W203型地铁牵引轨道车车体强度分析
2012-09-12 18:35
W203型地铁牵引轨道车车体强度分析
摘 要： 文章介绍了 W203 型地铁牵引轨道车的车体结构形式、车体强度载荷工况、有限元静强度分析计算结果和疲劳强度计算结果、车体静强度试验验证，结果表明车体强度满足设计及标准要求。
关键词： 地铁牵引轨道车； 车体； 强度； 有限元分析； 试验验证
W203 型地铁牵引轨道车是一种服务于地铁建设、运营及维护的工程车辆， 为无动力的其它地铁车辆提供牵引动力。车体作为机车的承载部件，在运行中承受着较大的垂直载荷、水平及横向冲击载荷，通过车钩为其它车辆提供牵引及制动作用力，因此，车体应有足够的强度及刚度， 能够承受在运营过程中各种异常冲击载荷和疲劳强度载荷，满足设计使用要求，同时也应满足相关标准的要求。
1 车体结构特点
W203 型地铁牵引轨道车车体采用整体承载结构，由底架、侧墙、双司机室，可拆卸顶盖、设备安装台架等焊接而成，组成一个箱形壳体结构，焊接结构全面采用EN 15085 标准进行设计、制造及检验。 车体同时也采用模块化结构设计，底架采用贯通式中心纵梁、底架左右侧梁三大纵梁及变压器梁、枕梁、端牵引梁三大横梁结构，以使底架有较大的纵向刚度。司机室采用左右侧墙、前墙、顶盖结构，在前墙、顶盖的两侧和司机室前窗上下部设计为较大刚度的箱形结构。 在侧墙上部设计了二个较大的纵向箱形梁结构， 以使其具有较大的纵向刚度和垂向弯曲刚度。
车体的结构强度采用EN 12663 《铁路应用—铁路车辆车体结构的强度要求》，UIC 566《客车车体及其部件的载荷》，TB/T 1335 《铁道车辆强度设计及试验规范》及ERRI-B12/RP17《铁道货车 》等确定 ，要求车体两端能承受1 200 kN 的静压力和 1 000 kN 的静拉力，在承受标准规定的司机室保护载荷，纵向、横向、垂向冲击载荷，车体起吊等异常载荷时，车体不会产生永久变形。
2 车体强度计算分析
2.1 车体强度计算力学模型
车体强度计算采用ANSYS 大型通用有限元分析软件，对车体的主体结构进行力学建模，由于车体结构不完全对称，采用整车结构模型，主体结构离散为三维壳单元，前/后从板座离散为实体单元，设备质量离散为三维质量单元， 二系弹簧悬挂系统离散为三维弹簧单元。 车体有限元计 算模型由 220 163 个节点和271 443 个单元组成。牵引轨道车车体强度计算模型如图1 所示。
车体结构材料采用Q345B 制造 ， 屈服强度为345 MPa， 对于材料非焊缝区，材料的许用应力取其屈服强度 （345 MPa）， 对于焊缝区， 材料的许用应力取其屈服强度除以1.1 （314 MPa）。 对于垂向载荷工况和牵引制动工况， 安全系数取为 1.5； 对于各静态载荷工况， 安全系数取为 1.15。
2.2 车体静强度载荷工况
根据相关标准和车体技术规范要求， 对车体进行了16 种静强度载荷工况的计算分析。
1）纵向压缩工况 ：在端牵引梁车钩中心线高度的后从板上作用1 200 kN 纵向压缩载荷和 1.3g 车体及设备质量载荷。
2）纵向拉伸工况 ：在端牵引梁车钩中心线高度的前从板上作用1 000 kN 纵向压缩载荷和 1.3g 车体及设备质量载荷。
3）司机室底梁保护工况：在司机室底梁均布 400 kN压力载荷和1g 车体及设备质量载荷。
4）司机室保护工况 ：在司机室前窗下部的中梁均布300 kN 压力载荷和 1g 车体及设备质量载荷。
5）端部救援载荷工况 ：使用一端 2 个救援孔抬起1.1g 车体和转向架质量载荷，另一端二系簧支 撑。
6）整车起吊载荷工况 ：使用中间 4 个整车起吊孔抬起1.1g 车体和转向架质量载荷。
7）架车载荷工况：使用 4 个架车垫板抬起 1.1g 车体和转向架质量载荷。
8）牵引工况：前从板座作用 62 kN 牵引力。
9）制动工况：后从板座作用 40 kN 制动力。
10）垂直载荷工况：垂向 1.3g 车体及设备质量载荷。
11）横向载荷工况：1g 车体及设备质量 ，横向 0.2g车体及设备质量载荷。
12）纵向冲击载荷工况：1g 车体及设备质量载荷，纵向5g 设备质量冲击载荷。
13）垂向冲击载荷工况 ：垂向 3g 设备质量冲击载荷。
14） 横向冲击载荷工况：1g 车体及设备质量载荷，横向1g 设备质量冲击载荷。
15）牵引座冲击载荷工况：牵引座转向架纵向 3g 冲击载荷和1g 车体及设备质量载荷。
16）单点顶车载荷工况：在车钩托板下面顶起车体，另一端二系簧支撑。
2.3 车体静强度计算结果及分析
将上述载荷施加在有限元计算模型上， 得到车体静强度计算结果，经过处理，按照第四强度理论计算所得的Von-Mises 应力如表 1 所示。
车体结构的最小安全系数为1.206，在承受最重要的纵向拉伸及压缩载荷工况下的最小安全系数为2.321，说明车体结构强度具有较大的强度和较高的刚度，车体的静强度满足设计及标准要求。
2.4 车体疲劳强度计算与分析
车体不仅受到静强度载荷作用， 还受到频繁的疲劳载荷作用。 由于目前国内铁路疲劳载荷谱的方法与数据很少，故根据机车牵引制动特性等确定车体的基本疲劳载荷，采用ERRI-B12/RP17 确定的疲劳分析法与数据进行车体的疲劳强度计算和评定。
车体考虑的基本疲劳载荷有：车体结构自重和安装设备质量、垂向动载荷系数±0.3g、横向振动加速度±0.2g、整车启动牵引力 62 kN、整车制动力 40 kN、线路扭曲载荷引起二系弹簧30％的增减载荷。 根据组合最大和最小原则确定车体的疲劳强度计算载荷，从有限元计算结构输出各计算载荷工况的应力及方向， 进而得出各节点最大主应力和最小主应力， 计算车体结构的疲劳强度。 结果评定采用 ERRI 提供的 Q345B 材料和焊接区域的Moore 疲劳极限图进行评价 （见图 2），为减小数据处理， 车体焊接区域的疲劳强度均按图中焊缝曲线a2 进行保守评价。
车体焊接区域和母材区域的疲劳强度Moore 图如图3、图 4 所示，焊接区域的最大主应力为 133 MPa，位于台架与底架地板焊接区， 其应力循环特性 R 为0.16，对应的许用应力为 147.74 MPa。 焊接区域和母材区的疲劳强度最大应力离许用应力均相差较大， 说明车体疲劳强度满足设计及标准要求。
3 车体静强度试验
为验证W203 型地铁牵引轨道车的车体强度， 依据TB/T 2541 《机车车体静强度试验规范》、 《轨道车车体静强度试验大纲》、 EN 12663标准对车体进行静强度试验验证。 共进行了 1.3g 车体质量垂直载荷、 1200kN纵向压缩载荷、 1 000 kN 纵向拉伸载荷、 端部救援、整体起吊、 单点顶车等试验。 1 200 kN 纵向压缩载荷试验的最大应力为-150.12 MPa， 1 000 kN 纵向拉伸载荷的最大应力112.64 MPa， 端部救援的最大应力-98.14 MPa， 整体起吊的最大应力 -169.57 MPa， 单点顶车最大应力-228.42 MPa， 与计算结果一致 。 试验结果表明车体强度满足设计及标准要求，车体通过静强度试验验证。
4 结束语
车体强度计算分析表明W203 型地铁牵引轨道车在各载荷工况的安全系数均满足标准1.15 的要求，车体母材区域及焊接区域的疲劳强度Moore 图表明车体疲劳强度满足设计及标准要求，车体静强度试验表明车体静强度试验合格。 上述有限元分析与车体静强度试验表明车体结构强度设计通过了计算及试验验证。
参考文献：
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