高速鐵路平臺式橋梁檢查車構(gòu)架強(qiáng)度分析

王淑琴　白雁飛

【摘 要】針對高速鐵路平臺式橋梁檢查車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，利用有限元ANSYS軟件開展了對該構(gòu)架在運(yùn)用工況中的強(qiáng)度分析，得到了在載荷工況下的應(yīng)力結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在運(yùn)用工況下的最大應(yīng)力小于其材料的許用屈服強(qiáng)度且在主要受力位置無明顯應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)安全可靠。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路平臺式橋梁檢查車；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架；有限元；ANSYS

0 前言

高速鐵路平臺式橋梁檢查車轉(zhuǎn)向架是一個全新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向架。

橋檢車采用兩個三軸轉(zhuǎn)向架作為它的走行部，每個轉(zhuǎn)向架的兩根端軸為帶交流牽引電機(jī)的動軸。構(gòu)架為焊接結(jié)構(gòu)。軸箱采用獨(dú)立作用彈簧、單軸箱拉桿定位的結(jié)構(gòu)。二系采用高圓鋼簧與橡膠減振墊串聯(lián)作為承載旁承。牽引裝置采用單拉桿式中央牽引裝置結(jié)構(gòu)。電機(jī)懸掛方式為架懸，采用撓性浮動齒式聯(lián)軸節(jié)傳遞動力。交流牽引電機(jī)內(nèi)置布置，中心對稱?；A(chǔ)制動采用帶彈簧制動的單元制動器，單側(cè)制動。轉(zhuǎn)向架總圖如圖1所示。

作為機(jī)車轉(zhuǎn)向架重要承載部件——構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用的技術(shù)特點(diǎn)與國內(nèi)同類產(chǎn)品有較大的區(qū)別。為此，本文從橋檢車構(gòu)架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)入手，通過PRO/E和ANSYSY完成了三維建模和靜強(qiáng)度的有限元計(jì)算，進(jìn)行全面研究和分析，準(zhǔn)確掌握了構(gòu)架及其部件的應(yīng)力分布情況，研究其設(shè)計(jì)理念，為今后我國高速工程車構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析計(jì)算提供借鑒。

1 三維模型

橋檢車的構(gòu)架是由兩根左右對稱分布的側(cè)梁、兩根橫梁、前端梁、后端梁及各支座組成。為了減輕重量、提高剛度和強(qiáng)度，側(cè)梁、橫梁及后端梁為Q345E 鋼板組成的箱形截面焊接結(jié)構(gòu)，并在箱形內(nèi)部設(shè)置筋板以提高整體剛度、改善受力情況。前端梁同樣采用材料為Q345E的管形結(jié)構(gòu)。其三維模型如圖2所示。

2 工況與載荷

根據(jù)該轉(zhuǎn)向架工作的實(shí)際情況并參照UIC 615-4《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》，為了驗(yàn)證在機(jī)車運(yùn)行時可能出現(xiàn)的最大載荷的共同作用下，構(gòu)架沒有永久變形的危險(xiǎn)，本次分析采用超常載荷下的三種工況（表1所示），主要運(yùn)營載荷下的十三種工況（表2所示）。

載荷計(jì)算：

（1）超常載荷——垂向載荷

計(jì)算旁承面上的垂向載荷必須首先計(jì)算出其總的垂向載荷，計(jì)算公式如下：

（2）超常載荷——橫向載荷

（3）超常載荷——車輪卸載

超常車輪卸載作用對應(yīng)于轉(zhuǎn)向架翹曲至一個車輪100%減載時的脫軌工況。

注：上述式中：FZ為轉(zhuǎn)向架整體所受垂向載荷；g為重力加速度；mv為整備狀態(tài)下的空車重量；m+為轉(zhuǎn)向架重量；nb為轉(zhuǎn)向架的數(shù)量；ne為每轉(zhuǎn)向架輪對的數(shù)量。

3 有限元分析

本次分析所使用的有限元分析軟件為ANSYS 15.0，進(jìn)行了高速鐵路平臺式橋梁檢查車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的載荷工況靜力學(xué)分析。

3.1 有限元模型的建立

構(gòu)架有限元模型是在Pro/E三維模型的基礎(chǔ)上，在Ansys Workbench中使用六面體對整個實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時對一些需要關(guān)注的部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化和網(wǎng)格映射，最后得到構(gòu)架單元總數(shù)為207795個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為130788個。具體有限元模型如圖3所示。

3.2 有限元分析求解

構(gòu)架使用材料為Q345E，彈性模量為205GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為340MPa，抗拉強(qiáng)度為470～630MPa。有限元分析的應(yīng)力結(jié)果不允許超過其屈服強(qiáng)度。

通過計(jì)算得到三種超常工況下的應(yīng)力結(jié)果云圖和主要運(yùn)營工況下的最大應(yīng)力值，如圖4、圖5、圖6所示，圖中顯示了不同工況下構(gòu)架應(yīng)力云圖和應(yīng)力較為集中的區(qū)域，可以看出三種超常工況下最大應(yīng)力都沒有超過材料的屈服強(qiáng)度340MPa；十三種主要運(yùn)營工況下的監(jiān)測點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均在goodman曲線圖中的相應(yīng)范圍之內(nèi)（見圖7所示），可以說明符合設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

本文針對橋梁檢查車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中的受力情況，使用Ansys分析計(jì)算了超常載荷下的三種工況和主要運(yùn)營載荷十三種工況，得出結(jié)論如下：

（1）結(jié)合機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，參照UIC 615-4《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》設(shè)計(jì)了各工況載荷施加位置，符合靜強(qiáng)度仿真分析要求；

（2）利用Ansys軟件根據(jù)不同工況施加不同的邊界條件，與標(biāo)準(zhǔn)吻合；

（3）構(gòu)架在各工況下的最大應(yīng)力沒有超過其材料的許用屈服強(qiáng)度并且在主要受力位置無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)安全可靠。

【參考文獻(xiàn)】

[1]余偉煒，高炳軍.ANSYS 在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[2]UIC 615-4，動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)[S].

[3]TB/T 3312-2013 機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架[S].

[責(zé)任編輯：湯靜]