机车车体结构模态有限元分析

刘畅

摘 要：随着社会的不断发展，轨道交通的安全性问题已经引起了人们的高度重视。本文主要分析机车走行部监测装置运用中存在的问题及其对策研究，并通过机车车体结构有限元模态的建立来描述机车车体的振动模态，从中科学分析影响机车车体结构的影响因素，为机车结构的轻量化设计以及安全稳定运行提供良好的保障。

关键词：机车车体;结构模态;问题;对策

机车走行部装置是机车最重要的内在装置之一，其走行部一旦出现故障，则会对机车的安全驾驶产生非常严重的影响。目前机车常见的走行部装置主要包括JK00430型、JK11430型以及YZB-1型，他们可以对机车的故障问题进行有效地预测，对故障发生的原因以及位置做出合理的判断，并采取有效地措施来防止事故的进一步扩大化，从而有效降低机车事故的发生概率，为机车的安全行驶提供良好的保障。在走行部监测装置发现的机车故障中，多数故障都是由于振动而产生的危害，完善走行部监测装置，同时分析机车车体振动机理，是保障机车运用安全，提升机车检修质量的重要途径。

机车车体的动态结构设计主要包括两个方面，分别是结构振动特性设计以及结构振动响应设计。机车车体结构模态分析是实现机车结构振动特性的设计核心之一，在研究机车的动力学数据分析中扮演着非常重要的角色。我们可以通过建立完善的有限元力学模型，来实现机车本身的振动特性分析，从而为机车故障的预防和检修工作提供必要的理论依据，为其新车的车体结构设计奠定夯实的基础。

1 机车走行部检测装置运用中存在的问题以及对策研究

目前，机车走行部检测装置运用中主要存在以下几个问题：其一，机车走行部检测装置缺乏语音提示;其二，工况屏只能显示温度信息，不能显示冲击信息;其三，标准化的司机室工况屏的以及菜单界面没有实时轴温显示，需要人工切换到三级菜单才能看到;其四，一些机车主机安装在低压电气柜，或者操纵台底箱中，当运行噪音过大以及司机室后门关闭时，司机很难听到蜂鸣报警器报警[1]。这些现实存在的问题都会在一定程度上影响机车的安全驾驶，进一步增加驾驶过程中的风险系数。针对上述问题，一是要完善管理制度，形成闭环状多层级的系统分析管理模式，设置预警值、报警值和反馈值的三级安全体系，通过体系的完备，使每一环节的操作互相监督、互相补充做到安全保障万无一失的效果;二是要提高维修人员的专业维修水平，只有这样才能及时、正确的发现问题进而解决问题，更好的排查出机车内部潜在的安全隐患;三是将安全的作业准则纳入到乘务员考核指标中来进行考核。通过这种制度的建立，使乘务员对自己岗位的安全职责进行有效的防护。

2 车体有限元力学模型的建立

2.1 车体结构特点

在机车车体结构的设计过程中，大型板、梁采用空间框架式全钢焊接结构是最常见的机车车体设计方式，其车内的设备布置呈现非对称性的特点，因而在具体的模型分析中采取整个车体作为研究对象;在车体模型试验过程中，我们主要分析机车运行过程中的柴油机、液压传动装置、空气压缩机、冷却风扇以及传动轴等高频振源对机车安全运行的影响，通过科学合理的模态计算来得出车体的固有频率以及振型，从而为机车的科学化设计提供必要的理论指导，不断提高机车运行的安全系数，为人们提供更为优质的出行体验[2]。

2.2 建立有限元模型

建立有限元模型其目的在于通过对车体结构以及受力特性的合理分析，从而得到更为理想的实体模型计算分析结果。在建立机车有限元模型时，我们要结合机车的自身特征，深入分析其结构受力，通过对实体模型的数据计算来实现机车实体模型的数据分析与处理。在具体实施中，要采取合理的措施来对机车的连接部位进行较为准确的结构模拟，对于一些非重要部件，可以结合实际情况对其进行必要的简化处理，然后通过对车体整体离散后进行相应的特征分析，从而得出前几阶特征振动模态的数据分析。此外，由于机车车体具有明显的三维空间结构，因而我们要正确地对其施加约束，从而为动力结果的科学化分析奠定夯实的基础。我们通过对有限元模型的合理分析，可以很直观地认识到模型的受力情况，从而对零件的设计、材料的选择以及其它因素对机车运行過程中的影响进行合理的分析，为机车的安全运行提供良好的保障。

机车车体结构模态有限元分析主要包括以下几个方面，分别是创建有限元模型、施加载荷进行求解以及查看求解结果;创建有限元结构模型主要包括制定文件名和文件标题、创建读入几何模型、定义单元类型、定义单元常数、定义材料属性以及有限元的网格划分;施加载荷进行求解包括施加载荷、边界条件和进行求解计算;查看求解结果主要包括对于计算结果的观察、分析以及检验[3]。车架模型建立主要包括车轴模型建立和车轮模型建立。在模型的建立过程中，为了有效减少局部应力的集中性，我们还应该根据实际需求去掉一些无关紧要的东西。在机车的运行过程中，其构架载荷根据机车的运行情况主要可以分为静态载荷和动态载荷，静态载荷在机车的运行过程中其数值和方向都处于一个静止不变的状态，而动态载荷的数值和方向则会随着机车运行时间的长短，而处于一个不断变化的动态过程之中;因此我们在具体的有限元力学模型构造工作中，要充分考虑到二者之间的异同点，根据机车运行的实际情况对各种极限载荷进行科学合理的模拟，从而有效预测出架构设计的合理性，为机车安全运行提供重要的理论支持，切实提高机车运行过程中的安全系数[4]。

3 结束语

机车有限元力学模型的建立，是科学分析机车结构振动的有效措施之一，也是机车安全运行的重要保障。在机车的故障检修以及结构设计过程中，有限元力学模型的建立为它们提供了科学合理的数据支持，对分析机车外载荷下的动态响应以及稳定性有着非常重要的作用，是当前被广泛使用的机车数据分析方法，为不断促进了机车行业的发展和壮大奠定了夯实的基础，也为广大群众提供了更为安全舒适的出行体验。

参考文献：

[1]广德强.CKD0A型内燃机车车体设计及有限元分析[D].大连理工大学，2018.

[2]王肇凯.CKD9D型内燃机车车体结构设计及有限元分析[D].大连理工大学，2018.

[3]赵磊.内燃机车车体结构的强度与疲劳分析[D].大连理工大学，2015.

[4]高亚楠.30T轴重机车主要部件试验模态分析的研究[D].北京交通大学，2015.