重型四輪驅(qū)動軌道牽引車車體有限元分析

呂超，代魯平，徐苾璇，郭明果

（濟南軌道交通裝備有限責(zé)任公司研究院，濟南 250022）

0 引言

隨著我國鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展以及各類鐵路車輛運營效率的不斷提高，各鐵路客、貨車、地鐵修造以及運營單位將面臨著越來越大的生產(chǎn)壓力。而鐵路調(diào)車作業(yè)在鐵路生產(chǎn)、維修、維護、運營過程中占有相當(dāng)重要的地位。我國現(xiàn)有調(diào)車作業(yè)主要采用調(diào)車機車，該種方式適用于大批量調(diào)車作業(yè)。對于一些廠礦企業(yè)和鐵路客、貨車以及地鐵車輛的修造、運營企業(yè)來說，絕大部分都是小批量的調(diào)車作業(yè)，在這種情況下如果再采用機車調(diào)車，在調(diào)車效率、經(jīng)濟性方面就有很大的浪費。機車調(diào)車作業(yè)不夠靈活，大大降低了調(diào)車作業(yè)的效率，因此重型四輪驅(qū)動軌道牽引車因其所擁有的經(jīng)濟、靈活、應(yīng)用范圍廣的特性，愈來愈受到國內(nèi)外廣大用戶的關(guān)注和青睞。本文對重型四輪驅(qū)動軌道牽引車車體進行了有限元計算，計算結(jié)果可為以后的軌道牽引車設(shè)計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

重型四輪驅(qū)動軌道牽引車主要由牽引車鉤、車體結(jié)構(gòu)、電池組、防護罩、驅(qū)動橋組成等部分組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。整車采用雙向驅(qū)動、無級變速，車身上配置信號燈、報警器和緊急制動按鈕；向前向后紅白雙色顯示燈；遙控器控制面板及車身均設(shè)有緊急制動開關(guān)。

圖1 重型四輪驅(qū)動軌道牽引車外形圖

重型軌道牽引車在軌距1 435 mm 鋼軌進行牽引作業(yè)，牽引自重為500 t 的鐵路車輛，牽引車采用4 個驅(qū)動電機驅(qū)動實心橡膠輪在鋼軌上運行，軌道牽引速度為0～7 km/h 該車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 車體靜強度分析

2.1 有限元模型

本次分析采用ANSYS 13.0 有限元分析軟件進行求解計算。建立牽引車車體有限元模型時，對該車整體剛度及局部強度有影響的結(jié)構(gòu)，都予以考慮，簡化后采用殼單元對結(jié)構(gòu)進行離散。車體的有限元離散模型圖如圖2 所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖2 車體模型網(wǎng)格圖

2.2 載荷及工況

軌道牽引車工作時，牽引裝置既可推動軌道車輛，又可拉動軌道車輛，故對牽引車整車強度計算時，分結(jié)構(gòu)受拉及受壓兩種工況進行計算。牽引車自身重力通過施加重力加速度程序自動求解，車體上各部分如電池箱、電氣柜等，對車體剛度及強度貢獻不大，簡化為力施加在作用區(qū)域，其他外部附屬件，如外部防護罩、燈等，不予考慮。整車擬采用Q345B 材料，屈服強度345MPa，參照TB/T1335-1996，設(shè)計許用應(yīng)力為216MPa。

2.2.1 拉伸工況

將打滑拉伸力作為極限拉伸力進行保守計算，其中拉伸力58 500N，2 組電池組每組21 000N，2 個電氣箱及零件每個400N，考慮牽引車自重，載荷及約束情況如圖3所示。

圖3 拉伸工況載荷及約束

2.2.2 壓縮工況

制動工況下，車體收到的壓縮力最大，其中來自外部貨車的慣性力65 000 N，2 組電池組每組21 000 N，2 個電氣箱及零件每個400 N，考慮牽引車自重及牽引車自身的慣性力，載荷及約束情況如圖4 所示。

圖4 壓縮工況載荷及約束

2.3 靜強度分析結(jié)果

（1）拉伸工況。車體在拉伸力作用下，計算得到最大應(yīng)力為74MPa，小于材料許用應(yīng)力216MPa，車體滿足要求。等效應(yīng)力云圖如圖5 和圖6 所示。

（2）壓縮工況。車體在壓縮力作用下，計算得到最大應(yīng)力為73 MPa，小于材料許用應(yīng)力216 MPa，車體滿足要求。等效應(yīng)力云圖如圖7 所示。

圖5 拉伸工況車體底部等效應(yīng)力

圖6 拉伸工況車體上部等效應(yīng)力

圖7 壓縮工況車體底部等效應(yīng)力

通過拉伸工況和壓縮工況下的應(yīng)力分布情況來看，該重型四輪驅(qū)動軌道牽引車車體在靜強度方面有著較大的設(shè)計余量，可通過后續(xù)研究，在車體動力學(xué)特性、控制性能等滿足要求的前提下進行優(yōu)化設(shè)計，從而達到減重、降成本的目的。

4 結(jié)語

本文借助有限元方法對重型四輪驅(qū)動軌道牽引車車體參考TB/T1335-1996 標(biāo)準(zhǔn)進行了靜強度分析，得到了車體的應(yīng)力分布狀況，滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，并為其后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB/T 1335-1996 鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB/T 1407-1998 列車牽引計算規(guī)程［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［3］米彩盈.鐵道車輛結(jié)構(gòu)強度［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

［4］成建民.有限單元法及其在車輛強度計算中的應(yīng)用［J］.中國鐵道出版社，1988.