150 t機車發運吊具結構可靠性分析

王玉艷，孫麗萍

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

隨著鐵路事業的迅猛發展，高速、重載是鐵路發展的必然趨勢，也對鐵道車輛設計者提出了更高的要求.在不斷設計出新的機車車輛產品的同時，更需要校驗一下吊具設備能否在新的載荷條件下滿足技術要求.對于鐵路機車發運吊具，當機車的重量增加時，需校核其能否在規定的安全系數下使用.

本次分析的機車發運吊具適用于150 t及以下機車的吊裝，每臺機車由兩個吊具共同作用來實現機車吊裝.每個吊具在75 t載荷下作靜止、上升、下降試驗;不得有影響強度，安全之缺陷存在.本文對機車吊具進行了強度分析，并對車體吊鋼絲繩進行了校核［1-2］.

1 150 t機車吊具結構簡介

150 t機車吊具主要由車體吊架、吊銷和車體吊鋼絲繩三部分組成.車體吊架由底板、頂板、內外立板、吊耳、補板等不同厚度的鋼板和端鐵焊接組成一個架子;并用螺母把掛鉤圓銷、安全圓銷和架子聯接起來用于機車車體的吊裝;材質分別為20#鋼、A3和45#鋼，具體結構如圖1所示.

機車車體吊銷有四種，結構形式基本相同，材質為20號鋼，結構如圖2所示.車體吊鋼絲繩的型號為 D-6×37+1-32.5-160-特 -2，查《起重機設計手冊》［2］該鋼絲繩為起重機用鋼絲繩，鋼絲繩直徑為32.5 mm，由6個小股每股37根鋼絲組成，該鋼絲繩的公稱抗拉強度為160kg/mm2，破斷拉力總和不小于614 580 N.鋼絲繩一端吊在吊架的端鐵上，另一端安在吊銷上，吊銷安裝在車體底架四個吊裝部位［3-4］.當吊車勾住吊架的掛鉤圓銷時，實現機車的吊裝.

圖2 機車車體吊銷結構簡圖

2 150 t機車吊具的可靠性要求

機車吊具在載荷作用下應能達到如下所述的安全系數:車體吊架的安全系數不小于1.5;車體吊銷的安全系數不小于2.5;車體吊鋼絲繩的安全系數不小于5.機車吊具各部位材料的基本力學特性及許用應力［5］見表1.

表1 材料的屈服極限和許用應力 MPa

3 150 t機車吊架有限元分析

3.1 有限元模型

由于150 t機車吊具具有縱向及橫向兩個對稱面，并且所受的載荷也是對稱的，因此取1/4結構進行有限元分析.機車吊架只在焊接位置、掛鉤圓銷和安全圓銷聯接處看成一個整體.I-DEAS軟件［6-7］建立機車吊架1/4結構幾何模型如圖3所示.分析全部采用4節點四面體單元進行結構離散，1/4結構有限元模型共劃分98萬個單元和22萬個節點.

圖3 1/4機車吊架結構幾何模型和有限元模型

3.2 強度計算分析

根據機車吊具負載試驗，本次有限元強度分析計算的載荷工況是機車吊架自重+75 t載荷工況.75 t載荷施加在車體吊鋼絲繩與端鐵的接觸處，方向與重力的施加方向相同垂直向下;在吊具結構的對稱面上施加對稱約束，在掛鉤圓銷上與吊車相接處的位置施加徑向位移約束.

有限元分析計算結果表明:75 t載荷工況作用下，節點的最大Mises應力為125 MPa，發生在掛鉤圓銷與吊耳接觸位置，均小于材料的許用應力.節點的Mises應力分布如圖4所示.

圖4 機車吊架自重加75t載荷工況下Mises應力云圖

4 機車車體吊銷有限元分析計算

4.1 吊銷銷體有限元模型

車體吊銷安裝在車體底架相應的吊裝位置，用來吊裝整個機車車輛.本次有限元分析采用了兩種有限元模擬方式:

(1)取出底架側梁吊裝的相應位置和吊銷進行接觸模擬，具體結構及有限元模型如圖5所示.

圖5 車體吊銷有限元模型(假設1)

(2)分析吊銷的變形及受力特點，僅對吊銷進行有限元分析，有限元模型如圖6所示.

圖6 車體吊銷有限元模型(假設2)

4.2 計算載荷工況及其約束設置

分析機車車體吊銷的結構，由其結構特點和力學性質，設置如下所述的邊界條件:

假設1:載荷37.5 t分別作用在鋼絲繩與其接觸的位置;吊銷銷體與底架的接觸處設置接觸約束;在底架側梁取出的部分邊界設置固定約束.

假設2:載荷37.5 t分別作用在鋼絲繩與其接觸的位置;在吊銷銷體的相應位置設置軸向約束.

4.3 計算結果及分析

4.3.1 車體吊銷一有限元分析計算結果

著名醫學家W.Osler曾說過，一個新建學科的發展要靠成立專科學會、舉辦學術會議、出版學術期刊。1992年，中華醫學會高壓氧分會在北京成立，高壓氧醫學進入了迅猛發展期。四川省醫學會結合省內高壓氧醫學發展狀況，于1995年協助從業人員組建高壓氧醫學學組，使學科團隊的建設邁出艱難的第一步，學科的構建框架初具雛形；2003年在省醫學會的大力支持下，四川省第一屆高壓氧專委會成立，預示著專業規范化管理及學術水平的進一步提高。

經過有限元分析計算，機車車體吊銷1，在37.5t載荷作用下:

(a)假設1，節點的最大Mises應力為333MPa，發生在吊銷體與底架側梁接觸的邊界，大于材料的許用應力98 MPa，超過材料的屈服強度245 MPa;結構的變形及Mises應力分布如圖7(a)所示.

(b)假設 2，節點的最大 Mises應力為339MPa，發生的位置同上，大于材料的許用應力98 MPa，超過材料的屈服強度245 MPa;結構的變形及Mises應力分布如圖7(b)所示.

圖7 37.5 t載荷下車體吊銷1節點Mises應力云圖

車體吊銷的有限元分析表明，兩種模擬方式的計算結果基本相同，以下其它3種銷體結構，均使用第2種方法進行有限元分析計算.

4.3.2 有限元分析結果匯總

表2 車體吊銷銷體有限元分析計算結果匯總 MPa

由于機車底架結構的限制，吊銷的外徑不能再增加，當增加壁厚時，如車體吊銷銷體1為實心結構時，吊銷的最大應力124 MPa，應力也是超過材料的許用應力，應力分布如圖8所示.而且由于吊銷內部有機構，是不可能做成實心的.因此建議采用屈服強度高的材質，提高其許用應力，如45號鋼的屈服極限為355 MPa，在安全系數K=2.5時，其許用應力為142 MPa.并把吊銷的內徑設計為可以安裝內部機構的最小尺寸，根據不同的機車底架結構，在吊銷外徑不變的情況下，適當增加吊銷的底架內伸端長度，以滿足150 t載荷吊裝的要求.

圖8 吊銷銷體1為實心結構時應力分布云圖

5 車體吊鋼絲繩強度校核

車體吊鋼絲繩的型號為D-6×37+1-32.5-160-特 -2，鋼絲繩破斷拉力總和不小于614580 N，查《起重機設計手冊》鋼絲繩的安全系數為K=5，鋼絲繩的許用拉力為:

鋼絲繩的許用拉力=鋼絲繩破斷拉力總和/K=614 580/5=122 916 N

用四根鋼絲繩分別吊75 t重重量，每根鋼絲繩的承受的拉力分別為F1:

F1=75 ×9.8 ×1 000/4=183 750 N

每根鋼絲繩的承受的拉力F1，大于鋼絲繩的許用拉力122 916 N.

查《起重機設計手冊》建議鋼絲繩選用的型號為:D-6×37+1-39公稱抗拉強度為1 700 N/mm2的鋼絲繩 、D-6×37+1-36.5公稱抗拉強度為1 850 N/mm2的鋼絲繩或D-6×37+1-43公稱抗拉強度為1 400 N/mm2的鋼絲繩.鋼絲繩破斷拉力總和≥鋼絲繩的承受的拉力×K=183 750×5=918 750 N.

6 結論

本文利用I-DEAS軟件對150 t機車吊具進行了有限元強度和剛度計算分析.計算結果表明:150 t機車吊架的強度和剛度滿足要求，性能可靠;吊銷強度不滿足要求，建議改進吊銷的材質和結構以滿足可靠性要求;但車體吊鋼絲繩的安全系數較低，建議更換鋼絲繩.本次機車吊具的可靠性分析可以為機車吊具設計提供一定的參考.

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