軌道車輛用架車座轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析

王國靜 宋明陽 杜建強

(中車唐山機車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心 河北 唐山 063035)

在軌道車輛組裝和檢修時，軌道車輛需要通過架車機將其架起，進行車輛車下部位設(shè)備的安裝和檢修。架車機通常固定在架車地溝兩側(cè)，架車機通過液壓機構(gòu)實現(xiàn)軌道車輛的架車功能，完成軌道車輛的上升和下降，進而對軌道車輛車下設(shè)備實現(xiàn)檢修和安裝。軌道車輛在架起時需要架車機支撐在車輛車體底架下部的架車座上。在車體制造時架車座通過焊接的方式焊接在車體底架邊梁下部，根據(jù)軌道車輛的重量及車下設(shè)備的布局排布架車座的位置。由于車體結(jié)構(gòu)的特殊性、車下設(shè)備布置空間大小以及車輛段空間等諸多結(jié)構(gòu)、空間操作等問題，會出現(xiàn)無法架車的情況，這就需要一種特殊的轉(zhuǎn)接機構(gòu)，在保證經(jīng)濟實惠、操作方便且不改變架車機和車體結(jié)構(gòu)的前提下，快速方便地實現(xiàn)架車，這種轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)就是架車座轉(zhuǎn)接板。

1 架車座結(jié)構(gòu)及其材料機械性能

根據(jù)軌道車輛及架車機結(jié)構(gòu)，對架車座進行全新結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足軌道車輛使用要求。此架車座由架車座面板和架車座支架兩部分組成(見圖1)；分別由鋁合金板材加工而成，所使用的鋁合金材料密度為2 700 kg/m3，彈性模量為71 000 MPa，泊松比為0.33,力學(xué)性能如表1所示。

為加大架車座與接觸面的摩擦，架車座面板接觸面設(shè)計成凹凸槽的形式。架車座支架通過與車體底架邊梁的高度確定自身的高度。架車座支架通過鋁合金板材焊接而成，中間的筋板加工成?40 mm的通孔，用于穿過軸銷，實現(xiàn)繩索固定軌道車輛的功能。架車座工作環(huán)境在車下，在設(shè)計時將架車座支架上面設(shè)有?5 mm排水孔，用于架車座內(nèi)部水、氣的排出，保護并延長架車座的使用壽命。

圖1 架車座結(jié)構(gòu)示意圖

表1 材料的力學(xué)性能

2 架車座轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)分析

架車座需要兼顧架車機和車體架車座，為滿足軌道車輛架車工況的強度要求，架車座轉(zhuǎn)接板采用Q235B材質(zhì)，根據(jù)架車機中心銷和車輛架車座中心孔間距，在架車座轉(zhuǎn)接板上設(shè)計2個孔狀連接點，用于連接架車機和車輛架車座(架車座轉(zhuǎn)接板孔徑大小可根據(jù)架車機實際情況進行設(shè)計)。架車座孔徑大小設(shè)計成深度9 mm、孔徑?40 mm的凹孔，用于與架車機連接，而高度20 mm、孔徑?46 mm的凸臺用于連接車輛的架車座，架車座轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)如圖2所示。架車座轉(zhuǎn)接板與軌道車輛車體底架邊梁的連接如圖3所示。

圖2 架車座轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 架車座轉(zhuǎn)接板連接示意圖

3 架車座轉(zhuǎn)接板仿真強度計算分析

根據(jù)軌道車輛架車工況進行三維實體模型建立架車相應(yīng)結(jié)構(gòu)的中面線框，建立與之對應(yīng)的有限元分析所需的架車三維中面模型。

首先，在Pro/E中建立架車的三維模型；其次，在Hypermesh中劃分單元網(wǎng)格；再依據(jù)EN 12663-1：2010《鐵道應(yīng)用—軌道車身的結(jié)構(gòu)要求》確定仿真參數(shù)和仿真工況。最后，利用ANSYS軟件自帶的ABAQUS求解器進行求解，仿真過程如圖4所示。

圖4 仿真分析流程

3.1 建模

使用HyperMesh軟件對架車機和架車座轉(zhuǎn)接板三維模型進行建模及網(wǎng)格劃分，采用ABAQUS進行求解計算，有限元模型如圖5所示。

3.2 材料參數(shù)

架車機轉(zhuǎn)接板選用強度較高的碳鋼材質(zhì)。有限元模型中架車座轉(zhuǎn)接板材料為Q235B，楊氏模數(shù)為206 MPa,泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa。

3.3 計算工況

車體計算載荷中垂向載荷：最大垂載工況下重量為60 t，軸重：10 t。轉(zhuǎn)向架重量：動力轉(zhuǎn)向架5 t、拖車轉(zhuǎn)向架4 t。

該軌道車輛共設(shè)置8個架車點，根據(jù)軌道車輛承受的載荷要求，車輛在抬車過程中轉(zhuǎn)接板要承受5.3 t載荷，參照EN 12663-1: 2010《鐵路應(yīng)用-軌道車輛結(jié)構(gòu)強度要求》，考慮抬車過程中1.1倍的動荷系數(shù)，計算最大承受的載荷為5.83 t，加載和約束如圖6所示，載荷施加在轉(zhuǎn)接板相應(yīng)區(qū)域，約束架車機位置。

圖5 有限元模型 圖6 載荷與約束示意圖

3.4 計算結(jié)果分析

在垂向5.83 t載荷作用下，架車座轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為80.64 MPa，位于軸銷邊部，如圖7所示，最大應(yīng)力小于材料本身的屈服強度235 MPa，架車座轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)完全滿足強度要求。

圖7 架車座轉(zhuǎn)接板應(yīng)力云圖

通過對架車座轉(zhuǎn)接板工作載荷下的強度仿真分析可知，架車座轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為80.64 MPa，位于軸銷邊部，最大應(yīng)力遠遠小于材料屈服強度235 MPa，轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

4 結(jié)論及意義

通過架車座轉(zhuǎn)接板的轉(zhuǎn)接，實現(xiàn)了軌道車輛的架車功能。這種增加轉(zhuǎn)接裝置的方式，省時省力，成本低廉，沒有對現(xiàn)有架車機設(shè)備和架車座結(jié)構(gòu)進行繁瑣的改造,更重要的是通過轉(zhuǎn)接方式的連接有效實現(xiàn)軌道車輛架車滿足后期車下設(shè)備組裝和檢修工作。此轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)簡單，通用性強，加工方便。架車座轉(zhuǎn)接板可采用厚板材進行一次性加工，同時也可采用適中的薄板拼焊而成，板材原材料豐富?！?/p>