多功能作業(yè)車升降式作業(yè)平臺強度分析及結(jié)構(gòu)改進

袁磊，孫麗萍，任濤龍，王玉艷，馬來蘋

(1.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.寶雞南車時代工程機械有限公司，陜西 寶雞721003)*

0 引言

多功能綜合作業(yè)車是電氣化鐵路、高速客運專線接觸網(wǎng)檢修、維護的專業(yè)設(shè)備.該車裝備高空作業(yè)斗、升降式作業(yè)平臺、導(dǎo)線撥線裝置和接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)等.它既可以用于對線路上高壓接觸網(wǎng)及線路設(shè)施進行綜合檢測、檢修和維護，也可以用于鐵路的高空設(shè)施、橋梁及隧道等的綜合檢修及維護［1］.其中車頂升降式作業(yè)平臺是實現(xiàn)上述功能的主要設(shè)備之一.由于作業(yè)平臺承載重，轉(zhuǎn)臂回旋半徑大，因此該多功能車作業(yè)時車頂升降式作業(yè)平臺的安全性顯得尤為重要.本文對整車建立有限元模型，對車頂升降式作業(yè)平臺進行了強度分析，并根據(jù)有限元計算的結(jié)果，對車頂升降式作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計.

1 作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)簡介

該多功能作業(yè)車車頂有兩處作業(yè)設(shè)備，分別為升降式作業(yè)設(shè)備和高空作業(yè)斗設(shè)備.一位端車頂安裝升降式作業(yè)平臺，二位端車頂安裝高空作業(yè)斗設(shè)備.其中高空作業(yè)斗安裝座為薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)，連接車頂和底架.多功能作業(yè)車車體鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示.作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)主要由120 mm×103 mm的橫向和縱向槽型鋼以及8 mm厚的封板組成.其中橫向槽型鋼與頂部邊梁連接，縱向槽型鋼均勻分布在橫向槽型鋼中間;設(shè)備安裝座安裝在作業(yè)平臺中心，四周分別與橫向槽型鋼和縱向槽型鋼相連接;封板平鋪在作業(yè)平臺頂部蒙皮處.作業(yè)平臺正下方中間的橫向槽型鋼與車內(nèi)隔墻立柱相連接;作業(yè)平臺與車頂其他部位利用角鋼、乙型鋼、槽型鋼過渡連接.其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

2 有限元模型建立與計算結(jié)果分析

2.1 有限元模型建立

在建立車體幾何模型的基礎(chǔ)上建立了車體有限元模型.車體大部分采用板殼單元進行網(wǎng)格劃分，個別結(jié)構(gòu)(如吊車座，作業(yè)平臺設(shè)備安裝座等)采用實體單元進行網(wǎng)格劃分.車體一共劃分了1 203 732個節(jié)點，1 238 401個單元，其中殼單元1 229 565個，四面體單元8 836個.車頂作業(yè)平臺局部有限元模型如圖3所示.

圖3 升降式作業(yè)平臺有限元模型

2.2 載荷與約束條件

車體在作業(yè)時除受到車體自身重量以及載重外還受到施加在作業(yè)平臺轉(zhuǎn)臂和高空作業(yè)斗轉(zhuǎn)臂上的垂向載荷.作業(yè)平臺轉(zhuǎn)臂在作業(yè)時可以360°旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)臂重心距安裝座上表面中心半徑為1 668 mm、垂直高度為550 mm，重心集中載荷為25 284 N;高空作業(yè)斗轉(zhuǎn)臂重心與其安裝座上表面中心縱向距離為2 844 mm、橫向距離為969.5 mm，重心集中載荷為59 290 N.計算載荷施加在轉(zhuǎn)臂重心位置，具體如圖4所示.在枕梁處油缸頂車的位置施加車體垂向約束.

圖4 載荷施加示意圖

2.3 計算結(jié)果分析

該多功能作業(yè)車車體材料為Q345B型鋼，材料屬性為:彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.85×10-6kg/mm3.根據(jù)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范》的規(guī)定，材料的許用應(yīng)力為216 MPa［2］.計算得到作業(yè)平臺應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力發(fā)生在橫向槽型鋼與邊梁的相交處，應(yīng)力值為450.4 MPa，如圖5所示.對結(jié)果進行進一步分析可知，設(shè)備安裝座四周相連的橫向及縱向槽型鋼附近的最大應(yīng)力為323.4 MPa，具體發(fā)生在斜撐與橫向槽型鋼相交的腹板上邊緣處.高空作業(yè)斗安裝座處車體最大應(yīng)力僅為70.8 MPa，發(fā)生在車體二位端第一個窗口折角處，其應(yīng)力云圖如圖6所示.

3 作業(yè)平臺的改進

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，雖然高空作業(yè)斗轉(zhuǎn)臂受到的載荷比升降式作業(yè)平臺轉(zhuǎn)臂更大，但是由于采用了連接車頂和底架的圓柱筒型安裝座，其滿足強度要求.如果升降式作業(yè)平臺也采用此結(jié)構(gòu)，則勢必增加車體鋼結(jié)構(gòu)的重量.因此，需要在不采用圓柱筒型安裝座的基礎(chǔ)上，對升降式作業(yè)平臺進行改進.綜合分析車體結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)力分布情況，具體確定了以下三種改進方案.

3.1 改進方案一

由于開口的槽型鋼的抗彎曲能力較弱，將設(shè)備安裝座四周相連的槽型鋼改為矩形鋼.經(jīng)計算分析得到改進后的作業(yè)平臺應(yīng)力分布云圖如圖7所示.最大應(yīng)力同樣發(fā)生在頂部橫向槽型鋼與邊梁的相交處，應(yīng)力值為330 MPa.對應(yīng)力計算結(jié)果進一步分析可知，和設(shè)備安裝座相連的矩形鋼應(yīng)力值已經(jīng)下降到材料的許用應(yīng)力以下，但是與矩形鋼相連的車頂其他部位的縱向梁的應(yīng)力值仍超過材料的許用應(yīng)力.

圖7 方案一中升降式作業(yè)平臺應(yīng)力云圖

3.2 改進方案二

對原始結(jié)構(gòu)和方案一結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進行對比分析可知，通過改變作業(yè)平臺下方的槽型鋼的截面形式來降低應(yīng)力是可行的.另外，原始結(jié)構(gòu)與方案一結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力發(fā)生位置均為頂部橫向槽型鋼與邊梁的相交處，說明此處應(yīng)力集中最明顯，應(yīng)該對此處結(jié)構(gòu)進行改進.改進方案如下:作業(yè)平臺下開口槽型鋼均改為矩形鋼;設(shè)備安裝座下部采用8 mm鋼板封閉;安裝座上部封板厚度由8 mm改為10 mm;橫向矩形鋼與頂部邊梁之間保持20 mm距離.改進后的作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)如圖8所示.經(jīng)計算分析后的作業(yè)平臺最大應(yīng)力為262 MPa，發(fā)生在橫向矩形鋼與邊梁斜邊處接觸處，而作業(yè)平臺其他位置應(yīng)力值均低于材料的許用應(yīng)力.除橫向矩形鋼與邊梁斜邊處接觸位置處，此方案作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有較高的強度，進一步只需要對局部改進即可.

圖8 方案二中升降式作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)圖

3.3 改進方案三

針對橫向矩形鋼與邊梁斜邊處接觸位置，具體改進方案如下:將橫向矩形鋼與邊梁斜邊處接觸的位置整體去掉.其局部結(jié)構(gòu)如圖9所示.經(jīng)計算后的作業(yè)平臺應(yīng)力最大值僅為111.1 MPa，如圖10所示.計算結(jié)果表明，作業(yè)平臺改進方案三的結(jié)構(gòu)大大降低了最大應(yīng)力值，使得應(yīng)力分布比較均勻，結(jié)構(gòu)比較合理.

4 結(jié)論

通過對車頂作業(yè)平臺進行有限元強度分析，計算結(jié)果表明該多功能作業(yè)車升降式作業(yè)平臺原始結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理.依據(jù)計算結(jié)果提出了一系列改進方案，最終給出了一個結(jié)構(gòu)合理、滿足力學(xué)性能的升降式作用平臺的改進方案.在改進過程中得到以下規(guī)律:①對局部應(yīng)力集中，應(yīng)盡可能在不改變整體結(jié)構(gòu)的前提下對相對薄弱的局部結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)補強;②開口槽型鋼的抗彎曲能力較弱，如結(jié)構(gòu)受到力矩較大時，應(yīng)盡可能采用閉口截面的矩形鋼.本文的研究結(jié)果為以后我國多功能綜合作業(yè)車車體設(shè)計提供了一定參考.

［1］中華人民共和國鐵道部.TB/T 2180-2006電氣化鐵路接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)車技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB/T 1335-1996鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，1996.

［3］于雷，孫麗萍，黃銀華，等.鐵路檢修軌道車車體強度與局部應(yīng)力集中分析［J］.內(nèi)燃機車，2010，(9):4-7.

［4］王春華，黃楊，孟凡林，等.基于ANSYS液壓支架托梁結(jié)構(gòu)改進及強度分析［J］.機械設(shè)計，2013，30(1):67-69.

［5］王鵬，張寶霞.高速列車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析［J］.機械研究與應(yīng)用，2012(1):41-43.

［6］姜士鴻.25T型客車車底架枕梁結(jié)構(gòu)的改進［J］.機械工程師，2007(5):141-142.

［7］雷成，肖守訥.地鐵鋁合金車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度分析［J］.機車電傳動，2006(1):54-56.

［8］何清和，何永強，秦鋒.SS4B型機車車體的改進設(shè)計［J］.電力機車與城軌車輛，2005(6):11-12.