基于ANSYS的某型鋼軌打磨車車架強(qiáng)度分析

楊昌果，傅茂海，張忠良， 陳 森

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國“一帶一路”國家戰(zhàn)略的成型，鐵路運(yùn)輸在交通運(yùn)輸體系中的地位越來越重要。截至2018年底，我國鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到13.1×105km，其中高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到2.9×104km。鋼軌是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中重要的組成部分，同時(shí)鋼軌的磨耗和疲勞損傷是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中特別突出的問題。鋼軌損傷的主要類型有鋼軌側(cè)磨、鋼軌波磨、剝離掉塊與鋼軌壓潰等，這些損傷占到鋼軌損傷量的80%以上[1-3]。因此鋼軌的維保問題顯得尤為突出，鋼軌打磨車作為處理鋼軌損傷的一種大型養(yǎng)路機(jī)械，對(duì)其的發(fā)展需求日益增大。

強(qiáng)度及模態(tài)分析是鋼軌打磨車研究設(shè)計(jì)的重要步驟和必要的技術(shù)手段。近年來，國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)鋼軌打磨車車架和車體進(jìn)行了靜強(qiáng)度及一階模態(tài)分析，但這些研究都是基于TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》對(duì)鋼軌打磨車車架進(jìn)行強(qiáng)度校核，沒有對(duì)車架的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析，有一定的局限性。本文基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1：2010《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》對(duì)某型鋼軌打磨車車架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，以保證其結(jié)構(gòu)的可靠性[4]。

1 鋼軌打磨車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

本文研究的鋼軌打磨車主要由轉(zhuǎn)向架、車架、打磨裝置、動(dòng)力系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等幾大部分組成[5]，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

該鋼軌打磨車車架連接裝置一端采用球關(guān)節(jié)牽引桿，另一端采用常規(guī)自動(dòng)車鉤。車架是承載和傳遞牽引力的重要組成部分，鋼軌打磨車車架由側(cè)梁、枕梁、橫梁和縱向梁等組成，其中主要梁件由工字梁、矩形管和鋼板焊接而成，整個(gè)車架由工字型側(cè)梁和若干個(gè)縱向梁傳遞縱向力。鋼軌打磨車車架模型如圖1所示。

2 建立車架有限元模型

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS建立車架有限元模型并計(jì)算。車架主結(jié)構(gòu)是由矩形管和薄板構(gòu)成，所以采用4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell 181對(duì)其進(jìn)行離散，對(duì)于其他不適用殼單元的安裝座等構(gòu)件采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid 45進(jìn)行離散;對(duì)于混合單元過渡區(qū)域，采用公共單元的方式處理模型。打磨裝置、液壓設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備等大質(zhì)量部件因?yàn)椴皇怯?jì)算主體，所以可以使用質(zhì)量單元Mass 21在其質(zhì)心處模擬，大質(zhì)量部件的質(zhì)量單元與車架安裝座的連接用ANSYS提供的多點(diǎn)接觸算法(MPC)模擬。其余車架上的均布質(zhì)量使用軟件循環(huán)命令以質(zhì)量單元Mass 21在所有承力位置模擬。車架與轉(zhuǎn)向架的連接通過梁?jiǎn)卧狟eam 188連接。建立的車架有限元模型如圖2所示。該計(jì)算模型所有面設(shè)置的單元尺寸均為12 mm，離散后共有553 309個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 452 101個(gè)單元。

表1 鋼軌打磨車主要技術(shù)參數(shù)

圖1 鋼軌打磨車車架模型

3 車架強(qiáng)度計(jì)算載荷工況及邊界條件

鋼軌打磨車車架基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1∶2010《鐵路應(yīng)用——鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)要求》進(jìn)行計(jì)算。鋼軌打磨車自帶牽引力且是沒有承載旅客功能的車輛，屬于L類型車輛。

圖2 車架有限元模型

3.1 車架靜強(qiáng)度計(jì)算工況

根據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，車架靜強(qiáng)度計(jì)算工況包括壓縮工況、拉伸工況、最大運(yùn)用工況、架車工況、沖擊工況、啟動(dòng)工況、緊急制動(dòng)工況和救援工況，如表2所示。

表2 鋼軌打磨車車架靜強(qiáng)度計(jì)算工況

3.2 車架疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況

根據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，鋼軌打磨車車架疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況主要包括等效動(dòng)態(tài)載荷工況和持續(xù)牽引制動(dòng)載荷工況，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的空氣動(dòng)力載荷和接口處的疲勞載荷因?yàn)椴捎闷跇O限法所以不予考慮。鋼軌打磨車常用制動(dòng)力大于車架動(dòng)態(tài)加速時(shí)的沖擊力，所以對(duì)于縱向的動(dòng)態(tài)加速度也不予考慮[6]。車架疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況如表3所示。

3.3 車架強(qiáng)度計(jì)算邊界條件

車架靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度邊界條件大同小異，基本都是在車架牽引座約束縱、橫向位移，在旁承座約束垂向位移。特別地：在架車工況下垂向位移約束在架車座；在救援工況下垂向位移約束在救援位置。

表3 鋼軌打磨車車架疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，壓縮力和拉伸力加載在緩沖器座和車鉤附件上，沖擊加速度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算工況的加速度都以慣性加速度的形式加載到模型中，其中，車架大質(zhì)量部件的垂向沖擊使用集中力的形式加載[7-8]。

4 車架強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

4.1 車架靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，在各靜強(qiáng)度計(jì)算工況下，車架結(jié)構(gòu)各處節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)滿足式(1)要求：

(1)

其中：σC為計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力；S1為安全系數(shù)，母材區(qū)域取1.15，焊縫區(qū)域取1.265；R為材料屈服強(qiáng)度；[σ]為許用應(yīng)力。

鋼軌打磨車車架采用Q345D制造，在鋼材厚度小于或等于16 mm時(shí)，母材許用應(yīng)力為300 MPa，焊縫許用應(yīng)力為273 MPa；在鋼板厚度大于16 mm時(shí)，母材許用應(yīng)力為291 MPa，焊縫許用應(yīng)力為264 MPa。

按照上述工況得到了車架靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，該結(jié)果滿足EN12663標(biāo)準(zhǔn)。在所有靜強(qiáng)度計(jì)算工況中，垂直向下沖擊工況因?yàn)樗写筚|(zhì)量部件產(chǎn)生沖擊力最大，故其計(jì)算結(jié)果中的等效應(yīng)力最大。結(jié)果顯示該計(jì)算工況下TOP面最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為284.63 MPa，BOTTOM面最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為292.51 MPa，且TOP面和BOTTOM面節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超過264 MPa的所有節(jié)點(diǎn)都位于母材上，其BOTTOM面應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 垂直向下沖擊工況BOTTOM面應(yīng)力分布

4.2 車架疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

鋼軌打磨車車架采用疲勞極限法評(píng)估，車架上各點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)該分布在Smith形式的修正的Goodman圖包絡(luò)線內(nèi)，即計(jì)算應(yīng)力幅與許用應(yīng)力幅的比值應(yīng)該小于1。因?yàn)槟覆暮秃附咏宇^的力學(xué)性能不同，所以它們對(duì)應(yīng)有不同的Goodman 圖。適用于Q345D的Smith形式的修正的Goodman曲線如圖4所示[9]。

圖4 適用于Q345D的Smith形式的修正的Goodman曲線

車架計(jì)算應(yīng)力幅與許用應(yīng)力幅的最大比值和出現(xiàn)位置見表4所示。由表4可知：鋼軌打磨車車架的母材、對(duì)接接頭和角接接頭TOP面和BOTTOM面節(jié)點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力幅與許用應(yīng)力幅的比值均小于1，其結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。車架疲勞強(qiáng)度最危險(xiǎn)的母材區(qū)的應(yīng)力在Smith形式的修正的Goodman圖分布如圖5所示。

表4 車架計(jì)算應(yīng)力幅與許用應(yīng)力幅的最大比值及出現(xiàn)位置

圖5 母材區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在Smith形式的修正的Goodman圖中的分布

5 結(jié)論

本文基于ANSYS軟件建立了某型鋼軌打磨車車架的有限元分析模型，并且基于EN 12663標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各工況靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，得到如下結(jié)論：

(1) 鋼軌打磨車車架的靜強(qiáng)度最惡劣工況為垂直向下沖擊工況，最危險(xiǎn)位置出現(xiàn)在司機(jī)室安裝座處，靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 鋼軌打磨車車架疲勞強(qiáng)度最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)槟覆膮^(qū)的司機(jī)室安裝座處，疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。