葛东坡 ，徐 巍 ，张衬英 ，钟 万 ，万 雳 ，李福金

（1.湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430068；2.湖北时瑞达重型工程机械有限公司，湖北 襄阳441116）

0 引言

随着铁路行业在国民运输业中的地位越来越重要，蓄电池工程车由于其绿色环保及其节能的特点，在轨道维修方面被广泛采用且越来越受到国内轨道交通业的青睐。主车架在工程车的主体中有着重要作用，担负着运载主体的主要部件，对其进行结构强度的计算与分析是车辆设计制造的前提。目前我国对工程维修机械结构设计方面还没有大深入分析，在结构强度和疲劳强度分析上均没有专用的规范和标准，主要还是依据现有轨道车辆的一些标准进行设计分析，在这种情况下会导致一些运营状况考虑不全，结构设计不尽合理。由于结构设计的合理性与车辆运行的可靠性、安全性紧密联系，因此进行完善和研究轨道车辆的结构设计规范和方法研究已经成为一项紧要任务[1]。

本文以某型蓄电池工程车主车架的结构入手，利用有限元软件对主车架在多种工况下的刚度、强度和模态进行计算分析，为后续的设计改进与优化提供参考依据。

1 主车架有限元建模

铁道工程车辆是一个复杂的多体系统，不但有各部件之间的相互作用力和相对运动，而且还有轮轨之间的相互作用关系。其理论计算分析模型需要通过研究的需求和目标，对一些次要因素进行合理的假定或简化，对车辆性能影响较大的主要因素上尽可能符合实际情况的模拟[1]。文章在行文时对蓄电池工程车主车架模型时有如下假定：

（1）悬挂系统的弹性较小的端板、踏梯、垫板忽略其弹性变形；

（2）分析时忽略牵引工况和相邻车之间的影响，只分析单节模型；

（3）在进行分析计算时考虑主车架静态受力，采用人工加载载荷；

（4）在构建模型时对主车架上的一些凸台、倒角和加强板进行适当简化处理。

计算分析主车架模型工况时采用ANSYS软件。计算分析时采用主车架加蓄电池悬挂结构和配重作为力学模型。蓄电池工程车主车架采用全钢焊接结构。采用中梁结构，由边梁、枕梁和其它纵横梁等组焊构成[2]，除图1所示主要结构外还焊接有加强梁和拉杆底座。该车架该结构的长13.704 m，宽2.56 m，高0.81 m，本身具有理论质量34 719 kg（通过有限元模型理论得知）。如图1所示。

图1 主车架结构示意图

整车载荷分布均匀，偏载不计。通过Solid works建模，导入ANSYS软件。通过计算机自动离散及局部的人工干预，在ANSYS中对主车架进行离散得到617 337个节点，三角形和四边形板单元共有279 628个[3]。整车载重由心盘机构和橡胶堆旁承压铸在构架上，故而在每个支撑面上施加位移约束边界条件。在救援工况中，在相应救援抬车点施加垂向Z和纵向X的约束。分析计算后得到模型如图2。模型中坐标原点位于车体中心的地板面上，X坐标为横向，Y坐标为垂直方向，Z坐标为车辆前进方向[3]。在软件中算得该车体整车模型的理论质量为34 719 kg。

图2 有限元建模及网格划分

2 工况载荷分析

2.1 主车架的计算载荷

由于轨道工程车的形状和受力变化复杂，强度和刚度的校核分析影响整车的结构性能，其力学性能缺乏知晓，本文主要依据现有的已知有效参数，参照TB/T2541-1995《内燃、电力机车车体强度试验法》和TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》，分析可知作用在主车架上的载荷[4]有下列4种载荷：

（1）垂直静载荷

垂直静载荷主要是指车体结构自重及内部电气、设备，按均布载荷作用在底架上，车钩和排障板则单独施加在端头[5]。有效数值为340 kN（这是设计的已知量）。

（2）垂直动载荷

由于轨道车在运行中簧上部分振动产生的附加垂直动载荷，依据TB/T1335-1996中垂向动载荷计算公式（1）：

公式中fi为弹簧的垂直静变形量（mm）；v为轨道车的速度（m/s）；a、b、e 为轨道车的工况影响系数本次计算垂向动荷系数取Kd=0.3，垂直总载荷作用形式同垂直静载荷，有效数据为443 kN。

（3）牵引力载荷

牵引力作用于枕梁下盖板，该数值为设计中已知量其有效值为48 kN。

（4）制动力载荷

制动时车辆纵向惯性力加速度等于0.25 g。按照3g×轨道车总质量计算得到有效数值为1 002 kN其作用于枕梁下盖板。

由TB/T2541-1995《内燃、电力机车车体强度试验法》，结合车辆实际运行状态[4]，综合分析本次计算以下四种工况如下表1。

表1 计算分析组合工况表

2.2 许用应力计算

本次设计底架和悬挂选用低合金钢16Mn（Q345B）。由TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》中规定，低合金钢16Mn的屈服极限为345 MPa。在第一工况下许用应力为216 MPa，在第二工况下许用应力为293 MPa[4]。

分析应力结果采用当量应力表示。计算公式（2）为

式中：σe为当量应力（MPa）；σi为主应力（i=1，2，3）（MPa）。

2.3 刚度计算

整体承载的车体的挠跨比评定标准应当有公式（3）计算得出：

本次计算可得fz=15.22 mm。按照既定的公式经计算轨道车整体刚度满足TB/T1335-1996的要求。

3 主车架结构强度云图分析

在第一工况垂直静载荷作用下，云图显示如图3。由云图和计算量得知主车架的最大垂向变形为4.2 mm，满足要求。最大当量应力小于100 MPa。未超出低合金钢16Mn的许用应力216 MPa[6]。

图3 工况一云图

在第二工况垂直静载荷＋垂直动载荷作用下，主车架的最大垂向变形5.4 mm，满足要求。最大当量应力约100 MPa，未超出216 MPa。云图显示如图4。

图4 工况二云图

在第三工况垂直静载荷+牵引力作用下，主车架的最大垂向变形为4.1 mm，满足要求。最大当量应力小于100 MPa。未超出许用应力216 MPa。云图显示如图5。

图5 工况三云图

在第四工况垂直静载荷+制动力作用下，主车架的最大垂向变形为15.1 mm，满足评定标准要求。云图显示如图6。由云图结果中可知最大当量应力315 MPa，超出低合金钢16Mn的第二工况许用应力293 MPa。其位置在牵引梁下部靠近制动力施加端部分，有较大面积当量应力超过了该值，应采取加强措施。本次优化结构时采用添加横梁结构（优化分析图中有结构显示），在优化分析时由于加装横梁使得最大断受力减小达到安全范围标准，说明该加固方法可行。经过优化后加固后再次进行分析计算[7]，得到应力云图如图7所示，所得结果最大当量应力为273 MPa，未超出低合金钢16Mn的第二工况许用应力293 MPa。经验证优化措施有效，符合预期设想。

图6 工况四云图

图7 工况四优化加固后云图

4 结束语

本文以某型蓄电池工程车的主车架为研究对象，通过建立主车架的有限元分析模型对车辆在运行时工况受力状态的分析组合，确定主车架上载荷的组合工况，运用ANSYS分析完成了多种工况下主车架的刚度、强度的计算分析，进行了一次对设计成品的校核。计算结果表明：该蓄电池工程车车体模型比较精确地反映结构设计方案，结果更加接近实际。同时在规定计算的载荷工况下，强度不足工况下的情况经过局部加强优化后满足设计需求，本次设计主车架完全能够满足运行的强度和变形需要。