基于EN12663的线路捣固车车架结构可靠性分析

李 杰，傅茂海，何文信，李亚威

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

大型养路机械主要是指养护和维修铁路线路的机械设备。线路捣固车是当前铁路大型养路机械中十分重要的一种机械化设备，它对轨道进行拨道、起道抄平和道床肩部道砟的夯实作业，对提升道砟密实度、增加轨道的稳定性以及保证列车安全运行具有重要作用[1-3]。捣固车车架是整车最重要的承载件，整车的大质量设备(如捣固旋转装置、起拨道装置、发动机、检测设备及司机室等)都安装在车架上。由于线路捣固车在作业时工况恶劣并且受力复杂，故对车架的结构强度和可靠性提出了更高的要求。

1 线路捣固车主要技术参数

本文以某型号线路捣固车为例，根据设计技术条件，计算所用车辆的基本参数，如表1所示。

表1 车辆基本参数

2 捣固车车架结构

该车架属于车架承载式设计，除了少部分区域为铸造件外，其他部分均为钢板整体焊接结构，由若干个纵向梁和横向梁组焊而成，其中多数纵向梁和横向梁均釆用矩形方管，枕梁是由上、下盖板和双腹板组成的箱型焊接结构，上弦梁采用两个箱型对接拼焊结构，前端从板座和缓冲饼安装座以及后端牵引梁安装座分别焊在车架的相应位置，整车通过上弦梁连接主车架前后底架来传递纵向力[4-5]。捣固车车架三维结构如图1所示。

1—牵引梁安装座；2—枕梁；3—上弦梁；4—前端从板座；5—缓冲饼安装座

3 车架结构强度分析

3.1 车架有限元模型

车架有限元分析模型采用空间笛卡尔坐标系。该坐标系中，X轴指向车辆运行前方，Y轴与线路方向相垂直，Z轴垂直于轨道平面，其正方向为竖直向上，坐标系XOY平面与原点的设置和3-D模型一致。采用4节点壳单元Shell 63和8节点六面体单元Solid45对主车架进行离散。司机室、捣固装置、液压油箱等大质量部件和其余均布质量均以Mass 21质量单元模拟，代表大质量部件的质量单元与车架安装座的连接通过梁单元Beam188连接。

3.2 车架静强度计算

车架结构静强度分析基于欧洲标准EN 12663∶2010《Railway applications-Structural requirements of railway vehicle bodies，Part 1:Locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons》进行。依据标准规定，该车辆属L类车辆，评定车架结构的静强度计算工况有拉压工况、起吊工况和架车工况等，静强度计算工况如表2所示。表2中，m1为整备状态车架质量，m2为转向架质量，m4为超常装载量,g为重力加速度。

表2 静强度计算工况

根据EN 12663标准，在各计算工况下，车架结构各处应力应满足如下要求：

(1)

其中：σC为计算得到的节点应力；R为材料屈服强度；S1为安全系数，母材区域取1.15，焊缝区域取1.265。

车架结构采用符合GB/T1591—2008《低合金高强度结构钢》要求的Q345-D钢制造，材料的屈服强度和许用应力见表3。

表3 材料屈服强度与结构许用应力

计算结果表明：在所有载荷工况下，结构的最大应力小于材料在该工况下的许用应力，静强度满足EN12663的要求。其中在工况2下车架结构的应力最大，TOP面、BOTTOM面最大应力分别为297.74 MPa和290.97 MPa，应力分布如图2所示。车架钢结构的垂向变形分布如图3所示，整备状态下车架的最大垂向变形(相对于转向架支撑点)为-11.135 mm。

图2 工况2下车架应力分布

3.3 车架疲劳强度评估

车架疲劳强度分析基于标准EN 12663第6.6、6.7和6.8节进行，评估疲劳强度的载荷工况见表4。根据EN12663标准5.6.2条建议，车架疲劳强度评估通过疲劳极限法进行，车架结构疲劳强度根据国际铁路联盟研究试验委员会ERRI B 12/RP 17报告提供的方法进行评估。由于焊接结构裂纹扩展方向与计算最大主应力方向相垂直，因此，评估时首先获得各节点计算工况下的最大主应力及其方向，再将其余各工况下的应力向最大主应力方向投影，并获得循环的最小应力。将各节点的应力分布点入Goodman曲线中，以许用应力幅与计算应力幅的比值作为节点的疲劳强度安全系数，节点疲劳强度安全系数应大于1.00[6]。

图3 车架垂向变形分布(放大100倍)

载荷工况载荷F—1纵向0．15g，横向0．15g，垂向1．15gF—2纵向0．15g，横向0．15g，垂向0．85gF—3纵向0．15g，横向-0．15g，垂向1．15gF—4纵向0．15g，横向-0．15g，垂向0．85gF—5纵向-0．15g，横向0．15g，垂向1．15gF—6纵向-0．15g，横向0．15g，垂向0．85gF—7纵向-0．15g，横向-0．15g，垂向1．15gF—8纵向-0．15g，横向-0．15g，垂向0．85gF—9/F—10纵向2．92g，垂向1g：整车制动载荷198．4kN

对各计算载荷工况下车架结构的应力进行考察，分别得到车架母材区、角接接头区、对接接头区疲劳强度最薄弱的3个节点的平均应力、应力幅和安全系数，见表5。母材区、角接接头区和对接接头区各节点在Goodman-Smith图中的位置分别如图4、图5、图6所示，图中的横坐标σmean表示节点平均应力，纵坐标σ表示节点应力，σmax和σmin分别表示该节点在应力循环中的最大应力和最小应力。计算结果表明:车架结构各部位的疲劳强度安全系数均大于1.00，说明结构的疲劳可靠性满足EN12663标准的要求。

表5 车架疲劳强度危险点

4 车架模态分析

车架模态计算旨在分析主车架自身的振动情况，以发现是否有不利于车辆运行的振动形式，避免共振等不利行为出现。主车架模态分析在ANSYS有限元分析软件中进行，采用Block Lanczos法计算。去除刚体模态后，主车架前6阶模态自振频率见表6。

图4 母材区节点应力在Goodman-Smith图中的位置

图5 角接接头区节点应力在Goodman-Smith图中的位置

图6 对接接头区节点应力在Goodman-Smith图中的位置

从表6可见：车架结构最低阶自振频率为6.962 2 Hz，在转向架悬挂参数匹配中应考虑其影响，以避免运行过程中出现共振现象，进一步提高结构可靠性。

5 结语

依据某型号线路捣固车车架结构，利用ANSYS分析软件建立了车架的有限元模型，基于EN12663标准分析了该结构在标准规定的计算工况下的应力和变形分布。结论如下：

(1) 车架结构在整备下的最大垂向变形为-11.135 mm，制作时应据此制定上挠量。

(2) 在计算载荷工况下，车架最大当量应力均小于材料许用应力值，在循环载荷的作用下，车架各节点的最小疲劳强度安全系数均大于1.00。结构强度满足欧洲标准EN 12663的要求。

(3) 计算结果表明：结构最低阶振型为一阶垂直弯曲，自振频率为6.96 Hz，应合理配置转向架的悬挂参数，以确保车辆正常运行。

表6 车架低阶自振频率与振动模态

参考文献：

[1] 冯娜娜，张思婉.我国铁路线路大型养路机械的现状与发展[J].郑州铁路职业技术学院学报,2010(1):14-15.

[2] 宋慧京.打造中国品牌产品实现大型养路机械制造业持续发展[G]//铁路大型养路机械论文集.株州：铁路大型养路机械，2005：7-11.

[3] 程连飞.捣固车捣固装置提升油缸故障处理[J].铁道建筑，2011(3):120-123.

[4] 金鑫.基于刚柔耦合捣固车司机室减振特性研究[D].成都：西南交通大学，2013：5-7.

[5] 赵文芳.铁路大型养路机械的发展历程及展望[J].中国铁路，2012(11):5-10.

[6] 米彩盈.铁道机车车辆结构强度[M].成都：西南交通大学出版社，2007.