一種重載平車的小底架結(jié)構(gòu)分析

摘?要：本文介紹了重載平車小底架結(jié)構(gòu)組成，以鐵道標(biāo)準(zhǔn)中的工況作為指導(dǎo)分析標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)值分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和材料，在設(shè)計空間小、載重質(zhì)量大的情況下，最大程度地利用結(jié)構(gòu)形式，得到了滿足設(shè)計需求的底架結(jié)構(gòu)。本文介紹了有限工具在小底架設(shè)計中的應(yīng)用，并給出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)引用、評價體系和一般的設(shè)計計算規(guī)范。

關(guān)鍵詞：小底架;結(jié)構(gòu)仿真;剛度;強(qiáng)度

重載平車小底架是為了將車體及其載重貨物均分在走形部件上的一個中間結(jié)構(gòu)，如圖1所示。整車有兩個小底架，上下芯盤均采用球形芯盤、襯墊結(jié)構(gòu)，將力傳遞到兩個四軸轉(zhuǎn)向架，最后均布在每一根車軸上。

1?小底架結(jié)構(gòu)簡介

小底架采用Q420C作為主要結(jié)構(gòu)材料，使用板材厚度有16mm、20mm、30mm及40mm等厚度，小底架主要承載縱梁為拼焊箱型結(jié)構(gòu)，其中上蓋板由三段組成，下蓋板為整體折彎件，中部承載部（芯盤）兩側(cè)設(shè)計翼梁作為輔助支撐和轉(zhuǎn)向作用;兩端與轉(zhuǎn)向架連接部與中部設(shè)計相似，翼梁為小箱梁結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

小底架設(shè)計參數(shù)。重載平車小底架承載結(jié)構(gòu)，由底架鋼結(jié)構(gòu)、上芯盤、下芯盤、圓柱棍子旁承組成。小底架承載都集中在球芯盤上，旁承為間隙旁承，只有在轉(zhuǎn)彎時輔助轉(zhuǎn)動的作用，根據(jù)設(shè)計要求在轉(zhuǎn)彎時旁承承載力以芯盤承重的30%校核。

重載平車小底架主要技術(shù)參數(shù)：

小底架長度：6500mm。

小底架芯盤距：5790mm。

小底架寬度：2130mm。

小底架自重：5.45t。

整車自重：60.6t。

載重：180t。

2?數(shù)值模型描述

2.1?結(jié)構(gòu)離散

小底架整體結(jié)構(gòu)采用殼單元建立有限元模型;上芯盤采用四面體實體單元，下芯盤采用六面體實體單元，上下芯盤采用接觸綁定的方式模擬與小底架的連接關(guān)系（上芯盤焊接形式，下芯盤螺栓連接）。

2.2?材料模型

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》9.4規(guī)定，鋼制零部件采用下列材料機(jī)構(gòu)性能：彈性模量：E=206000MPa，泊松比：u=0.3。

2.3?載荷計算

2.3.1?垂向靜載荷

垂向整備重量：240.6t。

2.3.2?垂向動載荷

按TB/T13351996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》6.2.1規(guī)定，垂向動載荷由垂向靜載荷乘以垂向動荷系數(shù)而定;垂向動荷系數(shù)：計算可得Kdy=0.190。

2.3.3?側(cè)向力

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》6.3.3規(guī)定，在計算或試驗車體側(cè)梁、枕梁的強(qiáng)度時，可不施加側(cè)向力而以加大垂向載荷來考慮側(cè)向力的影響。垂向載荷增加數(shù)值：參照貨車取值為垂向靜載荷的10%，Kc=0.1。

2.3.4?縱向拉伸載荷

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》6.5.2的規(guī)定，貨車輛縱向拉伸載荷取1125kN，根據(jù)芯盤設(shè)計，作用在上下芯盤的配合的柱面上。

2.3.5?縱向壓縮載荷

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》6.5.2的規(guī)定，貨車縱向壓縮載荷取1400kN。根據(jù)芯盤設(shè)計，作用在上下芯盤的配合的柱面上。

2.4?計算工況

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》進(jìn)行加載，整備總質(zhì)量60.6t（小底架承載重量）。

2.5?標(biāo)準(zhǔn)及評價體系

依據(jù)TB/T?13351996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》9.5.1，GT/T15912018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，金屬零件許用應(yīng)力變換算，需滿足如下強(qiáng)度、剛度要求。

3?計算結(jié)果及分析

3.1?靜載工況

主要考察車體在靜載工況下的垂向變形，主車架中部最大垂向撓度為11.109mm，如圖4所示，位于小底架中間梁中部位置，小于11.94mm的許用變形量，滿足小底架設(shè)計剛度要求。

3.2?第一工況拉伸組合

車體在拉伸組合工況的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力為2148MPa，位于小底架下蓋板折彎處的下表面，如圖5所示，低于256MPa的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。

3.3?第一工況壓縮組合

小底架在壓縮組合工況的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力為23232MPa，位于小底架下芯盤安裝附近第一個折彎處。如圖6所示，最大應(yīng)力低于256MPa的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。

3.4?第二工況

小底架在第二工況下的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力264.27MPa。如圖7所示，最大應(yīng)力低于347MPa的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。

3.5?偏載工況

如圖8所示，偏載極限工況下的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力位于下部支撐扭曲區(qū)域，為238.13MPa，低于256MPa的許用應(yīng)力。

結(jié)論

采用Q420C高強(qiáng)度低合金軋制板材制造的小底架結(jié)構(gòu)，其選用板材的許用應(yīng)力滿足鐵道車輛載荷工況的要求，同時滿足車輛設(shè)計的極限偏載工況;其剛度設(shè)計滿足鐵道車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計許用撓度;小底架結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足鐵道車輛強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]TB/T13351996，《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》[Z].

[2]GT/T15912018，《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》[Z].

作者簡介：鄭星（1986—?），男，漢族，陜西榆林人，碩士，工程師，研究方向：鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械。