單轉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)

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

由于單轉向架更換裝置進行更換轉向架作業時需要承載車體及轉向架等大部件,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,并參照數值計算得到的計算結果設計驗證性試驗,通過試驗進一步驗證機械結構的強度和剛度[4-6]。

1 設備結構組成

適用于臨修作業的單轉向架更換裝置主要由承載橫梁、機架、承載構架、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,承載構架部分用于支撐轉向架并可實現轉向架的升降,升降平臺用于升降轉向架,控制臺用于整個設備的監測及控制。

圖1 單轉向架更換裝置組成圖

設備主要承載技術參數如下:轉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。單轉向架更換裝置的承載橫梁、承載構架以及升降平臺升降機構的主要結構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《起重機設計規范》,工作狀態下結構強度安全系數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為1.17 mm,最大變形量出現在承載橫梁中間部位。

2.2 承載構架

承載構架工作時承受的額定載荷為45 kN,承載構架受力分析模型見圖3。

圖3 承載構架受力分析模型

由計算結果可知,承載構架的最大應力和最大形變與載荷呈線性關系。承載構架承受額定載荷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,其過載系數為:[σ]/σmax=3.72,可允許3.72倍的過載。

同時可計算出承載構架承受額定載荷時垂直方向最大形變為0.78 mm。

2.3 升降機構

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

圖4 升降機構受力分析模型

由計算結果可知,升降機構的最大應力和最大形變與載荷呈線性關系。升降機構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,其過載系數為:[σ]/σmax=1.29,可允許1.29倍的過載。

同時可計算出升降機構承受額定載荷最低位時最大形變為0.40 mm。

3 試驗驗證

為了驗證設備結構強度、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;二是轉向架舉升加載試驗,可以驗證承載構架強度;三是升降平臺加載試驗,可以驗證升降機構強度。以上各試驗完成后不得出現裂紋、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。

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 轉向架舉升加載試驗

試驗時將轉向架承載構架降至最低位,模擬軌道車輛重量加載在轉向架承載構架上,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,并根據理論計算結果在承載構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。

轉向架舉升加載試驗圖片及承載構架最大應力與載荷關系如圖7、圖8所示。

圖7 轉向架舉升加載試驗

圖8 承載構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向架的重量。試驗測得,當承受額定載荷時升降機構最大應力值為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。

升降平臺加載試驗圖片及升降機構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 升降機構最大應力與載荷關系

4 結論

本文以適用于臨修作業的單轉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,最大形變為1.17 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,最大形變為0.78 mm;承載構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,最大形變為0.40 mm;升降機構進行額定載荷加載試驗時測得的最大應力為187.91 MPa。

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