機車車體強度計算中載重約束處理分析

孫健

摘 要：在處理和分析機車車體強度計算載重約束的工作中，運用傳統(tǒng)的計算方法有一定局限性，需要對傳統(tǒng)的計算方法加以改進，基于此，本文分析機車車體強度計算中載重約束處理相關(guān)問題，從載荷工況、有限元與仿真、垂向動載荷、靜強度評價四方面入手進行總結(jié)，以供參考。

關(guān)鍵詞：機車載荷;強度計算;垂向動載荷

引言：在處理機車車體強度載重約束相關(guān)問題時，會采用相應標準上的處理方法，保證載荷能均勻分布在整個地面上，事實上這種計算方法嚴格說起來并不合理，主要是因為安裝設(shè)備不是都處于底架表面。需嘗試運用新的處理方法，對傳統(tǒng)的計算方法加以優(yōu)化。

一、機車載荷、工況多種多樣

機車在使用的過程中所產(chǎn)生的載荷和工況多種多樣，其中有8個比較重要。分別是靜載荷、壓縮載荷、牽引座考核、運行牽引、整體起吊、救援的兩種情況、扭轉(zhuǎn)。在建立汽車結(jié)構(gòu)件三維數(shù)字化模型的工作中，要有標準的汽車設(shè)計規(guī)范為指導，會用到汽車構(gòu)造、設(shè)計、制造工藝學有關(guān)知識。就三維數(shù)字化模型和有限元分析的幾何模型而言，兩者之間有著不同的側(cè)重點，相互之間有一定區(qū)別，同時也存在著某種聯(lián)系。其中三維數(shù)字化模型的側(cè)重點是可制造性，要保證每個結(jié)構(gòu)都有比較清楚的定義，而有限元分析的幾何模型則更看重結(jié)構(gòu)力學特性，更為關(guān)注一些會對安全產(chǎn)生影響的位置[1]。比如汽車驅(qū)動橋殼，其組成有半軸套管、橋殼本體、后橋蓋總成、后制動底板固定法蘭、鋼板彈簧固定座總成。簡化3D實體模型，并將模型信息導入到ANSYSWorkbench，之后才能進行有限元分析。汽車零件數(shù)以萬計，這些構(gòu)件的形狀各不相同，完成連接和支承也有多種多樣的形式，受力載荷和受力傳遞也有多種形式。建立有限元可進行動態(tài)分析，也能進行靜態(tài)分析，但是建立模型的過程是非常復雜的。

二、機車車體強度計算有限元與仿真

分析載重約束處理，將整車車體作為研究對象，并進行有限元分析，模擬的對象是某型吊車內(nèi)燃機車車體結(jié)構(gòu)。建立有限元模型，會忽略一些因素，這些因素會對加工產(chǎn)生一定的影響。在車體結(jié)構(gòu)中，只有緩沖座鑄鋼件采用的是10節(jié)點的四面體單元，其他的離散都用到了四邊形板單元。在模擬焊縫時，是按照焊縫處節(jié)點重合的形式進行。在確定設(shè)備重量時，要依據(jù)重心和安裝座的位置進行，從而科學設(shè)置每個安裝座位置的受力情況，運用質(zhì)量單元的形式，并設(shè)置在相互對應的質(zhì)量節(jié)點上，在此期間不會考慮到結(jié)構(gòu)件的具體幾何形狀。該有限力學模型在離散之后，單元數(shù)量達240959個，節(jié)點數(shù)量為346451個。在設(shè)計機車車體的工作中，除了要滿足強度和剛度的要求外，進行碰撞實驗也很有必要。研究工程力學和汽車理論相關(guān)知識，能保證汽車結(jié)構(gòu)具有合理的強度和剛度，在此基礎(chǔ)上科學分析汽車所受載荷。在計算和評價機車結(jié)構(gòu)強度和剛度的工作中，會用到FEM有關(guān)知識。機車結(jié)構(gòu)所受載荷是非常復雜的，分析汽車結(jié)構(gòu)所受載荷要做到全面客觀，建立四輪汽車模型，建立汽車坐標系，探究機車的彎曲情況，有些載荷是由部件質(zhì)量引起的，主要是作用在垂直的平面上，分布于汽車車架方向上，會在垂直方向上產(chǎn)生彎矩。

三、分析機車動作所產(chǎn)生的垂向動載荷

機車振動會引起附加載荷，在研究附加載荷時，將垂向動載荷的系數(shù)設(shè)置為0.3，垂向動載荷會與靜載荷同時作用在車體上。機車在制動時就會產(chǎn)生縱向載荷，主要作用在輪胎與地面的接觸點上，也就是地面制動力和慣性力。在分析機車分析機車載重約束處理時，還需要分析汽車的扭轉(zhuǎn)情況。扭轉(zhuǎn)主要是由路面不平、不對稱支承所產(chǎn)生。此時作用在同一車軸兩車輪且沿豎直方向上的力就是不相等的，機車就會有沿縱向X軸轉(zhuǎn)動的趨勢。比如某實驗中，機車所產(chǎn)生的縱向壓縮力是在車鉤的中心高度上，大小為1960KN，主要是作用在后從板座上。縱向拉伸力也是一種縱向水平載荷，在某次實驗中縱向拉伸力的大小時1470KN，受力主要是前從板座[2]。牽引力較為集中，主要的受力部位是牽引座，在某次實驗中，起動牽引力的大小是480.9KN，持續(xù)牽引力的大小是341.7KN。在機車行駛的過程中，始終有重力的存在，因此需要同時考慮到彎矩和扭矩。

四、機車靜強度的評價

運用第四強度理論導出的等效應力來評價機車的靜強度，此等效應力不應該超過相應計算工況的許用應力。在不同的應力狀態(tài)下，材料不發(fā)生破壞，就要滿足相應的條件。計算得到相應的結(jié)果，并比較結(jié)果。不管采取哪種處理方式，都要保證能夠滿足相應的強度要求。處于壓縮工況和救援工況下，所選材料的許用應力應該接近最大應力，從實際情況來看，出現(xiàn)最大應力的位置也比較固定。運用這兩種處理方式，各個工況節(jié)點的最大應力差值較小，差值為0.5%，大約為0.302MPa，對此應使用較大的節(jié)點應力，但是也存在著相反的工況。在評定車體強度時，需要加大材料的密度，來有效處理機車載重，采取這種方式，比均布載荷處理更簡單。實驗布設(shè)了兩種救援工況、垂向靜載工況、運行牽引工況，會發(fā)生車體底架最大變形和中梁變形的情況。就變形值而言，除了牽引工況外，其他三種工況，變形值比較小，相互之間的差值不到0.1%。而中梁的變形相差值則比較大，但數(shù)值也不會超過0.5%。

五、總結(jié)

綜上所述，實現(xiàn)機車車體強度計算中載重約束的科學處理，要意識到機車載荷、工況多種多樣，做好機車車體強度計算有限元與仿真工作，采取規(guī)范的步驟分析機車動作所產(chǎn)生的垂向動載荷，合理評價機車靜強度。在日后還需要采取更多新的載重處理方法，更好接近實際情況。

參考文獻：

[1]金希紅，曾燕軍，王泰.基于線路實測動應力譜的重載電力機車車體疲勞壽命預測[J].重慶理工大學學報（自然科學），2020，34（01）：44-50.

[2]寇懷東.電力機車車體耐沖擊性情況分析[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（29）：69-70.