接触网综合检修车车体结构强度及模态分析

2013-12-23傅茂海杨亮亮王军平

机械工程与自动化 2013年3期

金鑫，傅茂海，杨亮亮，王军平，王平

（西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031）

0 引言

随着高速电气化铁路运营的发展，对接触网的质量和维修提出了新的要求，提高检修效率和消除安全隐患一直是接触网施工维修过程中关注的焦点问题，研制性能优良的接触网综合检修车来提高检修效率、改善作业环境势在必行。接触网综合检修车（以下简称检修车）主要用于铁路电气化接触网上部设备的检修、安装、调整和保养等作业［1］。基于EN 12663：2010《铁道应用—铁道车辆车体结构要求》（以下简称EN 12663）和该车的实际运行情况，本文通过有限元法对检修车车体结构进行静强度和刚度分析，优化车体结构，使其满足实际运用要求。

1 车体的结构及有限元模型

1.1 车体结构简介

检修车车体为全钢焊接结构，材质均为Q345B低合金钢。车体结构由底架、侧墙、车顶盖和司机室等部分组成，如图1所示。

底架由牵引梁、枕梁、下侧梁、横梁和金属地板等部分组成。底架上设有吊篮，主要承载升降设备，其中牵引梁、枕梁和下侧梁均采用箱型结构；横梁采用工字钢、角钢和箱型焊接结构；地板采用波纹金属地板。

侧墙由上侧梁、立柱和蒙皮组成；车顶盖由纵梁、横梁、上侧梁、加强横梁及蒙皮组焊而成，车顶盖上设有平台底座，主要安装检修设备。

司机室结构采用流线型设计，由眉梁、腰梁、立梁、司机室顶盖、蒙皮及其他板梁组焊而成，其中眉梁和腰梁采用了槽钢，立梁采用方钢。

图1 车体结构简图

1.2 车体有限元模型

检修车车体为三维空间结构，为准确分析其在各载荷工况作用下的应力分布情况，应用有限元软件ANSYS对其建立力学模型，如图2所示，并采用4节点壳单元Shell 63对主结构进行离散。车体共离散为137 565个节点、135 923 个单元。此外，在二系弹簧座处设置了Combination 14弹簧单元模拟车辆悬挂系统，各车辆设备质量离散为三维质量单元，如在平台、吊篮和发电机组等的重心处设置了Mass 21质量单元进行模拟［2］。

2 载荷工况

车体作为检修车主要的承载部件，运行过程中主要承受垂直载荷、水平冲击载荷和侧向力的作用，并向车钩传递牵引力和制动力［3］。为了确保车体结构的可靠性，根据车辆在使用过程中的实际情况，基于EN 12663标准对车体结构强度进行评估，其中垂向载荷包括车体自重m1（整备状态下）、载重m4和转向架质量m2所产生的静、动载荷；纵向载荷包括牵引载荷和缓冲载荷；惯性载荷包括转向架冲击、车辆设备冲击和制动冲击。在各载荷作用下，对车体进行了总共20种静态载荷工况组合的计算分析，载荷工况见表1。

3 车体强度计算结果评定

在车体结构有限元强度计算中，根据载荷工况的具体情况，将其以相应的形式施加于相关位置，得到的计算结果见表2。

图2 检修车车体有限元模型

表1 载荷工况组合

表2 各载荷工况下车体结构的最大应力及相应部位

从计算结果可见，车体下侧梁下盖板、司机室侧窗窗角等位置应力水平较高，但车体在EN 12663规定的各载荷组合作用下的结构最大von Mises应力小于300 MPa，满足相关标准要求。图3和图4分别为工况17、18应力云图。

4 模态分析

为了提高车体的整体刚度，避免车体与外界激振源发生共振，以防止车体结构出现振动疲劳破坏。参照国际铁路联盟UICMerkblatt566（1992）规定，整备状态下车体一阶垂直弯曲自振频率不低于10 Hz，整备车体固有频率一般比钢结构低20%左右［4］。钢结构模态分析是一个很重要的参照模型，模态计算采用了Lanczos法，提取前6阶的振动频率如表3所示，一阶模态如图5、图6所示。