一种模块化轨道平车研究

高鹏

中国铁建高新装备股份有限公司研发中心 ，云南 昆明 650215

摘要：本文基于模块化设计理念，利用有限元软件，研制出某型接触网放线平车，并建立了一个轨道平车的模块化平台，为同类轨道平车设计提供了依据。

关键词：模块化；有限元；轨道平车

1 引言

轨道平车主要用于运输各种货物，也可在车辆上端增加液压升降平台、起重机等设备。本文涉及的接触网放线平车主要用于地铁线路接触网上部设施的安装、维修和抢险工作。本接触网放线平车采用模块化设计，通过模块化组合、改变参数可适用不同长度、宽度和高度的平车，通过改变平车上部的接口，可改变作业功能。接触网放线平车基于标准BS EN 12663-1:2010+A1:2014《Railway applications―Structural requirements of railway vehicle bodies part 1:locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons)》^[1]（以下称“EN 12663标准”）进行结构设计，同时兼顾了产品经济性和焊接工艺性。

2 接触网放线平车三维模型

接触网放线平车为底架承载结构，其主体结构分为车架前部、车架中部和车架后部三大部分，车架采用板材结合型材焊接而成，在车架前后部设有车钩安装接口。接触网放线平车三维模型如图1所示。

图1 接触网放线平车三维模

3 模块化及焊接工艺性

3.1 模块化设计

接触网放线平车采用模块化设计，共分为两个模块，前后部为一个模块，中部为一个模块，整车结构是根据布置和功能要求，在两个模块基础上增加了相应结构。整体模块框架如图2所示。

图2 模块框架

车架前后部采用相同模块框架。框架端部端板固定冲击座，外端两侧纵梁采用H型钢,与端板相连。中部牵引梁固定从板座，纵向板采用板材折弯成槽型件，前端与端板相连，后端下侧设置成斜口与枕梁连接，并用板材封闭。在H型钢和纵向板之间设有矩形管纵梁，在端板和纵梁之间搭接加强筋板。此框架可以在长度、宽度和高度方向更改参数，即可适应不同平车要求，另外根据整车功能和布置，可以在相应部位增加结构。

车架中部模块框架，前后两端为枕梁，结构相同，枕梁是由板材拼成的箱型梁结构，下端设有与转向架相连的支座，两侧留有起吊孔，起吊孔下端设有顶车座。在两枕梁之间依次布置了四根H型钢纵梁，两根位于两侧，两根位于中部。中部两根H型钢纵梁之间用三组横梁相连，前后两端为斜口，用板材连为一体。相应中部H型钢纵梁和侧边H型钢纵梁之间设有三组横梁。中部模块框架可更改枕梁下端支座参数，适应不同高度要求，长度方向可调整工字梁长度，宽度方向可调整枕梁和横梁尺寸，另外根据整车功能和布置，可以在相应部位增加结构。

4 有限元分析

4.1 有限元模型

接触网放线平车有限元计算^[2]前，需对其模型进行合理简化，既可以避免在有限元软件中对模型进行网格划分时，出现单元过多、单元质量较低的问题，又可以在降低网格划分的难度，减小计算机的运行负荷等，从而既保证了计算结果的精度，同时也有效提高了计算效率。本例中对一些螺纹、凹槽、小孔、表面上的小凸起以及对分析结果影响不大的零部件、几何特征等进行了简化处理。

接触网放线平车有限元分析模型采用笛卡尔坐标系。该坐标系中，x轴指向车辆运行前方，y轴为车架宽度方向，与线路方向相垂直，z轴垂直于轨道平面，其正方向为竖直向上。坐标系xOz平面位于车架上平面几何中心，模型如图３所示。

由于接触网放线平车均为板材和管材结构，厚度尺寸相对于其长度尺寸较小，宜采用壳单元进行离散。本次主要采用4节点壳单元shell181，个别过渡区域采用三角形单元，车架共离散为207107个节点，形成shell181单元207270个，对于加载在车体上的质量载荷，采用质量单元mass21进行划分，形成mass21单元7个，质量单元与车架节点连接采用梁单元beam188，形成beam188单元102637个，主网格尺寸25mm。

车架的H型钢和板材材料采用低合金高强度结构钢Q355D，管材采用Q345D，材料的的弹性模量E=2.06×10¹¹Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m³。

图３ 接触网放线平车有限元模型

4.2 评价标准及车架钢结构许用应力

在考虑车辆运营环境的基础上，综合各因素及要求，接触网放线平车的分析基于EN 12663标准，因本接触网放线平车为地铁车辆，选取P-Ⅲ工况进行计算。

车架刚度按照EN 12663标准中“正常设计有效载荷下底架的最大挠度应不超过轴距或初始位置至转向架中心距离的3‰（包括任何抗弯效应）”规定，对于本平车即为最大挠度值不应超过31.5mm。

车架强度通过公式(1)所得的von_Mises应力(当量应力)进行评估。

(1)

式中： σe—当量应力；

σi—主应力(i=1，2，3)。

车架的H型钢和板材材料为Q355D，管材材料为Q345D，按照要求，选取安全系数1.265，各材料许用应力详见表1。

表1 材料许用应力

4.3 计算工况描述

EN 12663标准中P-Ⅲ工况描述见表2。

表2 工况描述

4.4 计算结果分析

（1）在工况一作用下，接触网放线平车垂向最大位移5.44mm，小于最大许用挠度31.5mm，垂向变形云图如图４所示。

图４ 工况一平车垂向变形图

（2）在工况二拉伸作用力下，接触网放线平车应力最大值为179.087MPa，出现在TOP面，出现区域在主横梁内部与两侧梁相接处的筋板上，最大应力小于该区域材料Q355D的许用应力280MPa，应力如图５、图６所示。

图５ 工况二平车应力云图（TOP）

图６ 工况二平车应力云图最大区域

（3）在工况三压缩作用力下，接触网放线平车应力最大值为123.418MPa，出现在BOTTOM面，出现区域在主横梁与中间两纵梁相接处，最大应力小于该区域材料Q355D的许用应力280MPa，应力如图７、图８所示。

图７ 工况三平车应力云图（BOTTOM）

图８ 工况三平车应力云图最大区域

（4）在工况四救援起复工况下，接触网放线平车应力最大值为216.917MPa，出现在TOP面，出现区域在车架前后端部牵引梁起复位置，最大应力小于该区域材料Q355D的许用应力280MPa，应力如图９、图10所示。

图９ 工况四平车应力云图（TOP）

图1０ 工况四平车应力云图最大区域

5 结语

本文基于模块化设计理念，利用有限元软件，研制出符合标准要求的接触网放线平车，并建立了一个轨道平车的模块化平台，改变零部件尺寸即可适用不同长度、宽度和高度的平车，匹配不同装置接口即可改变其作业功能。

参考文献

[1] BRITISH STANDARD.Railway applications―Structural requirements of railway vehicle bodies part 1:locomotives and passenger rolling stock (and alternative method for freight wagons) [S].BS EN 12663-1:2010+A1:2014.

[2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析 人民交通出版社[M]，2007.10.

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