某型蓄電池工程車主車架結構分析

葛東坡 ，徐 巍 ，張襯英 ，鐘 萬 ，萬 靂 ，李福金

（1.湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068；2.湖北時瑞達重型工程機械有限公司，湖北 襄陽441116）

0 引言

隨著鐵路行業在國民運輸業中的地位越來越重要，蓄電池工程車由于其綠色環保及其節能的特點，在軌道維修方面被廣泛采用且越來越受到國內軌道交通業的青睞。主車架在工程車的主體中有著重要作用，擔負著運載主體的主要部件，對其進行結構強度的計算與分析是車輛設計制造的前提。目前我國對工程維修機械結構設計方面還沒有大深入分析，在結構強度和疲勞強度分析上均沒有專用的規范和標準，主要還是依據現有軌道車輛的一些標準進行設計分析，在這種情況下會導致一些運營狀況考慮不全，結構設計不盡合理。由于結構設計的合理性與車輛運行的可靠性、安全性緊密聯系，因此進行完善和研究軌道車輛的結構設計規范和方法研究已經成為一項緊要任務[1]。

本文以某型蓄電池工程車主車架的結構入手，利用有限元軟件對主車架在多種工況下的剛度、強度和模態進行計算分析，為后續的設計改進與優化提供參考依據。

1 主車架有限元建模

鐵道工程車輛是一個復雜的多體系統，不但有各部件之間的相互作用力和相對運動，而且還有輪軌之間的相互作用關系。其理論計算分析模型需要通過研究的需求和目標，對一些次要因素進行合理的假定或簡化，對車輛性能影響較大的主要因素上盡可能符合實際情況的模擬[1]。文章在行文時對蓄電池工程車主車架模型時有如下假定：

（1）懸掛系統的彈性較小的端板、踏梯、墊板忽略其彈性變形；

（2）分析時忽略牽引工況和相鄰車之間的影響，只分析單節模型；

（3）在進行分析計算時考慮主車架靜態受力，采用人工加載載荷；

（4）在構建模型時對主車架上的一些凸臺、倒角和加強板進行適當簡化處理。

計算分析主車架模型工況時采用ANSYS軟件。計算分析時采用主車架加蓄電池懸掛結構和配重作為力學模型。蓄電池工程車主車架采用全鋼焊接結構。采用中梁結構，由邊梁、枕梁和其它縱橫梁等組焊構成[2]，除圖1所示主要結構外還焊接有加強梁和拉桿底座。該車架該結構的長13.704 m，寬2.56 m，高0.81 m，本身具有理論質量34 719 kg（通過有限元模型理論得知）。如圖1所示。

圖1 主車架結構示意圖

整車載荷分布均勻，偏載不計。通過Solid works建模，導入ANSYS軟件。通過計算機自動離散及局部的人工干預，在ANSYS中對主車架進行離散得到617 337個節點，三角形和四邊形板單元共有279 628個[3]。整車載重由心盤機構和橡膠堆旁承壓鑄在構架上，故而在每個支撐面上施加位移約束邊界條件。在救援工況中，在相應救援抬車點施加垂向Z和縱向X的約束。分析計算后得到模型如圖2。模型中坐標原點位于車體中心的地板面上，X坐標為橫向，Y坐標為垂直方向，Z坐標為車輛前進方向[3]。在軟件中算得該車體整車模型的理論質量為34 719 kg。

圖2 有限元建模及網格劃分

2 工況載荷分析

2.1 主車架的計算載荷

由于軌道工程車的形狀和受力變化復雜，強度和剛度的校核分析影響整車的結構性能，其力學性能缺乏知曉，本文主要依據現有的已知有效參數，參照TB/T2541-1995《內燃、電力機車車體強度試驗法》和TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》，分析可知作用在主車架上的載荷[4]有下列4種載荷：

（1）垂直靜載荷

垂直靜載荷主要是指車體結構自重及內部電氣、設備，按均布載荷作用在底架上，車鉤和排障板則單獨施加在端頭[5]。有效數值為340 kN（這是設計的已知量）。

（2）垂直動載荷

由于軌道車在運行中簧上部分振動產生的附加垂直動載荷，依據TB/T1335-1996中垂向動載荷計算公式（1）：

公式中fi為彈簧的垂直靜變形量（mm）；v為軌道車的速度（m/s）；a、b、e 為軌道車的工況影響系數本次計算垂向動荷系數取Kd=0.3，垂直總載荷作用形式同垂直靜載荷，有效數據為443 kN。

（3）牽引力載荷

牽引力作用于枕梁下蓋板，該數值為設計中已知量其有效值為48 kN。

（4）制動力載荷

制動時車輛縱向慣性力加速度等于0.25 g。按照3g×軌道車總質量計算得到有效數值為1 002 kN其作用于枕梁下蓋板。

由TB/T2541-1995《內燃、電力機車車體強度試驗法》，結合車輛實際運行狀態[4]，綜合分析本次計算以下四種工況如下表1。

表1 計算分析組合工況表

2.2 許用應力計算

本次設計底架和懸掛選用低合金鋼16Mn（Q345B）。由TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》中規定，低合金鋼16Mn的屈服極限為345 MPa。在第一工況下許用應力為216 MPa，在第二工況下許用應力為293 MPa[4]。

分析應力結果采用當量應力表示。計算公式（2）為

式中：σe為當量應力（MPa）；σi為主應力（i=1，2，3）（MPa）。

2.3 剛度計算

整體承載的車體的撓跨比評定標準應當有公式（3）計算得出：

本次計算可得fz=15.22 mm。按照既定的公式經計算軌道車整體剛度滿足TB/T1335-1996的要求。

3 主車架結構強度云圖分析

在第一工況垂直靜載荷作用下，云圖顯示如圖3。由云圖和計算量得知主車架的最大垂向變形為4.2 mm，滿足要求。最大當量應力小于100 MPa。未超出低合金鋼16Mn的許用應力216 MPa[6]。

圖3 工況一云圖

在第二工況垂直靜載荷＋垂直動載荷作用下，主車架的最大垂向變形5.4 mm，滿足要求。最大當量應力約100 MPa，未超出216 MPa。云圖顯示如圖4。

圖4 工況二云圖

在第三工況垂直靜載荷+牽引力作用下，主車架的最大垂向變形為4.1 mm，滿足要求。最大當量應力小于100 MPa。未超出許用應力216 MPa。云圖顯示如圖5。

圖5 工況三云圖

在第四工況垂直靜載荷+制動力作用下，主車架的最大垂向變形為15.1 mm，滿足評定標準要求。云圖顯示如圖6。由云圖結果中可知最大當量應力315 MPa，超出低合金鋼16Mn的第二工況許用應力293 MPa。其位置在牽引梁下部靠近制動力施加端部分，有較大面積當量應力超過了該值，應采取加強措施。本次優化結構時采用添加橫梁結構（優化分析圖中有結構顯示），在優化分析時由于加裝橫梁使得最大斷受力減小達到安全范圍標準，說明該加固方法可行。經過優化后加固后再次進行分析計算[7]，得到應力云圖如圖7所示，所得結果最大當量應力為273 MPa，未超出低合金鋼16Mn的第二工況許用應力293 MPa。經驗證優化措施有效，符合預期設想。

圖6 工況四云圖

圖7 工況四優化加固后云圖

4 結束語

本文以某型蓄電池工程車的主車架為研究對象，通過建立主車架的有限元分析模型對車輛在運行時工況受力狀態的分析組合，確定主車架上載荷的組合工況，運用ANSYS分析完成了多種工況下主車架的剛度、強度的計算分析，進行了一次對設計成品的校核。計算結果表明：該蓄電池工程車車體模型比較精確地反映結構設計方案，結果更加接近實際。同時在規定計算的載荷工況下，強度不足工況下的情況經過局部加強優化后滿足設計需求，本次設計主車架完全能夠滿足運行的強度和變形需要。