鋼軌探傷車上提邊梁式H型梁探輪承載機構強度分析

馬運忠

（中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081）

鋼軌探傷車上提邊梁式H型梁探輪承載機構強度分析

馬運忠

（中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081）

GTC-80鋼軌探傷車采用進口的H型梁探輪承載機構，存在更換探輪時操作空間不足的問題。設計了一種上提邊梁式H型梁探輪承載機構，有效增大了更換探輪時的操作空間。目前國內(nèi)外均沒有針對上提邊梁式H型梁探輪承載機構強度計算的規(guī)范，因此，基于進口H型梁探輪承載機構的振動加速度測試數(shù)據(jù)，確定了上提邊梁式H型梁探輪承載機構的荷載工況和邊界條件，并采用有限元軟件ANSYS對該承載機構的強度進行了計算。計算結果表明該承載機構的強度滿足要求。

上提邊梁式H型梁；探傷車；強度分析

上提邊梁式H型梁探輪承載機構通過異形軸箱蓋連接于二軸轉(zhuǎn)向架的4個軸箱。該機構由上提邊梁組件、橫梁組件、探輪動作單元等組成，與進口H型梁探輪承載機構相比，在保持轉(zhuǎn)向架結構不變的基礎上最大程度地提高了邊梁組件，增大了探輪維修和更換時的操作空間，以便于檢測設備維護。

文獻［1］對安全綜合檢測車軌道檢查梁的結構開展了設計研究，建立加裝軌檢梁的安全綜合檢測車整車動力學模型，從H型梁的組成和連接方式等角度比較了不同的軌檢梁結構形式對安全綜合檢測車通過曲線時動力學性能的影響。文獻［2］制定了軸箱體強度計算的荷載條件和工況組合，并以推演的EN13749標準為指導，對某機車軸箱體的靜強度和疲勞強度進行了校核。文獻［3］對CRH2動車組拖車輪對軸箱強度進行了分析，分別按照UIC615-4和JISE4207標準，在疊加不同工況計算結果的基礎上，對比分析了其結構強度。文獻［4］開展了高速貨車轉(zhuǎn)向架設計和構架強度校核工作，參考UIC510-3并結合TB/T 1335—1996綜合評定焊接構架式貨車轉(zhuǎn)向架的強度。以上研究均未涉及到基于二軸轉(zhuǎn)向架4個軸箱安裝車載設備的強度校核。

1　結構及材料特性

1.1結構

上提邊梁式H型梁探輪承載機構結構見圖1。上提邊梁組件和橫梁組件的連接均考慮了轉(zhuǎn)向架運行限制，具備的自由度滿足轉(zhuǎn)向架運行要求，其工作原理如圖2所示。其中，上提邊梁組件連接二軸轉(zhuǎn)向架的同側(cè)異形軸箱蓋，由上提邊梁、球副、移動副等組成；橫梁組件連接兩側(cè)上提邊梁，由橫梁、球副、移動副等組成；探輪動作單元等安裝在橫梁上，滿足探傷車檢測所需的探輪傾角調(diào)整、橫向?qū)χ小⒋瓜蛏档葎幼餍枨蟆?/p>

圖1　上提邊梁式H型梁探輪承載機構結構

圖2　上提邊梁式H型梁探輪承載機構工作原理示意

1.2材料特性

上提邊梁式H型梁探輪承載機構的主要部件材料特性見表1。

表1　主要部件材料特性

2　強度分析

2.1邊界條件及荷載工況

針對上提邊梁式H型梁探輪承載機構的結構特點，在建立有限元模型時，上提邊梁、橫梁等部件單獨建模，通過對螺栓施加預緊力、設置接觸等方式連接各個部件。采用實體模型建模，并采用六面體20節(jié)點三維單元和四面體10節(jié)點三維單元進行離散。計算模型中節(jié)點總數(shù)為1 747 625個，單元總數(shù)為1 010 837個。

上提邊梁式H型梁探輪承載機構的自重以均布方式加載，探輪動作單元的垂向荷載以面力的形式作用于橫梁安裝處，運營荷載及沖擊荷載以加速度形式作用于整體結構，對連接螺栓施加預緊力、設置接觸等方式連接各個部件，異形軸箱蓋4個螺栓孔采用固定約束。模型邊界條件如圖3所示。

基于進口H型梁探輪承載機構振動加速度的測試數(shù)據(jù)，確定了上提邊梁式H型梁探輪承載機構的荷載工況，見表2。

圖3　邊界條件

表2　荷載工況

2.2強度評價

2.2.1超常荷載

上提邊梁式H型梁探輪承載機構在超常荷載作用下的強度按照材料的屈服極限來評價，在超常荷載作用下產(chǎn)生的最大應力不應超過材料屈服極限，即σe≤σs。

上提邊梁式H型梁探輪承載機構在超常荷載作用下最大應力分布見圖4。上提邊梁和橫梁最大應力為158.92 MPa，在橫梁端部焊接處。上提邊梁與橫梁連接板最大應力為256.54 MPa，在連接板螺栓孔處。異形軸箱蓋最大應力為261.32 MPa，在異形軸箱蓋端部連接處。計算所得應力值均未超過各部件材料的屈服極限。

圖4　超常荷載下最大應力分布

2.2.2運營荷載

上提邊梁式H型梁探輪承載機構在運營荷載作用下的強度按照材料的許用應力來評價，在運營荷載作用下產(chǎn)生的最大應力不應超過材料許用應力，即σe≤［σ］。

上提邊梁式H型梁探輪承載機構在運營荷載作用下的最大應力分布見圖5。上提邊梁和橫梁最大應力為88.837 MPa，在橫梁端板螺栓孔處。邊梁與橫梁連接板最大應力為143.07 MPa，在連接板螺栓孔處。異形軸箱蓋最大應力為145.08 MPa，在異形軸箱蓋端部連接處。計算所得應力值均未超過各部件材料的許用應力。

2.2.3疲勞荷載

上提邊梁式H型梁探輪承載機構在疲勞荷載作用下應能承受6×106次循環(huán)，其疲勞壽命見圖6。由圖可知，探輪承載機構最低疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)為7.17×106次，滿足要求。

圖5　運營荷載下最大應力分布

圖6　疲勞荷載作用下的疲勞壽命

3　結論

目前國內(nèi)外針對鋼軌探傷車上提邊梁式H型梁探輪承載機構的強度校核尚無可借鑒的規(guī)范。本文基于進口H型梁探輪承載機構振動加速度的測試數(shù)據(jù)，確定了上提邊梁式H型梁探輪承載機構的邊界條件和荷載工況，并采用有限元計算軟件ANSYS對其強度進行了分析，獲得了超常荷載、運營荷載以及疲勞荷載下的強度。計算結果表明，上提邊梁式H型梁探輪承載機構強度滿足要求。

［1］周勁松，陸正剛，楊國楨.安全綜合檢測車軌道檢查梁結構設計研究［J］.中國鐵道科學，2001，22（6）：13-16.

［2］肖守訥，楊冰，楊冰，等.EN 13749標準在機車軸箱體強度分析中的推演應用［J］.機車電傳動，2012（2）：38-41.

［3］楊繼震.CRH2動車組拖車輪對軸箱強度分析［D］.北京：北京交通大學，2007.

［4］劉均.高速貨車轉(zhuǎn)向架結構設計及構架強度分析［D］.重慶：重慶大學，2006.

Strength Analysis of Lifted Side Beam-type H-shaped Frame as Bearing Structure of Rolling Search Unit on Rail Flaw Detection Car

MA Yunzhong
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Rolling Search Unit（RSU）on GT C-80 Rail Flaw Detection（RFD）car is installed on the imported H-shape frame.It is difficult to replace RSU as to limited space under H-shape frame.A lifted side beam-type H-shape frame was designed to solve the problem.No existing standards or rules are suitable for calculating strength of the lifted side beam-type H-shape frame.Based on the accelerator test data of imported H-shape frame，this article provided a solution including load condition and boundary condition for strength calculation of lifted side beam-type H-shape frame，and calculated the strength with ANSYS.T he result shows that the strength meets requirements.

Lifted side beam-type H-shape frame；RFD car；Strength analysis

U216.65

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.32

1003-1995（2016）09-0127-03

（責任審編李付軍）

2016-02-04；

2016-03-07

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（2015G003-A）

馬運忠（1983—），男，助理研究員，碩士。