電力蓄電池工程車(chē)轉(zhuǎn)向架部件建模與分析

歐陽(yáng)斌

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510380）

0 引言

工程車(chē)輛作為地鐵運(yùn)營(yíng)中的重要車(chē)輛，很少被人們所熟知。在地鐵運(yùn)營(yíng)中，有電客車(chē)的地方必然有工程車(chē)的存在，工程車(chē)的作用絲毫不亞于客車(chē)。工程車(chē)承擔(dān)著在運(yùn)送大量的材料、設(shè)備、物資[1]；配合段場(chǎng)內(nèi)的作業(yè)；車(chē)輛進(jìn)行冷、熱滑；運(yùn)送維修設(shè)備和進(jìn)行事故救援等等。因此，每一條地鐵線路都需要配備一定數(shù)量的地鐵工程車(chē)。隨著機(jī)車(chē)使用年限增加，逐漸出現(xiàn)集電靴斷裂，轉(zhuǎn)向架一系彈簧斷裂等機(jī)械故障，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。本文通過(guò)探索一種可以提前預(yù)知機(jī)車(chē)機(jī)械故障，或者機(jī)械薄弱之處的研究方法，以便軌道車(chē)輛日常維修保養(yǎng)。

1 構(gòu)架載荷計(jì)算及工況組合

1.1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模型的建立

如圖1 所示，構(gòu)架的整體由兩條橫梁、兩條側(cè)梁、兩個(gè)電機(jī)安裝座以及兩個(gè)齒輪箱吊桿座相互焊接而成，構(gòu)架是由低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板和型鋼組成的全焊接封閉結(jié)構(gòu)，由兩根側(cè)梁和兩根橫梁組成，兩根橫梁之間有鋼板焊接連接，整體呈中心對(duì)稱(chēng)[2]。

圖1 構(gòu)架整體三維模型

1.2 各部件載荷計(jì)算

1.2.1 強(qiáng)度分析標(biāo)準(zhǔn)介紹

ZER-4 電力蓄電池工程車(chē)運(yùn)行速度等級(jí)低，構(gòu)架形式與動(dòng)車(chē)組等客運(yùn)車(chē)輛有較大的差別，對(duì)動(dòng)力學(xué)性能和乘坐舒適度要求與客運(yùn)車(chē)輛有所不同，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架參照TB∕T 2368-2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》與TB∕T 1335-1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[3]，采用ANSYS Workbench 有限元仿真軟件對(duì)ZER-4 電力蓄電池工程車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)估計(jì)算。構(gòu)架約束條件及載荷形式如圖2所示。

圖2 構(gòu)架約束條件及載荷形式

因此，本文選用TB∕T 2368-2005 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度分析。按標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架載荷類(lèi)型有：超常載荷、模擬主要運(yùn)營(yíng)載荷和模擬特殊運(yùn)營(yíng)載荷，本文只研究構(gòu)架由超常載荷類(lèi)型組合的4種工況[4]。

1.2.2 超常載荷計(jì)算

本轉(zhuǎn)向架采用抱軸式齒輪箱，齒輪箱吊座只承受其慣性載荷，牽引裝置安裝在車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間傳遞牽引力和制動(dòng)力，輪緣潤(rùn)滑裝置主要安裝在車(chē)體上，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝在側(cè)梁上，構(gòu)架上安裝有兩個(gè)牽引電機(jī)和兩個(gè)集電靴，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置和集電靴的質(zhì)量較小相比于整備質(zhì)量而言可以忽略不計(jì)，后文不計(jì)此載荷。所以超常載荷只包括垂向載荷、橫向載荷和扭曲載荷[5]。

（1）垂向載荷

垂向載荷[6]主要為轉(zhuǎn)向架所承受的機(jī)車(chē)質(zhì)量，作用在旁承座處，其大小為：

式中：Fz1max為轉(zhuǎn)向架左側(cè)的垂向載荷，kN；Fz2max為轉(zhuǎn)向架右側(cè)的垂向載荷，kN；g為重力加速度，取9.81 m∕s2;nb為整車(chē)轉(zhuǎn)向架數(shù)，取2；mv為整備質(zhì)量，取56 t；m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，取7.5 t。

（2）橫向載荷

橫向載荷[7]作用于橫向止擋和二系橡膠堆的位置，其大小為：

式中：Fymax為橫向載荷，kN；ne為每個(gè)轉(zhuǎn)向架上的輪對(duì)數(shù)，取2。

（3）扭曲載荷

扭曲載荷[8]以位移形式作用在斜對(duì)稱(chēng)的車(chē)輪上，超常載荷工況下扭曲載荷取10‰軸距，其大小為：

式中：Smax為對(duì)應(yīng)扭曲載荷下車(chē)輪位移，mm；D為轉(zhuǎn)向架軸距，取2 200 mm。

該扭曲位移通過(guò)壓縮一系懸掛裝置實(shí)現(xiàn)，其等效載荷大小為：

式中：Ft為一系懸掛裝置等效載荷；Smax為對(duì)應(yīng)扭曲載荷下車(chē)輪位移，mm；T1為一系彈簧剛度，取361.5 N∕m；T2為一系減振器剛度，取500 N∕m。

1.3 工況組合的確定

按照我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB∕T 2368-2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中對(duì)載荷工況組合的方法，同時(shí)參考類(lèi)似型號(hào)工程車(chē)轉(zhuǎn)向架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)資料，超常載荷、模擬主要運(yùn)營(yíng)載荷和模擬特殊運(yùn)營(yíng)載荷的工況組成，本文選取超常載荷組合的4種工況進(jìn)行分析[9]。機(jī)車(chē)在運(yùn)營(yíng)時(shí)可能出現(xiàn)的最大載荷作用下，共有4 個(gè)超常載荷工況，分析轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是否會(huì)發(fā)生永久變形。組合工況的載荷如表1所示。

表1 超常載荷工況組合及載荷值

2 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算與分析

2.1 網(wǎng)格劃分的要求及選取

為節(jié)省計(jì)算成本，將構(gòu)架模型進(jìn)行了一些優(yōu)化，把一些不影響分析結(jié)果的小部件省略。

2.1.1 車(chē)架的縱梁和橫梁的連接模擬

本構(gòu)架的側(cè)、橫梁均是通過(guò)焊接連接的。焊接點(diǎn)處的強(qiáng)度及剛度一般都會(huì)較大，因此縱、橫梁在焊接處是滿足變形協(xié)調(diào)關(guān)系的。在仿真平臺(tái)Workbench 中，通過(guò)接觸（Connections）建立縱、橫梁的綁定（Bonded）關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)縱橫梁之間的焊接處變形一致。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

遵照劃分原則與方法，全面兼顧計(jì)算精度∕成本與構(gòu)架特性，提出如下劃分方案。

（1）網(wǎng)格大小設(shè)定成20 mm。通過(guò)這種設(shè)定，能夠讓電機(jī)安裝座、縱橫梁的截面、長(zhǎng)度獲得必須的網(wǎng)格數(shù)。

（2）由于構(gòu)架縱橫梁呈相對(duì)規(guī)則幾何體，所以選擇Sweep 劃分法，可以獲得四邊形網(wǎng)格，從而避免計(jì)算占用過(guò)多時(shí)間。

綜合以上策略，構(gòu)架、電機(jī)安裝座網(wǎng)格劃分完成，如圖3 所示，構(gòu)架網(wǎng)格的總數(shù)量為269 554，節(jié)點(diǎn)總數(shù)量為108 192；網(wǎng)格劃分是科學(xué)合理的。

圖3 構(gòu)架離散模型

2.1.3 材料屬性

構(gòu)架主體由Q345B 低合金高強(qiáng)度鋼板焊接而成，其材料特性參數(shù)[10]：彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg∕m3。

2.2 構(gòu)架在不同工況下的負(fù)載及約束條件

各種工況下的載荷值大小，已于前文中詳細(xì)計(jì)算得出，按照計(jì)算結(jié)果逐一進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算分析。構(gòu)架在實(shí)際狀態(tài)下通過(guò)一系懸掛與軸箱連接，軸箱與輪對(duì)裝配一體，模擬構(gòu)架施加固定約束時(shí)，在側(cè)梁上安裝一系懸掛裝置處設(shè)置固定約束模擬支撐；為了模擬橫向止擋作用，在側(cè)梁上的橫梁圓柱面上施加固定約束[11]。

2.3 構(gòu)架靜強(qiáng)度計(jì)算及結(jié)果分析

根據(jù)材料力學(xué)中的4 種強(qiáng)度理論，本文采用第四強(qiáng)度理論作為結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性失效的依據(jù)，即受力后結(jié)構(gòu)中任意一點(diǎn)的形狀改變超過(guò)了該材料的屈服應(yīng)力，則會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形并且失去原有的功效。若計(jì)算得到的數(shù)值小于Q345B 的屈服應(yīng)力即為可靠。構(gòu)架靜強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)[12]：許用應(yīng)力為314 MPa，安全系數(shù)為1.1。

2.3.1 超常載荷工況組合靜力學(xué)分析

超常載荷工況共4 個(gè)，考察在可能出現(xiàn)的最大載荷作用下，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架最大應(yīng)力是否小于該處材料許用應(yīng)力。由表1 中計(jì)算得到的構(gòu)架超常載荷工況載荷種類(lèi)和大小數(shù)據(jù)進(jìn)行加載計(jì)算超常載荷工況狀態(tài)下構(gòu)架的等效應(yīng)力分布如圖4～9所示。其中工況2與工況3分析情況結(jié)果一樣，作用在左、右側(cè)梁。

圖4 工況1應(yīng)力云圖

圖5 工況1變形云圖

圖6 工況2應(yīng)力云圖

圖7 工況2變形云圖

圖8 工況4應(yīng)力云圖

圖9 工況4變形云圖

2.3.2 構(gòu)架靜力學(xué)結(jié)果分析

由上述4 個(gè)超常載荷工況下的構(gòu)架靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果（表2）可知，構(gòu)架在第4 個(gè)工況下應(yīng)力值最大且最大值為201.97 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在側(cè)梁一系懸掛裝置安裝處。該處材料為Q345B，材料許用應(yīng)力為314 MPa，故該構(gòu)架在超常載荷工況下滿足靜強(qiáng)度要求。同時(shí)可以看出，4 個(gè)工況下構(gòu)架最大應(yīng)力位置發(fā)生在兩個(gè)位置，分別為側(cè)梁一系懸掛裝置安裝處和橫梁與側(cè)梁連接部位下方，說(shuō)明該兩處局部強(qiáng)度相對(duì)較薄弱；前3 個(gè)工況下構(gòu)架的形變量較小，第4 個(gè)工況下構(gòu)架的最大變形量為15.23 mm，位置在側(cè)梁一系懸掛安裝處上半部分，該位置安裝著一系彈簧及一系減振器。

表2 超常載荷工況強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

綜合4 個(gè)工況的靜力學(xué)分析，得知橫梁與側(cè)梁連接部位和側(cè)梁端部即一系懸掛安裝位置是構(gòu)架剛度及強(qiáng)度最為薄弱之處?；谛熊?chē)安全的考慮，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)定及作業(yè)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，不斷提高機(jī)車(chē)安全性。

3.1 優(yōu)化整備作業(yè)工藝流程

目前電力工程車(chē)日常整備作業(yè)流程中已經(jīng)包含轉(zhuǎn)向架部件檢查內(nèi)容，但未有針對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架薄弱之處的檢查，故在流程中加入橫梁與側(cè)梁連接部位和構(gòu)架上一系懸掛安裝座位置的檢查項(xiàng)目。每次作業(yè)前整備機(jī)車(chē)都能夠檢查確認(rèn)構(gòu)架薄弱之處的狀態(tài)，以確保行車(chē)安全。

3.2 開(kāi)展構(gòu)架專(zhuān)項(xiàng)隱患排查

組織開(kāi)展電力蓄電池工程車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架專(zhuān)項(xiàng)隱患排查工作，針對(duì)整個(gè)構(gòu)架都進(jìn)行機(jī)械裂紋、變形等異常情況排查，重點(diǎn)檢查構(gòu)架的橫梁與側(cè)梁連接部位和構(gòu)架上一系懸掛安裝座位置，確保目前在用的機(jī)車(chē)構(gòu)架狀態(tài)良好。

3.3 定期檢測(cè)構(gòu)架薄弱位置

電力蓄電池工程車(chē)全年維修保養(yǎng)劃分為系統(tǒng)修一、二、三、四，共計(jì)4 個(gè)季度維修，在維修保養(yǎng)技術(shù)文件中，走行部系統(tǒng)加入轉(zhuǎn)向架構(gòu)架檢修保養(yǎng)內(nèi)容，同時(shí)注明構(gòu)架的橫梁與側(cè)梁連接部位和構(gòu)架上一系懸掛安裝座位置進(jìn)行重點(diǎn)檢修，每年全面檢修一次。

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)向架是電力蓄電池工程車(chē)的重要部件，構(gòu)架則是轉(zhuǎn)向架組成中的主要承載件。本文通過(guò)三維軟件Solidworks 對(duì)電力蓄電池工程車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行建模，參照TB∕T 2368-2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》與TB∕T 1335-1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，以及相關(guān)文獻(xiàn)，采用ANSYS Workbench 有限元仿真軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)估計(jì)算，選取超常載荷模式共4 個(gè)組合工況，計(jì)算相應(yīng)的載荷數(shù)值及模擬條件，構(gòu)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核構(gòu)架的安全可靠性，同時(shí)獲得各工況下構(gòu)架應(yīng)力應(yīng)變值最大的部件位置，分析得知構(gòu)架剛度及強(qiáng)度薄弱位置是側(cè)梁端部即一系懸掛安裝座位置；利用該分析結(jié)果，通過(guò)技術(shù)文件優(yōu)化、作業(yè)流程優(yōu)化等形式應(yīng)用于實(shí)際作業(yè)中，多維度確保機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架狀態(tài)良好。