列車用排障器靜動態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)*

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(1.株洲聯(lián)誠集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南株洲412001；2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南株洲412007)

0 引言

圖1 列車用排障器焊縫開裂實(shí)圖

列車運(yùn)行速度快，對安全性要求較高，為防止因軌道障礙物導(dǎo)致列車出軌，引發(fā)安全事故，故列車車輪前方需設(shè)置排除障礙物的裝置，即排障器。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對列車用排障器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，大連交通大學(xué)的李婭娜等人針對動車組排障器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其材料力學(xué)性能進(jìn)行接觸非線性強(qiáng)度計(jì)算，給出應(yīng)力分布并驗(yàn)證其正確性[1]。中國鐵路總公司的安治業(yè)等人對列車用轉(zhuǎn)向架排障器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹及優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。株洲電力機(jī)車有限公司的胡坤鏡，袁文輝對客運(yùn)機(jī)車排障器進(jìn)行了強(qiáng)度分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)[3]。中車大同電力機(jī)車有限公司的張紅霞等人，通過有限元分析計(jì)算，簡化了30 t軸重交流傳動貨運(yùn)電力機(jī)車排障器的結(jié)構(gòu)[4]。今創(chuàng)集團(tuán)技術(shù)開發(fā)中心的姜翠香則對引進(jìn)的200 km/h動車組前頭排障裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析[5]。吉林大學(xué)的崔城瑋等人通過對某地鐵線路車輛排障器的動應(yīng)力及加速度分析處理得到排障器的加速度功率譜，并以此作為輸入條件，對排障器進(jìn)行隨機(jī)振動疲勞分析[6]。 某型貨運(yùn)列車排障器運(yùn)行一段時間后發(fā)現(xiàn)局部支座位置出現(xiàn)裂紋(圖1)，為解決列車用排障器開裂問題，本文以某貨運(yùn)列車用排障器為研究對象，運(yùn)用有限元方法對排障器進(jìn)行靜動態(tài)分析，找出失效原因，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，達(dá)到列車運(yùn)行要求。

1 列車用排障器幾何模型

本文運(yùn)用UG三維建模軟件對列車用排障器進(jìn)行三維建模，如圖2。為了便于在hypermesh有限元分析軟件中進(jìn)行加載分析，對列車用排障器做出了適當(dāng)?shù)暮喕雎粤艘徊糠植挥绊懹?jì)算精度的細(xì)節(jié)特征，如工藝孔和倒角等。

2 列車用排障器的靜動態(tài)分析

2.1 排障器網(wǎng)格劃分

圖2 列車用排障器三維模型

圖3 列車用排障器網(wǎng)格模型

將列車用排障器的三維實(shí)體模型導(dǎo)入hypermesh中，對其進(jìn)行單元離散化處理，接地座材料為1Cr18Ni9Ti，其材料彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度取為7.9 g/cm3；除接地座以外的材料均為16MnDR，其彈性模量206 GPa，泊松比為0.3，密度為7.85 g/cm3。綜合考慮劃分網(wǎng)格的時間及計(jì)算效率和精度問題，采用低階體單元模擬各種不同厚度的鋼板，并對吊座頂部添加約束，限制其沿XYZ三個方向的轉(zhuǎn)動自由度及移動自由度。由于忽略排障板與排障支撐板之間的接觸變形將其連接近似視為剛性連接，故排障板與排障支撐板之間的焊縫用rigid剛性單元模擬，對于接地座質(zhì)心位置采用Mass單元進(jìn)行模擬。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663《鐵路應(yīng)用鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求第1部分機(jī)車與客運(yùn)車輛》中6.6.4的要求，應(yīng)對排障器施加加速度載荷，具體為：x方向±0.15 g，y方向±0.2 g，z方向(1±0.25)g，感應(yīng)線圈及座子重量10 kg，節(jié)點(diǎn)數(shù)為52426，單元數(shù)為29824個，其網(wǎng)格有限元模型和邊界條件如圖3所示。 圖中，藍(lán)色部分為約束，綠色部分為質(zhì)量點(diǎn)，紅色部分為剛性rigid單元。

2.2 靜力學(xué)分析結(jié)果

通過hypermesh有限元計(jì)算分析得到列車用排障器靜態(tài)位移云圖和應(yīng)力云圖，由靜態(tài)分析位移云圖可知，其位移最大變形量為1.245 mm，發(fā)生在列車用排障器的接地座底部位，整個接地座較其它構(gòu)件發(fā)生明顯位移，如圖4。如圖5，由應(yīng)力云圖可知其最大應(yīng)力為24 MPa，發(fā)生在吊座支撐板與接地座的連接位置底部，這主要是因?yàn)槠溥^渡連接處存在應(yīng)力集中，造成局部區(qū)域出現(xiàn)高應(yīng)力。但是，接地座材料的許用應(yīng)力為120 MPa，接地座的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用值，故初步判斷該位置的結(jié)構(gòu)失效不屬于強(qiáng)度失效。

圖4 靜力分析位移云圖 圖5 靜力分析應(yīng)力云圖

2.3 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析包括自由模態(tài)和約束模態(tài)兩大類，其中約束模態(tài)需要考慮結(jié)構(gòu)本身、約束以及實(shí)際運(yùn)動情況；約束不同，安裝不同，模態(tài)結(jié)果也不一樣。本文進(jìn)行的排障器模態(tài)分析主要考慮邊界條件作用下的動態(tài)特性，故通過Lanczos方法對列車用排障器進(jìn)行約束模態(tài)分析，取前六階模態(tài)頻率及振型，圖6為一階模態(tài)振形云圖，前六階模態(tài)頻率如表1。

圖6 一階模態(tài)振形云圖

由表中可知排障器一階頻率為16.868 Hz，而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663《鐵路應(yīng)用鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求第1部分機(jī)車與客運(yùn)車輛》得知，當(dāng)車速接近100km/h時，排障器激勵頻率范圍為10 Hz～25 Hz。

表1前六階模態(tài)頻率

故根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果判斷，其一階固有頻率與列車激勵頻率可能接近而發(fā)生共振。

2.4 頻率響應(yīng)分析結(jié)果

為進(jìn)一步分析排障器失效原因，擬開展頻率響應(yīng)分析。頻率響應(yīng)分析可以確定結(jié)構(gòu)在正弦交變載荷作用下的模態(tài)響應(yīng)和分析周期變化載荷對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的周期性變化響應(yīng)。頻率響應(yīng)分析反映的是結(jié)構(gòu)固有特性，其只與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度、阻尼特性有關(guān)，與載荷大小無關(guān)。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，設(shè)計(jì)人員可以分析結(jié)構(gòu)的動力特性，從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，克服共振和受迫振動對結(jié)構(gòu)帶來的有害影響。另外，振動系統(tǒng)中都存在著阻尼，其主要作用是轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的能量。結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的結(jié)果與阻尼系數(shù)的設(shè)定有很直接的關(guān)系。一般結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)在0.01～0.15之間，本文設(shè)定阻尼系數(shù)為0.01。本文在質(zhì)量點(diǎn)位置施加頻率范圍為1 Hz～50 Hz的垂直方向的單位力載荷，得到的單位載荷下左右支座危險點(diǎn)的位移和等效應(yīng)力頻率響應(yīng)曲線如圖7和圖8所示。從中不難看出，激勵頻率與排障器一階固有頻率接近，排障器支座上產(chǎn)生的位移和應(yīng)力響應(yīng)劇增，這會造成局部位置發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致破壞。

圖8 應(yīng)力頻率響應(yīng)分析結(jié)果

3 排障器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于以上分析結(jié)果，針對排障器的薄弱位置，擬采用提高結(jié)構(gòu)剛度和改變結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布的方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)性能，保證列車運(yùn)行安全。改進(jìn)方案包括兩部分：一，在兩個接地座和排障板之間分別焊接10 mm厚的鋼板，加強(qiáng)接地座的承載能力；二，在兩個吊座中部非承載位置分別開兩個160 mm×160 mm的減重孔，改變質(zhì)量分布，提高一階振動頻率。對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動態(tài)特性分析，靜力分析位移云圖、應(yīng)力云圖和一階模態(tài)振形云圖，分別如圖9、圖10和圖11所示，前六階振動頻率見表2。

圖9 改進(jìn)后排障器靜力圖10 改進(jìn)后列車用排障 分析位移云圖 器靜力分析應(yīng)力云圖

圖11 改進(jìn)后排障器一階模態(tài)振型云圖

表2改進(jìn)后排障器前六階模態(tài)頻率

從圖9和圖10可以看出，接地座加強(qiáng)后，最大位移為0.99mm，最大等效應(yīng)力為18.77 MPa，出現(xiàn)的位置均未發(fā)生變化，但是兩者均下降20.5%和21.8%。同時，根據(jù)表2改進(jìn)后排障器模態(tài)頻率分析結(jié)果來看，一階固有頻率提高了61.3%，其他階次的頻率均得到提高。不難看出，改進(jìn)后的排障器靜動態(tài)特性均得到改善，為列車排障器的安全可靠運(yùn)行提高了一種解決方案，充分保證了排障器的工作性能。

4 結(jié)論

本文針對某型貨運(yùn)列車用排障器局部位置開裂問題，開展了排障器靜動態(tài)特性分析，通過分析發(fā)現(xiàn)排障器開裂部位最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力；進(jìn)而結(jié)合排障器模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析得出載荷激勵頻率與一階固有頻率可能接近，初步判斷排障器出現(xiàn)裂紋屬于振動失效，并提出了一種排障器結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。通過對改進(jìn)后的排障器進(jìn)行靜動態(tài)特性分析，發(fā)現(xiàn)接地座最大位移和最大等效應(yīng)力分別下降了20.5%和21.8%，一階模態(tài)頻率提高了61.3%，改善效果顯著，這為提高排障器的結(jié)構(gòu)性能提供了一種可行的解決方案。