某低速調車機車靜強度、模態計算分析

馬天逸

摘 要：以一種低速調車機車為對象，利用ANSYS軟件建立車體結構的有限元模型，根據EN12663-1標準確定車體結構靜強度載荷工況，評估車體結構的剛度、靜強度和模態頻率。計算結果表明，車體結構的靜強度、剛度均達到設計要求。

關鍵詞：低速調車機車;有限元分析;靜強度;模態分析

一、結構設計總體特點

本文設計的機車為底架承載結構，底架是車體的主要承載部件，承受車體結構自重和車內及車體下安裝設備質量及其各向振動產出的載荷、列車的牽引力和制動力，其主要由牽引梁、中梁、側梁、枕梁和油箱梁等組成。底架分為前端部、后端部、中梁、牽引橫梁、邊梁、底架附件等幾大部分組成，主要結構材質均采用Q345E鋼。

二、靜強度分析

（一）有限元模型

在計算模型的建立中，充分考慮了各部分連接的真實情況。車體結構的薄板采用殼單元進行離散。本文機車為底架承載結構，為簡化計算過程，靜強度、疲勞強度僅使用底架進行計算，模態分析使用整體車體進行計算。

（二）計算工況與載荷

按照EN12663-1：2010標準要求，下面列出了9個靜強度計算工況及說明。

（1）垂直靜載工況：作用載荷主要包括柴油機、燃油箱、電氣設備、蓄電池、制動裝置、冷卻裝置等車上設備重量，車體自重以及各管、線等分布載荷。約束點為4個旁承座。

（2）垂直動載工況：作用載荷為垂直靜載工況的全部垂直載荷。約束點為4個旁承座。為考慮機車運行時所產生的振動對強度的影響，所有垂直載荷均需乘動載系數kd，取kd=1.3。

（3）縱向壓縮工況：作用載荷：（1）相向作用于底架兩端牽引梁內從板座處的1470 kN縱向壓縮力;（2）垂直靜載工況的全部垂直載荷。約束點為4個旁承座。

（4）拉伸工況：作用載荷：（1）計算載荷為作用于底架兩端牽引梁外從板座處的、相互拉伸的980kN縱向拉伸力;（2）垂直載荷工況的全部垂直載荷。約束點為4個旁承座。

（5） I位端救援工況：作用載荷為垂直載荷工況的全部垂直載荷和脫軌的后轉向架重量。全部垂直載荷需乘動載系數kd，取kd=1.1。約束點共4個：I位端兩個救援吊座處，II位端兩個旁承座下的橡膠堆下平面。

（6） II位端救援工況：作用載荷為垂直靜載工況的全部垂直載荷和脫軌的后轉向架重量。全部垂直載荷需乘動載系數kd，取kd=1.1。約束點共4個：II位端兩個救援吊座處，I位端兩個旁承座下的橡膠堆下平面。

（7） 機車整體起吊工況：作用載荷為垂直靜載工況中的全部垂直載荷和兩個轉向架的總重量;約束點為4個救援吊座。

（8） 架車工況：作用載荷為垂直靜載工況中的全部垂直載荷和兩個轉向架的總重量;約束點為4個架車位。

（9） 扭轉工況：作用載荷為垂直靜載工況中的全部垂直載荷和40KN？M扭矩;約束點為對角兩個旁承座。

（三）靜強度分析結果

（1）垂直靜載工況：垂直載荷工況下底架的最大下撓產生在I位端操作室地板，其值為Wmax=-1.00 mm;垂直載荷工況下底架的最大應力產生在中梁與牽引梁腹板相交的應力集中處，其值為σmax=33.44 MPa。

（2）垂直動載工況：垂直載荷工況下底架的最大下撓產生在其中部，其值為Wmax=-1.30 mm;垂直載荷工況下底架的最大應力產生在中梁與牽引梁腹板相交的應力集中處，其值為σmax=43.48 MPa。

（3）縱向壓縮工況：壓縮工況下底架的最大應力產生在車鉤座尾部，與蓋板相交的應力集中處，其值為σmax=159.29 MPa。

（4）縱向拉伸工況：拉伸工況下底架的最大應力產生在車鉤座尾部，與蓋板相交的應力集中處，其值為σmax=77.36 MPa。

（5）I位端救援工況：救援工況下底架的最大應力產生在Ⅰ端救援吊孔座內側腹板，其值為σmax=69.16 MPa。

（6） II位端救援工況：救援工況下底架的最大應力產生在II端救援吊孔座內側腹板處，其值為σmax=64.00 MPa。

（7）機車整體起吊工況：整體起吊工況下底架的最大應力產生在Ⅰ端救援吊孔座內側腹板處，其值為σmax=83.81 MPa。

（8）架車工況：整體起吊工況下底架的最大應力產生在底架邊梁架車位的側面腹板與地面架車位相連處，其值為σmax=74.12 MPa。

（9）扭轉工況：整體起吊工況下底架的最大應力產生在I位端旁承座翻邊處，其值為σmax=62.01MPa。

三、模態分析

為了避免整備狀態下重載電力機車車體的自振頻率與轉向架的固有頻率太接近而引起共振，需要對機車車體進行模態分析。為充分考慮車體剛度，本節使用車體整體結構進行自由模態分析。

（一）模態分析工況

表2列出了結構振動模態計算工況及說明

（二）模態分析結果

表3為車體整備狀態較為明顯的振動模態。

四、計算結果

（一）驗收標準

（1）剛度、靜強度計算：車體在垂直動載工況中，邊梁中點垂向撓度必須小于或等于定距的1/1000。強度評價根據EN12663-1：2010的規定校核，具體如表6所示。

（2）振動模態頻率計算：通過車體模態分析說明車體在5至40赫茲頻率范圍內車體振動形式的特性，要求整備狀態車體一階彎曲自振頻率避開轉向架點頭和浮沉振動頻率。

參考文獻：

[1] 龔積球. 戴繁榮，黎冠中. 機車強度計算〔M〕. 北京：中國鐵道出版社，1986.

[2] TB/T2541-1995《內燃、電力機車車體靜強度試驗方法》

[3] TB/T1335-1996 鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范