地鐵銑軌車車體靜強度分析及試驗驗證

史天亮

中國鐵建高新裝備股份有限公司 昆明 650215

0 引言

鋼軌滾動接觸疲勞裂痕、波磨和曲線上股鋼軌側(cè)磨是城市軌道交通鋼軌最常見的表面損傷。如果鋼軌表面損傷得不到及時、有效的整修，將嚴重影響行車安全以及鋼軌壽命。為了保證列車運行的安全性、穩(wěn)定性和舒適性，需要使用快速、高效的在線修復技術(shù)來消除鋼軌表面?zhèn)麚p，恢復鋼軌型面和平順度。

地鐵銑軌車適用于地鐵線路軌道的修復作業(yè)，可一次性銑削消除鋼軌軌頂表面形成的長波和短波波磨、裂紋、飛邊和剝離掉塊等勞損，使作業(yè)后的鋼軌縱、橫斷面輪廓得到重塑，表面平順度可較好地恢復[1]。由于地鐵銑軌車具有噪聲低、污染少、作業(yè)后無殘留物等特點，特別適合城市軌道交通、隧道等環(huán)境使用，但其復雜的作業(yè)機構(gòu)導致整車質(zhì)量較大，而大部分地鐵軸重要求不能超過14 t，故需對車體進行輕量化設計以滿足軸重要求。本文通過有限元軟件對地鐵銑軌車車體強度和剛度進行分析計算，并與車體靜強度試驗的結(jié)果進行對比分析，為后續(xù)同類車型的設計提供了理論和試驗依據(jù)。

1 車體結(jié)構(gòu)特點

如圖1所示，地鐵銑軌車車體的主體結(jié)構(gòu)由車架、側(cè)墻、端墻、頂棚等組成。車架是銑軌車主要承載結(jié)構(gòu)，主要由枕梁、側(cè)梁、牽引梁、縱梁、橫梁等組成。車架中部安裝有工作裝置，前部安裝司機室，后部安裝液壓間。車架長15 320 mm，枕梁為變截面箱形梁，上下蓋板壁厚12 mm，側(cè)板壁厚8 mm；側(cè)梁為變截面的焊接H形鋼梁，截面高度由250 mm、350 mm、750 mm、2 255 mm等，H形鋼梁的翼板壁厚為16 mm和10 mm，腹板壁厚均為10 mm；牽引梁為壁厚12 mm的槽鋼，縱向板壁厚為16 mm；其他橫梁、縱梁均由不同壁厚的板拼焊而成。車架兩側(cè)設計有側(cè)墻，側(cè)墻頂部支撐起頂棚。車體傳力結(jié)構(gòu)為整體承載方式，即車體關(guān)鍵部位在承受載荷后，通過焊接在一起的型材將載荷傳遞到車體各個部位，進而引起車體發(fā)生相應變形[2，3]。

圖1 銑軌車車體模型

2 車體結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 車體有限元模型建立

地鐵銑軌車車體大部分結(jié)構(gòu)為薄板，建立有限元模型可選用殼單元建模分析。采用帶有節(jié)點偏置功能的殼單元建模[4-6]，當遇到需要改變板厚的情況，只需變更實常數(shù)或截面數(shù)據(jù)即可，適應性強，適合設計階段使用。本文采用Shell 181號單元建立車體模型，設備以質(zhì)量單元的形式施加在各自的質(zhì)心位置，如表1、圖2所示。考慮車架作為主要承載結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格使用較小的網(wǎng)格，尺寸為15～20 mm，側(cè)墻及頂棚采用較稀疏網(wǎng)格，尺寸為20～30 mm。車體有限元模型包含383 890個單元和386 810個節(jié)點。

表1 銑軌車各部件質(zhì)量

圖2 銑軌車各部件安裝圖

2.2 各工況分析計算

以車體長度方向為X方向，寬度方向為Y方向，高度方向為Z方向。由于殼單元只有2個旋轉(zhuǎn)自由度，故直接在芯盤處約束UY、UZ、ROTX，車輛的計算工況如表2所示。

表2 車體靜強度計算載荷工況

在表2中，垂直靜載荷工況是測試車體在自重載荷下的應力和中央斷面撓度。縱向拉伸、壓縮工況是為了測試車體在牽引、碰撞等條件下的力學特性，其載荷分布工況情況如圖3、圖4所示。其中縱向拉伸載荷采用貨車標準取1 125 kN，在車鉤一端施加其一半562 500 N的拉力，在車架與轉(zhuǎn)向架旁撐接觸位置施加4 132 N的斜對稱載荷，壓縮載荷采用客車標準取1 180 kN，在車鉤一端施加其一半59 000 N的壓力，在車架與轉(zhuǎn)向架旁撐接觸位置施加4 132 N的斜對稱載荷。垂向總載荷由垂向靜載荷、垂向動載荷、側(cè)向力組成。垂向靜載荷為車體的整備質(zhì)量，垂向動載荷可換算成垂向靜載荷乘以動載荷系數(shù)Kdy，依據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》[7]，在試驗車體側(cè)梁、枕梁的強度時，可通過加大垂向載荷來模擬側(cè)向力的影響。貨車側(cè)向力的垂向載荷增加數(shù)值為垂向靜載荷的10%，Kc＝0.1。因此，垂向總載荷的計算式為

圖3 縱向拉伸工況載荷分布

圖4 縱向壓縮工況載荷分布

式中：LZ為垂向總載荷，Lj為垂向靜載荷，Kdy為動載荷系數(shù)。

動載荷系數(shù)Kdy的計算式為

式中：fj為車輛在垂向靜載荷下的彈簧靜撓度，取39.77 mm；v為車輛的行駛速度，取120 km/h；b為系數(shù)，取值為0.05；d為系數(shù)，取值為1.65；a為系數(shù)，簧上部分取值為1.5；c為系數(shù)，簧上部分取值為0.427。

計算得出動載荷系數(shù)Kdy為0.3，故垂向總載荷為1.4Mg。

斜對稱載荷的計算式[4]為

式中：Q為斜對稱載荷；L2為車輛兩端軸頸中心之間的距離，取值為1.8 m；C1為一個軸箱上軸箱彈簧組的總剛度，取值為1 380 N/mm；C2為轉(zhuǎn)向架抵抗斜對稱載荷剛度。

為計算轉(zhuǎn)向架抵抗斜對稱載荷剛度，在其中一個軸箱處施加10 000 N載荷，轉(zhuǎn)向架位移分布如圖5所示。由圖5可知，施加載荷位置的位移為4.43 mm，根據(jù)公式可計算出C2＝10 000/4.43＝2 258 N/mm，將其代入式（3）可計算出轉(zhuǎn)向架斜對稱載荷Q為4 132 N。

圖5 轉(zhuǎn)向架位移分布

整體抬車工況是為了確定在頂車處用架車機架起車體時，車體任何斷面的應力是否不大于材料的屈服極限。其載荷分布工況情況如圖6所示，在車架4個吊裝點處施加4點平均的整備質(zhì)量。

圖6 整體抬車工況載荷分布

2.3 仿真結(jié)果分析

各計算工況下，車體各處應力要小于材料許用應力，車體采用的材料為S355J2，取安全系數(shù)1.15，許用應力關(guān)系如表3所示。

表3 許用應力關(guān)系表

根據(jù)已建立的模型進行4種工況仿真研究，最大應力仿真結(jié)果如圖7～圖10所示，垂直靜載荷工況最大應力為106 MPa，縱向拉伸工況最大應力為208 MPa，縱向壓縮工況最大應力為214 MPa，整體抬車工況最大應力為148 MPa。4種工況計算應力均小于材料的許用應力，所以其結(jié)構(gòu)強度符合標準要求。

圖7 垂直靜載荷工況最大應力

圖8 縱向拉伸工況最大應力

圖9 縱向壓縮工況最大應力

圖10 整體抬車工況最大應力

3 車體靜強度試驗驗證

3.1 車體靜強度試驗

地鐵銑軌車靜應力測試和剛度試驗試驗委托中國鐵道科學院機車車輛研究所進行試驗。試驗依據(jù)為TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》、GB/T 25337－2018《鐵路大型養(yǎng)路機械通用技術(shù)條件》[8]和GB/T 25336－2018《鐵路大型養(yǎng)路機械檢查與試驗方法》[9]。試驗內(nèi)容分為：車體在垂直載荷下的靜強度試驗、在縱向載荷下的靜強度試驗、在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的扭轉(zhuǎn)試驗。使用電阻應變片來測量車體的應力，應變片采集到的應變值根據(jù)虎克定律換算成應力，即為該處的應力值。選取結(jié)構(gòu)的1/2進行布點測試，重要部分則在對稱位置布置對稱點。車架測點為82個。應變片粘貼位置如圖11所示。車體的撓度變形使用位移傳感器測量。在車架兩個側(cè)梁各布置3個點側(cè)梁撓度，分別為車架中央和兩端芯盤指點處3個斷面上，取3點撓度平均值作為車架撓度。

圖11 車體應力測點分布布置圖

3.2 試驗結(jié)果

地鐵銑軌車車體靜強度試驗在4種工況下的最大應力點位置及數(shù)值如表4所示。對試驗結(jié)果進行分析：4種工況下各點的應力值均小于材料的許用應力；垂向靜載荷試驗下車體兩側(cè)側(cè)梁的中央撓度都小于標準規(guī)定值。車體鋼結(jié)構(gòu)的靜強度和垂向彎曲剛度均滿足TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》要求。

表4 各工況試驗結(jié)果

3.3 有限元計算與試驗結(jié)果對比分析

將有限元仿真計算和試驗結(jié)果進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：地鐵銑軌車車體垂向靜載荷、縱向拉伸、縱向壓縮、整體抬車等4種工況仿真結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢相同，數(shù)值偏差大約10%，如圖12所示。其主要原因有：

圖12 仿真與試驗結(jié)果對比

1）建模過程中對車體結(jié)構(gòu)和載荷施加方式的簡化、網(wǎng)格劃分情況；

2）車體主要部件在組焊時產(chǎn)生的焊接變形使各梁端頭產(chǎn)生的制造誤差；

3）試驗測量貼片位置不一定在單元的相應節(jié)點上，導致計算節(jié)點應力與試驗測量應力位置存在差異。

4 結(jié)論

1）地鐵銑軌車車體的強度和剛度都滿足標準的要求；

2）仿真結(jié)果和計算結(jié)果相近，數(shù)值偏差小于10%，驗證了有限元模型的可靠性；

3）通過有限元模型可以較準確地判斷出該車體在不同工況下的結(jié)構(gòu)薄弱點,對車體設計有著指導意義。