抬車方法對車體強度影響的試驗研究

李春超，張培勝

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

列車在行進過程中車體承受著相當復雜的載荷狀況,為對車體進行強度評估,首先要開展車體靜強度試驗,確定其強度工況及載荷。車體試驗標準主要有歐洲標準EN12663-1:2010+A1:2014《鐵路應用—鐵道車輛車體結構要求》(簡稱EN12663-1標準)[1]、日本標準JIS E 7105:2006《鐵道車輛車體結構靜強度試驗方法》(簡稱JIS E 7105標準)[2]和我國行業標準TB/T3550.1-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體 第1部分:客車車體》(簡稱TB/T3550.1-2019標準)[3]。針對抬車作業載荷(車輛在新造、維護乃至救援工況中,需要在車輛指定位置對其進行抬升或頂升)這3個標準對此均有所考慮,在TB/T3550.1-2019標準中明確規定了頂車試驗方法,即在四個抬車位將車體頂起,使車體與轉向架離開一定距離,呈四點近似水平支撐狀態,緩慢將一個支撐降下,使車體呈三點支撐狀態,此標準未考慮轉向架載荷。JIS E 7105標準中提及在抬車作業中四處千斤頂不同步導致的三點支撐狀態,此時車體為空載狀態,未明確是否考慮轉向架載荷。EN12663-1標準同樣考慮四點支撐情況,不同之處在于其既要求了車體載重狀態,又增加了兩端轉向架載荷,相較于前兩個標準,要求更為嚴格。

EN12663-1標準中對于抬車試驗(位移支撐起重工況)的具體要求為:當其中一個抬車位支撐點發生垂向位移,偏離其他三個支撐點平面時,發生垂向位移的支撐點與其他三個支撐點的垂向位移差應為10 mm。此時車體所承受的垂向載荷為1.1倍的車體整備重量疊加1.1倍的轉向架重量(其中整備重量指完全裝配好的車體重量)。標準中對于發生垂向位移的抬車位支撐點相對于其他三個支撐點是上升10 mm還是下降10 mm并沒有明確規定。在常規試驗操作時,為了提高試驗效率,降低操作難度,習慣采取上升10 mm的方法,但是兩種方法對于車體強度評估的具體影響還沒有深入研究。本文以EN12663-1標準為試驗依據,選取鋁合金地鐵為研究對象,分別在抬車試驗時采取上升和下降的方式進行試驗,分析兩種試驗方法的數據差異,并利用HyperWorks同步仿真進行驗證。

1 試驗車體

地鐵列車頭車車體采用大型中空鋁合金擠壓型材組焊成筒形整車承載結構,車體由底架、車頂、側墻、端墻和司機室焊接而成,側墻板采用EN AW-6005A-T6中空擠壓型材,其屈服極限為200 MPa。使用HyperWorks軟件20 mm左右的Shell單元離散車體結構,車體有限元模型如圖1所示,包括167.9萬個單元和149.9萬個節點。圖1中,X軸、Y軸和Z軸分別表示車體縱向、橫向和垂向。

圖1 車體有限元模型

2 試驗方法

在試驗車體窗角及門角區域布置電阻應變計BE120-5AA/120 Ω,具體布置見圖2。

圖2 試驗測點布置

車頂和車下設備采用工裝施加于設備重心,其余質量采用砝碼均布于地板上,使車體總質量等于1.1倍的車體整備質量。車體支撐在四個空氣彈簧處,處于水平支撐狀態,在枕梁端部分別放置垂向位移計,測試車體在抬車過程中的上升量。

試驗時,分別在枕內/枕外4個抬車位支撐點用千斤頂將車體抬起,在一位端和二位端轉向架區域分別逐步施加1.1倍的轉向架質量(m21、m22分別為一位端、二位端轉向架的質量),載荷施加位置具體見圖3,緩慢上升/下降其中一個支承點10 mm,采集數據后卸掉轉向架載荷,落下千斤頂,恢復到原來的支承狀態。抬車試驗現場照片如圖4所示。

圖3 轉向架載荷施加示意圖

圖4 抬車試驗現場照片

根據抬車位支撐點升降位置的不同,試驗工況分為枕內1位角升、枕內3位角升、枕內1位角降、枕內3位角降、枕外1位角升、枕外3位角升、枕外1位角降、枕外3位角降。

3 試驗數據分析

表1為門角和窗角測點的應力值,典型測點的應力值分析如圖5所示。

表1 門角和窗角各測點應力值 MPa

圖5 典型測點的應力分析

由表1可知:在枕內抬車位處將車體頂起時,D0411測點的應力值最大,1位角上升應力值為61.4 MPa,1位角下降應力值為61.7 MPa,3位角上升應力值為64 MPa,3角位下降應力值為63.7 MPa; 在枕外抬車位處將車體頂起時,D0105測點的應力值最大,1位角上升應力值為111.9 MPa,1位角下降應力值為65.8 MPa,3位角上升應力值為67 MPa,3位角下降應力值為112.6 MPa。由此發現,在枕內或枕外將車體頂起時,緩慢上升或下降其中一個支承點,測點應力值變化規律一致。

4 仿真分析

利用HyperWorks軟件仿真分析了抬車方法對車體強度的影響,載荷施加與試驗時一致。仿真結果為:枕內1位角升時,D0411測點的應力值為58.4 MPa,1位角下降時D0411測點的應力值為57.2 MPa;枕外1位角上升時,D0105測點的應力值為99.6 MPa,1位角下降時D0105測點的應力值為59.7 MPa;枕外3位角上升時,D0105測點應力值為58.5 MPa,3位角下降時,D0105測點應力值為106.7 MPa。

比對分析仿真和試驗數據,發現二者存在一定偏差,但數據變化規律一致,驗證了試驗數據的可靠性。

5 結論

經過仿真和試驗數據對比分析,發現在枕內抬車位進行位置支撐起重抬車試驗時,對其中一個抬車支撐點進行上升10 mm或下降10 mm時,對車體強度試驗數據無明顯影響;在枕外抬車位進行試驗時,其中一個抬車支撐點上升和車體同一側的另一個支撐點下降的效果是一樣的,試驗方法不同對車體強度無影響。通過以上數據分析,可以推斷出在進行位移支撐起重抬車試驗時,可以只選擇車體一端或一側的兩個抬車支撐點進行試驗即可,不必在四個點位全部進行,可以節省試驗時間,提高試驗效率,尤其在車體同時配置枕內和枕外抬車位時,可以大大降低試驗人員的工作量。