單轉(zhuǎn)向架更換裝置靜強度分析及試驗驗證

伊建輝,李 娜,潘 俊,畢鑫淼,孟艷紅

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

適用于臨修作業(yè)的單轉(zhuǎn)向架更換裝置可實現(xiàn)車輛在不解編的情況下在線對其中一臺轉(zhuǎn)向架或者車下大部件進行更換作業(yè),并且可兼容不同車型。該設備適用于檢修基地的擴容、改造以及臨修作業(yè)較多的場合,可大幅提高轉(zhuǎn)向架及車下大部件的檢修效率[1-3]。

由于單轉(zhuǎn)向架更換裝置進行更換轉(zhuǎn)向架作業(yè)時需要承載車體及轉(zhuǎn)向架等大部件,故對設備的強度及剛度有較高的要求。本文選用有限元法進行強度計算,并參照數(shù)值計算得到的計算結(jié)果設計驗證性試驗,通過試驗進一步驗證機械結(jié)構(gòu)的強度和剛度[4-6]。

1 設備結(jié)構(gòu)組成

適用于臨修作業(yè)的單轉(zhuǎn)向架更換裝置主要由承載橫梁、機架、承載構(gòu)架、托頭、升降平臺、控制臺等部分組成(圖1)。整個設備安裝在土建基礎上,托頭部分用于支撐車體,承載構(gòu)架部分用于支撐轉(zhuǎn)向架并可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的升降,升降平臺用于升降轉(zhuǎn)向架,控制臺用于整個設備的監(jiān)測及控制。

圖1 單轉(zhuǎn)向架更換裝置組成圖

設備主要承載技術參數(shù)如下:轉(zhuǎn)向架舉升部分額定載荷200 kN,車體支撐部分額定載荷180 kN,升降平臺額定載荷100 kN。單轉(zhuǎn)向架更換裝置的承載橫梁、承載構(gòu)架以及升降平臺升降機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)部分為關鍵受力部件,需要進行強度分析。本文的計算以地鐵B型車為例,B型車單輛車重量為360 kN。

2 關鍵部件強度分析

計算時參照GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》,工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)n=1.34。所要計算的關鍵受力部件材料均為Q345,故材料許用應力為:[σ]=345/1.34=257 MPa。

材料的其他力學特性為:材料密度ρ=7.85×10-6kg/mm3,彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比ν=0.3。單元(節(jié)點)應力均按第四強度理論計算。

2.1 承載橫梁

單輛車重量為360 kN,一輛車有4個架車點,承載橫梁支撐車體四分之一的重量。托頭可在橫梁上移動,當托頭在承載橫梁中間位置時承載橫梁產(chǎn)生最大應力,考慮設備自重,承載橫梁工作時承受的載荷約為110 kN。承載橫梁受力分析模型見圖2,載荷施加在承載橫梁中間部位,約束施加在兩端底部的固定板。

圖2 承載橫梁受力分析模型

由計算結(jié)果可知,承載橫梁的最大應力和最大形變與載荷呈線性關系。承載橫梁承受載荷110 kN時最大應力為σmax=97.29 MPa,其值小于Q345鋼的許用應力257 MPa,其過載系數(shù)為:[σ]/σmax=2.64,即允許2.64倍的過載。

同時可得出承載橫梁垂直方向最大形變?yōu)?.17 mm,最大變形量出現(xiàn)在承載橫梁中間部位。

2.2 承載構(gòu)架

承載構(gòu)架工作時承受的額定載荷為45 kN,承載構(gòu)架受力分析模型見圖3。

圖3 承載構(gòu)架受力分析模型

由計算結(jié)果可知,承載構(gòu)架的最大應力和最大形變與載荷呈線性關系。承載構(gòu)架承受額定載荷45 kN時最大應力為σmax=69.16 MPa,其值小于Q345鋼的許用應力257 MPa,其過載系數(shù)為:[σ]/σmax=3.72,可允許3.72倍的過載。

同時可計算出承載構(gòu)架承受額定載荷時垂直方向最大形變?yōu)?.78 mm。

2.3 升降機構(gòu)

升降平臺最大承受100 kN的額定載荷,則單個升降機構(gòu)承受25 kN的載荷,升降機構(gòu)在最低位時承受的負載最大。升降機構(gòu)受力分析模型見圖4。

圖4 升降機構(gòu)受力分析模型

由計算結(jié)果可知,升降機構(gòu)的最大應力和最大形變與載荷呈線性關系。升降機構(gòu)承受額定載荷在最低位時最大應力為σmax=199.9 MPa,其值小于Q345鋼的許用應力257 MPa,其過載系數(shù)為:[σ]/σmax=1.29,可允許1.29倍的過載。

同時可計算出升降機構(gòu)承受額定載荷最低位時最大形變?yōu)?.40 mm。

3 試驗驗證

為了驗證設備結(jié)構(gòu)強度、剛度、主要功能等是否滿足使用要求,在關鍵部件理論分析計算的基礎上進行了試驗驗證。試驗分三部分進行:一是車體支撐(托頭)加載試驗,可以驗證承載橫梁強度;二是轉(zhuǎn)向架舉升加載試驗,可以驗證承載構(gòu)架強度;三是升降平臺加載試驗,可以驗證升降機構(gòu)強度。以上各試驗完成后不得出現(xiàn)裂紋、永久變形、油漆剝落或其他對設備性能與安全有影響的損壞。

3.1 車體支撐加載試驗

試驗時將托頭調(diào)整至承載橫梁中間,將托頭伸出到最大位置,并把托頭降至最低位,用托頭模擬支撐住軌道車輛重量,往托頭分別施加2/3倍的額定載荷(60 kN)、額定載荷(90 kN)及1.25倍的額定載荷(112.5 kN),測量托頭承載面承載后的擺動角度,并在加載過程中測量最大應力。需要說明的是上述均為施加于托頭的載荷,承載橫梁承受的載荷需要再考慮20 kN的設備自重。

試驗測得,承受額定載荷時承載橫梁最大應力值為92.43 MPa,當加載到額定載荷的1.25倍時,設備最大應力仍在允許范圍內(nèi)。

車體支撐加載試驗圖片及承載橫梁最大應力與載荷關系如圖5、圖6所示。

圖5 車體支撐加載試驗

圖6 承載橫梁最大應力與載荷關系

3.2 轉(zhuǎn)向架舉升加載試驗

試驗時將轉(zhuǎn)向架承載構(gòu)架降至最低位,模擬軌道車輛重量加載在轉(zhuǎn)向架承載構(gòu)架上,分別施加2/3倍的額定載荷(120 kN)、額定載荷(180 kN)及1.25倍的額定載荷(225 kN),在加載過程中測量最大應力。

試驗中采用砝碼模擬軌道車輛的重量,并根據(jù)理論計算結(jié)果在承載構(gòu)架最大應力處貼應變片測量加載后的應力值。

試驗測得,當承受額定載荷時承載構(gòu)架最大應力值為65.71 MPa,當加載到額定載荷的1.25倍時,設備最大應力仍在允許范圍內(nèi)。

轉(zhuǎn)向架舉升加載試驗圖片及承載構(gòu)架最大應力與載荷關系如圖7、圖8所示。

圖7 轉(zhuǎn)向架舉升加載試驗

圖8 承載構(gòu)架最大應力與載荷關系

3.3 升降平臺加載試驗

試驗時將升降平臺降至最低位,模擬轉(zhuǎn)向架重量加載在升降平臺上,分別施加2/3倍的額定載荷(66.7 kN)、額定載荷(100 kN)及1.25倍的額定載荷(125 kN),在加載過程中測量最大應力。

試驗中采用砝碼模擬轉(zhuǎn)向架的重量。試驗測得,當承受額定載荷時升降機構(gòu)最大應力值為187.91 MPa,當加載到額定載荷的1.25倍時,設備最大應力仍在允許范圍內(nèi)。

升降平臺加載試驗圖片及升降機構(gòu)最大應力與載荷關系如圖9、圖10所示。

圖9 升降平臺加載試驗

圖10 升降機構(gòu)最大應力與載荷關系

4 結(jié)論

本文以適用于臨修作業(yè)的單轉(zhuǎn)向架更換裝置為研究對象,對其關鍵受力部件利用有限元法進行了靜態(tài)強度計算分析,并對關鍵部件進行了加載試驗,得到的研究結(jié)論如下:

(1) 承載橫梁承受110 kN額定載荷時理論計算得出的最大應力為97.29 MPa,最大形變?yōu)?.17 mm;承載橫梁進行額定載荷加載試驗時測得的最大應力為92.43 MPa。

(2) 承載構(gòu)架承受45 kN額定載荷時理論計算得出的最大應力為69.16 MPa,最大形變?yōu)?.78 mm;承載構(gòu)架進行額定載荷加載試驗時測得的最大應力為65.71 MPa。

(3) 升降機構(gòu)承受25 kN額定載荷時理論計算得出的最大應力為199.9 MPa,最大形變?yōu)?.40 mm;升降機構(gòu)進行額定載荷加載試驗時測得的最大應力為187.91 MPa。

綜上,理論計算結(jié)果和加載試驗結(jié)果較為吻合,表明單轉(zhuǎn)向架更換裝置滿足強度要求,并具有較大的安全余量。