转向架存放库货架结构设计及有限元分析

周华祥

(湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003)

转向架存放库货架结构设计及有限元分析

周华祥

(湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003)

为满足转向架检修的需求，在转向架检修库中特别设置一个立体存放库。由于国内目前没有转向架的立体存放库，故采用升降横移式立体车库的方式对转向架存放库货架结构进行了设计。通过有限元方法对货架进行分析与计算，在保证货架承载强度、变形和稳定性的要求下，将原来的壁厚8 mm的钢板改为6 mm，从而减轻了货架的质量，满足了仓储的需要。

转向架;立体存放库;有限元

1 背景及现状

1.1背景

铁路是我国国民经济的大动脉，交通运输系统的骨干。而动车组的运行和维修方式与一般的客车和货车车辆有较大差别。转向架作为动车组的主要部件，随着提速和承重技术的发展，其检修较以往更为频繁，而通常动车检修基地也设有对转向架进行分解检修的检修库。为了满足转向架体积大、重量大、缩短转向架检修周期的需求，对转向架检修库中专门设置的转向架存放库提出了更高的要求[1]。

1.2现状

国内目前尚没有专门生产转向架立体存放库的企业，而且动车转向架较普通转向架更复杂、质量更重，且价格昂贵。为适应市场需要，某公司采用类似升降横移式立体车库的方式设计制作存放库以存放转向架[2]。立体存放库三维图如图1所示。

图1 立体存放库三维图

2 货架的设计

2.1技术要求

1)货架为2排×10列×3层货架形式，每个货物单元承重8.5t。

2)货架单元占地面积3 m×5m。

3)货架应能为转向架提供有效的保护，防止滑落。

4)货架上面安装50kg轨道。

2.2设计分析

转向架货架在设备的总投资中所占比例大，货架所用钢材多，因此合理选择和设计经济的货架对成本的控制是非常重要的。在保证货架承载强度、刚度变形和整体稳定性的前提下，减轻货架的重量，减少钢材消耗，以满足整体工程需要[3]。

2.3货架结构设计

货架的具体结构为三立柱结构，货位上方铺设标准导轨，用以承载转向架。每个货位尺寸为3 500mm×5000mm(均为中心线间距)，货位间层高大于1800mm。根据技术要求，在尽量提供较大货位空间的基础上，选用焊接工字梁实现整体结构的设计，工字梁采用壁厚8 mm的钢板焊接而成，大大提高了其承受弯矩的能力。所有焊接后的部件均通过螺栓连接在一起，这保证了整个结构具有可调性和方便拆卸、运输的特性。货架的立柱与地基通过螺栓刚性连接，并可通过防置垫片来弥补地面不平所带来的高度误差。

每组货架(单组3层)的重量包括转向架的重量和单元货架的自身重量，经计算每组货架自重约为6 t，每组货架的重量为3×10+6=36 t。

3 分析与计算

3.1分析

以此货架为研究对象，在工作过程中，货架受力很复杂，包括轮压、摩擦力、自身重力、附加力、支撑反力等，但轮压最大,自重其次，其他力远小于轮压，故可以忽略，只需对轮压和自重进行分析[4]。货架三维模型图如图2所示,货架有限元模型图如图3所示。

图2 货架三维模型图

图3 货架有限元模型图

1)坐标系。采用笛卡儿直角坐标系，以货架左端部为坐标原点。x坐标沿货架上轨道方向，y坐标沿竖直方向向上，z坐标与x,y方向垂直。

2)单元类型。货架为Q235材质的工字型型钢，各部分采用焊接而成。由于钢板的长、宽尺寸远大于厚度8 mm的尺寸，结构同时承受垂直荷载和水平荷载；除了产生平面变形外，还产生弯曲变形；在考虑到采用大量的节点时，特别是考虑计算时间耗费时，高阶单元没有明显的优越性，因此平面的板单元即可满足计算精度要求，故采用SHELL63弹性板单元。

3)计算荷载。工作状态中，只考虑货架的自重和货架上轨道压力的共同作用。

4)结构自重。根据设计图纸，模型中货架的总重量为6 t。

5)铅垂方向荷载。货架受到的铅垂方向荷载为转向架的重量,单个转向架的质量为8.5t，考虑到一定的附加载荷，实际以单层货架载重为10t来计算，作用在轨道处，转向架轴距为1510mm。货架受力平面图如图4所示。

图4 货架受力平面图

6)水平方向荷载。作用于水平方向的荷载是由大车启动和制动产生，此力通过车轮传递给货架。从经验来看，水平方向荷载对整体结构影响非常小，可以忽略不计[5]。

3.2计算

1)跨中挠度。货架y方向变形图如图5所示，从图5中可看出，货架跨中处y方向的挠度最大,挠度为3.201mm。

2)应力分布。货架等效应力分布图(应力大小用色彩表示)如图6所示。从图6中可以看出，货架上受货物压力处的纵梁应力最大，最大应力值为128.011MPa。

图5 货架y方向变形图(中间最大挠度3.201mm)

图6 货架等效应力分布图

考虑工字钢在受压时可能出现的剪切破坏，货架XY方向剪应力分布图如图7所示。显然，剪应力值很小，约为47.15MPa,满足工作要求。

(a)货架整体XY方向剪应力分布图

(b)货架栋梁XY方向剪应力分布图

4 结构安全要求

根据结构安全要求，标准EN12663给出屈服极限的安全系数为1.15，给出拉压强度的安全系数为1.50[6]。对Q235而言:

(1)

故其允许最大应力值为204 MPa。

而安全系数在焊接的种类和类型不同时其取值是不同的，考虑到工字钢可能采取不同的焊接方式，Q235焊缝安全系数及对应许用应力值如表1所示。

表1 Q235焊缝安全系数及对应许用应力值

相对于货架上工字梁的焊缝采用的不同类型，可以看出除了单填角焊缝类型外，其他类型都满足强度要求，故焊接中应该避免采用单填角焊缝。

5 结论

1)货架上受货物压力处的上梁压应力最大，其等效应力最大值为128.011MPa。应力值均远小于Q235材料的强度。

2)货架跨中y方向挠度为3.201mm，为跨距3 000mm的1.067/1000。通用桥式国家标准GB/T14405-93要求梁下挠度应小于跨距的1.5/1000，满足要求。

3)从保证货架强度、刚度和整体稳定性，减轻货架的重量，降低钢材消耗的目的来看，采用壁厚8 mm的钢板焊接而成的工字梁货架远满足要求工作，故而可以将工字梁钢板的厚度取为6 mm,降低了结构质量和成本，经过验算可以看出最大等效应力为168.701MPa，仍然满足工作要求。并且减轻了货架的质量约1.5t。货架改变板厚为6 mm时的等效应力分布图如图8所示。

图8 货架改变板厚为6 mm时的等效应力分布图

[1] 刘绍勇.重庆跨坐式单轨转向架的研制[J].铁道车辆，2003，41(9)：18-21.

[2] 周兴建.CW-220型转向架构架结构优化设计[J].铁道车辆，2008，46(7)：1l-24.

[3] 王峰，岳强，王贺.重载大型数控立体储存库的整体设计及机构分析[J].金属加工，2012,20(5):13-15.

[4] 袁清武.车辆构造与检修[M].北京：中国铁道出版社，2006:16-20.

[5] 王文静，刘志明，李强,等．CRH2动车转向架构架疲劳强度分析[J].北京交通大学学报，2009，33(1)：6-9.

[6] 刘云峰.桥式起重机箱形主梁腹板新型结构研究[D].昆明：昆明理工大学，2001.

(责任编辑桂堤)

Structure Design of Bogie Storage Library Shelves and FiniteElement Analysis

ZhouHuaxiang

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

In order to meet the requirements of bogie maintenance,stereo storage library should be set up in bogie maintenance store.Because there is no domestic bogie three-dimensional storage library,the bogie storing shelves structure is designed with the method based on three-dimensional garage lifting and moving.And through the finite element analysis and calculation,and under the guarantee of bearing strength,rigidity and stability,the thickness of original steel plate is changed from 8 mm to 5mm,which reduces the weight of the shelf and satisfies the need of the warehouse.

bogie;three-dimensional storage library;finite element method

2014-03-05

湖北理工学院重点学科项目；湖北省优秀中青年创新团队项目(项目编号T201014)；湖北省自然科学基金项目(项目编号2011CDC107)。

周华祥(1975— )，男，讲师，硕士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2014.04.005

TB24

A

2095-4565(2014)04-0016-04