一種重載平車(chē)的小底架結(jié)構(gòu)分析

摘?要：本文介紹了重載平車(chē)小底架結(jié)構(gòu)組成，以鐵道標(biāo)準(zhǔn)中的工況作為指導(dǎo)分析標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)值分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和材料，在設(shè)計(jì)空間小、載重質(zhì)量大的情況下，最大程度地利用結(jié)構(gòu)形式，得到了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的底架結(jié)構(gòu)。本文介紹了有限工具在小底架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并給出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)引用、評(píng)價(jià)體系和一般的設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范。

關(guān)鍵詞：小底架;結(jié)構(gòu)仿真;剛度;強(qiáng)度

重載平車(chē)小底架是為了將車(chē)體及其載重貨物均分在走形部件上的一個(gè)中間結(jié)構(gòu)，如圖1所示。整車(chē)有兩個(gè)小底架，上下芯盤(pán)均采用球形芯盤(pán)、襯墊結(jié)構(gòu)，將力傳遞到兩個(gè)四軸轉(zhuǎn)向架，最后均布在每一根車(chē)軸上。

1?小底架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

小底架采用Q420C作為主要結(jié)構(gòu)材料，使用板材厚度有16mm、20mm、30mm及40mm等厚度，小底架主要承載縱梁為拼焊箱型結(jié)構(gòu)，其中上蓋板由三段組成，下蓋板為整體折彎件，中部承載部（芯盤(pán)）兩側(cè)設(shè)計(jì)翼梁作為輔助支撐和轉(zhuǎn)向作用;兩端與轉(zhuǎn)向架連接部與中部設(shè)計(jì)相似，翼梁為小箱梁結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

小底架設(shè)計(jì)參數(shù)。重載平車(chē)小底架承載結(jié)構(gòu)，由底架鋼結(jié)構(gòu)、上芯盤(pán)、下芯盤(pán)、圓柱棍子旁承組成。小底架承載都集中在球芯盤(pán)上，旁承為間隙旁承，只有在轉(zhuǎn)彎時(shí)輔助轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，根據(jù)設(shè)計(jì)要求在轉(zhuǎn)彎時(shí)旁承承載力以芯盤(pán)承重的30%校核。

重載平車(chē)小底架主要技術(shù)參數(shù)：

小底架長(zhǎng)度：6500mm。

小底架芯盤(pán)距：5790mm。

小底架寬度：2130mm。

小底架自重：5.45t。

整車(chē)自重：60.6t。

載重：180t。

2?數(shù)值模型描述

2.1?結(jié)構(gòu)離散

小底架整體結(jié)構(gòu)采用殼單元建立有限元模型;上芯盤(pán)采用四面體實(shí)體單元，下芯盤(pán)采用六面體實(shí)體單元，上下芯盤(pán)采用接觸綁定的方式模擬與小底架的連接關(guān)系（上芯盤(pán)焊接形式，下芯盤(pán)螺栓連接）。

2.2?材料模型

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》9.4規(guī)定，鋼制零部件采用下列材料機(jī)構(gòu)性能：彈性模量：E=206000MPa，泊松比：u=0.3。

2.3?載荷計(jì)算

2.3.1?垂向靜載荷

垂向整備重量：240.6t。

2.3.2?垂向動(dòng)載荷

按TB/T13351996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》6.2.1規(guī)定，垂向動(dòng)載荷由垂向靜載荷乘以垂向動(dòng)荷系數(shù)而定;垂向動(dòng)荷系數(shù)：計(jì)算可得Kdy=0.190。

2.3.3?側(cè)向力

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》6.3.3規(guī)定，在計(jì)算或試驗(yàn)車(chē)體側(cè)梁、枕梁的強(qiáng)度時(shí)，可不施加側(cè)向力而以加大垂向載荷來(lái)考慮側(cè)向力的影響。垂向載荷增加數(shù)值：參照貨車(chē)取值為垂向靜載荷的10%，Kc=0.1。

2.3.4?縱向拉伸載荷

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》6.5.2的規(guī)定，貨車(chē)輛縱向拉伸載荷取1125kN，根據(jù)芯盤(pán)設(shè)計(jì)，作用在上下芯盤(pán)的配合的柱面上。

2.3.5?縱向壓縮載荷

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》6.5.2的規(guī)定，貨車(chē)縱向壓縮載荷取1400kN。根據(jù)芯盤(pán)設(shè)計(jì)，作用在上下芯盤(pán)的配合的柱面上。

2.4?計(jì)算工況

根據(jù)TB/T13351996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》進(jìn)行加載，整備總質(zhì)量60.6t（小底架承載重量）。

2.5?標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)體系

依據(jù)TB/T?13351996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》9.5.1，GT/T15912018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，金屬零件許用應(yīng)力變換算，需滿(mǎn)足如下強(qiáng)度、剛度要求。

3?計(jì)算結(jié)果及分析

3.1?靜載工況

主要考察車(chē)體在靜載工況下的垂向變形，主車(chē)架中部最大垂向撓度為11.109mm，如圖4所示，位于小底架中間梁中部位置，小于11.94mm的許用變形量，滿(mǎn)足小底架設(shè)計(jì)剛度要求。

3.2?第一工況拉伸組合

車(chē)體在拉伸組合工況的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力為2148MPa，位于小底架下蓋板折彎處的下表面，如圖5所示，低于256MPa的許用應(yīng)力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3.3?第一工況壓縮組合

小底架在壓縮組合工況的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力為23232MPa，位于小底架下芯盤(pán)安裝附近第一個(gè)折彎處。如圖6所示，最大應(yīng)力低于256MPa的許用應(yīng)力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3.4?第二工況

小底架在第二工況下的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力264.27MPa。如圖7所示，最大應(yīng)力低于347MPa的許用應(yīng)力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3.5?偏載工況

如圖8所示，偏載極限工況下的應(yīng)力分布，最大應(yīng)力位于下部支撐扭曲區(qū)域，為238.13MPa，低于256MPa的許用應(yīng)力。

結(jié)論

采用Q420C高強(qiáng)度低合金軋制板材制造的小底架結(jié)構(gòu)，其選用板材的許用應(yīng)力滿(mǎn)足鐵道車(chē)輛載荷工況的要求，同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)輛設(shè)計(jì)的極限偏載工況;其剛度設(shè)計(jì)滿(mǎn)足鐵道車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)許用撓度;小底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足鐵道車(chē)輛強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]TB/T13351996，《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[Z].

[2]GT/T15912018，《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》[Z].

作者簡(jiǎn)介：鄭星（1986—?），男，漢族，陜西榆林人，碩士，工程師，研究方向：鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械。