馬運(yùn)忠

（中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081）

鋼軌探傷車上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析

馬運(yùn)忠

（中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081）

GTC-80鋼軌探傷車采用進(jìn)口的H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)，存在更換探輪時(shí)操作空間不足的問題。設(shè)計(jì)了一種上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)，有效增大了更換探輪時(shí)的操作空間。目前國內(nèi)外均沒有針對(duì)上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的規(guī)范，因此，基于進(jìn)口H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)的振動(dòng)加速度測(cè)試數(shù)據(jù)，確定了上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)的荷載工況和邊界條件，并采用有限元軟件ANSYS對(duì)該承載機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明該承載機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。

上提邊梁式H型梁；探傷車；強(qiáng)度分析

上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)通過異形軸箱蓋連接于二軸轉(zhuǎn)向架的4個(gè)軸箱。該機(jī)構(gòu)由上提邊梁組件、橫梁組件、探輪動(dòng)作單元等組成，與進(jìn)口H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)相比，在保持轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上最大程度地提高了邊梁組件，增大了探輪維修和更換時(shí)的操作空間，以便于檢測(cè)設(shè)備維護(hù)。

文獻(xiàn)［1］對(duì)安全綜合檢測(cè)車軌道檢查梁的結(jié)構(gòu)開展了設(shè)計(jì)研究，建立加裝軌檢梁的安全綜合檢測(cè)車整車動(dòng)力學(xué)模型，從H型梁的組成和連接方式等角度比較了不同的軌檢梁結(jié)構(gòu)形式對(duì)安全綜合檢測(cè)車通過曲線時(shí)動(dòng)力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)［2］制定了軸箱體強(qiáng)度計(jì)算的荷載條件和工況組合，并以推演的EN13749標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，對(duì)某機(jī)車軸箱體的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了校核。文獻(xiàn)［3］對(duì)CRH2動(dòng)車組拖車輪對(duì)軸箱強(qiáng)度進(jìn)行了分析，分別按照UIC615-4和JISE4207標(biāo)準(zhǔn)，在疊加不同工況計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。文獻(xiàn)［4］開展了高速貨車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)和構(gòu)架強(qiáng)度校核工作，參考UIC510-3并結(jié)合TB/T 1335—1996綜合評(píng)定焊接構(gòu)架式貨車轉(zhuǎn)向架的強(qiáng)度。以上研究均未涉及到基于二軸轉(zhuǎn)向架4個(gè)軸箱安裝車載設(shè)備的強(qiáng)度校核。

1　結(jié)構(gòu)及材料特性

1.1結(jié)構(gòu)

上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖1。上提邊梁組件和橫梁組件的連接均考慮了轉(zhuǎn)向架運(yùn)行限制，具備的自由度滿足轉(zhuǎn)向架運(yùn)行要求，其工作原理如圖2所示。其中，上提邊梁組件連接二軸轉(zhuǎn)向架的同側(cè)異形軸箱蓋，由上提邊梁、球副、移動(dòng)副等組成；橫梁組件連接兩側(cè)上提邊梁，由橫梁、球副、移動(dòng)副等組成；探輪動(dòng)作單元等安裝在橫梁上，滿足探傷車檢測(cè)所需的探輪傾角調(diào)整、橫向?qū)χ?、垂向升降等?dòng)作需求。

圖1　上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖2　上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)工作原理示意

1.2材料特性

上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)的主要部件材料特性見表1。

表1　主要部件材料特性

2　強(qiáng)度分析

2.1邊界條件及荷載工況

針對(duì)上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在建立有限元模型時(shí)，上提邊梁、橫梁等部件單獨(dú)建模，通過對(duì)螺栓施加預(yù)緊力、設(shè)置接觸等方式連接各個(gè)部件。采用實(shí)體模型建模，并采用六面體20節(jié)點(diǎn)三維單元和四面體10節(jié)點(diǎn)三維單元進(jìn)行離散。計(jì)算模型中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 747 625個(gè)，單元總數(shù)為1 010 837個(gè)。

上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)的自重以均布方式加載，探輪動(dòng)作單元的垂向荷載以面力的形式作用于橫梁安裝處，運(yùn)營荷載及沖擊荷載以加速度形式作用于整體結(jié)構(gòu)，對(duì)連接螺栓施加預(yù)緊力、設(shè)置接觸等方式連接各個(gè)部件，異形軸箱蓋4個(gè)螺栓孔采用固定約束。模型邊界條件如圖3所示。

基于進(jìn)口H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)振動(dòng)加速度的測(cè)試數(shù)據(jù)，確定了上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)的荷載工況，見表2。

圖3　邊界條件

表2　荷載工況

2.2強(qiáng)度評(píng)價(jià)

2.2.1超常荷載

上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)在超常荷載作用下的強(qiáng)度按照材料的屈服極限來評(píng)價(jià)，在超常荷載作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料屈服極限，即σe≤σs。

上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)在超常荷載作用下最大應(yīng)力分布見圖4。上提邊梁和橫梁最大應(yīng)力為158.92 MPa，在橫梁端部焊接處。上提邊梁與橫梁連接板最大應(yīng)力為256.54 MPa，在連接板螺栓孔處。異形軸箱蓋最大應(yīng)力為261.32 MPa，在異形軸箱蓋端部連接處。計(jì)算所得應(yīng)力值均未超過各部件材料的屈服極限。

圖4　超常荷載下最大應(yīng)力分布

2.2.2運(yùn)營荷載

上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)在運(yùn)營荷載作用下的強(qiáng)度按照材料的許用應(yīng)力來評(píng)價(jià)，在運(yùn)營荷載作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料許用應(yīng)力，即σe≤［σ］。

上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)在運(yùn)營荷載作用下的最大應(yīng)力分布見圖5。上提邊梁和橫梁最大應(yīng)力為88.837 MPa，在橫梁端板螺栓孔處。邊梁與橫梁連接板最大應(yīng)力為143.07 MPa，在連接板螺栓孔處。異形軸箱蓋最大應(yīng)力為145.08 MPa，在異形軸箱蓋端部連接處。計(jì)算所得應(yīng)力值均未超過各部件材料的許用應(yīng)力。

2.2.3疲勞荷載

上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)在疲勞荷載作用下應(yīng)能承受6×106次循環(huán)，其疲勞壽命見圖6。由圖可知，探輪承載機(jī)構(gòu)最低疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)為7.17×106次，滿足要求。

圖5　運(yùn)營荷載下最大應(yīng)力分布

圖6　疲勞荷載作用下的疲勞壽命

3　結(jié)論

目前國內(nèi)外針對(duì)鋼軌探傷車上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核尚無可借鑒的規(guī)范。本文基于進(jìn)口H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)振動(dòng)加速度的測(cè)試數(shù)據(jù)，確定了上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)的邊界條件和荷載工況，并采用有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了分析，獲得了超常荷載、運(yùn)營荷載以及疲勞荷載下的強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果表明，上提邊梁式H型梁探輪承載機(jī)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

［1］周勁松，陸正剛，楊國楨.安全綜合檢測(cè)車軌道檢查梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2001，22（6）：13-16.

［2］肖守訥，楊冰，楊冰，等.EN 13749標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)車軸箱體強(qiáng)度分析中的推演應(yīng)用［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2012（2）：38-41.

［3］楊繼震.CRH2動(dòng)車組拖車輪對(duì)軸箱強(qiáng)度分析［D］.北京：北京交通大學(xué)，2007.

［4］劉均.高速貨車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及構(gòu)架強(qiáng)度分析［D］.重慶：重慶大學(xué)，2006.

Strength Analysis of Lifted Side Beam-type H-shaped Frame as Bearing Structure of Rolling Search Unit on Rail Flaw Detection Car

MA Yunzhong
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Rolling Search Unit（RSU）on GT C-80 Rail Flaw Detection（RFD）car is installed on the imported H-shape frame.It is difficult to replace RSU as to limited space under H-shape frame.A lifted side beam-type H-shape frame was designed to solve the problem.No existing standards or rules are suitable for calculating strength of the lifted side beam-type H-shape frame.Based on the accelerator test data of imported H-shape frame，this article provided a solution including load condition and boundary condition for strength calculation of lifted side beam-type H-shape frame，and calculated the strength with ANSYS.T he result shows that the strength meets requirements.

Lifted side beam-type H-shape frame；RFD car；Strength analysis

U216.65

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.32

1003-1995（2016）09-0127-03

（責(zé)任審編李付軍）

2016-02-04；

2016-03-07

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2015G003-A）

馬運(yùn)忠（1983—），男，助理研究員，碩士。