基于ANSYS的進(jìn)口道岔?yè)v固穩(wěn)定車主車架優(yōu)化設(shè)計(jì)

王曉東，劉 捷，蔡川雄，李悅熙薇，吳 磊

(1.昆明冶金高等專科學(xué)校冶金與礦業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650033；2.中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司,云南 昆明 650215)

道岔?yè)v固穩(wěn)定車是中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司從奧地利引進(jìn)的進(jìn)口車型，但是由于歐洲大型養(yǎng)路機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)有所不同，相比之下，國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]更為嚴(yán)格。國(guó)內(nèi)上線的各種鐵路車輛，其車架必須按照國(guó)內(nèi)的相關(guān)要求進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)主要分為縱向拉伸試驗(yàn)、縱向壓縮試驗(yàn)、垂向試驗(yàn)、頂車試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、修理工況、起吊工況等。其中垂向試驗(yàn)主要采取砂袋、鐵塊等重物加載，最消耗時(shí)間，所以此次試驗(yàn)先進(jìn)行了垂向試驗(yàn)。但是，在進(jìn)行縱向拉伸及壓縮試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，車架的部分區(qū)域應(yīng)力超出了試驗(yàn)允許的最大值，由于是成熟設(shè)計(jì)的進(jìn)口車型，不可能對(duì)車架及整車作出很大的改動(dòng)，所以只能在原有的結(jié)構(gòu)框架內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，否則無(wú)法上線運(yùn)行[3-4]。

道岔?yè)v固穩(wěn)定車主車架的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其中關(guān)于材料，其底架采用的是鐵路上常見(jiàn)的Q345D，立柱及上弦梁采用的是強(qiáng)度更高的Q420D。

表1 道岔?yè)v固穩(wěn)定車主車架的主要技術(shù)參數(shù)

1 計(jì)算工況說(shuō)明

基于ANSYS的有限元計(jì)算，對(duì)車架進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，原則上應(yīng)該進(jìn)行7種工況的分析計(jì)算，但是由于情況特殊，該車架為國(guó)外設(shè)計(jì)、廠內(nèi)加工，在做過(guò)部分靜強(qiáng)度試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)其它試驗(yàn)滿足要求，但縱向試驗(yàn)無(wú)法通過(guò)，且縱向試驗(yàn)對(duì)結(jié)果的貢獻(xiàn)值很大。因此為了保證試驗(yàn)順利通過(guò)，在工期很緊的情況下，筆者只對(duì)縱向拉伸、縱向壓縮工況進(jìn)行計(jì)算，即縱向拉伸力為980 kN，縱向壓縮力為 1 180 kN，均沿車鉤中心線作用在前從板座上及連接桿的耳座上；并將計(jì)算結(jié)果與已得試驗(yàn)結(jié)果的垂向試驗(yàn)等疊加之后，對(duì)車架的強(qiáng)度進(jìn)行判定。

2 有限元建模

為了真實(shí)有效地模擬車架在各種工況下的受力情況，考慮到車架是由大量的鋼板及矩形管組成，本文選用殼單元進(jìn)行模擬計(jì)算，因?yàn)?節(jié)點(diǎn)殼單元shell181有節(jié)點(diǎn)偏置功能選項(xiàng)，因此選用該單元建模非常方便，結(jié)果更加準(zhǔn)確。

線路道岔?yè)v固車主車架在實(shí)際使用中約80%的重量由芯盤(pán)承受，這類轉(zhuǎn)向架應(yīng)用范圍很廣，其心盤(pán)處是球鉸支撐。本次計(jì)算以車架的長(zhǎng)度方向?yàn)閄向，寬度方向?yàn)閅向，高度方向?yàn)閆向。在芯盤(pán)處的中心節(jié)點(diǎn)直接約束UY，UZ，ROTX，為了避免剛體位移，在其中一個(gè)芯盤(pán)處的中心節(jié)點(diǎn)約束UX，2個(gè)芯盤(pán)處都釋放ROTY。心盤(pán)處為球形鉸接，在鉸接區(qū)域范圍以內(nèi)，車架上對(duì)應(yīng)的位置實(shí)際上是不受力或受力極小的，因此可以將此區(qū)域處理為剛性區(qū)域，以避免只約束一個(gè)節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的應(yīng)力集中問(wèn)題。[5]

3 縱向拉伸工況計(jì)算

縱向拉伸力為980 kN，沿車鉤中心線作用在2個(gè)前從板座上。計(jì)算結(jié)果如圖1、2所示。限于篇幅，從圖1可以知曉車架全貌，不再給出車架的三維圖。

圖1 縱向拉伸工況下車架的總變形Fig.1 The total deformation of frame under longitudinal tensile condition

由圖1可知，在縱向拉伸工況下，車架的變形量較大，達(dá)130 mm，如此大的縱向變形量也反映出立柱與上弦梁交界處承受了很大的彎矩，從而會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中。這種由上弦梁連接2塊底架的結(jié)構(gòu)，縱向剛度比較差，但為了滿足工作裝置的需求，只能對(duì)車架進(jìn)行局部加強(qiáng)，而無(wú)法從根本上更改其結(jié)構(gòu)。

由圖2(a)可知，車架上的應(yīng)力分布非常不均勻，大應(yīng)力點(diǎn)幾乎全部集中在上弦梁上，最大等效應(yīng)力值為432 MPa。因此設(shè)計(jì)中底架采用Q345D，而上弦梁采用Q420D材料是合理的。

由圖2(b)可知，最大等效應(yīng)力值 432 MPa 的位置為立柱與上弦梁交界的筋板上。

由圖2(c)(d)可知，單獨(dú)觀察2塊底架上的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)底架上的應(yīng)力分布比較均勻，說(shuō)明材料利用比較充分，與以往車架設(shè)計(jì)的應(yīng)力分布及應(yīng)力值數(shù)值大小也比較接近，最大應(yīng)力點(diǎn)均為牽引力直接作用的部位，應(yīng)力最大值為181 MPa。

由圖2(e)(f)可知，單獨(dú)觀察上弦梁兩端的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)上弦梁截面的應(yīng)力值在170 MPa左右，但在立柱與上弦梁的交界處出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中，甚至計(jì)算值超過(guò)了Q420D的屈服強(qiáng)度，因此必須對(duì)上弦梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改善應(yīng)力分布，降低應(yīng)力值。

(a)車架整體應(yīng)力分布(b)車架局部應(yīng)力分布(c)車架底部應(yīng)力分布(d)車架底架應(yīng)力分布(e)車架上弦梁應(yīng)力分布(f)車架上弦梁下平面應(yīng)力分布

4 補(bǔ)強(qiáng)方案

為了盡量不影響整車布局，同時(shí)又不讓?xiě)?yīng)力發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)移，技術(shù)人員研究討論決定，對(duì)該車架局部區(qū)域采用貼片加厚、增加筋板的方式以改善應(yīng)力集中情況，部分補(bǔ)強(qiáng)方案如圖3所示，深色部分為新增的補(bǔ)強(qiáng)鋼板。

5 補(bǔ)強(qiáng)后，縱向拉伸工況計(jì)算

補(bǔ)強(qiáng)后的車架，縱向拉伸工況計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可知，應(yīng)力分布變得更加均勻，應(yīng)力最大值為321 MPa。

由圖4(b)(c)(d)可知，應(yīng)力最大值點(diǎn)均位于立柱與上弦梁交界處的筋板上，車架兩側(cè)筋板上的最大應(yīng)力值分別為321 MPa和293 MPa。

由圖4(e)可知，車架底架上的應(yīng)力分布及應(yīng)力值幾乎沒(méi)有變化。

由圖4(f )可知，上弦梁的下平面，經(jīng)過(guò)局部加強(qiáng)后，其應(yīng)力最大值由295 MPa下降到217 MPa。

(a)主車架前部立柱上側(cè)補(bǔ)強(qiáng)示意(b)車架后部主梁下側(cè)補(bǔ)強(qiáng)示意

(a)車架應(yīng)力分布1(b)車架局部應(yīng)力分布1(c)車架局部應(yīng)力分布2(d)車架應(yīng)力分布2 (e)車架底架應(yīng)力分布(f)車架上弦梁的下平面應(yīng)力分布

綜上所述，對(duì)車架進(jìn)行局部加強(qiáng)后，應(yīng)力分布變得更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。由于上弦梁所用材料為Q420D，其許用應(yīng)力為263 MPa，因此，包括應(yīng)力集中現(xiàn)象，上弦梁上最大的應(yīng)力值為217 MPa，結(jié)合已經(jīng)做過(guò)的垂向試驗(yàn)等結(jié)果，疊加后已經(jīng)滿足使用要求。雖然仍有部分筋板上的應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力值263 MPa，但鑒于這些位置都在筋板上，并不在車架本身的主結(jié)構(gòu)上，因此可以適當(dāng)放寬此類許用應(yīng)力值。所以，按照此方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、優(yōu)化后的車架滿足縱向拉伸試驗(yàn)要求。

經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，壓縮工況與拉伸工況的應(yīng)力分布趨勢(shì)大體一致，即大應(yīng)力點(diǎn)位于上弦梁與立柱交界處的筋板上；上弦梁的應(yīng)力值較大，立柱與底架上的應(yīng)力較?。怀贁?shù)幾個(gè)筋板上的應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力外，其它主要部位的應(yīng)力值在疊加后，均滿足許用應(yīng)力的要求，本文不再進(jìn)行贅述。

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)縱向拉伸工況、縱向壓縮工況的計(jì)算結(jié)果，以及垂向試驗(yàn)等試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行疊加可知：補(bǔ)強(qiáng)后的車架滿足車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)的相關(guān)要求，滿足車輛的使用條件，避免了重新研制新的車架，從而節(jié)約了成本和時(shí)間。