金 鑫,傅茂海,楊亮亮,王軍平,王 平
(西南交通大學 機械工程學院,四川 成都 610031)
隨著高速電氣化鐵路運營的發(fā)展,對接觸網(wǎng)的質量和維修提出了新的要求,提高檢修效率和消除安全隱患一直是接觸網(wǎng)施工維修過程中關注的焦點問題,研制性能優(yōu)良的接觸網(wǎng)綜合檢修車來提高檢修效率、改善作業(yè)環(huán)境勢在必行。接觸網(wǎng)綜合檢修車(以下簡稱檢修車)主要用于鐵路電氣化接觸網(wǎng)上部設備的檢修、安裝、調整和保養(yǎng)等作業(yè)[1]?;贓N 12663:2010《鐵道應用—鐵道車輛車體結構要求》(以下簡稱EN 12663)和該車的實際運行情況,本文通過有限元法對檢修車車體結構進行靜強度和剛度分析,優(yōu)化車體結構,使其滿足實際運用要求。
檢修車車體為全鋼焊接結構,材質均為Q345B低合金鋼。車體結構由底架、側墻、車頂蓋和司機室等部分組成,如圖1所示。
底架由牽引梁、枕梁、下側梁、橫梁和金屬地板等部分組成。底架上設有吊籃,主要承載升降設備,其中牽引梁、枕梁和下側梁均采用箱型結構;橫梁采用工字鋼、角鋼和箱型焊接結構;地板采用波紋金屬地板。
側墻由上側梁、立柱和蒙皮組成;車頂蓋由縱梁、橫梁、上側梁、加強橫梁及蒙皮組焊而成,車頂蓋上設有平臺底座,主要安裝檢修設備。
司機室結構采用流線型設計,由眉梁、腰梁、立梁、司機室頂蓋、蒙皮及其他板梁組焊而成,其中眉梁和腰梁采用了槽鋼,立梁采用方鋼。
圖1 車體結構簡圖
檢修車車體為三維空間結構,為準確分析其在各載荷工況作用下的應力分布情況,應用有限元軟件ANSYS對其建立力學模型,如圖2所示,并采用4節(jié)點殼單元Shell 63對主結構進行離散。車體共離散為137 565個節(jié)點、135 923 個單元。此外,在二系彈簧座處設置了Combination 14彈簧單元模擬車輛懸掛系統(tǒng),各車輛設備質量離散為三維質量單元,如在平臺、吊籃和發(fā)電機組等的重心處設置了Mass 21質量單元進行模擬[2]。
車體作為檢修車主要的承載部件,運行過程中主要承受垂直載荷、水平?jīng)_擊載荷和側向力的作用,并向車鉤傳遞牽引力和制動力[3]。為了確保車體結構的可靠性,根據(jù)車輛在使用過程中的實際情況,基于EN 12663標準對車體結構強度進行評估,其中垂向載荷包括車體自重m1(整備狀態(tài)下)、載重m4和轉向架質量m2所產生的靜、動載荷;縱向載荷包括牽引載荷和緩沖載荷;慣性載荷包括轉向架沖擊、車輛設備沖擊和制動沖擊。在各載荷作用下,對車體進行了總共20種靜態(tài)載荷工況組合的計算分析,載荷工況見表1。
在車體結構有限元強度計算中,根據(jù)載荷工況的具體情況,將其以相應的形式施加于相關位置,得到的計算結果見表2。
圖2 檢修車車體有限元模型
表1 載荷工況組合
表2 各載荷工況下車體結構的最大應力及相應部位
從計算結果可見,車體下側梁下蓋板、司機室側窗窗角等位置應力水平較高,但車體在EN 12663規(guī)定的各載荷組合作用下的結構最大von Mises應力小于300 MPa,滿足相關標準要求。圖3和圖4分別為工況17、18應力云圖。
為了提高車體的整體剛度,避免車體與外界激振源發(fā)生共振,以防止車體結構出現(xiàn)振動疲勞破壞。參照國際鐵路聯(lián)盟UICMerkblatt566(1992)規(guī)定,整備狀態(tài)下車體一階垂直彎曲自振頻率不低于10 Hz,整備車體固有頻率一般比鋼結構低20%左右[4]。鋼結構模態(tài)分析是一個很重要的參照模型,模態(tài)計算采用了Lanczos法,提取前6階的振動頻率如表3所示,一階模態(tài)如圖5、圖6所示。
圖3 工況17車體最大應力分布
圖4 工況18車體最大應力分布
車體結構模態(tài)分析結果表明,兩種狀態(tài)下車體的一階垂直彎曲自振頻率都大于10 Hz,鋼結構車體的振動頻率比整備狀態(tài)下車體的大28%,車體結構的整體振動特性滿足相關標準要求,沒有明顯的剛度薄弱部位,說明車體結構的剛度設計比較合理,可以保證其承載較大質量設備。
表3 車體自振頻率及振型
圖5 整備狀態(tài)下車體一階垂向彎曲
本文以有限元理論為基礎,利用有限元分析軟件ANSYS,參照EN12663標準,對接觸網(wǎng)綜合檢修車車體結構進行了強度分析,結果表明車體結構整體強度滿足相關標準要求;整備狀態(tài)下車體和鋼結構車體的模態(tài)分析結果表明車體動態(tài)剛度較好,一階彎曲振動的頻率大于10Hz,滿足標準要求。
研究結果說明,設計的車體結構合理,充分利用了材料的承載能力,輕量化水平高,車體強度和剛度能夠滿足車輛的運行要求。
圖6 鋼結構車體一階垂向彎曲
[1] 翟玉霞.輕型接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車的研制[J].鐵道機車車輛,2008,28(6):72-73.
[2] 傅茂海,安琪,楊亮亮,等.接觸網(wǎng)綜合檢修車車體強度與剛度分析報告[R].成都:西南交通大學出版社,2011:4-5.
[3] 嚴雋耄,傅茂海.車輛工程[M].北京:中國鐵道出版社,2007.
[4] 郝魯波.客車模態(tài)計算與試驗研究[D].大連:大連理工大學,2005:23.