一種重載平車的小底架結構分析

摘?要：本文介紹了重載平車小底架結構組成，以鐵道標準中的工況作為指導分析標準，通過數值分析，優化結構和材料，在設計空間小、載重質量大的情況下，最大程度地利用結構形式，得到了滿足設計需求的底架結構。本文介紹了有限工具在小底架設計中的應用，并給出了相應的標準引用、評價體系和一般的設計計算規范。

關鍵詞：小底架;結構仿真;剛度;強度

重載平車小底架是為了將車體及其載重貨物均分在走形部件上的一個中間結構，如圖1所示。整車有兩個小底架，上下芯盤均采用球形芯盤、襯墊結構，將力傳遞到兩個四軸轉向架，最后均布在每一根車軸上。

1?小底架結構簡介

小底架采用Q420C作為主要結構材料，使用板材厚度有16mm、20mm、30mm及40mm等厚度，小底架主要承載縱梁為拼焊箱型結構，其中上蓋板由三段組成，下蓋板為整體折彎件，中部承載部（芯盤）兩側設計翼梁作為輔助支撐和轉向作用;兩端與轉向架連接部與中部設計相似，翼梁為小箱梁結構，如圖2所示。

小底架設計參數。重載平車小底架承載結構，由底架鋼結構、上芯盤、下芯盤、圓柱棍子旁承組成。小底架承載都集中在球芯盤上，旁承為間隙旁承，只有在轉彎時輔助轉動的作用，根據設計要求在轉彎時旁承承載力以芯盤承重的30%校核。

重載平車小底架主要技術參數：

小底架長度：6500mm。

小底架芯盤距：5790mm。

小底架寬度：2130mm。

小底架自重：5.45t。

整車自重：60.6t。

載重：180t。

2?數值模型描述

2.1?結構離散

小底架整體結構采用殼單元建立有限元模型;上芯盤采用四面體實體單元，下芯盤采用六面體實體單元，上下芯盤采用接觸綁定的方式模擬與小底架的連接關系（上芯盤焊接形式，下芯盤螺栓連接）。

2.2?材料模型

根據TB/T13351996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》9.4規定，鋼制零部件采用下列材料機構性能：彈性模量：E=206000MPa，泊松比：u=0.3。

2.3?載荷計算

2.3.1?垂向靜載荷

垂向整備重量：240.6t。

2.3.2?垂向動載荷

按TB/T13351996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》6.2.1規定，垂向動載荷由垂向靜載荷乘以垂向動荷系數而定;垂向動荷系數：計算可得Kdy=0.190。

2.3.3?側向力

根據TB/T13351996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》6.3.3規定，在計算或試驗車體側梁、枕梁的強度時，可不施加側向力而以加大垂向載荷來考慮側向力的影響。垂向載荷增加數值：參照貨車取值為垂向靜載荷的10%，Kc=0.1。

2.3.4?縱向拉伸載荷

根據TB/T13351996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》6.5.2的規定，貨車輛縱向拉伸載荷取1125kN，根據芯盤設計，作用在上下芯盤的配合的柱面上。

2.3.5?縱向壓縮載荷

根據TB/T13351996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》6.5.2的規定，貨車縱向壓縮載荷取1400kN。根據芯盤設計，作用在上下芯盤的配合的柱面上。

2.4?計算工況

根據TB/T13351996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》進行加載，整備總質量60.6t（小底架承載重量）。

2.5?標準及評價體系

依據TB/T?13351996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》9.5.1，GT/T15912018《低合金高強度結構鋼》，金屬零件許用應力變換算，需滿足如下強度、剛度要求。

3?計算結果及分析

3.1?靜載工況

主要考察車體在靜載工況下的垂向變形，主車架中部最大垂向撓度為11.109mm，如圖4所示，位于小底架中間梁中部位置，小于11.94mm的許用變形量，滿足小底架設計剛度要求。

3.2?第一工況拉伸組合

車體在拉伸組合工況的應力分布，最大應力為2148MPa，位于小底架下蓋板折彎處的下表面，如圖5所示，低于256MPa的許用應力，滿足設計強度要求。

3.3?第一工況壓縮組合

小底架在壓縮組合工況的應力分布，最大應力為23232MPa，位于小底架下芯盤安裝附近第一個折彎處。如圖6所示，最大應力低于256MPa的許用應力，滿足設計強度要求。

3.4?第二工況

小底架在第二工況下的應力分布，最大應力264.27MPa。如圖7所示，最大應力低于347MPa的許用應力，滿足設計強度要求。

3.5?偏載工況

如圖8所示，偏載極限工況下的應力分布，最大應力位于下部支撐扭曲區域，為238.13MPa，低于256MPa的許用應力。

結論

采用Q420C高強度低合金軋制板材制造的小底架結構，其選用板材的許用應力滿足鐵道車輛載荷工況的要求，同時滿足車輛設計的極限偏載工況;其剛度設計滿足鐵道車輛結構設計許用撓度;小底架結構設計滿足鐵道車輛強度要求。

參考文獻：

[1]TB/T13351996，《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》[Z].

[2]GT/T15912018，《低合金高強度結構鋼》[Z].

作者簡介：鄭星（1986—?），男，漢族，陜西榆林人，碩士，工程師，研究方向：鐵路大型養路機械。