歐陽(yáng)斌
(廣州地鐵集團(tuán)有限公司,廣州 510380)
工程車(chē)輛作為地鐵運(yùn)營(yíng)中的重要車(chē)輛,很少被人們所熟知。在地鐵運(yùn)營(yíng)中,有電客車(chē)的地方必然有工程車(chē)的存在,工程車(chē)的作用絲毫不亞于客車(chē)。工程車(chē)承擔(dān)著在運(yùn)送大量的材料、設(shè)備、物資[1];配合段場(chǎng)內(nèi)的作業(yè);車(chē)輛進(jìn)行冷、熱滑;運(yùn)送維修設(shè)備和進(jìn)行事故救援等等。因此,每一條地鐵線路都需要配備一定數(shù)量的地鐵工程車(chē)。隨著機(jī)車(chē)使用年限增加,逐漸出現(xiàn)集電靴斷裂,轉(zhuǎn)向架一系彈簧斷裂等機(jī)械故障,嚴(yán)重影響行車(chē)安全。本文通過(guò)探索一種可以提前預(yù)知機(jī)車(chē)機(jī)械故障,或者機(jī)械薄弱之處的研究方法,以便軌道車(chē)輛日常維修保養(yǎng)。
如圖1 所示,構(gòu)架的整體由兩條橫梁、兩條側(cè)梁、兩個(gè)電機(jī)安裝座以及兩個(gè)齒輪箱吊桿座相互焊接而成,構(gòu)架是由低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板和型鋼組成的全焊接封閉結(jié)構(gòu),由兩根側(cè)梁和兩根橫梁組成,兩根橫梁之間有鋼板焊接連接,整體呈中心對(duì)稱(chēng)[2]。
圖1 構(gòu)架整體三維模型
1.2.1 強(qiáng)度分析標(biāo)準(zhǔn)介紹
ZER-4 電力蓄電池工程車(chē)運(yùn)行速度等級(jí)低,構(gòu)架形式與動(dòng)車(chē)組等客運(yùn)車(chē)輛有較大的差別,對(duì)動(dòng)力學(xué)性能和乘坐舒適度要求與客運(yùn)車(chē)輛有所不同,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架參照TB∕T 2368-2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》與TB∕T 1335-1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[3],采用ANSYS Workbench 有限元仿真軟件對(duì)ZER-4 電力蓄電池工程車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)估計(jì)算。構(gòu)架約束條件及載荷形式如圖2所示。
圖2 構(gòu)架約束條件及載荷形式
因此,本文選用TB∕T 2368-2005 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度分析。按標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架載荷類(lèi)型有:超常載荷、模擬主要運(yùn)營(yíng)載荷和模擬特殊運(yùn)營(yíng)載荷,本文只研究構(gòu)架由超常載荷類(lèi)型組合的4種工況[4]。
1.2.2 超常載荷計(jì)算
本轉(zhuǎn)向架采用抱軸式齒輪箱,齒輪箱吊座只承受其慣性載荷,牽引裝置安裝在車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間傳遞牽引力和制動(dòng)力,輪緣潤(rùn)滑裝置主要安裝在車(chē)體上,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝在側(cè)梁上,構(gòu)架上安裝有兩個(gè)牽引電機(jī)和兩個(gè)集電靴,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置和集電靴的質(zhì)量較小相比于整備質(zhì)量而言可以忽略不計(jì),后文不計(jì)此載荷。所以超常載荷只包括垂向載荷、橫向載荷和扭曲載荷[5]。
(1)垂向載荷
垂向載荷[6]主要為轉(zhuǎn)向架所承受的機(jī)車(chē)質(zhì)量,作用在旁承座處,其大小為:
式中:Fz1max為轉(zhuǎn)向架左側(cè)的垂向載荷,kN;Fz2max為轉(zhuǎn)向架右側(cè)的垂向載荷,kN;g為重力加速度,取9.81 m∕s2;nb為整車(chē)轉(zhuǎn)向架數(shù),取2;mv為整備質(zhì)量,取56 t;m+為轉(zhuǎn)向架質(zhì)量,取7.5 t。
(2)橫向載荷
橫向載荷[7]作用于橫向止擋和二系橡膠堆的位置,其大小為:
式中:Fymax為橫向載荷,kN;ne為每個(gè)轉(zhuǎn)向架上的輪對(duì)數(shù),取2。
(3)扭曲載荷
扭曲載荷[8]以位移形式作用在斜對(duì)稱(chēng)的車(chē)輪上,超常載荷工況下扭曲載荷取10‰軸距,其大小為:
式中:Smax為對(duì)應(yīng)扭曲載荷下車(chē)輪位移,mm;D為轉(zhuǎn)向架軸距,取2 200 mm。
該扭曲位移通過(guò)壓縮一系懸掛裝置實(shí)現(xiàn),其等效載荷大小為:
式中:Ft為一系懸掛裝置等效載荷;Smax為對(duì)應(yīng)扭曲載荷下車(chē)輪位移,mm;T1為一系彈簧剛度,取361.5 N∕m;T2為一系減振器剛度,取500 N∕m。
按照我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)TB∕T 2368-2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中對(duì)載荷工況組合的方法,同時(shí)參考類(lèi)似型號(hào)工程車(chē)轉(zhuǎn)向架靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)資料,超常載荷、模擬主要運(yùn)營(yíng)載荷和模擬特殊運(yùn)營(yíng)載荷的工況組成,本文選取超常載荷組合的4種工況進(jìn)行分析[9]。機(jī)車(chē)在運(yùn)營(yíng)時(shí)可能出現(xiàn)的最大載荷作用下,共有4 個(gè)超常載荷工況,分析轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是否會(huì)發(fā)生永久變形。組合工況的載荷如表1所示。
表1 超常載荷工況組合及載荷值
為節(jié)省計(jì)算成本,將構(gòu)架模型進(jìn)行了一些優(yōu)化,把一些不影響分析結(jié)果的小部件省略。
2.1.1 車(chē)架的縱梁和橫梁的連接模擬
本構(gòu)架的側(cè)、橫梁均是通過(guò)焊接連接的。焊接點(diǎn)處的強(qiáng)度及剛度一般都會(huì)較大,因此縱、橫梁在焊接處是滿足變形協(xié)調(diào)關(guān)系的。在仿真平臺(tái)Workbench 中,通過(guò)接觸(Connections)建立縱、橫梁的綁定(Bonded)關(guān)系,以此實(shí)現(xiàn)縱橫梁之間的焊接處變形一致。
2.1.2 網(wǎng)格劃分
遵照劃分原則與方法,全面兼顧計(jì)算精度∕成本與構(gòu)架特性,提出如下劃分方案。
(1)網(wǎng)格大小設(shè)定成20 mm。通過(guò)這種設(shè)定,能夠讓電機(jī)安裝座、縱橫梁的截面、長(zhǎng)度獲得必須的網(wǎng)格數(shù)。
(2)由于構(gòu)架縱橫梁呈相對(duì)規(guī)則幾何體,所以選擇Sweep 劃分法,可以獲得四邊形網(wǎng)格,從而避免計(jì)算占用過(guò)多時(shí)間。
綜合以上策略,構(gòu)架、電機(jī)安裝座網(wǎng)格劃分完成,如圖3 所示,構(gòu)架網(wǎng)格的總數(shù)量為269 554,節(jié)點(diǎn)總數(shù)量為108 192;網(wǎng)格劃分是科學(xué)合理的。
圖3 構(gòu)架離散模型
2.1.3 材料屬性
構(gòu)架主體由Q345B 低合金高強(qiáng)度鋼板焊接而成,其材料特性參數(shù)[10]:彈性模量為206 000 MPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg∕m3。
各種工況下的載荷值大小,已于前文中詳細(xì)計(jì)算得出,按照計(jì)算結(jié)果逐一進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算分析。構(gòu)架在實(shí)際狀態(tài)下通過(guò)一系懸掛與軸箱連接,軸箱與輪對(duì)裝配一體,模擬構(gòu)架施加固定約束時(shí),在側(cè)梁上安裝一系懸掛裝置處設(shè)置固定約束模擬支撐;為了模擬橫向止擋作用,在側(cè)梁上的橫梁圓柱面上施加固定約束[11]。
根據(jù)材料力學(xué)中的4 種強(qiáng)度理論,本文采用第四強(qiáng)度理論作為結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性失效的依據(jù),即受力后結(jié)構(gòu)中任意一點(diǎn)的形狀改變超過(guò)了該材料的屈服應(yīng)力,則會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形并且失去原有的功效。若計(jì)算得到的數(shù)值小于Q345B 的屈服應(yīng)力即為可靠。構(gòu)架靜強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)[12]:許用應(yīng)力為314 MPa,安全系數(shù)為1.1。
2.3.1 超常載荷工況組合靜力學(xué)分析
超常載荷工況共4 個(gè),考察在可能出現(xiàn)的最大載荷作用下,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架最大應(yīng)力是否小于該處材料許用應(yīng)力。由表1 中計(jì)算得到的構(gòu)架超常載荷工況載荷種類(lèi)和大小數(shù)據(jù)進(jìn)行加載計(jì)算超常載荷工況狀態(tài)下構(gòu)架的等效應(yīng)力分布如圖4~9所示。其中工況2與工況3分析情況結(jié)果一樣,作用在左、右側(cè)梁。
圖4 工況1應(yīng)力云圖
圖5 工況1變形云圖
圖6 工況2應(yīng)力云圖
圖7 工況2變形云圖
圖8 工況4應(yīng)力云圖
圖9 工況4變形云圖
2.3.2 構(gòu)架靜力學(xué)結(jié)果分析
由上述4 個(gè)超常載荷工況下的構(gòu)架靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(表2)可知,構(gòu)架在第4 個(gè)工況下應(yīng)力值最大且最大值為201.97 MPa,最大應(yīng)力發(fā)生在側(cè)梁一系懸掛裝置安裝處。該處材料為Q345B,材料許用應(yīng)力為314 MPa,故該構(gòu)架在超常載荷工況下滿足靜強(qiáng)度要求。同時(shí)可以看出,4 個(gè)工況下構(gòu)架最大應(yīng)力位置發(fā)生在兩個(gè)位置,分別為側(cè)梁一系懸掛裝置安裝處和橫梁與側(cè)梁連接部位下方,說(shuō)明該兩處局部強(qiáng)度相對(duì)較薄弱;前3 個(gè)工況下構(gòu)架的形變量較小,第4 個(gè)工況下構(gòu)架的最大變形量為15.23 mm,位置在側(cè)梁一系懸掛安裝處上半部分,該位置安裝著一系彈簧及一系減振器。
表2 超常載荷工況強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果
綜合4 個(gè)工況的靜力學(xué)分析,得知橫梁與側(cè)梁連接部位和側(cè)梁端部即一系懸掛安裝位置是構(gòu)架剛度及強(qiáng)度最為薄弱之處?;谛熊?chē)安全的考慮,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)定及作業(yè)工藝流程進(jìn)行優(yōu)化,不斷提高機(jī)車(chē)安全性。
目前電力工程車(chē)日常整備作業(yè)流程中已經(jīng)包含轉(zhuǎn)向架部件檢查內(nèi)容,但未有針對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架薄弱之處的檢查,故在流程中加入橫梁與側(cè)梁連接部位和構(gòu)架上一系懸掛安裝座位置的檢查項(xiàng)目。每次作業(yè)前整備機(jī)車(chē)都能夠檢查確認(rèn)構(gòu)架薄弱之處的狀態(tài),以確保行車(chē)安全。
組織開(kāi)展電力蓄電池工程車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架專(zhuān)項(xiàng)隱患排查工作,針對(duì)整個(gè)構(gòu)架都進(jìn)行機(jī)械裂紋、變形等異常情況排查,重點(diǎn)檢查構(gòu)架的橫梁與側(cè)梁連接部位和構(gòu)架上一系懸掛安裝座位置,確保目前在用的機(jī)車(chē)構(gòu)架狀態(tài)良好。
電力蓄電池工程車(chē)全年維修保養(yǎng)劃分為系統(tǒng)修一、二、三、四,共計(jì)4 個(gè)季度維修,在維修保養(yǎng)技術(shù)文件中,走行部系統(tǒng)加入轉(zhuǎn)向架構(gòu)架檢修保養(yǎng)內(nèi)容,同時(shí)注明構(gòu)架的橫梁與側(cè)梁連接部位和構(gòu)架上一系懸掛安裝座位置進(jìn)行重點(diǎn)檢修,每年全面檢修一次。
轉(zhuǎn)向架是電力蓄電池工程車(chē)的重要部件,構(gòu)架則是轉(zhuǎn)向架組成中的主要承載件。本文通過(guò)三維軟件Solidworks 對(duì)電力蓄電池工程車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行建模,參照TB∕T 2368-2005《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法》與TB∕T 1335-1996《鐵道車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》,以及相關(guān)文獻(xiàn),采用ANSYS Workbench 有限元仿真軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評(píng)估計(jì)算,選取超常載荷模式共4 個(gè)組合工況,計(jì)算相應(yīng)的載荷數(shù)值及模擬條件,構(gòu)架進(jìn)行靜力學(xué)分析,校核構(gòu)架的安全可靠性,同時(shí)獲得各工況下構(gòu)架應(yīng)力應(yīng)變值最大的部件位置,分析得知構(gòu)架剛度及強(qiáng)度薄弱位置是側(cè)梁端部即一系懸掛安裝座位置;利用該分析結(jié)果,通過(guò)技術(shù)文件優(yōu)化、作業(yè)流程優(yōu)化等形式應(yīng)用于實(shí)際作業(yè)中,多維度確保機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架狀態(tài)良好。