機車車體結構模態有限元分析

劉暢

摘 要：隨著社會的不斷發展，軌道交通的安全性問題已經引起了人們的高度重視。本文主要分析機車走行部監測裝置運用中存在的問題及其對策研究，并通過機車車體結構有限元模態的建立來描述機車車體的振動模態，從中科學分析影響機車車體結構的影響因素，為機車結構的輕量化設計以及安全穩定運行提供良好的保障。

關鍵詞：機車車體;結構模態;問題;對策

機車走行部裝置是機車最重要的內在裝置之一，其走行部一旦出現故障，則會對機車的安全駕駛產生非常嚴重的影響。目前機車常見的走行部裝置主要包括JK00430型、JK11430型以及YZB-1型，他們可以對機車的故障問題進行有效地預測，對故障發生的原因以及位置做出合理的判斷，并采取有效地措施來防止事故的進一步擴大化，從而有效降低機車事故的發生概率，為機車的安全行駛提供良好的保障。在走行部監測裝置發現的機車故障中，多數故障都是由于振動而產生的危害，完善走行部監測裝置，同時分析機車車體振動機理，是保障機車運用安全，提升機車檢修質量的重要途徑。

機車車體的動態結構設計主要包括兩個方面，分別是結構振動特性設計以及結構振動響應設計。機車車體結構模態分析是實現機車結構振動特性的設計核心之一，在研究機車的動力學數據分析中扮演著非常重要的角色。我們可以通過建立完善的有限元力學模型，來實現機車本身的振動特性分析，從而為機車故障的預防和檢修工作提供必要的理論依據，為其新車的車體結構設計奠定夯實的基礎。

1 機車走行部檢測裝置運用中存在的問題以及對策研究

目前，機車走行部檢測裝置運用中主要存在以下幾個問題：其一，機車走行部檢測裝置缺乏語音提示;其二，工況屏只能顯示溫度信息，不能顯示沖擊信息;其三，標準化的司機室工況屏的以及菜單界面沒有實時軸溫顯示，需要人工切換到三級菜單才能看到;其四，一些機車主機安裝在低壓電氣柜，或者操縱臺底箱中，當運行噪音過大以及司機室后門關閉時，司機很難聽到蜂鳴報警器報警[1]。這些現實存在的問題都會在一定程度上影響機車的安全駕駛，進一步增加駕駛過程中的風險系數。針對上述問題，一是要完善管理制度，形成閉環狀多層級的系統分析管理模式，設置預警值、報警值和反饋值的三級安全體系，通過體系的完備，使每一環節的操作互相監督、互相補充做到安全保障萬無一失的效果;二是要提高維修人員的專業維修水平，只有這樣才能及時、正確的發現問題進而解決問題，更好的排查出機車內部潛在的安全隱患;三是將安全的作業準則納入到乘務員考核指標中來進行考核。通過這種制度的建立，使乘務員對自己崗位的安全職責進行有效的防護。

2 車體有限元力學模型的建立

2.1 車體結構特點

在機車車體結構的設計過程中，大型板、梁采用空間框架式全鋼焊接結構是最常見的機車車體設計方式，其車內的設備布置呈現非對稱性的特點，因而在具體的模型分析中采取整個車體作為研究對象;在車體模型試驗過程中，我們主要分析機車運行過程中的柴油機、液壓傳動裝置、空氣壓縮機、冷卻風扇以及傳動軸等高頻振源對機車安全運行的影響，通過科學合理的模態計算來得出車體的固有頻率以及振型，從而為機車的科學化設計提供必要的理論指導，不斷提高機車運行的安全系數，為人們提供更為優質的出行體驗[2]。

2.2 建立有限元模型

建立有限元模型其目的在于通過對車體結構以及受力特性的合理分析，從而得到更為理想的實體模型計算分析結果。在建立機車有限元模型時，我們要結合機車的自身特征，深入分析其結構受力，通過對實體模型的數據計算來實現機車實體模型的數據分析與處理。在具體實施中，要采取合理的措施來對機車的連接部位進行較為準確的結構模擬，對于一些非重要部件，可以結合實際情況對其進行必要的簡化處理，然后通過對車體整體離散后進行相應的特征分析，從而得出前幾階特征振動模態的數據分析。此外，由于機車車體具有明顯的三維空間結構，因而我們要正確地對其施加約束，從而為動力結果的科學化分析奠定夯實的基礎。我們通過對有限元模型的合理分析，可以很直觀地認識到模型的受力情況，從而對零件的設計、材料的選擇以及其它因素對機車運行過程中的影響進行合理的分析，為機車的安全運行提供良好的保障。

機車車體結構模態有限元分析主要包括以下幾個方面，分別是創建有限元模型、施加載荷進行求解以及查看求解結果;創建有限元結構模型主要包括制定文件名和文件標題、創建讀入幾何模型、定義單元類型、定義單元常數、定義材料屬性以及有限元的網格劃分;施加載荷進行求解包括施加載荷、邊界條件和進行求解計算;查看求解結果主要包括對于計算結果的觀察、分析以及檢驗[3]。車架模型建立主要包括車軸模型建立和車輪模型建立。在模型的建立過程中，為了有效減少局部應力的集中性，我們還應該根據實際需求去掉一些無關緊要的東西。在機車的運行過程中，其構架載荷根據機車的運行情況主要可以分為靜態載荷和動態載荷，靜態載荷在機車的運行過程中其數值和方向都處于一個靜止不變的狀態，而動態載荷的數值和方向則會隨著機車運行時間的長短，而處于一個不斷變化的動態過程之中;因此我們在具體的有限元力學模型構造工作中，要充分考慮到二者之間的異同點，根據機車運行的實際情況對各種極限載荷進行科學合理的模擬，從而有效預測出架構設計的合理性，為機車安全運行提供重要的理論支持，切實提高機車運行過程中的安全系數[4]。

3 結束語

機車有限元力學模型的建立，是科學分析機車結構振動的有效措施之一，也是機車安全運行的重要保障。在機車的故障檢修以及結構設計過程中，有限元力學模型的建立為它們提供了科學合理的數據支持，對分析機車外載荷下的動態響應以及穩定性有著非常重要的作用，是當前被廣泛使用的機車數據分析方法，為不斷促進了機車行業的發展和壯大奠定了夯實的基礎，也為廣大群眾提供了更為安全舒適的出行體驗。

參考文獻：

[1]廣德強.CKD0A型內燃機車車體設計及有限元分析[D].大連理工大學，2018.

[2]王肇凱.CKD9D型內燃機車車體結構設計及有限元分析[D].大連理工大學，2018.

[3]趙磊.內燃機車車體結構的強度與疲勞分析[D].大連理工大學，2015.

[4]高亞楠.30T軸重機車主要部件試驗模態分析的研究[D].北京交通大學，2015.