某型道岔清篩機(jī)主車架有限元結(jié)構(gòu)分析

王強(qiáng)

摘要：道岔清篩車主車架作為整車的重要部件，其結(jié)構(gòu)性能好壞直接影響車輛的運(yùn)行品質(zhì)和行車安全。運(yùn)用大型有限元軟件I-DEAS對(duì)車架進(jìn)行了初步強(qiáng)度分析，并基于分析結(jié)果對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后車架結(jié)構(gòu)性能提升，滿足了強(qiáng)度、剛度及使用要求。

Abstract： As an important part of the whole vehicle， the main frame of turnout cleaning machine has a direct impact on the running quality and driving safety of the vehicle. I-DEAS， a large-scale finite element software， is used to analyze the preliminary strength of the frame. Based on the analysis results， the frame structure is optimized， and the structural performance of the optimized frame is improved， which meets the strength， stiffness and use requirements.

關(guān)鍵詞：道岔清篩機(jī);主車架;強(qiáng)度;有限元分析

0? 引言

主車架在清篩機(jī)的主體中有著重要作用，擔(dān)負(fù)著運(yùn)載主體的主要部件，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算與分析是車輛設(shè)計(jì)制造的前提。目前我國(guó)對(duì)工程維修機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還沒(méi)有太深入分析，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析上均沒(méi)有專用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，主要還是依據(jù)現(xiàn)有軌道車輛的一些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，在這種情況下會(huì)導(dǎo)致一些運(yùn)營(yíng)狀況考慮不全，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不盡合理。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與車輛運(yùn)行的可靠性、安全性緊密聯(lián)系，因此進(jìn)行完善和研究軌道車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和方法研究已經(jīng)成為一項(xiàng)緊要任務(wù)。

本文以道岔清篩機(jī)主車架結(jié)構(gòu)入手，利用I-DEAS軟件對(duì)該主車架強(qiáng)度、剛度進(jìn)行計(jì)算分析，為后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化提供了一定參考依據(jù)。

1? 主車架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)建立整個(gè)主車架的力學(xué)模型。而車棚、篩分裝置、混碴輸送裝置、提軌裝置、污土輸送裝置、提碴機(jī)構(gòu)等則以等效力的形式施加到主車架結(jié)構(gòu)上。在模型中，底架全部采用板殼單元模擬。底架體共離散成25808個(gè)節(jié)點(diǎn)， 三角形和四邊形板單元共計(jì)27796個(gè)。

主車架及底架上部裝備的全部重量通過(guò)心盤支承在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，因此在每個(gè)心盤支撐面上建立相應(yīng)的位移約束。對(duì)于頂車工況，則在頂車位置施加位移約束條件，主車架離散后有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

模型中坐標(biāo)原點(diǎn)位于主車架靠二位端（挖掘支撐端）振動(dòng)篩橫梁上表面上，X坐標(biāo)為車輛前進(jìn)方向，Y坐標(biāo)為垂直方向，Z坐標(biāo)為橫向。

2? 主車架計(jì)算工況及載荷

由于清篩機(jī)的結(jié)構(gòu)及作業(yè)特點(diǎn)，其受力情況較為復(fù)雜。參照TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，作用在主車架上的載荷有以下幾種：

①垂向靜載荷：98.1t。垂直靜載荷包括主車架結(jié)構(gòu)自重及機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備重量，其中主車架結(jié)構(gòu)自重以分布力的形式施加（體力），各種設(shè)備按集中載荷作用于安裝位置。

自重載荷的校核：自重共計(jì)98.1t;加上轉(zhuǎn)向架、車軸齒輪箱及輪對(duì)的重量11t，共計(jì)119t。而實(shí)際清篩機(jī)的稱重結(jié)果為118-120t，上述計(jì)算共有1t的誤差。

②垂直靜載荷+垂直動(dòng)載荷工況。

垂向靜載荷：98.1t。動(dòng)載系數(shù)：取0.3，垂向動(dòng)載荷29.43t。該工況下垂向總載荷為：127.53t。

③工作狀態(tài)。

垂向：垂直靜載荷98.1t+篩分裝置在激振作用下施加到構(gòu)架上的最大作用力1.5t（根據(jù)振動(dòng)篩計(jì)算）+提軌裝置提軌力35t（施加在提升油缸安裝座上）。

由于工作時(shí)清篩機(jī)速度極低，取垂向動(dòng)荷系數(shù)為0.1。則垂向力：98.1t×1.1+1.5+35=144.4t

縱向：清篩機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)挖掘總支承處要受到很大的挖掘阻力及沖擊，在正常工作狀態(tài)下，挖掘總支承以及心盤三點(diǎn)共同承受縱向牽引力，縱向力取40KN。假設(shè)在作業(yè)過(guò)程中，非正常狀態(tài)下遇大的障礙物停機(jī)，此時(shí)對(duì)挖掘支撐的瞬時(shí)沖擊較大，此沖擊力取整車最大啟動(dòng)牽引力進(jìn)行考慮，按照總體設(shè)計(jì)計(jì)算為200KN。

④牽引力工況。

垂向靜載荷98.1t+牽引力40t。

綜合分析本次計(jì)算以下四種工況如表 1。

3? 主車架強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)中主車架主要選用低合金鋼16Mn，枕梁附近型鋼及鋼板采用Q235-A。TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中規(guī)定，低合金鋼16Mn的屈服極限為345 MPa，在第一工況下許用應(yīng)力為216 MPa，在第二工況下許用應(yīng)力為293 MPa。Q235-A的屈服極限為235 MPa，在第一工況下許用應(yīng)力為161 MPa，在第二工況下許用應(yīng)力為212MPa。

計(jì)算復(fù)雜應(yīng)力構(gòu)件時(shí)，需求當(dāng)量應(yīng)力（Von Mise應(yīng)力），此應(yīng)力不得超過(guò)許用應(yīng)力。本計(jì)算所有應(yīng)力結(jié)果均采用當(dāng)量應(yīng)力表示。當(dāng)量應(yīng)力的計(jì)算公式為：

第一、二工況及第四計(jì)算工況按TB1335-1996中的第一工況考核強(qiáng)度，根據(jù)不同材料，主車架最大當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)分別小于216 MPa和161 MPa的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn);第三計(jì)算工況按TB1335-1996中的第二工況考核強(qiáng)度，主車架最大當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)分別小于293 MPa和212 MPa的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。

4? 主車架剛度計(jì)算結(jié)果

主車架在靜載荷作用下（第一工況）的結(jié)構(gòu)整體變形，最大變形為15mm，如圖2-圖3所示。

清篩機(jī)的定距為20500mm，參照上述標(biāo)準(zhǔn)，為保證整車有足夠的剛度，從嚴(yán)考核，取撓跨比進(jìn)行評(píng)定，則中梁最大撓度應(yīng)小于20.5mm。

5? 主車架強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

如圖所示第一工況下，當(dāng)量應(yīng)力圖如圖4所示?？梢钥吹秸嚨淖畲螽?dāng)量應(yīng)力為136MPa，發(fā)生在枕梁心盤位置附近的中梁下表面（如圖5所示）。高應(yīng)力區(qū)主要為一位端（回轉(zhuǎn)輸送機(jī)安裝側(cè)）枕梁下表面及枕梁靠車輛中心一側(cè)的腹板上，以及二位端中梁變截面位置上蓋板上，應(yīng)力在50-80MPa之間。中間邊梁內(nèi)側(cè)拐角及外側(cè)拐角位置也是應(yīng)力較大區(qū)域。中間側(cè)梁及振動(dòng)篩安裝橫梁應(yīng)力不超過(guò)40MPa，兩端平鋪蓋板應(yīng)力較小，在20MPa以下。

第二工況下，當(dāng)量應(yīng)力圖如圖6所示。整車的最大當(dāng)量應(yīng)力為137MPa，發(fā)生在枕梁心盤位置附近的中梁下表面（如圖7所示）。其應(yīng)力分布趨勢(shì)與第一工況相當(dāng)。

第三工況下，當(dāng)量應(yīng)力圖如圖8-圖11所示?？紤]正常作業(yè)工況及非正常作業(yè)工況，作業(yè)工況計(jì)算過(guò)程均取提軌力為30t的最大狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

在正常作業(yè)狀態(tài)下，挖掘力按40kN考慮時(shí)，整車的最大當(dāng)量應(yīng)力為200MPa，發(fā)生在一位端枕梁下蓋板變截面位置與腹板上開(kāi)孔位置的交接面上。高應(yīng)力區(qū)主要在一位端枕梁中間腹板與邊梁交接位置的開(kāi)孔面上，應(yīng)力在80-120MPa之間，開(kāi)孔位置最大應(yīng)力為183MPa，主要為剪應(yīng)力與彎曲正應(yīng)力（如圖8-9所示）。中間側(cè)梁提軌力施加位置上方邊梁較大應(yīng)力在60-80MPa之間。中橫梁與中間側(cè)梁連接位置，由于未加筋板，造成局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為165MPa。

在非正常作業(yè)工況，挖掘力按200kN考慮時(shí)，整車的最大當(dāng)量應(yīng)力為2192MPa，其余應(yīng)力分布與正常作業(yè)狀態(tài)，挖掘力按40kN計(jì)算時(shí)相當(dāng)，且最大應(yīng)力有所緩解，主要是因?yàn)?，挖掘力增大，?duì)中梁位置產(chǎn)生彎矩及向上的拉應(yīng)力。但挖掘支撐腹板上應(yīng)力顯著增大，由正常狀態(tài)下的最大應(yīng)力25MPa增加值118MPa（如圖10-11所示）。

第四工況下，當(dāng)量應(yīng)力圖如圖12所示。整車的最大當(dāng)量應(yīng)力為137MPa，與第一工況下應(yīng)力分布相當(dāng)，主要區(qū)別在于牽引梁應(yīng)力分布不同，該工況下?tīng)恳荷蠎?yīng)力最大為40MPa。

6? 結(jié)論

①在垂直靜載荷作用下，構(gòu)架中梁側(cè)梁中央的最大垂向變形為15mm，（定距20.5m）擾跨比達(dá)1/1360，剛度滿足要求。正常作業(yè)狀態(tài)下，在考慮最大提軌力30t的情況下，最大垂向變形為22.7mm，擾跨比達(dá)1/900，剛度滿足要求。

②通過(guò)對(duì)正常作業(yè)狀態(tài)及牽引工況的計(jì)算，在規(guī)定計(jì)算的載荷工況下，均未超出第一工況許用應(yīng)力216MPa的要求，主車架強(qiáng)度滿足要求。

③通過(guò)對(duì)各工況的計(jì)算分析，牽引梁中間開(kāi)孔位置內(nèi)部應(yīng)該鑲套，經(jīng)計(jì)算測(cè)算在未鑲套的情況下，在縱向125t壓力下該位置應(yīng)力達(dá)240MPa，已超出第一工況的使用要求，經(jīng)過(guò)加8mm通長(zhǎng)圓套以后測(cè)算，該位置最大應(yīng)力降為135MPa，效果十分顯著。同時(shí)應(yīng)該在兩端枕梁與牽引梁連接位置下平面上增加過(guò)渡圓弧筋板，以緩解縱向壓縮時(shí)牽引梁下方開(kāi)孔位置的應(yīng)力集中。這兩條本人建議作為今后類似設(shè)計(jì)的原則應(yīng)該堅(jiān)持。

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