采用有限元法的搗固、穩(wěn)定、測(cè)量一體化仿真車設(shè)計(jì)

李成洋

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢，430063

0 引言

大型養(yǎng)路機(jī)械主要是指養(yǎng)護(hù)、維修、整修鐵路線路的機(jī)械設(shè)備[1]。我國(guó)大型養(yǎng)路機(jī)械的發(fā)展必須走可持續(xù)發(fā)展之路，既要滿足當(dāng)前需要，又要兼顧長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[2]。大型養(yǎng)路機(jī)械在工作過(guò)程中工作時(shí)間長(zhǎng)，工作環(huán)境復(fù)雜，自身設(shè)備磨損嚴(yán)重，極易造成大型養(yǎng)路機(jī)械出現(xiàn)故障而導(dǎo)致大型養(yǎng)路機(jī)械脫軌掉道、工作裝置故障等事故發(fā)生[3]。目前國(guó)內(nèi)各工務(wù)機(jī)械段針對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械的運(yùn)用都有相應(yīng)的應(yīng)急搶修管理辦法，具體應(yīng)急演練設(shè)備以實(shí)物大型養(yǎng)路機(jī)械為依托，采用這種方式對(duì)操作人員的故障處理、應(yīng)急預(yù)案的培訓(xùn)機(jī)會(huì)有限，且培訓(xùn)成本高，效率低。

朱興高等[4]利用有限元分析軟件對(duì)車架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。張軍等[5]基于有限元方法，建立了C80通用敞車車體的模型，用可行方向法完成了貨車車體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。PADOVANI等[6]研究了應(yīng)用于鐵路軌道維護(hù)機(jī)的非混合位移控制結(jié)構(gòu)，運(yùn)用控制算法和高保真動(dòng)態(tài)模型實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。LEITNER[7]運(yùn)用Nelder-Mead單純形算法對(duì)軌道維護(hù)機(jī)選擇幀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對(duì)上述背景及現(xiàn)狀，本文采用有限元法，研發(fā)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)用及故障處置應(yīng)急起復(fù)的搗固、穩(wěn)定、測(cè)量一體化仿真車，實(shí)現(xiàn)鋼軌基礎(chǔ)設(shè)施搗固、穩(wěn)定、鋼軌平直度測(cè)量的應(yīng)用培訓(xùn)和應(yīng)急起復(fù)演練，并確保線路繁忙時(shí)，大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)場(chǎng)、施工、撤出全過(guò)程在線路“天窗”封鎖時(shí)間內(nèi)完成。

1 整機(jī)布局

車架以DC32Ⅱ車架為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該車前后轉(zhuǎn)向架分別采用DWL-48和DCL-32主動(dòng)轉(zhuǎn)向架，主車架設(shè)計(jì)了不同的轉(zhuǎn)向架接口，車體中部設(shè)計(jì)了DCL-32搗固裝置和DWL-48穩(wěn)定裝置的接口，測(cè)量小車設(shè)置于車架的頭尾部，車架設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 車架設(shè)計(jì)方案Fig.1 Frame design program

應(yīng)急起復(fù)仿真車主要由主車架、轉(zhuǎn)向架、車鉤及緩沖裝置、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、搗固裝置、穩(wěn)定裝置、測(cè)量裝置等組成，整機(jī)布局方案見圖2。

圖2 整機(jī)布局方案Fig.2 Machine layout program

仿真車技術(shù)參數(shù)見表1，主要用來(lái)模擬DCL-32及DWL-48兩種常用車型的轉(zhuǎn)向架應(yīng)急救援，模擬搗固裝置、穩(wěn)定裝置、測(cè)量小車的維修作業(yè), 應(yīng)急救援采用常用的拉復(fù)法、頂復(fù)法、吊復(fù)法等方法進(jìn)行演練作業(yè)[8]。為模擬不同車型的情況，車體前后部均安裝了不同的轉(zhuǎn)向架[9]。主車架前后部重新設(shè)計(jì)了不同的轉(zhuǎn)向架接口，車體中部設(shè)計(jì)了DCL-32搗固裝置和DWL-48穩(wěn)定裝置的接口，前后端分別安裝13號(hào)標(biāo)準(zhǔn)車鉤和6G車鉤。車體前后分別設(shè)計(jì)了1個(gè)測(cè)量小車和1個(gè)氣動(dòng)鎖定裝置[10]；并分別設(shè)計(jì)了2個(gè)可以快速自起復(fù)、脫軌的裝置，該裝置通過(guò)液壓油缸實(shí)現(xiàn)整機(jī)的頂起、橫移，從而可實(shí)現(xiàn)安全的起復(fù)、脫軌動(dòng)作。

表1 仿真車技術(shù)參數(shù)

2 仿真車工況靜力學(xué)校核

應(yīng)急起復(fù)仿真車為工程車輛，因不上線運(yùn)行，故考慮工況在TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的規(guī)定范圍內(nèi)，一共計(jì)算表2所示的10種工況。

表2 有限元計(jì)算工況

車架構(gòu)件的材料均為Q345，應(yīng)力不超過(guò)216 MPa。根據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，本仿真車車架為底架承載模式的結(jié)構(gòu)，采用撓跨比1/900，撓度不應(yīng)超過(guò)13.33 mm。 根據(jù)仿真車質(zhì)量-質(zhì)心分布-載荷配置表，搭建車體有限元分析模型，并進(jìn)行剛度、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)，尋求最優(yōu)方案。在仿真車的研制過(guò)程中，針對(duì)仿真車的10種使用工況，對(duì)整車進(jìn)行了有限元計(jì)算分析及關(guān)鍵區(qū)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

重力工況條件下的有限元分析見圖3，可以看出，最大撓度為3.928 mm，出現(xiàn)在穩(wěn)定裝置前面安裝處，且小于13.33 mm，滿足剛度要求。頂面(Top面)和底面(Bottom面)的最大等效應(yīng)力分別為100.869 MPa和90.940 MPa，均小于216 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

(a)撓度分析

(b)應(yīng)力分析圖3 重力工況Fig.3 Gravity conditions

拉伸工況組合的有限元分析見圖4，可以看出，最大面應(yīng)力為217.354 MPa，出現(xiàn)在搗固框架支架焊接點(diǎn)，加工時(shí)需注意焊接工藝。壓縮工況組合的有限元分析見圖5，可以看出，最大面應(yīng)力為180.419 MPa，出現(xiàn)在連接筋板，因此需考慮加大筋板尺寸，以提高強(qiáng)度。

扭轉(zhuǎn)工況的有限元分析見圖6，以頂面為例。由分析結(jié)果可知，頂面和底面最大應(yīng)力分別為27.397 MPa和27.123 MPa，滿足強(qiáng)度要求。自帶起復(fù)設(shè)備前端抬升工況Ⅰ的有限元分析見圖7，以底面為例。由分析結(jié)果可知，頂面和底面最大應(yīng)力分別為79.198 MPa和79.842 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

(a)側(cè)視圖

(b)應(yīng)力較大處放大圖圖4 拉伸工況組合Fig.4 The combination of tensile conditions

(a)側(cè)視圖

(b)應(yīng)力較大處放大圖圖5 壓縮工況組合Fig.5 The combination of compression conditions

圖6 扭轉(zhuǎn)工況Fig.6 Torsional working conditions

圖7 自帶起復(fù)設(shè)備前端抬升工況ⅠFig.7 Self lifting equipment front-end lifting conditions Ⅰ

自帶起復(fù)設(shè)備前端抬升工況Ⅱ的有限元分析見圖8，以底面為例。由分析結(jié)果可知，頂面和底面的最大應(yīng)力分別為197.835 MPa和209.517 MPa，滿足強(qiáng)度要求。隨車工具前車鉤端恢復(fù)工況的有限元分析見圖9，以由頂面為例。由分析結(jié)果可知，頂面和底面最大應(yīng)力分別為155.934 MPa和152.173 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖8 自帶起復(fù)設(shè)備前端抬升工況ⅡFig.8 Self lifting equipment front-end lifting conditions Ⅱ

圖9 隨車工具前車鉤端恢復(fù)工況Fig.9 Truck tool front hook end to resume working conditions

同樣運(yùn)用上述方法，由自帶起復(fù)設(shè)備后端抬升工況Ⅰ的有限元分析結(jié)果可知，頂面和底面的最大應(yīng)力分別為88.016 MPa和120.426 MPa；由自帶起復(fù)設(shè)備后端抬升工況Ⅱ的有限元分析結(jié)果可知，頂面和底面最大應(yīng)力分別為176.324 MPa和219.630 MPa；由隨車工具后車鉤端恢復(fù)工況的有限元分析結(jié)果可知，頂面和底面最大應(yīng)力分別為129.177 MPa和128.631 MPa。上述工況均滿足強(qiáng)度要求。

3 快速離軌、起復(fù)方案設(shè)計(jì)

車體前后分別設(shè)計(jì)2個(gè)快速自起復(fù)、脫軌裝置，以液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)液壓油缸實(shí)現(xiàn)整機(jī)的頂起、橫移，頂升/橫移油缸行程按300 mm設(shè)計(jì)，從而可以實(shí)現(xiàn)安全的起復(fù)、離軌動(dòng)作，頂升位置見圖10。

圖10 頂升位置Fig.10 Jacking position

快速自起復(fù)、脫軌裝置主要有如下三種使用工況：①以后轉(zhuǎn)向架心盤為圓心，前端兩個(gè)頂升點(diǎn)支撐并橫移，使前轉(zhuǎn)向架脫軌掉道；②以前轉(zhuǎn)向架心盤為圓心，后端兩個(gè)頂升點(diǎn)支撐并橫移，使后轉(zhuǎn)向架脫軌掉道；③同時(shí)具備前兩種工況，使整機(jī)完全脫軌掉道。

以工況①進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)算，頂起一端轉(zhuǎn)向架，收緊器與車體捆綁形成整體，以保證收緊器與車體之間無(wú)相對(duì)位移。考慮到轉(zhuǎn)向架彈簧的釋放及收緊器的松弛，如圖11所示，前轉(zhuǎn)向架心盤到前端頂升點(diǎn)距離為1 750 mm，前后轉(zhuǎn)向架心盤距為12 000 mm，以車體前端頂起100 mm(即前轉(zhuǎn)向架頂升高度為100 mm)時(shí)車輪離開鋼軌，來(lái)計(jì)算頂升油缸頂升高度，其計(jì)算公式如下：

(1)

即在頂升點(diǎn)位置，頂升油缸至少需要將車體頂起85.4 mm，才能保證前端車輪離開鋼軌，且車體可橫移出去。

圖11 頂升油缸頂升高度計(jì)算Fig.11 The height calculation chart of jacking cylinder

頂升油缸底部平放在地面墊板上，當(dāng)車體一端頂起時(shí)，頂升油缸活塞桿會(huì)向球頭轉(zhuǎn)動(dòng)，使油缸向后傾斜，與地面形成一定夾角α。此時(shí)，需限制角度α的大小，角度過(guò)大則不利于支撐穩(wěn)定，角度過(guò)小則不能消除縱向應(yīng)力。如圖12所示，心盤到頂升油缸頂起最高點(diǎn)的距離為10 250 mm,以頂升油缸將車架頂起最小高度85.4 mm，來(lái)計(jì)算頂升油缸球頭的最小旋轉(zhuǎn)角度，其計(jì)算公式如下：

(2)

即前端車架在頂升點(diǎn)位置頂起最小高度85.4 mm，且能夠滿足橫移條件時(shí)，頂升油缸球頭的最小旋轉(zhuǎn)角度為0.477°。

圖12 頂升油缸球頭最小角度計(jì)算圖Fig.12 Minimum angle calculation chart of jackingcylinder head

將頂升油缸最大行程300 mm作為車架頂起高度，來(lái)計(jì)算頂升油缸球頭的最大旋轉(zhuǎn)角度，其計(jì)算公式如下：

(3)

即前端車架在頂升點(diǎn)位置頂起最大高度300 mm達(dá)到極限條件時(shí)，頂升油缸球頭的最大旋轉(zhuǎn)角度為1.677°。

由此可知，頂升油缸球頭實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度范圍為0.477°～1.677°，本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)角度為0.65°，既消除了縱向應(yīng)力，也保證了穩(wěn)定性。

如圖13所示，AB表示車體的縱向位移，當(dāng)車體相對(duì)鋼軌橫移200 mm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架脫軌掉道，此時(shí)得到車體最小縱向位移為

|AB|min=|AO|-|BO|=2 mm

當(dāng)車體相對(duì)鋼軌橫移300 mm時(shí)，此時(shí)得到車體最大縱向位移為

|AB|max=|AO|-|BO|=4.4 mm

由此可知，車體橫移時(shí)產(chǎn)生的縱向位移在2.0～4.4 mm范圍內(nèi)，可以依靠另一端轉(zhuǎn)向架輪對(duì)下的鐵鞋(鐵路機(jī)車防溜設(shè)備)位置調(diào)整以消除橫移產(chǎn)生的應(yīng)力。

4 仿真車過(guò)彎能力校核

根據(jù)仿真車的功能要求，兩端分別安裝內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的車鉤，配裝MT-3型緩沖器，車鉤最大擺角為10.67°，本機(jī)以內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的車鉤參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)彎能力的校核。

根據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的規(guī)定，車輛設(shè)計(jì)應(yīng)保證：當(dāng)車輛在水平曲線上運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架、車體、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置之間以及兩相鄰車端之間均不產(chǎn)生相互碰撞的現(xiàn)象；當(dāng)在豎曲線上運(yùn)行時(shí)，車體、轉(zhuǎn)向架、軌道結(jié)構(gòu)(包括緩行器)之間均不產(chǎn)生相互碰撞的現(xiàn)象。如圖14所示，通過(guò)制圖法計(jì)算得到車鉤最大擺角為10.196 5°，小于10.67°，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖14 過(guò)彎能力計(jì)算圖Fig.14 Cornering capacity calculation chart

連掛車輛能夠通過(guò)的最小豎曲線半徑按下式計(jì)算：

(4)

式中，Rv為豎曲線半徑，m；B2為曲線上車輛的車鉤連接線間距離的一半，m，D2為曲線上車輛的定距的一半，m；e為車鉤連結(jié)線處允許的總垂直偏移量，m。

當(dāng)直線線路上兩相連車鉤中心線之間的垂直偏差為0時(shí)，e=0.180 m；當(dāng)最大垂直偏差為75 mm時(shí)，e=0.105 m。經(jīng)車輛幾何曲線通過(guò)能力的校核，本車可以通過(guò)最小豎曲線半徑為180 m的S形曲線；在沒(méi)有S形曲線的線路上，可以通過(guò)最小豎曲線半徑為150 m的圓曲線。

5 其他輔助部件設(shè)計(jì)

仿真車配備柴油發(fā)電機(jī)組作為動(dòng)力系統(tǒng)，配備電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵站和靜音空壓機(jī)為整機(jī)，來(lái)提供液壓源和壓縮空氣源[11]。該車工作裝置的解鎖均為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，工作裝置的脫開和結(jié)合、快速脫軌掉道和自起復(fù)功均為液壓驅(qū)動(dòng)。

圖15 電氣系統(tǒng)Fig.15 Electrical system

如圖15所示，電氣系統(tǒng)主要由配電系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和輔助生活用電四個(gè)控制系統(tǒng)組成。整車電氣系統(tǒng)總體規(guī)劃包括整車作業(yè)燈、廊燈照明。

液壓系統(tǒng)整合了各工作裝置的升降控制回路，并根據(jù)實(shí)際工作需求加以改善，共分為前轉(zhuǎn)向架起復(fù)裝置控制回路、后轉(zhuǎn)向架起復(fù)裝置控制回路和工作裝置控制回路。

制動(dòng)及氣動(dòng)系統(tǒng)由空氣制動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置(含手制動(dòng))三部分組成?？諝庵苿?dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)機(jī)、風(fēng)缸、氣控閥、制動(dòng)缸、集水杯及連接管路等組成。氣動(dòng)系統(tǒng)由單獨(dú)的空壓機(jī)來(lái)提供氣源，主要用于測(cè)量小車的提升、鎖定、加載、搗固裝置與穩(wěn)定裝置的鎖定?；A(chǔ)制動(dòng)裝置主要用于仿真車停放在作業(yè)基地或其它線路上的停車制動(dòng)。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)10種工況的有限元分析，保證了車體剛度、強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，以及受載分布的合理性。

(2)所研發(fā)的仿真車具有基礎(chǔ)設(shè)施搗固、鋼軌基礎(chǔ)穩(wěn)定、鋼軌平順度測(cè)量培訓(xùn)功能，以及大型養(yǎng)路機(jī)械故障模擬、快速離軌與起復(fù)功能。

(3)研發(fā)過(guò)程解決了整機(jī)布局、多工作裝置共用同一車體、反復(fù)的快速脫軌、起復(fù)等技術(shù)難題。

該仿真車的開發(fā)為同類多工作裝置集于一體的大型養(yǎng)路機(jī)械研制提供經(jīng)驗(yàn)，保證大型養(yǎng)路機(jī)械工作狀態(tài)、故障解除、應(yīng)急搶修等工作順利、高效地進(jìn)行，對(duì)于我國(guó)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械維修作業(yè)、鐵路線路按時(shí)開通具有一定的意義。

致謝本文得到中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司、中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司的支持，對(duì)此表示感謝！