500t公鐵牽引車車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（中車四方車輛有限公司,山東 青島 266111）

0 引言

公鐵牽引車是既能在軌道上作業(yè)又能公路快速轉(zhuǎn)場的特種牽引車輛，主要用于軌道車輛的牽引、調(diào)車作業(yè)，尤其以鐵路牽引作為主要任務(wù)，故車體鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上須滿足鐵路運(yùn)營及公路轉(zhuǎn)場正常運(yùn)行。

車體鋼結(jié)構(gòu)作為整車承載部件，除滿足牽引、連掛強(qiáng)度的要求外，還為其它系統(tǒng)的設(shè)備提供安全可靠的安裝空間和安裝接口。綜合以上因素，設(shè)計(jì)中通過合理選用材料，分析車輛載荷，規(guī)劃整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)滿足使用要求的車體鋼結(jié)構(gòu)。

1 車體鋼結(jié)構(gòu)簡介

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

車體鋼結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)見表1：

表1 車體鋼結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 車體鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 車體鋼結(jié)構(gòu)

圖1是車體鋼結(jié)構(gòu)示意。車體為全鋼焊接，底架中梁承載結(jié)構(gòu)，安裝司機(jī)室和機(jī)器間罩的部位為焊接框架結(jié)構(gòu)。主要由底架鋼結(jié)構(gòu)、司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)器間罩、車鉤及附屬設(shè)備組成。機(jī)器間罩、車鉤、登車腳蹬等結(jié)構(gòu)使用螺栓與底架聯(lián)結(jié)。

1.3 材料選用

厚度t＜3 mm 的鋼板采用符合GB/T4171-2008的Q310GNH高強(qiáng)度耐候鋼，厚度3 mm≤t＜6 mm的鋼板采用符合GB/T4171-2008的Q295GNH高強(qiáng)度耐候鋼；厚度t≥6 mm鋼板以采用Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼，主要的受力點(diǎn)及鋼結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)選擇型材，材質(zhì)為Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼，均符合GB/T700-2006標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 車體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 底架鋼結(jié)構(gòu)

底架由端板(厚40 mm)及中梁(厚30 mm)焊接為工字型結(jié)構(gòu)，邊梁及輔助橫梁、縱梁采用U12槽鋼焊接。

底架上平面鋪設(shè)有花紋地板，兩側(cè)和后端設(shè)置扶手，兩側(cè)司機(jī)室門下方及靠近車輛后端部設(shè)置登車腳蹬，前后車端設(shè)有車鉤安裝座。

底架需提供車鉤安裝座、變速箱安裝座、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝座、驅(qū)動(dòng)橋安裝座等安裝接口，并根據(jù)各處載荷情況設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)梁或補(bǔ)強(qiáng)板。

2.2 司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)

司機(jī)室鋼結(jié)構(gòu)采用壓型鋼焊接成框架結(jié)構(gòu)，外側(cè)附蒙皮焊接而成，為整體防寒隔熱結(jié)構(gòu)，焊接于底架前端。

2.3 機(jī)器間罩

機(jī)器間罩由骨架和蒙皮組成，采用壓形鋼焊接全包覆式結(jié)構(gòu)，前后端進(jìn)風(fēng)口采用鋼絲編織網(wǎng)；兩側(cè)側(cè)門門板設(shè)通風(fēng)百頁窗；在頂蓋上設(shè)水箱加水口和進(jìn)排氣口。機(jī)器間罩與底架的聯(lián)接為可拆卸結(jié)構(gòu)。

2.4 車鉤

前、后車鉤均為KD-5型車鉤，該車鉤自帶緩沖彈簧，適合輕型工程車輛使用。車鉤由螺栓直接安裝于底架端板。

3 底架強(qiáng)度計(jì)算

考慮到車體鋼結(jié)構(gòu)采用底架承載方式，在此僅對底架鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行考核。

3.1 有限元模型

采用Catia軟件建立底架3D模型（見圖2），并采用大型通用分析及處理軟件Hypermesh及Ansys進(jìn)行有限元分析。

在Hypermesh中對底架進(jìn)行幾何處理和有限元?jiǎng)澐郑瑢?dǎo)入大型有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行計(jì)算和后處理。采用solid185單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以得到2 236 272個(gè)實(shí)體單元和987 800個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 底架鋼結(jié)構(gòu)有限元模型

3.2 強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2為底架材料及性能參數(shù)：

表2 底架材料及性能參數(shù)

所有計(jì)算工況中，底架最大Von Mises應(yīng)力均不得大于底架部件所用材料的屈服強(qiáng)度。

3.3 計(jì)算工況

根據(jù)GB/T11551-2014《汽車正面碰撞的乘務(wù)員保護(hù)》[1]，以5 km/h的速度連掛，得出連掛時(shí)縱向壓縮力為140 kN，施加在車鉤上；根據(jù)牽引計(jì)算得出車輛啟動(dòng)時(shí)，車鉤縱向牽引力為35 kN，作用于安裝螺栓與安裝座之間的接觸面；依據(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》[2]對底架只進(jìn)行拉壓工況校核。由于公鐵車車體鋼結(jié)構(gòu)前后端為非對稱結(jié)構(gòu)，需區(qū)分為前端連掛與后端連掛兩種情況，因此計(jì)算工況分為以下4種：

工況一：板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體后端車鉤安裝面施加縱向約束，車體前端施加140 kN壓縮力。

工況二：板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體前端車鉤安裝面施加縱向約束，車體后端施加140 kN壓縮力。

工況三：銷連接板簧安裝座施加全約束，另一板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體前端施加35 kN拉伸力。

工況四：銷連接板簧安裝座施加全約束，另一板簧安裝座施加垂向、橫向約束，車體后端施加35 kN拉伸力。

通過計(jì)算，得到各工況應(yīng)力云圖。底架最大應(yīng)力為129 MPa，發(fā)生于節(jié)點(diǎn)1 699 399處，位于中梁與前端板焊接處，強(qiáng)度安全系數(shù)為1.82＞1，滿足強(qiáng)度要求。工況一計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 工況一計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

綜合考慮500 t公鐵牽引車的運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)用特點(diǎn)，通過合理選材、分析載荷，設(shè)計(jì)了滿足要求的車體鋼結(jié)構(gòu)；并通過有限元仿真計(jì)算，驗(yàn)證了車體鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度水平，為同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了借鑒。