自裝卸式馱背運(yùn)輸車端部底架靜強(qiáng)度分析及試驗(yàn)對(duì)比

王洪昆 袁博

摘 要：基于自裝卸式馱背運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，從整車結(jié)構(gòu)受力的角度進(jìn)行分析，以端部底架為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元仿真技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：端部底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足行業(yè)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：自裝卸式馱背車;端部底架;靜強(qiáng)度;試驗(yàn)

引言

為貨主提供“門到門”的運(yùn)輸服務(wù)，是鐵路貨運(yùn)組織改革的重要內(nèi)容之一，而開展鐵路馱背運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)“門到門”運(yùn)輸?shù)淖詈梅绞街?。鐵路馱背運(yùn)輸是指公路貨車或半掛車裝載貨物后在始發(fā)地火車站自行開上鐵路專用車輛，通過(guò)鐵路完成長(zhǎng)距離運(yùn)輸，到達(dá)目的地火車站后，公路貨車自行開下鐵路專用車輛并駛往最終目的地的一種便捷運(yùn)輸方式。這種運(yùn)輸方式已在歐美國(guó)家成熟應(yīng)用，但目前在我國(guó)鐵路馱背運(yùn)輸還是空白。因此，開展馱背運(yùn)輸車的研制及相關(guān)技術(shù)研究工作是我國(guó)未來(lái)鐵路貨車研發(fā)部門的重點(diǎn)工作之一。

1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力分析

自裝卸式馱背運(yùn)輸車是為運(yùn)輸公路貨車或半掛車而設(shè)計(jì)的鐵路專用車輛。該車為凹底承載結(jié)構(gòu)，進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，車輛以地面三相四線制AC380V電源為動(dòng)力，液壓驅(qū)動(dòng)，電氣控制，可實(shí)現(xiàn)凹底架雙側(cè)旋轉(zhuǎn)，適應(yīng)公路貨車自行上下、不摘鉤裝卸作業(yè)的要求;端部底架和凹底架的連接及載荷傳遞采用鉗夾車成熟結(jié)構(gòu)，如圖1所示。車輛主要由車體、轉(zhuǎn)向架、鉤緩裝置及其他控制系統(tǒng)組成;車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由端部底架、凹底架及其他移動(dòng)支撐裝置組成。

由于自裝卸式馱背運(yùn)輸車凹底架和端部底架是獨(dú)立部件，且連接采用鉗夾車原理，受力關(guān)系清晰，故可將二者分別作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，本文將僅對(duì)端部底架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

其中：R1：1位心盤載荷;R2：2位心盤載荷;G貨：公路貨車載荷;G自：車體質(zhì)量;Gd：端部底架及車鉤緩沖裝置質(zhì)量;G1：凹底架提供的垂向載荷;F1：凹底架提供的拉伸載荷;F2：凹底架提供的壓縮載荷;FL：縱向拉伸載荷;FY：縱向壓縮載荷;Ga：凹底架質(zhì)量。

2、自裝卸式馱背運(yùn)輸車端部底架靜強(qiáng)度分析

2.1 有限元網(wǎng)格劃分

自裝卸式馱背運(yùn)輸車端部底架由牽引梁、枕梁、側(cè)梁、端梁、滑道、縱向支撐、垂向支撐、碰頭裝置、凹底架縱向支撐自鎖裝置、移動(dòng)滑臺(tái)導(dǎo)向裝置、齒輪支座、液壓油缸支座、移動(dòng)滑臺(tái)平衡座等組成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，且為了提高模型的精度，本次有限元建模時(shí)主要采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，單元類型為solid185，單元長(zhǎng)度20mm，模型共劃分節(jié)點(diǎn)144539個(gè)，單元96500個(gè)。

2.2 材料參數(shù)定義

端部底架主要材料采用屈服強(qiáng)度為345MPa和450MPa的高強(qiáng)度耐候鋼，端部底架與凹底架垂向支撐連接部位主要采用HG785E的高級(jí)鋼，材料機(jī)械性能見表1。

根據(jù)以上材料參數(shù)，設(shè)置材料的非線性，一般情況下將非線性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線假想成雙線性，為了使每次運(yùn)算均能夠收斂，假設(shè)應(yīng)力超過(guò)斷裂強(qiáng)度材料依然能夠承載。

2.3 計(jì)算載荷

依據(jù)TB/T3550.2-2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 貨車車體》[1]（簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）及公路貨車標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，主要考慮以下載荷情況：

1） 垂向靜載荷

包括車體自重、標(biāo)記載重。

根據(jù)我國(guó)公路貨車治超標(biāo)準(zhǔn)及GB1589-2016[2] ，裝載公路貨車的長(zhǎng)度不同、載重也不同。因此，自裝卸式馱背運(yùn)輸車考慮公路貨車最大載重工況為極限工況進(jìn)行計(jì)算，即長(zhǎng)度18100mm，載重55t，如圖3。

3） 側(cè)向力

按垂向載荷施加，大小為10%×垂向靜載荷

4）縱向載荷

縱向拉伸載荷1125kN，作用于端部底架前從板座處;

縱向壓縮載荷1400kN，作用于端部底架后從板座處;

縱向壓縮載荷2250kN，作用于端部底架后從板座處。

2.4計(jì)算工況及評(píng)定

根據(jù)《規(guī)范》要求，對(duì)自裝卸式馱背運(yùn)輸車端部底架進(jìn)行如下工況計(jì)算：

工況1：拉伸組合

縱向拉伸力（1125kN）+垂向總載荷，該合成應(yīng)力應(yīng)不大于第一工況的許用應(yīng)力。

工況2：第一工況壓縮組合

縱向壓縮力（1400kN）+垂向總載荷，該合成應(yīng)力應(yīng)不大于第一工況的許用應(yīng)力。

工況3：第二工況壓縮組合

縱向壓縮力（2250kN）+垂向靜載荷，該合成應(yīng)力應(yīng)不大于第二工況的許用應(yīng)力。

2.5載荷施加

按照《規(guī)范》要求及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，將相應(yīng)載荷施加于端部底架相應(yīng)位置，如圖4所示。底架自重以加速度的形式施加;貨物傳遞給端部底架的垂向載荷施加于截取的凹底架斷面處，傳遞的縱向載荷以約束的形式施加;縱向拉伸載荷施加于端部底架前從板座，縱向壓縮載荷施加于端部底架后從板座;心盤處施加垂向支撐約束，對(duì)稱面加對(duì)稱約束。

2.6 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自裝卸式馱背運(yùn)輸車端部底架靜力學(xué)計(jì)算可知，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在各計(jì)算工況作用下均滿足設(shè)計(jì)要求，見匯總表3。應(yīng)力輸出結(jié)果全部為Von-Mises當(dāng)量應(yīng)力，應(yīng)力云圖見圖5--圖7。

3、自裝卸式馱背運(yùn)輸車端部底架靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果和結(jié)構(gòu)實(shí)際使用情況，選擇大應(yīng)力點(diǎn)、應(yīng)力集中部位及可能出現(xiàn)疲勞裂紋的位置布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，共布置測(cè)點(diǎn)35個(gè)。

為了有效地將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證，在有限元模型中取出與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)相同位置的應(yīng)力進(jìn)行比較，其對(duì)比折線圖見圖8。需要說(shuō)明的是，由于測(cè)試儀器本身存在誤差，真實(shí)應(yīng)力值比較小的測(cè)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很大誤差，所以本次對(duì)比選取應(yīng)力值大于30MPa的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

從圖8中可以看出，仿真與試驗(yàn)的應(yīng)力水平總體趨勢(shì)基本一致，對(duì)比測(cè)點(diǎn)位置共計(jì)11個(gè)，其中工況1誤差率在20%以內(nèi)共計(jì)7個(gè)點(diǎn)，占比63.6%;工況2和工況3誤差率在20%以內(nèi)共計(jì)8個(gè)點(diǎn)，占比72.7%。從總體結(jié)果可以認(rèn)為該端部底架的有限元模型與實(shí)際較為相符，驗(yàn)證了仿真模型的合理性。

4、結(jié)論

通過(guò)對(duì)自裝卸式馱背運(yùn)輸車端部底架靜強(qiáng)度仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1）端部底架在裝載最惡劣工況作用下，各個(gè)部位的應(yīng)力均未超出其材料的許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求;

2）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體趨勢(shì)一致，誤差率在20%以內(nèi)的測(cè)點(diǎn)可以達(dá)到70%左右，證明了有限元仿真模型的合理性;

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為安全，有一定的優(yōu)化空間，后期可根據(jù)結(jié)構(gòu)傳力特點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] TB/T3550.2-2019.機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 貨車車體[s].

[2] GB1589-2016.道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值[s].

作者簡(jiǎn)介：王洪昆（1968-），男，漢族，高級(jí)工程師，鐵路運(yùn)輸管理。