钢轨探伤车上提边梁式H型梁探轮承载机构强度分析

马运忠

（中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081）

钢轨探伤车上提边梁式H型梁探轮承载机构强度分析

马运忠

（中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081）

GTC-80钢轨探伤车采用进口的H型梁探轮承载机构，存在更换探轮时操作空间不足的问题。设计了一种上提边梁式H型梁探轮承载机构，有效增大了更换探轮时的操作空间。目前国内外均没有针对上提边梁式H型梁探轮承载机构强度计算的规范，因此，基于进口H型梁探轮承载机构的振动加速度测试数据，确定了上提边梁式H型梁探轮承载机构的荷载工况和边界条件，并采用有限元软件ANSYS对该承载机构的强度进行了计算。计算结果表明该承载机构的强度满足要求。

上提边梁式H型梁；探伤车；强度分析

上提边梁式H型梁探轮承载机构通过异形轴箱盖连接于二轴转向架的4个轴箱。该机构由上提边梁组件、横梁组件、探轮动作单元等组成，与进口H型梁探轮承载机构相比，在保持转向架结构不变的基础上最大程度地提高了边梁组件，增大了探轮维修和更换时的操作空间，以便于检测设备维护。

文献［1］对安全综合检测车轨道检查梁的结构开展了设计研究，建立加装轨检梁的安全综合检测车整车动力学模型，从H型梁的组成和连接方式等角度比较了不同的轨检梁结构形式对安全综合检测车通过曲线时动力学性能的影响。文献［2］制定了轴箱体强度计算的荷载条件和工况组合，并以推演的EN13749标准为指导，对某机车轴箱体的静强度和疲劳强度进行了校核。文献［3］对CRH2动车组拖车轮对轴箱强度进行了分析，分别按照UIC615-4和JISE4207标准，在叠加不同工况计算结果的基础上，对比分析了其结构强度。文献［4］开展了高速货车转向架设计和构架强度校核工作，参考UIC510-3并结合TB/T 1335—1996综合评定焊接构架式货车转向架的强度。以上研究均未涉及到基于二轴转向架4个轴箱安装车载设备的强度校核。

1　结构及材料特性

1.1结构

上提边梁式H型梁探轮承载机构结构见图1。上提边梁组件和横梁组件的连接均考虑了转向架运行限制，具备的自由度满足转向架运行要求，其工作原理如图2所示。其中，上提边梁组件连接二轴转向架的同侧异形轴箱盖，由上提边梁、球副、移动副等组成；横梁组件连接两侧上提边梁，由横梁、球副、移动副等组成；探轮动作单元等安装在横梁上，满足探伤车检测所需的探轮倾角调整、横向对中、垂向升降等动作需求。

图1　上提边梁式H型梁探轮承载机构结构

图2　上提边梁式H型梁探轮承载机构工作原理示意

1.2材料特性

上提边梁式H型梁探轮承载机构的主要部件材料特性见表1。

表1　主要部件材料特性

2　强度分析

2.1边界条件及荷载工况

针对上提边梁式H型梁探轮承载机构的结构特点，在建立有限元模型时，上提边梁、横梁等部件单独建模，通过对螺栓施加预紧力、设置接触等方式连接各个部件。采用实体模型建模，并采用六面体20节点三维单元和四面体10节点三维单元进行离散。计算模型中节点总数为1 747 625个，单元总数为1 010 837个。

上提边梁式H型梁探轮承载机构的自重以均布方式加载，探轮动作单元的垂向荷载以面力的形式作用于横梁安装处，运营荷载及冲击荷载以加速度形式作用于整体结构，对连接螺栓施加预紧力、设置接触等方式连接各个部件，异形轴箱盖4个螺栓孔采用固定约束。模型边界条件如图3所示。

基于进口H型梁探轮承载机构振动加速度的测试数据，确定了上提边梁式H型梁探轮承载机构的荷载工况，见表2。

图3　边界条件

表2　荷载工况

2.2强度评价

2.2.1超常荷载

上提边梁式H型梁探轮承载机构在超常荷载作用下的强度按照材料的屈服极限来评价，在超常荷载作用下产生的最大应力不应超过材料屈服极限，即σe≤σs。

上提边梁式H型梁探轮承载机构在超常荷载作用下最大应力分布见图4。上提边梁和横梁最大应力为158.92 MPa，在横梁端部焊接处。上提边梁与横梁连接板最大应力为256.54 MPa，在连接板螺栓孔处。异形轴箱盖最大应力为261.32 MPa，在异形轴箱盖端部连接处。计算所得应力值均未超过各部件材料的屈服极限。

图4　超常荷载下最大应力分布

2.2.2运营荷载

上提边梁式H型梁探轮承载机构在运营荷载作用下的强度按照材料的许用应力来评价，在运营荷载作用下产生的最大应力不应超过材料许用应力，即σe≤［σ］。

上提边梁式H型梁探轮承载机构在运营荷载作用下的最大应力分布见图5。上提边梁和横梁最大应力为88.837 MPa，在横梁端板螺栓孔处。边梁与横梁连接板最大应力为143.07 MPa，在连接板螺栓孔处。异形轴箱盖最大应力为145.08 MPa，在异形轴箱盖端部连接处。计算所得应力值均未超过各部件材料的许用应力。

2.2.3疲劳荷载

上提边梁式H型梁探轮承载机构在疲劳荷载作用下应能承受6×106次循环，其疲劳寿命见图6。由图可知，探轮承载机构最低疲劳寿命的循环次数为7.17×106次，满足要求。

图5　运营荷载下最大应力分布

图6　疲劳荷载作用下的疲劳寿命

3　结论

目前国内外针对钢轨探伤车上提边梁式H型梁探轮承载机构的强度校核尚无可借鉴的规范。本文基于进口H型梁探轮承载机构振动加速度的测试数据，确定了上提边梁式H型梁探轮承载机构的边界条件和荷载工况，并采用有限元计算软件ANSYS对其强度进行了分析，获得了超常荷载、运营荷载以及疲劳荷载下的强度。计算结果表明，上提边梁式H型梁探轮承载机构强度满足要求。

［1］周劲松，陆正刚，杨国桢.安全综合检测车轨道检查梁结构设计研究［J］.中国铁道科学，2001，22（6）：13-16.

［2］肖守讷，杨冰，杨冰，等.EN 13749标准在机车轴箱体强度分析中的推演应用［J］.机车电传动，2012（2）：38-41.

［3］杨继震.CRH2动车组拖车轮对轴箱强度分析［D］.北京：北京交通大学，2007.

［4］刘均.高速货车转向架结构设计及构架强度分析［D］.重庆：重庆大学，2006.

Strength Analysis of Lifted Side Beam-type H-shaped Frame as Bearing Structure of Rolling Search Unit on Rail Flaw Detection Car

MA Yunzhong
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Rolling Search Unit（RSU）on GT C-80 Rail Flaw Detection（RFD）car is installed on the imported H-shape frame.It is difficult to replace RSU as to limited space under H-shape frame.A lifted side beam-type H-shape frame was designed to solve the problem.No existing standards or rules are suitable for calculating strength of the lifted side beam-type H-shape frame.Based on the accelerator test data of imported H-shape frame，this article provided a solution including load condition and boundary condition for strength calculation of lifted side beam-type H-shape frame，and calculated the strength with ANSYS.T he result shows that the strength meets requirements.

Lifted side beam-type H-shape frame；RFD car；Strength analysis

U216.65

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.32

1003-1995（2016）09-0127-03

（责任审编李付军）

2016-02-04；

2016-03-07

中国铁路总公司科技研究开发计划（2015G003-A）

马运忠（1983—），男，助理研究员，硕士。