軌道車輛用架車座轉接板結構設計與強度分析

王國靜 宋明陽 杜建強

(中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心 河北 唐山 063035)

在軌道車輛組裝和檢修時，軌道車輛需要通過架車機將其架起，進行車輛車下部位設備的安裝和檢修。架車機通常固定在架車地溝兩側，架車機通過液壓機構實現軌道車輛的架車功能，完成軌道車輛的上升和下降，進而對軌道車輛車下設備實現檢修和安裝。軌道車輛在架起時需要架車機支撐在車輛車體底架下部的架車座上。在車體制造時架車座通過焊接的方式焊接在車體底架邊梁下部，根據軌道車輛的重量及車下設備的布局排布架車座的位置。由于車體結構的特殊性、車下設備布置空間大小以及車輛段空間等諸多結構、空間操作等問題，會出現無法架車的情況，這就需要一種特殊的轉接機構，在保證經濟實惠、操作方便且不改變架車機和車體結構的前提下，快速方便地實現架車，這種轉接結構就是架車座轉接板。

1 架車座結構及其材料機械性能

根據軌道車輛及架車機結構，對架車座進行全新結構設計，滿足軌道車輛使用要求。此架車座由架車座面板和架車座支架兩部分組成(見圖1)；分別由鋁合金板材加工而成，所使用的鋁合金材料密度為2 700 kg/m3，彈性模量為71 000 MPa，泊松比為0.33,力學性能如表1所示。

為加大架車座與接觸面的摩擦，架車座面板接觸面設計成凹凸槽的形式。架車座支架通過與車體底架邊梁的高度確定自身的高度。架車座支架通過鋁合金板材焊接而成，中間的筋板加工成?40 mm的通孔，用于穿過軸銷，實現繩索固定軌道車輛的功能。架車座工作環境在車下，在設計時將架車座支架上面設有?5 mm排水孔，用于架車座內部水、氣的排出，保護并延長架車座的使用壽命。

圖1 架車座結構示意圖

表1 材料的力學性能

2 架車座轉接板結構分析

架車座需要兼顧架車機和車體架車座，為滿足軌道車輛架車工況的強度要求，架車座轉接板采用Q235B材質，根據架車機中心銷和車輛架車座中心孔間距，在架車座轉接板上設計2個孔狀連接點，用于連接架車機和車輛架車座(架車座轉接板孔徑大小可根據架車機實際情況進行設計)。架車座孔徑大小設計成深度9 mm、孔徑?40 mm的凹孔，用于與架車機連接，而高度20 mm、孔徑?46 mm的凸臺用于連接車輛的架車座，架車座轉接板結構如圖2所示。架車座轉接板與軌道車輛車體底架邊梁的連接如圖3所示。

圖2 架車座轉接板結構示意圖

圖3 架車座轉接板連接示意圖

3 架車座轉接板仿真強度計算分析

根據軌道車輛架車工況進行三維實體模型建立架車相應結構的中面線框，建立與之對應的有限元分析所需的架車三維中面模型。

首先，在Pro/E中建立架車的三維模型；其次，在Hypermesh中劃分單元網格；再依據EN 12663-1：2010《鐵道應用—軌道車身的結構要求》確定仿真參數和仿真工況。最后，利用ANSYS軟件自帶的ABAQUS求解器進行求解，仿真過程如圖4所示。

圖4 仿真分析流程

3.1 建模

使用HyperMesh軟件對架車機和架車座轉接板三維模型進行建模及網格劃分，采用ABAQUS進行求解計算，有限元模型如圖5所示。

3.2 材料參數

架車機轉接板選用強度較高的碳鋼材質。有限元模型中架車座轉接板材料為Q235B，楊氏模數為206 MPa,泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa。

3.3 計算工況

車體計算載荷中垂向載荷：最大垂載工況下重量為60 t，軸重：10 t。轉向架重量：動力轉向架5 t、拖車轉向架4 t。

該軌道車輛共設置8個架車點，根據軌道車輛承受的載荷要求，車輛在抬車過程中轉接板要承受5.3 t載荷，參照EN 12663-1: 2010《鐵路應用-軌道車輛結構強度要求》，考慮抬車過程中1.1倍的動荷系數，計算最大承受的載荷為5.83 t，加載和約束如圖6所示，載荷施加在轉接板相應區域，約束架車機位置。

圖5 有限元模型 圖6 載荷與約束示意圖

3.4 計算結果分析

在垂向5.83 t載荷作用下，架車座轉接板結構的最大應力為80.64 MPa，位于軸銷邊部，如圖7所示，最大應力小于材料本身的屈服強度235 MPa，架車座轉接板結構完全滿足強度要求。

圖7 架車座轉接板應力云圖

通過對架車座轉接板工作載荷下的強度仿真分析可知，架車座轉接板結構的最大應力為80.64 MPa，位于軸銷邊部，最大應力遠遠小于材料屈服強度235 MPa，轉接板結構滿足強度要求。

4 結論及意義

通過架車座轉接板的轉接，實現了軌道車輛的架車功能。這種增加轉接裝置的方式，省時省力，成本低廉，沒有對現有架車機設備和架車座結構進行繁瑣的改造,更重要的是通過轉接方式的連接有效實現軌道車輛架車滿足后期車下設備組裝和檢修工作。此轉接板結構簡單，通用性強，加工方便。架車座轉接板可采用厚板材進行一次性加工，同時也可采用適中的薄板拼焊而成，板材原材料豐富?！?/p>