關(guān)于垂向加載橫梁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

王偉華 郝剛

［摘要］文章介紹了對(duì)垂向加載橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)，減輕了垂向加載橫梁的重量，為垂向加載橫梁的裝卸提供了便利；通過對(duì)垂向加載橫梁與油缸的連接接口的優(yōu)化，避免了在試驗(yàn)中垂向加載橫梁導(dǎo)向槽與油缸脫離的危險(xiǎn)；并通過改進(jìn)縮短了垂向加載橫梁裝卸時(shí)間降低了輔助工的勞動(dòng)量。

［關(guān)鍵詞］垂向加載橫梁；改進(jìn)；結(jié)構(gòu)

［基金項(xiàng)目］此項(xiàng)目屬于：十一五科技項(xiàng)目

［作者簡(jiǎn)介］王偉華，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司高級(jí)工程師，研究方向：車體靜強(qiáng)度和車體氣密試驗(yàn)，山東青島，266111；郝剛，南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島，266111

［中圖分類號(hào)］ U26 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1007-7723（2012）05-0088-0003

一、前言

通過前期的試驗(yàn)車體垂向載荷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，垂向加載橫梁的裝卸難度較大且勞動(dòng)量也較大，具初步統(tǒng)計(jì)一次裝卸時(shí)間約需2天時(shí)間，此項(xiàng)試驗(yàn)準(zhǔn)備加長(zhǎng)了車體試驗(yàn)的周期，若能將垂向加載橫梁的裝卸時(shí)間控制在1天內(nèi)完成比較合適（相對(duì)于采用沙袋垂向加載的時(shí)間一般在1天半）；另外，在垂向載荷試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，加載橫梁油缸導(dǎo)向槽深度不夠，試驗(yàn)中易造成在試驗(yàn)的油缸連接頭從加載橫梁油缸導(dǎo)向槽中脫出。針對(duì)以上問題本文提出了對(duì)垂向加載橫梁進(jìn)行改進(jìn)的方案及措施。

二、原有垂向加載橫梁簡(jiǎn)介及加改方案介紹

原有垂向加載橫梁為全鋼制件，板梁焊接結(jié)構(gòu)（見圖1），單根垂向加載橫梁重量約為323kg（需10個(gè)以上輔助工才能搬運(yùn)），垂向加載橫梁長(zhǎng)度為3660mm，寬度為120mm，高度為324mm；由于垂向加載橫梁?jiǎn)蝹€(gè)件體積、重量都較大以及試驗(yàn)車體窗口高度的限制，造成了在裝卸過程中不易對(duì)垂向加載橫梁進(jìn)行控制且難度較大；特別對(duì)于不銹鋼試驗(yàn)車體和鋁合金試驗(yàn)車體，在垂向加載橫梁裝卸過程中，垂向加載橫梁不得與不銹鋼車體和鋁合金車體窗口產(chǎn)生刮碰，否則易對(duì)兩者試驗(yàn)車體窗口造成損傷，若造成損傷修補(bǔ)難度較大，由此造成影響將有損實(shí)驗(yàn)室的形象和聲譽(yù)。因此，在試驗(yàn)的準(zhǔn)備過程中需特別小心，試驗(yàn)進(jìn)度將放慢，故加長(zhǎng)了車體試驗(yàn)的周期。對(duì)于此問題主要從降低垂向加載橫梁重量的方向著手進(jìn)行改進(jìn)，在試驗(yàn)中每根橫梁承載極限載荷為10t，此極限載荷主要是由加載油缸和力傳感器（每根梁配置兩個(gè)5t的力傳感器）兩者共同決定的，因此改進(jìn)方案方向是在滿足極限載荷10t的條件下，盡可能地降低垂向加載橫梁的重量。在目前常用的金屬材料中減重最為明顯的是使用鋁合金材料，出于此目的選擇了鋁合金A7N01P-T4材料，彈性極限為195MPa，疲勞極限為135MPa，彈性模量為69GPa，密度為2700Kg/m3，比鋼密度的三分之一稍大些。若能將垂向加載橫梁重量為100kg左右時(shí)，對(duì)其的裝卸和控制將會(huì)提供很大的便利。

第二個(gè)在試驗(yàn)中遇到的較棘手的問題是，垂向加載油缸連接頭易從垂向加載橫梁導(dǎo)向槽中脫出，造成油缸不能正?；匚患懊摮鲈倩匚粫r(shí)將頂翻垂向加載橫梁或出現(xiàn)油缸傾倒的現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)中斷或終止等質(zhì)量事故。原有垂向加載橫梁導(dǎo)向槽的深度為20mm（見圖2）；從以往的車體試驗(yàn)和計(jì)算報(bào)告中可知，試驗(yàn)車體在三點(diǎn)支撐工況時(shí)最大位移變動(dòng)在30mm左右（此工況位移最大），因此垂向加載橫梁導(dǎo)向槽的深度在原有的基礎(chǔ)上至少再加大10mm；在改進(jìn)中將垂向加載橫梁導(dǎo)向槽深度確定為48mm（見圖3），此時(shí)油缸連接頭與導(dǎo)向槽的間距仍有16mm，兩者不發(fā)生干涉。

三、鋁合金垂向加載橫梁

（一）鋁合金垂向加載橫梁的結(jié)構(gòu)

鋁合金垂向加載橫梁相對(duì)于原有的鋼制垂向加載橫梁在材料上作了改動(dòng)，并新加了4塊立筋板和減重孔，對(duì)橫梁局部補(bǔ)強(qiáng)，原有的垂向加載橫梁所用板材的厚度保持不變；另外，在鋁合金垂向加載橫梁兩端與垂向拉桿連接的圓孔內(nèi)壓入鋼制內(nèi)襯套（見圖4），材料為Q345C（屈服極限為345MPa），增加連接孔處的承載能力和耐磨性能。在油缸與垂向加載橫梁接觸部位增加8mm鋼承載墊板，承載墊板與鋁合金垂向加載橫梁間涂防銹底漆，承載墊板通過螺釘和墊板1固定在加載橫梁上（見圖3）；以此改進(jìn)后鋁合金垂向加載橫梁重量約為110kg，在重量控制方面基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

（二）鋁合金垂向加載橫梁強(qiáng)度校核

鑒于僅對(duì)鋁合金垂向加載橫梁進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，在靜態(tài)分析時(shí)，所建力學(xué)模型包括立板、筋板、底板和上蓋板等；計(jì)算模型采用板梁結(jié)構(gòu)（見圖5），采用殼單元SHELL63，模型按有限元法ANSYS劃分網(wǎng)格（見圖6，僅示意一半模型），單元數(shù)量：33582個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為：33784個(gè)；在鋁合金垂向加載橫梁兩端孔壁下半部分施加全約束，同時(shí)在鋁合金垂向加載橫梁上兩處承載區(qū)域共施加100000N的作用載荷。

（三）鋁合金垂向加載橫梁計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算模型結(jié)果中可知，鋁合金垂向加載橫梁最大應(yīng)力為113.55MPa（見圖7，圖8），最大應(yīng)力發(fā)生在橫梁的內(nèi)襯套上，小于內(nèi)襯套的屈服強(qiáng)度345MPa，安全系數(shù)為S1=345/113.55≈3.03。鋁合金垂向加載橫梁變形量為4.379mm（見圖9），發(fā)生在加載橫梁的中部。

鋁合金垂向加載橫梁兩內(nèi)襯套以外的部位最大應(yīng)力為61.932MPa，遠(yuǎn)小于材料的彈性極限195MPa，安全系數(shù)為S2=195/61.932≈3.15。

四、結(jié)論

通過以上對(duì)鋁合金垂向加載橫梁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及強(qiáng)度校核分析可知，鋁合金垂向加載橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)改進(jìn)滿足試驗(yàn)的需求；減重后的垂向加載橫梁裝卸方便和勞動(dòng)量明顯減小，大幅度縮短了垂向加載橫梁裝卸時(shí)間。因此，本文對(duì)垂向加載橫梁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)是成功的。