基于EN12663的線路搗固車車架結(jié)構(gòu)可靠性分析

李 杰，傅茂海，何文信，李亞威

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

大型養(yǎng)路機(jī)械主要是指養(yǎng)護(hù)和維修鐵路線路的機(jī)械設(shè)備。線路搗固車是當(dāng)前鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械中十分重要的一種機(jī)械化設(shè)備，它對軌道進(jìn)行撥道、起道抄平和道床肩部道砟的夯實(shí)作業(yè)，對提升道砟密實(shí)度、增加軌道的穩(wěn)定性以及保證列車安全運(yùn)行具有重要作用[1-3]。搗固車車架是整車最重要的承載件，整車的大質(zhì)量設(shè)備(如搗固旋轉(zhuǎn)裝置、起撥道裝置、發(fā)動機(jī)、檢測設(shè)備及司機(jī)室等)都安裝在車架上。由于線路搗固車在作業(yè)時(shí)工況惡劣并且受力復(fù)雜，故對車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性提出了更高的要求。

1 線路搗固車主要技術(shù)參數(shù)

本文以某型號線路搗固車為例，根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)條件，計(jì)算所用車輛的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 車輛基本參數(shù)

2 搗固車車架結(jié)構(gòu)

該車架屬于車架承載式設(shè)計(jì)，除了少部分區(qū)域?yàn)殍T造件外，其他部分均為鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，由若干個(gè)縱向梁和橫向梁組焊而成，其中多數(shù)縱向梁和橫向梁均釆用矩形方管，枕梁是由上、下蓋板和雙腹板組成的箱型焊接結(jié)構(gòu)，上弦梁采用兩個(gè)箱型對接拼焊結(jié)構(gòu)，前端從板座和緩沖餅安裝座以及后端牽引梁安裝座分別焊在車架的相應(yīng)位置，整車通過上弦梁連接主車架前后底架來傳遞縱向力[4-5]。搗固車車架三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—牽引梁安裝座；2—枕梁；3—上弦梁；4—前端從板座；5—緩沖餅安裝座

3 車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 車架有限元模型

車架有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系中，X軸指向車輛運(yùn)行前方，Y軸與線路方向相垂直，Z軸垂直于軌道平面，其正方向?yàn)樨Q直向上，坐標(biāo)系XOY平面與原點(diǎn)的設(shè)置和3-D模型一致。采用4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell 63和8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid45對主車架進(jìn)行離散。司機(jī)室、搗固裝置、液壓油箱等大質(zhì)量部件和其余均布質(zhì)量均以Mass 21質(zhì)量單元模擬，代表大質(zhì)量部件的質(zhì)量單元與車架安裝座的連接通過梁單元Beam188連接。

3.2 車架靜強(qiáng)度計(jì)算

車架結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12663∶2010《Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies，Part 1:Locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons》進(jìn)行。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該車輛屬L類車輛，評定車架結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度計(jì)算工況有拉壓工況、起吊工況和架車工況等，靜強(qiáng)度計(jì)算工況如表2所示。表2中，m1為整備狀態(tài)車架質(zhì)量，m2為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，m4為超常裝載量,g為重力加速度。

表2 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

根據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)，在各計(jì)算工況下，車架結(jié)構(gòu)各處應(yīng)力應(yīng)滿足如下要求：

(1)

其中：σC為計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力；R為材料屈服強(qiáng)度；S1為安全系數(shù)，母材區(qū)域取1.15，焊縫區(qū)域取1.265。

車架結(jié)構(gòu)采用符合GB/T1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》要求的Q345-D鋼制造，材料的屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力見表3。

表3 材料屈服強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果表明：在所有載荷工況下，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于材料在該工況下的許用應(yīng)力，靜強(qiáng)度滿足EN12663的要求。其中在工況2下車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大，TOP面、BOTTOM面最大應(yīng)力分別為297.74 MPa和290.97 MPa，應(yīng)力分布如圖2所示。車架鋼結(jié)構(gòu)的垂向變形分布如圖3所示，整備狀態(tài)下車架的最大垂向變形(相對于轉(zhuǎn)向架支撐點(diǎn))為-11.135 mm。

圖2 工況2下車架應(yīng)力分布

3.3 車架疲勞強(qiáng)度評估

車架疲勞強(qiáng)度分析基于標(biāo)準(zhǔn)EN 12663第6.6、6.7和6.8節(jié)進(jìn)行，評估疲勞強(qiáng)度的載荷工況見表4。根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)5.6.2條建議，車架疲勞強(qiáng)度評估通過疲勞極限法進(jìn)行，車架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟研究試驗(yàn)委員會ERRI B 12/RP 17報(bào)告提供的方法進(jìn)行評估。由于焊接結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展方向與計(jì)算最大主應(yīng)力方向相垂直，因此，評估時(shí)首先獲得各節(jié)點(diǎn)計(jì)算工況下的最大主應(yīng)力及其方向，再將其余各工況下的應(yīng)力向最大主應(yīng)力方向投影，并獲得循環(huán)的最小應(yīng)力。將各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布點(diǎn)入Goodman曲線中，以許用應(yīng)力幅與計(jì)算應(yīng)力幅的比值作為節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)應(yīng)大于1.00[6]。

圖3 車架垂向變形分布(放大100倍)

載荷工況載荷F—1縱向0．15g，橫向0．15g，垂向1．15gF—2縱向0．15g，橫向0．15g，垂向0．85gF—3縱向0．15g，橫向-0．15g，垂向1．15gF—4縱向0．15g，橫向-0．15g，垂向0．85gF—5縱向-0．15g，橫向0．15g，垂向1．15gF—6縱向-0．15g，橫向0．15g，垂向0．85gF—7縱向-0．15g，橫向-0．15g，垂向1．15gF—8縱向-0．15g，橫向-0．15g，垂向0．85gF—9/F—10縱向2．92g，垂向1g：整車制動載荷198．4kN

對各計(jì)算載荷工況下車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行考察，分別得到車架母材區(qū)、角接接頭區(qū)、對接接頭區(qū)疲勞強(qiáng)度最薄弱的3個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均應(yīng)力、應(yīng)力幅和安全系數(shù)，見表5。母材區(qū)、角接接頭區(qū)和對接接頭區(qū)各節(jié)點(diǎn)在Goodman-Smith圖中的位置分別如圖4、圖5、圖6所示，圖中的橫坐標(biāo)σmean表示節(jié)點(diǎn)平均應(yīng)力，縱坐標(biāo)σ表示節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，σmax和σmin分別表示該節(jié)點(diǎn)在應(yīng)力循環(huán)中的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明:車架結(jié)構(gòu)各部位的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)均大于1.00，說明結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性滿足EN12663標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 車架疲勞強(qiáng)度危險(xiǎn)點(diǎn)

4 車架模態(tài)分析

車架模態(tài)計(jì)算旨在分析主車架自身的振動情況，以發(fā)現(xiàn)是否有不利于車輛運(yùn)行的振動形式，避免共振等不利行為出現(xiàn)。主車架模態(tài)分析在ANSYS有限元分析軟件中進(jìn)行，采用Block Lanczos法計(jì)算。去除剛體模態(tài)后，主車架前6階模態(tài)自振頻率見表6。

圖4 母材區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在Goodman-Smith圖中的位置

圖5 角接接頭區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在Goodman-Smith圖中的位置

圖6 對接接頭區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在Goodman-Smith圖中的位置

從表6可見：車架結(jié)構(gòu)最低階自振頻率為6.962 2 Hz，在轉(zhuǎn)向架懸掛參數(shù)匹配中應(yīng)考慮其影響，以避免運(yùn)行過程中出現(xiàn)共振現(xiàn)象，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)可靠性。

5 結(jié)語

依據(jù)某型號線路搗固車車架結(jié)構(gòu)，利用ANSYS分析軟件建立了車架的有限元模型，基于EN12663標(biāo)準(zhǔn)分析了該結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算工況下的應(yīng)力和變形分布。結(jié)論如下：

(1) 車架結(jié)構(gòu)在整備下的最大垂向變形為-11.135 mm，制作時(shí)應(yīng)據(jù)此制定上撓量。

(2) 在計(jì)算載荷工況下，車架最大當(dāng)量應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力值，在循環(huán)載荷的作用下，車架各節(jié)點(diǎn)的最小疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)均大于1.00。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12663的要求。

(3) 計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)最低階振型為一階垂直彎曲，自振頻率為6.96 Hz，應(yīng)合理配置轉(zhuǎn)向架的懸掛參數(shù)，以確保車輛正常運(yùn)行。

表6 車架低階自振頻率與振動模態(tài)

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