鐵道多功能作業(yè)車車體強度及模態(tài)分析

馬來蘋

摘 要：該文主要分析了某鐵道多功能作業(yè)車車體的結(jié)構(gòu)和功能特點，建立車體有限元模型，參照行業(yè)標準確定載荷工況。通過在典型工況下對車體剛度、強度進行了計算分析，結(jié)果表明鐵道多功能作業(yè)車車體可有效滿足剛度、強度相關(guān)標準要求。

關(guān)鍵詞：多功能作業(yè)車 車體 強度 剛度

中圖分類號：U2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（b）-0054-02

作為電氣化鐵路接觸網(wǎng)檢修、搶修、維護的重要設(shè)備，鐵道多功能作業(yè)車配備了高空作業(yè)斗、抬撥線裝置、升降式作業(yè)平臺、接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)，不僅能對高壓接觸網(wǎng)進行檢測、檢修與維護，還可以用于鐵路的高空設(shè)施、通信設(shè)施、橋梁以及隧道等的綜合檢修和維護。該文以某型號多功能作業(yè)車為研究對象，該作業(yè)車可實現(xiàn)160 km/h以上的速度快速到達或撤離作業(yè)現(xiàn)場，并具備0～10 km/h的恒定作業(yè)走行速度。考慮到該車特殊用途，尤其在某些作業(yè)條件下承載較大，為保證該車的使用安全，對車體鋼結(jié)構(gòu)進行不同載荷與組合工況下的剛度和強度的有限元計算。

1 車體結(jié)構(gòu)概述

該車體承載方式為整體式，主要承載部件均采用由鋼板、鋼板折彎件、槽鋼等焊接而成的閉口組合截面結(jié)構(gòu)。車體由兩端司機室、底架、側(cè)墻、隔墻、車頂幾部分組成，車體前后端司機室采用板梁結(jié)構(gòu)；車頂采用壓型槽型鋼、角鋼、乙型鋼、封口槽鋼等組焊；側(cè)墻采用壓型乙型鋼、幾字型鋼、角鋼等組焊；隔墻采用壓型槽型鋼管組焊，與車體焊接一體；底架為雙中梁結(jié)構(gòu)，由端梁、牽引梁、枕梁、邊梁、中梁、橫梁和各種吊座組成，中梁、邊梁均為箱型梁。除高空作業(yè)斗安裝座材質(zhì)為20CrMo外，其他材料均為低合金高強度鋼Q345B。車體鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 有限元模型建立

車體鋼結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格采用板殼單元和空間塊體單元離散，單元大小為15 mm。車體鋼結(jié)構(gòu)有限元模型共劃分1 529 864個殼單元和10 846個四面體單元，節(jié)點數(shù)為1 503 745個。

3 車體剛度、強度計算分析

3.1 載荷確定及工況選擇

根據(jù)TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》，確定車體鋼結(jié)構(gòu)剛度和強度計算的基本載荷?？v向拉伸載荷為980 kN，縱向壓縮載荷為1 180 kN，該力分別沿車鉤中心線作用于車體兩端牽引梁的前、后從板座上。

根據(jù)TB/T 2541-1995和TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》要求，需要對11種工況進行計算分析：垂直靜載荷工況，垂直總載荷工況（1.3×垂直靜載荷），垂直總載荷+980 kN縱向拉伸力工況，垂直總載荷+1 180 kN縱向壓縮力工況，側(cè)向作業(yè)工況，一位端順軌作業(yè)工況，二位端順軌作業(yè)工況，一位端作業(yè)平臺45°作業(yè)工況，二位端作業(yè)平臺45°作業(yè)工況，頂車作業(yè)工況，吊車作業(yè)工況。

由于工況較多，該文只選取垂直靜載荷工況校核車體剛度，選取受力最大的垂直總載荷與縱向壓縮組合工況進行強度分析。垂向靜載荷與垂向總載荷都以均布力的形式施加于底架地板，縱向壓縮載荷作用在牽引梁的后從板座上。

3.2 車體剛度分析

根據(jù)TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》，車體的垂向彎曲剛度應(yīng)使車體底架邊梁在垂直靜載工況下的中央靜撓度與車輛定距L之比值≤1/2 000；中梁的中央靜撓度與車輛定距L之比值≤1/1 500。

通過計算，垂向靜載荷工況下：

車體底架邊梁的中央撓度為1.83 mm，側(cè)梁中央撓度與車輛定距L之比值：=1/9 290≤1/2 000。車體底架中梁的中央撓度為2.33 mm，中梁中央撓度與車輛定距L之比值：=1/7 296≤1/1 500。其中：車輛定距L=17 000 mm。

3.3 車體靜強度分析

計算復(fù)雜應(yīng)力構(gòu)件時，需求Von Mises應(yīng)力，此應(yīng)力不得超過材料許用應(yīng)力。該文所有應(yīng)力結(jié)果均采用Von Mise應(yīng)力表示。該應(yīng)力的計算公式為：

式中：σe為當量應(yīng)力，MPa；σi為主應(yīng)力（i=1，2，3），MPa。

低合金高強度鋼Q345B的屈服強度為345 MPa；安裝座材質(zhì)為20CrMo，屈服強度685 MPa。TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》中規(guī)定，Q345B的許用應(yīng)力為216 MPa；20CrMo的許用應(yīng)力為429 MPa。

通過計算，垂直總載荷與縱向壓縮組合工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底架牽引梁，最大應(yīng)力值為212.8 MPa，如圖2所示。車體鋼結(jié)構(gòu)的最大Von Mises應(yīng)力小于材料Q345B的許用應(yīng)力為216 MPa。

4 結(jié)論

（1）在垂向靜載荷工況下，車體底架邊梁的中央撓度為1.83 mm，與車輛定距L之比值為1/9 290≤1/2 000；車體底架中梁的中央撓度為2.33 mm，與車輛定距L之比值為1/7 296≤1/1 500。該車體的剛度滿足TB/T1335-1996規(guī)范的要求。

（2）該鐵道多功能作業(yè)車車體在最大運轉(zhuǎn)載荷垂向總載荷加1 180 kN縱向壓縮載荷工況下，車體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在牽引梁處，應(yīng)力值為212 MPa，這主要是因為縱向壓縮力通過車端連接裝置直接作用于底架牽引梁后從板座上，引起該處的應(yīng)力較大，但最大應(yīng)力仍小于材料的許用應(yīng)力值，該車體的強度滿足TB/T1335-1996規(guī)范的靜強度要求。

參考文獻

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB/T 2180-2006 電氣化鐵路接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車技術(shù)條件[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2] 劉曉芳.不銹鋼地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點分析[J].工業(yè)技術(shù)，2014（20）：11.

[3] 張景群.GCY300型軌道車車體強度分析[J].內(nèi)燃機車，2013（3）：26-28.