基于ANSYS的某型鋼軌打磨車車架強度分析

楊昌果，傅茂海，張忠良， 陳 森

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國“一帶一路”國家戰(zhàn)略的成型，鐵路運輸在交通運輸體系中的地位越來越重要。截至2018年底，我國鐵路運營里程達到13.1×105km，其中高鐵運營里程達到2.9×104km。鋼軌是鐵路運輸系統(tǒng)中重要的組成部分，同時鋼軌的磨耗和疲勞損傷是鐵路運輸系統(tǒng)中特別突出的問題。鋼軌損傷的主要類型有鋼軌側磨、鋼軌波磨、剝離掉塊與鋼軌壓潰等，這些損傷占到鋼軌損傷量的80%以上[1-3]。因此鋼軌的維保問題顯得尤為突出，鋼軌打磨車作為處理鋼軌損傷的一種大型養(yǎng)路機械，對其的發(fā)展需求日益增大。

強度及模態(tài)分析是鋼軌打磨車研究設計的重要步驟和必要的技術手段。近年來，國內一些學者對鋼軌打磨車車架和車體進行了靜強度及一階模態(tài)分析，但這些研究都是基于TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》對鋼軌打磨車車架進行強度校核，沒有對車架的疲勞強度進行分析，有一定的局限性。本文基于歐洲標準EN 12663-1：2010《鐵路應用——鐵道車輛車體結構要求》對某型鋼軌打磨車車架進行靜強度和疲勞強度分析，以保證其結構的可靠性[4]。

1 鋼軌打磨車結構特點及技術參數(shù)

本文研究的鋼軌打磨車主要由轉向架、車架、打磨裝置、動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等幾大部分組成[5]，其主要技術參數(shù)如表1所示。

該鋼軌打磨車車架連接裝置一端采用球關節(jié)牽引桿，另一端采用常規(guī)自動車鉤。車架是承載和傳遞牽引力的重要組成部分，鋼軌打磨車車架由側梁、枕梁、橫梁和縱向梁等組成，其中主要梁件由工字梁、矩形管和鋼板焊接而成，整個車架由工字型側梁和若干個縱向梁傳遞縱向力。鋼軌打磨車車架模型如圖1所示。

2 建立車架有限元模型

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS建立車架有限元模型并計算。車架主結構是由矩形管和薄板構成，所以采用4節(jié)點殼單元Shell 181對其進行離散，對于其他不適用殼單元的安裝座等構件采用8節(jié)點六面體單元Solid 45進行離散;對于混合單元過渡區(qū)域，采用公共單元的方式處理模型。打磨裝置、液壓設備和動力設備等大質量部件因為不是計算主體，所以可以使用質量單元Mass 21在其質心處模擬，大質量部件的質量單元與車架安裝座的連接用ANSYS提供的多點接觸算法(MPC)模擬。其余車架上的均布質量使用軟件循環(huán)命令以質量單元Mass 21在所有承力位置模擬。車架與轉向架的連接通過梁單元Beam 188連接。建立的車架有限元模型如圖2所示。該計算模型所有面設置的單元尺寸均為12 mm，離散后共有553 309個節(jié)點、1 452 101個單元。

表1 鋼軌打磨車主要技術參數(shù)

圖1 鋼軌打磨車車架模型

3 車架強度計算載荷工況及邊界條件

鋼軌打磨車車架基于歐洲標準EN 12663-1∶2010《鐵路應用——鐵道車輛車體結構要求》進行計算。鋼軌打磨車自帶牽引力且是沒有承載旅客功能的車輛，屬于L類型車輛。

圖2 車架有限元模型

3.1 車架靜強度計算工況

根據(jù)EN 12663標準和技術要求，車架靜強度計算工況包括壓縮工況、拉伸工況、最大運用工況、架車工況、沖擊工況、啟動工況、緊急制動工況和救援工況，如表2所示。

表2 鋼軌打磨車車架靜強度計算工況

3.2 車架疲勞強度計算工況

根據(jù)EN 12663標準和技術要求，鋼軌打磨車車架疲勞強度計算工況主要包括等效動態(tài)載荷工況和持續(xù)牽引制動載荷工況，標準中規(guī)定的空氣動力載荷和接口處的疲勞載荷因為采用疲勞極限法所以不予考慮。鋼軌打磨車常用制動力大于車架動態(tài)加速時的沖擊力，所以對于縱向的動態(tài)加速度也不予考慮[6]。車架疲勞強度計算工況如表3所示。

3.3 車架強度計算邊界條件

車架靜強度和疲勞強度邊界條件大同小異，基本都是在車架牽引座約束縱、橫向位移，在旁承座約束垂向位移。特別地：在架車工況下垂向位移約束在架車座；在救援工況下垂向位移約束在救援位置。

表3 鋼軌打磨車車架疲勞強度計算工況

根據(jù)標準，壓縮力和拉伸力加載在緩沖器座和車鉤附件上，沖擊加速度和疲勞強度計算工況的加速度都以慣性加速度的形式加載到模型中，其中，車架大質量部件的垂向沖擊使用集中力的形式加載[7-8]。

4 車架強度計算結果分析

4.1 車架靜強度計算結果分析

根據(jù)計算標準，在各靜強度計算工況下，車架結構各處節(jié)點應力應滿足式(1)要求：

(1)

其中：σC為計算得到的節(jié)點應力；S1為安全系數(shù)，母材區(qū)域取1.15，焊縫區(qū)域取1.265；R為材料屈服強度；[σ]為許用應力。

鋼軌打磨車車架采用Q345D制造，在鋼材厚度小于或等于16 mm時，母材許用應力為300 MPa，焊縫許用應力為273 MPa；在鋼板厚度大于16 mm時，母材許用應力為291 MPa，焊縫許用應力為264 MPa。

按照上述工況得到了車架靜強度計算結果，該結果滿足EN12663標準。在所有靜強度計算工況中，垂直向下沖擊工況因為所有大質量部件產生沖擊力最大，故其計算結果中的等效應力最大。結果顯示該計算工況下TOP面最大節(jié)點應力為284.63 MPa，BOTTOM面最大節(jié)點應力為292.51 MPa，且TOP面和BOTTOM面節(jié)點應力超過264 MPa的所有節(jié)點都位于母材上，其BOTTOM面應力分布如圖3所示。

圖3 垂直向下沖擊工況BOTTOM面應力分布

4.2 車架疲勞強度計算結果分析

鋼軌打磨車車架采用疲勞極限法評估，車架上各點的計算應力應該分布在Smith形式的修正的Goodman圖包絡線內，即計算應力幅與許用應力幅的比值應該小于1。因為母材和焊接接頭的力學性能不同，所以它們對應有不同的Goodman 圖。適用于Q345D的Smith形式的修正的Goodman曲線如圖4所示[9]。

圖4 適用于Q345D的Smith形式的修正的Goodman曲線

車架計算應力幅與許用應力幅的最大比值和出現(xiàn)位置見表4所示。由表4可知：鋼軌打磨車車架的母材、對接接頭和角接接頭TOP面和BOTTOM面節(jié)點計算應力幅與許用應力幅的比值均小于1，其結構疲勞強度都滿足標準要求。車架疲勞強度最危險的母材區(qū)的應力在Smith形式的修正的Goodman圖分布如圖5所示。

表4 車架計算應力幅與許用應力幅的最大比值及出現(xiàn)位置

圖5 母材區(qū)節(jié)點應力在Smith形式的修正的Goodman圖中的分布

5 結論

本文基于ANSYS軟件建立了某型鋼軌打磨車車架的有限元分析模型，并且基于EN 12663標準對各工況靜強度和疲勞強度進行了計算，得到如下結論：

(1) 鋼軌打磨車車架的靜強度最惡劣工況為垂直向下沖擊工況，最危險位置出現(xiàn)在司機室安裝座處，靜強度計算結果滿足標準要求。

(2) 鋼軌打磨車車架疲勞強度最危險區(qū)域為母材區(qū)的司機室安裝座處，疲勞強度計算結果符合標準要求。