)(f)可知，單獨觀察上弦梁兩端的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)上弦梁截面的應(yīng)力值在170 MPa左右，但在立柱與上弦梁的交界處出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中，甚至計算值超過了Q420D的屈服強度，因此必須對上弦梁進(jìn)行補強，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改善應(yīng)力分布，降低應(yīng)力值。

(a)車架整體應(yīng)力分布(b)車架局部應(yīng)力分布(c)車架底部應(yīng)力分布(d)車架底架應(yīng)力分布(e)車架上弦梁應(yīng)力分布(f)車架上弦梁下平面應(yīng)力分布

4 補強方案

為了盡量不影響整車布局，同時又不讓應(yīng)力發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)移，技術(shù)人員研究討論決定，對該車架局部區(qū)域采用貼片加厚、增加筋板的方式以改善應(yīng)力集中情況，部分補強方案如圖3所示，深色部分為新增的補強鋼板。

5 補強后，縱向拉伸工況計算

補強后的車架，縱向拉伸工況計算結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可知，應(yīng)力分布變得更加均勻，應(yīng)力最大值為321 MPa。

由圖4(b)(c)(d)可知，應(yīng)力最大值點均位于立柱與上弦梁交界處的筋板上，車架兩側(cè)筋板上的最大應(yīng)力值分別為321 MPa和293 MPa。

由圖4(e)可知，車架底架上的應(yīng)力分布及應(yīng)力值幾乎沒有變化。

由圖4(f )可知，上弦梁的下平面，經(jīng)過局部加強后，其應(yīng)力最大值由295 MPa下降到217 MPa。

(a)主車架前部立柱上側(cè)補強示意(b)車架后部主梁下側(cè)補強示意

(a)車架應(yīng)力分布1(b)車架局部應(yīng)力分布1(c)車架局部應(yīng)力分布2(d)車架應(yīng)力分布2 (e)車架底架應(yīng)力分布(f)車架上弦梁的下平面應(yīng)力分布

綜上所述，對車架進(jìn)行局部加強后，應(yīng)力分布變得更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。由于上弦梁所用材料為Q420D，其許用應(yīng)力為263 MPa，因此，包括應(yīng)力集中現(xiàn)象，上弦梁上最大的應(yīng)力值為217 MPa，結(jié)合已經(jīng)做過的垂向試驗等結(jié)果，疊加后已經(jīng)滿足使用要求。雖然仍有部分筋板上的應(yīng)力超過許用應(yīng)力值263 MPa，但鑒于這些位置都在筋板上，并不在車架本身的主結(jié)構(gòu)上，因此可以適當(dāng)放寬此類許用應(yīng)力值。所以，按照此方案進(jìn)行補強、優(yōu)化后的車架滿足縱向拉伸試驗要求。

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，壓縮工況與拉伸工況的應(yīng)力分布趨勢大體一致，即大應(yīng)力點位于上弦梁與立柱交界處的筋板上；上弦梁的應(yīng)力值較大，立柱與底架上的應(yīng)力較小；除少數(shù)幾個筋板上的應(yīng)力超過許用應(yīng)力外，其它主要部位的應(yīng)力值在疊加后，均滿足許用應(yīng)力的要求，本文不再進(jìn)行贅述。

6 結(jié) 語

根據(jù)縱向拉伸工況、縱向壓縮工況的計算結(jié)果，以及垂向試驗等試驗結(jié)果，進(jìn)行疊加可知：補強后的車架滿足車體靜強度試驗的相關(guān)要求，滿足車輛的使用條件，避免了重新研制新的車架，從而節(jié)約了成本和時間。