一种重载平车的小底架结构分析

摘 要：本文介绍了重载平车小底架结构组成，以铁道标准中的工况作为指导分析标准，通过数值分析，优化结构和材料，在设计空间小、载重质量大的情况下，最大程度地利用结构形式，得到了满足设计需求的底架结构。本文介绍了有限工具在小底架设计中的应用，并给出了相应的标准引用、评价体系和一般的设计计算规范。

关键词：小底架;结构仿真;刚度;强度

重载平车小底架是为了将车体及其载重货物均分在走形部件上的一个中间结构，如图1所示。整车有两个小底架，上下芯盘均采用球形芯盘、衬垫结构，将力传递到两个四轴转向架，最后均布在每一根车轴上。

1 小底架结构简介

小底架采用Q420C作为主要结构材料，使用板材厚度有16mm、20mm、30mm及40mm等厚度，小底架主要承载纵梁为拼焊箱型结构，其中上盖板由三段组成，下盖板为整体折弯件，中部承载部（芯盘）两侧设计翼梁作为辅助支撑和转向作用;两端与转向架连接部与中部设计相似，翼梁为小箱梁结构，如图2所示。

小底架设计参数。重载平车小底架承载结构，由底架钢结构、上芯盘、下芯盘、圆柱棍子旁承组成。小底架承载都集中在球芯盘上，旁承为间隙旁承，只有在转弯时辅助转动的作用，根据设计要求在转弯时旁承承载力以芯盘承重的30%校核。

重载平车小底架主要技术参数：

小底架长度：6500mm。

小底架芯盘距：5790mm。

小底架宽度：2130mm。

小底架自重：5.45t。

整车自重：60.6t。

载重：180t。

2 数值模型描述

2.1 结构离散

小底架整体结构采用壳单元建立有限元模型;上芯盘采用四面体实体单元，下芯盘采用六面体实体单元，上下芯盘采用接触绑定的方式模拟与小底架的连接关系（上芯盘焊接形式，下芯盘螺栓连接）。

2.2 材料模型

根据TB/T13351996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》9.4规定，钢制零部件采用下列材料机构性能：弹性模量：E=206000MPa，泊松比：u=0.3。

2.3 载荷计算

2.3.1 垂向静载荷

垂向整备重量：240.6t。

2.3.2 垂向动载荷

按TB/T13351996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》6.2.1规定，垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动荷系数而定;垂向动荷系数：计算可得Kdy=0.190。

2.3.3 侧向力

根据TB/T13351996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》6.3.3规定，在计算或试验车体侧梁、枕梁的强度时，可不施加侧向力而以加大垂向载荷来考虑侧向力的影响。垂向载荷增加数值：参照货车取值为垂向静载荷的10%，Kc=0.1。

2.3.4 纵向拉伸载荷

根据TB/T13351996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》6.5.2的规定，货车辆纵向拉伸载荷取1125kN，根据芯盘设计，作用在上下芯盘的配合的柱面上。

2.3.5 纵向压缩载荷

根据TB/T13351996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》6.5.2的规定，货车纵向压缩载荷取1400kN。根据芯盘设计，作用在上下芯盘的配合的柱面上。

2.4 计算工况

根据TB/T13351996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》进行加载，整备总质量60.6t（小底架承载重量）。

2.5 标准及评价体系

依据TB/T 13351996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》9.5.1，GT/T15912018《低合金高强度结构钢》，金属零件许用应力变换算，需满足如下强度、刚度要求。

3 计算结果及分析

3.1 静载工况

主要考察车体在静载工况下的垂向变形，主车架中部最大垂向挠度为11.109mm，如图4所示，位于小底架中间梁中部位置，小于11.94mm的许用变形量，满足小底架设计刚度要求。

3.2 第一工况拉伸组合

车体在拉伸组合工况的应力分布，最大应力为2148MPa，位于小底架下盖板折弯处的下表面，如图5所示，低于256MPa的许用应力，满足设计强度要求。

3.3 第一工况压缩组合

小底架在压缩组合工况的应力分布，最大应力为23232MPa，位于小底架下芯盘安装附近第一个折弯处。如图6所示，最大应力低于256MPa的许用应力，满足设计强度要求。

3.4 第二工况

小底架在第二工况下的应力分布，最大应力264.27MPa。如图7所示，最大应力低于347MPa的许用应力，满足设计强度要求。

3.5 偏载工况

如图8所示，偏载极限工况下的应力分布，最大应力位于下部支撑扭曲区域，为238.13MPa，低于256MPa的许用应力。

結论

采用Q420C高强度低合金轧制板材制造的小底架结构，其选用板材的许用应力满足铁道车辆载荷工况的要求，同时满足车辆设计的极限偏载工况;其刚度设计满足铁道车辆结构设计许用挠度;小底架结构设计满足铁道车辆强度要求。

参考文献：

[1]TB/T13351996，《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》[Z].

[2]GT/T15912018，《低合金高强度结构钢》[Z].

作者简介：郑星（1986— ），男，汉族，陕西榆林人，硕士，工程师，研究方向：铁路大型养路机械。