接觸網(wǎng)綜合檢修車車體結構強度及模態(tài)分析

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）

0 引言

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。

1 車體的結構及有限元模型

1.1 車體結構簡介

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

1.2 車體有限元模型

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］。

2 載荷工況

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。

3 車體強度計算結果評定

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。

4 模態(tài)分析

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

5 結論

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.