機車車體結(jié)構(gòu)模態(tài)有限元分析

劉暢

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展，軌道交通的安全性問題已經(jīng)引起了人們的高度重視。本文主要分析機車走行部監(jiān)測裝置運用中存在的問題及其對策研究，并通過機車車體結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)的建立來描述機車車體的振動模態(tài)，從中科學(xué)分析影響機車車體結(jié)構(gòu)的影響因素，為機車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計以及安全穩(wěn)定運行提供良好的保障。

關(guān)鍵詞：機車車體;結(jié)構(gòu)模態(tài);問題;對策

機車走行部裝置是機車最重要的內(nèi)在裝置之一，其走行部一旦出現(xiàn)故障，則會對機車的安全駕駛產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。目前機車常見的走行部裝置主要包括JK00430型、JK11430型以及YZB-1型，他們可以對機車的故障問題進行有效地預(yù)測，對故障發(fā)生的原因以及位置做出合理的判斷，并采取有效地措施來防止事故的進一步擴大化，從而有效降低機車事故的發(fā)生概率，為機車的安全行駛提供良好的保障。在走行部監(jiān)測裝置發(fā)現(xiàn)的機車故障中，多數(shù)故障都是由于振動而產(chǎn)生的危害，完善走行部監(jiān)測裝置，同時分析機車車體振動機理，是保障機車運用安全，提升機車檢修質(zhì)量的重要途徑。

機車車體的動態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括兩個方面，分別是結(jié)構(gòu)振動特性設(shè)計以及結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)設(shè)計。機車車體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是實現(xiàn)機車結(jié)構(gòu)振動特性的設(shè)計核心之一，在研究機車的動力學(xué)數(shù)據(jù)分析中扮演著非常重要的角色。我們可以通過建立完善的有限元力學(xué)模型，來實現(xiàn)機車本身的振動特性分析，從而為機車故障的預(yù)防和檢修工作提供必要的理論依據(jù)，為其新車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定夯實的基礎(chǔ)。

1 機車走行部檢測裝置運用中存在的問題以及對策研究

目前，機車走行部檢測裝置運用中主要存在以下幾個問題：其一，機車走行部檢測裝置缺乏語音提示;其二，工況屏只能顯示溫度信息，不能顯示沖擊信息;其三，標(biāo)準(zhǔn)化的司機室工況屏的以及菜單界面沒有實時軸溫顯示，需要人工切換到三級菜單才能看到;其四，一些機車主機安裝在低壓電氣柜，或者操縱臺底箱中，當(dāng)運行噪音過大以及司機室后門關(guān)閉時，司機很難聽到蜂鳴報警器報警[1]。這些現(xiàn)實存在的問題都會在一定程度上影響機車的安全駕駛，進一步增加駕駛過程中的風(fēng)險系數(shù)。針對上述問題，一是要完善管理制度，形成閉環(huán)狀多層級的系統(tǒng)分析管理模式，設(shè)置預(yù)警值、報警值和反饋值的三級安全體系，通過體系的完備，使每一環(huán)節(jié)的操作互相監(jiān)督、互相補充做到安全保障萬無一失的效果;二是要提高維修人員的專業(yè)維修水平，只有這樣才能及時、正確的發(fā)現(xiàn)問題進而解決問題，更好的排查出機車內(nèi)部潛在的安全隱患;三是將安全的作業(yè)準(zhǔn)則納入到乘務(wù)員考核指標(biāo)中來進行考核。通過這種制度的建立，使乘務(wù)員對自己崗位的安全職責(zé)進行有效的防護。

2 車體有限元力學(xué)模型的建立

2.1 車體結(jié)構(gòu)特點

在機車車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，大型板、梁采用空間框架式全鋼焊接結(jié)構(gòu)是最常見的機車車體設(shè)計方式，其車內(nèi)的設(shè)備布置呈現(xiàn)非對稱性的特點，因而在具體的模型分析中采取整個車體作為研究對象;在車體模型試驗過程中，我們主要分析機車運行過程中的柴油機、液壓傳動裝置、空氣壓縮機、冷卻風(fēng)扇以及傳動軸等高頻振源對機車安全運行的影響，通過科學(xué)合理的模態(tài)計算來得出車體的固有頻率以及振型，從而為機車的科學(xué)化設(shè)計提供必要的理論指導(dǎo)，不斷提高機車運行的安全系數(shù)，為人們提供更為優(yōu)質(zhì)的出行體驗[2]。

2.2 建立有限元模型

建立有限元模型其目的在于通過對車體結(jié)構(gòu)以及受力特性的合理分析，從而得到更為理想的實體模型計算分析結(jié)果。在建立機車有限元模型時，我們要結(jié)合機車的自身特征，深入分析其結(jié)構(gòu)受力，通過對實體模型的數(shù)據(jù)計算來實現(xiàn)機車實體模型的數(shù)據(jù)分析與處理。在具體實施中，要采取合理的措施來對機車的連接部位進行較為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)模擬，對于一些非重要部件，可以結(jié)合實際情況對其進行必要的簡化處理，然后通過對車體整體離散后進行相應(yīng)的特征分析，從而得出前幾階特征振動模態(tài)的數(shù)據(jù)分析。此外，由于機車車體具有明顯的三維空間結(jié)構(gòu)，因而我們要正確地對其施加約束，從而為動力結(jié)果的科學(xué)化分析奠定夯實的基礎(chǔ)。我們通過對有限元模型的合理分析，可以很直觀地認(rèn)識到模型的受力情況，從而對零件的設(shè)計、材料的選擇以及其它因素對機車運行過程中的影響進行合理的分析，為機車的安全運行提供良好的保障。

機車車體結(jié)構(gòu)模態(tài)有限元分析主要包括以下幾個方面，分別是創(chuàng)建有限元模型、施加載荷進行求解以及查看求解結(jié)果;創(chuàng)建有限元結(jié)構(gòu)模型主要包括制定文件名和文件標(biāo)題、創(chuàng)建讀入幾何模型、定義單元類型、定義單元常數(shù)、定義材料屬性以及有限元的網(wǎng)格劃分;施加載荷進行求解包括施加載荷、邊界條件和進行求解計算;查看求解結(jié)果主要包括對于計算結(jié)果的觀察、分析以及檢驗[3]。車架模型建立主要包括車軸模型建立和車輪模型建立。在模型的建立過程中，為了有效減少局部應(yīng)力的集中性，我們還應(yīng)該根據(jù)實際需求去掉一些無關(guān)緊要的東西。在機車的運行過程中，其構(gòu)架載荷根據(jù)機車的運行情況主要可以分為靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷，靜態(tài)載荷在機車的運行過程中其數(shù)值和方向都處于一個靜止不變的狀態(tài)，而動態(tài)載荷的數(shù)值和方向則會隨著機車運行時間的長短，而處于一個不斷變化的動態(tài)過程之中;因此我們在具體的有限元力學(xué)模型構(gòu)造工作中，要充分考慮到二者之間的異同點，根據(jù)機車運行的實際情況對各種極限載荷進行科學(xué)合理的模擬，從而有效預(yù)測出架構(gòu)設(shè)計的合理性，為機車安全運行提供重要的理論支持，切實提高機車運行過程中的安全系數(shù)[4]。

3 結(jié)束語

機車有限元力學(xué)模型的建立，是科學(xué)分析機車結(jié)構(gòu)振動的有效措施之一，也是機車安全運行的重要保障。在機車的故障檢修以及結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，有限元力學(xué)模型的建立為它們提供了科學(xué)合理的數(shù)據(jù)支持，對分析機車外載荷下的動態(tài)響應(yīng)以及穩(wěn)定性有著非常重要的作用，是當(dāng)前被廣泛使用的機車數(shù)據(jù)分析方法，為不斷促進了機車行業(yè)的發(fā)展和壯大奠定了夯實的基礎(chǔ)，也為廣大群眾提供了更為安全舒適的出行體驗。

參考文獻：

[1]廣德強.CKD0A型內(nèi)燃機車車體設(shè)計及有限元分析[D].大連理工大學(xué)，2018.

[2]王肇凱.CKD9D型內(nèi)燃機車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析[D].大連理工大學(xué)，2018.

[3]趙磊.內(nèi)燃機車車體結(jié)構(gòu)的強度與疲勞分析[D].大連理工大學(xué)，2015.

[4]高亞楠.30T軸重機車主要部件試驗?zāi)B(tài)分析的研究[D].北京交通大學(xué)，2015.