某低速调车机车静强度、模态计算分析

马天逸

摘 要：以一种低速调车机车为对象，利用ANSYS软件建立车体结构的有限元模型，根据EN12663-1标准确定车体结构静强度载荷工况，评估车体结构的刚度、静强度和模态频率。计算结果表明，车体结构的静强度、刚度均达到设计要求。

关键词：低速调车机车;有限元分析;静强度;模态分析

一、结构设计总体特点

本文设计的机车为底架承载结构，底架是车体的主要承载部件，承受车体结构自重和车内及车体下安装设备质量及其各向振动产出的载荷、列车的牵引力和制动力，其主要由牵引梁、中梁、侧梁、枕梁和油箱梁等组成。底架分为前端部、后端部、中梁、牵引横梁、边梁、底架附件等几大部分组成，主要结构材质均采用Q345E钢。

二、静强度分析

（一）有限元模型

在计算模型的建立中，充分考虑了各部分连接的真实情况。车体结构的薄板采用壳单元进行离散。本文机车为底架承载结构，为简化计算过程，静强度、疲劳强度仅使用底架进行计算，模态分析使用整体车体进行计算。

（二）计算工况与载荷

按照EN12663-1：2010标准要求，下面列出了9个静强度计算工况及说明。

（1）垂直静载工况：作用载荷主要包括柴油机、燃油箱、电气设备、蓄电池、制动装置、冷却装置等车上设备重量，车体自重以及各管、线等分布载荷。约束点为4个旁承座。

（2）垂直动载工况：作用载荷为垂直静载工况的全部垂直载荷。约束点为4个旁承座。为考虑机车运行时所产生的振动对强度的影响，所有垂直载荷均需乘动载系数kd，取kd=1.3。

（3）纵向压缩工况：作用载荷：（1）相向作用于底架两端牵引梁内从板座处的1470 kN纵向压缩力;（2）垂直静载工况的全部垂直载荷。约束点为4个旁承座。

（4）拉伸工况：作用载荷：（1）计算载荷为作用于底架两端牵引梁外从板座处的、相互拉伸的980kN纵向拉伸力;（2）垂直载荷工况的全部垂直载荷。约束点为4个旁承座。

（5） I位端救援工况：作用载荷为垂直载荷工况的全部垂直载荷和脱轨的后转向架重量。全部垂直载荷需乘动载系数kd，取kd=1.1。约束点共4个：I位端两个救援吊座处，II位端两个旁承座下的橡胶堆下平面。

（6） II位端救援工况：作用载荷为垂直静载工况的全部垂直载荷和脱轨的后转向架重量。全部垂直载荷需乘动载系数kd，取kd=1.1。约束点共4个：II位端两个救援吊座处，I位端两个旁承座下的橡胶堆下平面。

（7） 机车整体起吊工况：作用载荷为垂直静载工况中的全部垂直载荷和两个转向架的总重量;约束点为4个救援吊座。

（8） 架车工况：作用载荷为垂直静载工况中的全部垂直载荷和两个转向架的总重量;约束点为4个架车位。

（9） 扭转工况：作用载荷为垂直静载工况中的全部垂直载荷和40KN？M扭矩;约束点为对角两个旁承座。

（三）静强度分析结果

（1）垂直静载工况：垂直载荷工况下底架的最大下挠产生在I位端操作室地板，其值为Wmax=-1.00 mm;垂直载荷工况下底架的最大应力产生在中梁与牵引梁腹板相交的应力集中处，其值为σmax=33.44 MPa。

（2）垂直动载工况：垂直载荷工况下底架的最大下挠产生在其中部，其值为Wmax=-1.30 mm;垂直载荷工况下底架的最大应力产生在中梁与牵引梁腹板相交的应力集中处，其值为σmax=43.48 MPa。

（3）纵向压缩工况：压缩工况下底架的最大应力产生在车钩座尾部，与盖板相交的应力集中处，其值为σmax=159.29 MPa。

（4）縱向拉伸工况：拉伸工况下底架的最大应力产生在车钩座尾部，与盖板相交的应力集中处，其值为σmax=77.36 MPa。

（5）I位端救援工况：救援工况下底架的最大应力产生在Ⅰ端救援吊孔座内侧腹板，其值为σmax=69.16 MPa。

（6） II位端救援工况：救援工况下底架的最大应力产生在II端救援吊孔座内侧腹板处，其值为σmax=64.00 MPa。

（7）机车整体起吊工况：整体起吊工况下底架的最大应力产生在Ⅰ端救援吊孔座内侧腹板处，其值为σmax=83.81 MPa。

（8）架车工况：整体起吊工况下底架的最大应力产生在底架边梁架车位的侧面腹板与地面架车位相连处，其值为σmax=74.12 MPa。

（9）扭转工况：整体起吊工况下底架的最大应力产生在I位端旁承座翻边处，其值为σmax=62.01MPa。

三、模态分析

为了避免整备状态下重载电力机车车体的自振频率与转向架的固有频率太接近而引起共振，需要对机车车体进行模态分析。为充分考虑车体刚度，本节使用车体整体结构进行自由模态分析。

（一）模态分析工况

表2列出了结构振动模态计算工况及说明

（二）模态分析结果

表3为车体整备状态较为明显的振动模态。

四、计算结果

（一）验收标准

（1）刚度、静强度计算：车体在垂直动载工况中，边梁中点垂向挠度必须小于或等于定距的1/1000。强度评价根据EN12663-1：2010的规定校核，具体如表6所示。

（2）振动模态频率计算：通过车体模态分析说明车体在5至40赫兹频率范围内车体振动形式的特性，要求整备状态车体一阶弯曲自振频率避开转向架点头和浮沉振动频率。

参考文献：

[1] 龚积球. 戴繁荣，黎冠中. 机车强度计算〔M〕. 北京：中国铁道出版社，1986.

[2] TB/T2541-1995《内燃、电力机车车体静强度试验方法》

[3] TB/T1335-1996 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范