地鐵銑軌車車體靜強度分析及試驗驗證

史天亮

中國鐵建高新裝備股份有限公司 昆明 650215

0 引言

鋼軌滾動接觸疲勞裂痕、波磨和曲線上股鋼軌側(cè)磨是城市軌道交通鋼軌最常見的表面損傷。如果鋼軌表面損傷得不到及時、有效的整修，將嚴(yán)重影響行車安全以及鋼軌壽命。為了保證列車運行的安全性、穩(wěn)定性和舒適性，需要使用快速、高效的在線修復(fù)技術(shù)來消除鋼軌表面?zhèn)麚p，恢復(fù)鋼軌型面和平順度。

地鐵銑軌車適用于地鐵線路軌道的修復(fù)作業(yè)，可一次性銑削消除鋼軌軌頂表面形成的長波和短波波磨、裂紋、飛邊和剝離掉塊等勞損，使作業(yè)后的鋼軌縱、橫斷面輪廓得到重塑，表面平順度可較好地恢復(fù)[1]。由于地鐵銑軌車具有噪聲低、污染少、作業(yè)后無殘留物等特點，特別適合城市軌道交通、隧道等環(huán)境使用，但其復(fù)雜的作業(yè)機構(gòu)導(dǎo)致整車質(zhì)量較大，而大部分地鐵軸重要求不能超過14 t，故需對車體進行輕量化設(shè)計以滿足軸重要求。本文通過有限元軟件對地鐵銑軌車車體強度和剛度進行分析計算，并與車體靜強度試驗的結(jié)果進行對比分析，為后續(xù)同類車型的設(shè)計提供了理論和試驗依據(jù)。

1 車體結(jié)構(gòu)特點

如圖1所示，地鐵銑軌車車體的主體結(jié)構(gòu)由車架、側(cè)墻、端墻、頂棚等組成。車架是銑軌車主要承載結(jié)構(gòu)，主要由枕梁、側(cè)梁、牽引梁、縱梁、橫梁等組成。車架中部安裝有工作裝置，前部安裝司機室，后部安裝液壓間。車架長15 320 mm，枕梁為變截面箱形梁，上下蓋板壁厚12 mm，側(cè)板壁厚8 mm；側(cè)梁為變截面的焊接H形鋼梁，截面高度由250 mm、350 mm、750 mm、2 255 mm等，H形鋼梁的翼板壁厚為16 mm和10 mm，腹板壁厚均為10 mm；牽引梁為壁厚12 mm的槽鋼，縱向板壁厚為16 mm；其他橫梁、縱梁均由不同壁厚的板拼焊而成。車架兩側(cè)設(shè)計有側(cè)墻，側(cè)墻頂部支撐起頂棚。車體傳力結(jié)構(gòu)為整體承載方式，即車體關(guān)鍵部位在承受載荷后，通過焊接在一起的型材將載荷傳遞到車體各個部位，進而引起車體發(fā)生相應(yīng)變形[2，3]。

圖1 銑軌車車體模型

2 車體結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 車體有限元模型建立

地鐵銑軌車車體大部分結(jié)構(gòu)為薄板，建立有限元模型可選用殼單元建模分析。采用帶有節(jié)點偏置功能的殼單元建模[4-6]，當(dāng)遇到需要改變板厚的情況，只需變更實常數(shù)或截面數(shù)據(jù)即可，適應(yīng)性強，適合設(shè)計階段使用。本文采用Shell 181號單元建立車體模型，設(shè)備以質(zhì)量單元的形式施加在各自的質(zhì)心位置，如表1、圖2所示。考慮車架作為主要承載結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格使用較小的網(wǎng)格，尺寸為15～20 mm，側(cè)墻及頂棚采用較稀疏網(wǎng)格，尺寸為20～30 mm。車體有限元模型包含383 890個單元和386 810個節(jié)點。

表1 銑軌車各部件質(zhì)量

圖2 銑軌車各部件安裝圖

2.2 各工況分析計算

以車體長度方向為X方向，寬度方向為Y方向，高度方向為Z方向。由于殼單元只有2個旋轉(zhuǎn)自由度，故直接在芯盤處約束UY、UZ、ROTX，車輛的計算工況如表2所示。

表2 車體靜強度計算載荷工況

在表2中，垂直靜載荷工況是測試車體在自重載荷下的應(yīng)力和中央斷面撓度?？v向拉伸、壓縮工況是為了測試車體在牽引、碰撞等條件下的力學(xué)特性，其載荷分布工況情況如圖3、圖4所示。其中縱向拉伸載荷采用貨車標(biāo)準(zhǔn)取1 125 kN，在車鉤一端施加其一半562 500 N的拉力，在車架與轉(zhuǎn)向架旁撐接觸位置施加4 132 N的斜對稱載荷，壓縮載荷采用客車標(biāo)準(zhǔn)取1 180 kN，在車鉤一端施加其一半59 000 N的壓力，在車架與轉(zhuǎn)向架旁撐接觸位置施加4 132 N的斜對稱載荷。垂向總載荷由垂向靜載荷、垂向動載荷、側(cè)向力組成。垂向靜載荷為車體的整備質(zhì)量，垂向動載荷可換算成垂向靜載荷乘以動載荷系數(shù)Kdy，依據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》[7]，在試驗車體側(cè)梁、枕梁的強度時，可通過加大垂向載荷來模擬側(cè)向力的影響。貨車側(cè)向力的垂向載荷增加數(shù)值為垂向靜載荷的10%，Kc＝0.1。因此，垂向總載荷的計算式為

圖3 縱向拉伸工況載荷分布

圖4 縱向壓縮工況載荷分布

式中：LZ為垂向總載荷，Lj為垂向靜載荷，Kdy為動載荷系數(shù)。

動載荷系數(shù)Kdy的計算式為

式中：fj為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，取39.77 mm；v為車輛的行駛速度，取120 km/h；b為系數(shù)，取值為0.05；d為系數(shù)，取值為1.65；a為系數(shù)，簧上部分取值為1.5；c為系數(shù)，簧上部分取值為0.427。

計算得出動載荷系數(shù)Kdy為0.3，故垂向總載荷為1.4Mg。

斜對稱載荷的計算式[4]為

式中：Q為斜對稱載荷；L2為車輛兩端軸頸中心之間的距離，取值為1.8 m；C1為一個軸箱上軸箱彈簧組的總剛度，取值為1 380 N/mm；C2為轉(zhuǎn)向架抵抗斜對稱載荷剛度。

為計算轉(zhuǎn)向架抵抗斜對稱載荷剛度，在其中一個軸箱處施加10 000 N載荷，轉(zhuǎn)向架位移分布如圖5所示。由圖5可知，施加載荷位置的位移為4.43 mm，根據(jù)公式可計算出C2＝10 000/4.43＝2 258 N/mm，將其代入式（3）可計算出轉(zhuǎn)向架斜對稱載荷Q為4 132 N。

圖5 轉(zhuǎn)向架位移分布

整體抬車工況是為了確定在頂車處用架車機架起車體時，車體任何斷面的應(yīng)力是否不大于材料的屈服極限。其載荷分布工況情況如圖6所示，在車架4個吊裝點處施加4點平均的整備質(zhì)量。

圖6 整體抬車工況載荷分布

2.3 仿真結(jié)果分析

各計算工況下，車體各處應(yīng)力要小于材料許用應(yīng)力，車體采用的材料為S355J2，取安全系數(shù)1.15，許用應(yīng)力關(guān)系如表3所示。

表3 許用應(yīng)力關(guān)系表

根據(jù)已建立的模型進行4種工況仿真研究，最大應(yīng)力仿真結(jié)果如圖7～圖10所示，垂直靜載荷工況最大應(yīng)力為106 MPa，縱向拉伸工況最大應(yīng)力為208 MPa，縱向壓縮工況最大應(yīng)力為214 MPa，整體抬車工況最大應(yīng)力為148 MPa。4種工況計算應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，所以其結(jié)構(gòu)強度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 垂直靜載荷工況最大應(yīng)力

圖8 縱向拉伸工況最大應(yīng)力

圖9 縱向壓縮工況最大應(yīng)力

圖10 整體抬車工況最大應(yīng)力

3 車體靜強度試驗驗證

3.1 車體靜強度試驗

地鐵銑軌車靜應(yīng)力測試和剛度試驗試驗委托中國鐵道科學(xué)院機車車輛研究所進行試驗。試驗依據(jù)為TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》、GB/T 25337－2018《鐵路大型養(yǎng)路機械通用技術(shù)條件》[8]和GB/T 25336－2018《鐵路大型養(yǎng)路機械檢查與試驗方法》[9]。試驗內(nèi)容分為：車體在垂直載荷下的靜強度試驗、在縱向載荷下的靜強度試驗、在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的扭轉(zhuǎn)試驗。使用電阻應(yīng)變片來測量車體的應(yīng)力，應(yīng)變片采集到的應(yīng)變值根據(jù)虎克定律換算成應(yīng)力，即為該處的應(yīng)力值。選取結(jié)構(gòu)的1/2進行布點測試，重要部分則在對稱位置布置對稱點。車架測點為82個。應(yīng)變片粘貼位置如圖11所示。車體的撓度變形使用位移傳感器測量。在車架兩個側(cè)梁各布置3個點側(cè)梁撓度，分別為車架中央和兩端芯盤指點處3個斷面上，取3點撓度平均值作為車架撓度。

圖11 車體應(yīng)力測點分布布置圖

3.2 試驗結(jié)果

地鐵銑軌車車體靜強度試驗在4種工況下的最大應(yīng)力點位置及數(shù)值如表4所示。對試驗結(jié)果進行分析：4種工況下各點的應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力；垂向靜載荷試驗下車體兩側(cè)側(cè)梁的中央撓度都小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。車體鋼結(jié)構(gòu)的靜強度和垂向彎曲剛度均滿足TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》要求。

表4 各工況試驗結(jié)果

3.3 有限元計算與試驗結(jié)果對比分析

將有限元仿真計算和試驗結(jié)果進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：地鐵銑軌車車體垂向靜載荷、縱向拉伸、縱向壓縮、整體抬車等4種工況仿真結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢相同，數(shù)值偏差大約10%，如圖12所示。其主要原因有：

圖12 仿真與試驗結(jié)果對比

1）建模過程中對車體結(jié)構(gòu)和載荷施加方式的簡化、網(wǎng)格劃分情況；

2）車體主要部件在組焊時產(chǎn)生的焊接變形使各梁端頭產(chǎn)生的制造誤差；

3）試驗測量貼片位置不一定在單元的相應(yīng)節(jié)點上，導(dǎo)致計算節(jié)點應(yīng)力與試驗測量應(yīng)力位置存在差異。

4 結(jié)論

1）地鐵銑軌車車體的強度和剛度都滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求；

2）仿真結(jié)果和計算結(jié)果相近，數(shù)值偏差小于10%，驗證了有限元模型的可靠性；

3）通過有限元模型可以較準(zhǔn)確地判斷出該車體在不同工況下的結(jié)構(gòu)薄弱點,對車體設(shè)計有著指導(dǎo)意義。