GCY-220Ⅱ重型軌道車底架的優化設計

楊林勇

(金鷹重型工程機械有限公司， 湖北襄陽 441001 )

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GCY-220Ⅱ重型軌道車底架的優化設計

楊林勇

(金鷹重型工程機械有限公司， 湖北襄陽 441001 )

分析了GCY-220Ⅱ重型軌道車的運用工況、承載底架的結構特點和薄弱點，對底架的傳統設計進行了改進，并通過有限元計算分析進行了結構優化，經過試驗驗證，優化設計后的底架強度滿足TB/T 1335-1996標準要求。

軌道車； 底架； 優化

重型軌道車是各鐵路運營單位線路維護、施工的重要設備，GCY-220Ⅱ型重型軌道車(以下簡稱軌道車)為方便現場運送施工人員和機具，車上設有司機室、隨車吊、載貨平臺等。

本軌道車整備質量約38 t，根據總體設計要求，其底架質量應不超過8 t，參考同類產品，底架截面高度設定為250 mm；因為動力傳動系統、燃油箱、發電機組等都布置在車下，底架下表面距軌面高度較大；車上空間布置有司機室、隨車吊、載貨平臺等，只能采用底架承載結構。

鑒于以上原因，該車具有底架輕、底盤高、底架截面高度小的特點，與客貨車比較，其車鉤中心線和底架中梁中心線具有330 mm以上的高度差，拉伸壓縮工況時形成較大的附加彎矩，使得底架可能出現變形大、應力高的問題，難于滿足相關標準的要求。

1　底架結構設計

以前設計的重型軌道車采用橡膠堆旁承承載方式，為減輕底架質量，不設枕梁，牽引梁長度滿足車鉤緩沖裝置的安裝即可，牽引梁后設置一根工字鋼橫梁傳遞車輛縱向沖擊力，根據以往試驗表明工字鋼橫梁是整個底架最薄弱的地方。本軌道車底架設計時，對牽引梁、枕梁結構進行了重點設計，取消了工字鋼橫梁結構，采用了箱型枕梁結構，同時減小下牽引梁端部封板與上牽引梁的夾角，使車鉤安裝座端部截面變化更加平緩，改善牽枕緩結構的受力狀態。中梁采用兩根高度為250 mm的箱型梁作為主要承力構件，邊梁采用槽鋼。通過有限元分析進行進一步的優化以確定最終結構。

兩種車架前后結構對比如圖1所示。

圖1　兩種車架結構對比

2　底架強度評價依據的選取

目前軌道車底架強度評價沒有專門的標準，可參考的標準有TB/T 1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》[1]和EN 12663-2010 《鐵路應用—鐵路車輛車體的結構要求》[2]。

對底架車鉤拉伸壓縮力的要求上，TB/T 1335-1996對客車的要求是車鉤壓縮力1 180 kN，拉伸力980 kN；而按EN 12663-2010對車輛的劃分，軌道車應屬于P-Ⅲ類(地鐵、快速交通車輛和輕軌車)，該類型的車車鉤壓縮力和拉伸力按標準分別為800 kN和600 kN。

在安全系數選取上，EN 12663-2010考慮了計算和試驗的統一以及失效的形式，安全系數一般取1.0到1.3。而根據TB/T 1335-1996，軌道車如參考客車類，各材料安全系數雖然有所差異，但一般都達到1.6左右。

相對于客車的使用工況而言，軌道車具有使用頻率較低，牽引噸位小，區間運行短等特點。對其底架強度評價，參照TB/T 1335-1996中有關客車的要求進行，相對偏保守。

3　有限元分析計算

3.1底架模型及網格劃分

在有限元分析軟件ANSYS中建立軌道車底架的實體模型，在保證底架主要特性、確保網格順利劃分的情況下對底架局部進行簡化，底架為鋼板焊接結構，故可采用更加適用于鋼板結構的Shell 63號殼單元對底架結構進行離散[3]。采用自適應智能網格的劃分方法，局部區域人工干預，底架共離散為85 850個節點，形成Shell 63單元80 827個,見圖2。

圖2　底架實體模型及局部網格模型

3.2邊界約束條件

軌道車底架支撐在彈簧上，所有基礎均為彈性約束，為準確模擬底架的承載情況，在二系彈簧座處及中心銷均設置彈簧單元模擬車輛懸掛系統，車輛各較大設備重心處設置質量單元進行模擬。

3.3載荷工況

根據TB/T 1335-1996，選取了6種典型工況載荷進行模擬分析，如表1所示。

表1　底架有限元分析加載工況

3.4評定依據

根據TB/T 1335-1996標準規定，底架結構在表1各工況載荷作用下的強度可通過結構最大von_Mises應力評定，該應力定義為：

式中σep為各節點處von_Mises應力；

σi(i=1,2,3)為各節點主應力。

根據TB/T 1335-1996標準規定，在各載荷作用下底架結構上任一點von_Mises應力均不得超過如表2所示的材料許用應力。

表2　材料許用應力

3.5底架強度有限元計算結果與評定

底架在TB/T 1335-1996標準所要求的各載荷工況作用下，最大應力節點分布情況如表3所示。

通過表3中各載荷工況下的底架結構最大應力與材料許用應力對比可知：底架在工況2載荷作用下，下牽引梁封板與上牽引梁下蓋板對接處的最大應力超出了材料許用應力；底架在其余各工況載荷作用下均能滿足TB/T 1335-1996標準要求。因此，下牽引梁封板與上牽引梁下蓋板對接處需優化，并重新進行計算分析驗證。

表3　各載荷工況下的底架結構最大應力節點位置表

3.6底架結構優化

底架在計算工況2下牽引梁端部封板與上牽引梁對接處應力達到244.1 MPa，超出了TB/T 1335-1996規定的Q345B材料的許用應力216 MPa，經分析認為該處的高應力是由于截面突變引起的，因此將封板與上牽引梁下蓋板夾角由開始設計時的45°改為30°[4]，重新計算后最大應力為210.3 MPa，下牽引梁端部封板與上牽引梁對接處應力降低為110 MPa，滿足標準要求。

4　底架靜強度試驗

參照TB/T 1335-1996標準中的有關規定，2015年3月由質檢中心機車車輛檢驗站對該軌道車底架進行了靜強度試驗。試驗結果表明，軌道車的底架在各種工況載荷作用下的合成應力均小于材料的許用應力，滿足TB/T 1335-1996標準規定的強度要求。且經對比分析，有限元計算結果與試驗結果應力數值比較接近，見表4。

圖3　工況2作用下的底架局部應力云圖

測點工況2試驗值計算值試驗值與計算值相差%1-80.3-85.76.722-210.6-210.30.143-186.4-173.27.084-97.5-100.83.385-67.9-70.53.826-112.3-117.54.63

5　結束語

通過對以往軌道車底架結構薄弱環節的分析，進行了改進設計，并對改進后的結構利用有限元分析軟件ANSYS進行了優化，試驗結果表明改進設計方案是有效的，為今后底架承載式軌道車的底架設計和驗證提供了借鑒。

[1]TB/T 1335-1996 鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S]．

[2]EN 12663-2010 Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies[S]．

[3]王新敏．Ansys工程結構數值分析[M]．北京：人民交通出版社，2007.

[4]劉曉波．機車車體結構中加強筋的合理設計[J]．機車電傳動，2008，3(1):42-44．

Optimization Design of Chassis for GCY-220 Ⅱ Heavy Duty Rail Car

YANG Linyong

(Gemac Engineering Machinery Co.,Ltd., Xiangyang 441001 Hubei,China)

In this paper the author analyses the working condition, structural features and weakness points of the chassis for GCY-220 Ⅱ heavy duty rail car. The chassis has been improved on the basis of its traditional design, and its structure has been optimized through finite element calculation and analysis. Verified by test, the strength of the optimized chassis could meet the requirements of TB/T 1335-1996 standard.

heavy duty rail car; chassis; optimization

1008-7842 (2016) 01-0044-03

??)男，高級工程師(

2015-11-30)

U273.99

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.10