轨道车辆用架车座转接板结构设计与强度分析

王国静 宋明阳 杜建强

(中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心 河北 唐山 063035)

在轨道车辆组装和检修时，轨道车辆需要通过架车机将其架起，进行车辆车下部位设备的安装和检修。架车机通常固定在架车地沟两侧，架车机通过液压机构实现轨道车辆的架车功能，完成轨道车辆的上升和下降，进而对轨道车辆车下设备实现检修和安装。轨道车辆在架起时需要架车机支撑在车辆车体底架下部的架车座上。在车体制造时架车座通过焊接的方式焊接在车体底架边梁下部，根据轨道车辆的重量及车下设备的布局排布架车座的位置。由于车体结构的特殊性、车下设备布置空间大小以及车辆段空间等诸多结构、空间操作等问题，会出现无法架车的情况，这就需要一种特殊的转接机构，在保证经济实惠、操作方便且不改变架车机和车体结构的前提下，快速方便地实现架车，这种转接结构就是架车座转接板。

1 架车座结构及其材料机械性能

根据轨道车辆及架车机结构，对架车座进行全新结构设计，满足轨道车辆使用要求。此架车座由架车座面板和架车座支架两部分组成(见图1)；分别由铝合金板材加工而成，所使用的铝合金材料密度为2 700 kg/m3，弹性模量为71 000 MPa，泊松比为0.33,力学性能如表1所示。

为加大架车座与接触面的摩擦，架车座面板接触面设计成凹凸槽的形式。架车座支架通过与车体底架边梁的高度确定自身的高度。架车座支架通过铝合金板材焊接而成，中间的筋板加工成ø40 mm的通孔，用于穿过轴销，实现绳索固定轨道车辆的功能。架车座工作环境在车下，在设计时将架车座支架上面设有ø5 mm排水孔，用于架车座内部水、气的排出，保护并延长架车座的使用寿命。

图1 架车座结构示意图

表1 材料的力学性能

2 架车座转接板结构分析

架车座需要兼顾架车机和车体架车座，为满足轨道车辆架车工况的强度要求，架车座转接板采用Q235B材质，根据架车机中心销和车辆架车座中心孔间距，在架车座转接板上设计2个孔状连接点，用于连接架车机和车辆架车座(架车座转接板孔径大小可根据架车机实际情况进行设计)。架车座孔径大小设计成深度9 mm、孔径ø40 mm的凹孔，用于与架车机连接，而高度20 mm、孔径ø46 mm的凸台用于连接车辆的架车座，架车座转接板结构如图2所示。架车座转接板与轨道车辆车体底架边梁的连接如图3所示。

图2 架车座转接板结构示意图

图3 架车座转接板连接示意图

3 架车座转接板仿真强度计算分析

根据轨道车辆架车工况进行三维实体模型建立架车相应结构的中面线框，建立与之对应的有限元分析所需的架车三维中面模型。

首先，在Pro/E中建立架车的三维模型；其次，在Hypermesh中划分单元网格；再依据EN 12663-1：2010《铁道应用—轨道车身的结构要求》确定仿真参数和仿真工况。最后，利用ANSYS软件自带的ABAQUS求解器进行求解，仿真过程如图4所示。

图4 仿真分析流程

3.1 建模

使用HyperMesh软件对架车机和架车座转接板三维模型进行建模及网格划分，采用ABAQUS进行求解计算，有限元模型如图5所示。

3.2 材料参数

架车机转接板选用强度较高的碳钢材质。有限元模型中架车座转接板材料为Q235B，杨氏模数为206 MPa,泊松比为0.3，屈服强度为235 MPa。

3.3 计算工况

车体计算载荷中垂向载荷：最大垂载工况下重量为60 t，轴重：10 t。转向架重量：动力转向架5 t、拖车转向架4 t。

该轨道车辆共设置8个架车点，根据轨道车辆承受的载荷要求，车辆在抬车过程中转接板要承受5.3 t载荷，参照EN 12663-1: 2010《铁路应用-轨道车辆结构强度要求》，考虑抬车过程中1.1倍的动荷系数，计算最大承受的载荷为5.83 t，加载和约束如图6所示，载荷施加在转接板相应区域，约束架车机位置。

图5 有限元模型 图6 载荷与约束示意图

3.4 计算结果分析

在垂向5.83 t载荷作用下，架车座转接板结构的最大应力为80.64 MPa，位于轴销边部，如图7所示，最大应力小于材料本身的屈服强度235 MPa，架车座转接板结构完全满足强度要求。

图7 架车座转接板应力云图

通过对架车座转接板工作载荷下的强度仿真分析可知，架车座转接板结构的最大应力为80.64 MPa，位于轴销边部，最大应力远远小于材料屈服强度235 MPa，转接板结构满足强度要求。

4 结论及意义

通过架车座转接板的转接，实现了轨道车辆的架车功能。这种增加转接装置的方式，省时省力，成本低廉，没有对现有架车机设备和架车座结构进行繁琐的改造,更重要的是通过转接方式的连接有效实现轨道车辆架车满足后期车下设备组装和检修工作。此转接板结构简单，通用性强，加工方便。架车座转接板可采用厚板材进行一次性加工，同时也可采用适中的薄板拼焊而成，板材原材料丰富。□