多功能作业车升降式作业平台强度分析及结构改进

袁磊，孙丽萍，任涛龙，王玉艳，马来苹

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028;2.宝鸡南车时代工程机械有限公司，陕西 宝鸡721003)*

0 引言

多功能综合作业车是电气化铁路、高速客运专线接触网检修、维护的专业设备.该车装备高空作业斗、升降式作业平台、导线拨线装置和接触网检测系统等.它既可以用于对线路上高压接触网及线路设施进行综合检测、检修和维护，也可以用于铁路的高空设施、桥梁及隧道等的综合检修及维护［1］.其中车顶升降式作业平台是实现上述功能的主要设备之一.由于作业平台承载重，转臂回旋半径大，因此该多功能车作业时车顶升降式作业平台的安全性显得尤为重要.本文对整车建立有限元模型，对车顶升降式作业平台进行了强度分析，并根据有限元计算的结果，对车顶升降式作业平台的结构进行了改进设计.

1 作业平台的结构简介

该多功能作业车车顶有两处作业设备，分别为升降式作业设备和高空作业斗设备.一位端车顶安装升降式作业平台，二位端车顶安装高空作业斗设备.其中高空作业斗安装座为薄壁圆柱筒结构，连接车顶和底架.多功能作业车车体钢结构如图1所示.作业平台结构主要由120 mm×103 mm的横向和纵向槽型钢以及8 mm厚的封板组成.其中横向槽型钢与顶部边梁连接，纵向槽型钢均匀分布在横向槽型钢中间;设备安装座安装在作业平台中心，四周分别与横向槽型钢和纵向槽型钢相连接;封板平铺在作业平台顶部蒙皮处.作业平台正下方中间的横向槽型钢与车内隔墙立柱相连接;作业平台与车顶其他部位利用角钢、乙型钢、槽型钢过渡连接.其结构如图2所示.

2 有限元模型建立与计算结果分析

2.1 有限元模型建立

在建立车体几何模型的基础上建立了车体有限元模型.车体大部分采用板壳单元进行网格划分，个别结构(如吊车座，作业平台设备安装座等)采用实体单元进行网格划分.车体一共划分了1 203 732个节点，1 238 401个单元，其中壳单元1 229 565个，四面体单元8 836个.车顶作业平台局部有限元模型如图3所示.

图3 升降式作业平台有限元模型

2.2 载荷与约束条件

车体在作业时除受到车体自身重量以及载重外还受到施加在作业平台转臂和高空作业斗转臂上的垂向载荷.作业平台转臂在作业时可以360°旋转，其转臂重心距安装座上表面中心半径为1 668 mm、垂直高度为550 mm，重心集中载荷为25 284 N;高空作业斗转臂重心与其安装座上表面中心纵向距离为2 844 mm、横向距离为969.5 mm，重心集中载荷为59 290 N.计算载荷施加在转臂重心位置，具体如图4所示.在枕梁处油缸顶车的位置施加车体垂向约束.

图4 载荷施加示意图

2.3 计算结果分析

该多功能作业车车体材料为Q345B型钢，材料属性为:弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7.85×10-6kg/mm3.根据TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的规定，材料的许用应力为216 MPa［2］.计算得到作业平台应力分布情况，最大应力发生在横向槽型钢与边梁的相交处，应力值为450.4 MPa，如图5所示.对结果进行进一步分析可知，设备安装座四周相连的横向及纵向槽型钢附近的最大应力为323.4 MPa，具体发生在斜撑与横向槽型钢相交的腹板上边缘处.高空作业斗安装座处车体最大应力仅为70.8 MPa，发生在车体二位端第一个窗口折角处，其应力云图如图6所示.

3 作业平台的改进

根据上述计算结果可知，虽然高空作业斗转臂受到的载荷比升降式作业平台转臂更大，但是由于采用了连接车顶和底架的圆柱筒型安装座，其满足强度要求.如果升降式作业平台也采用此结构，则势必增加车体钢结构的重量.因此，需要在不采用圆柱筒型安装座的基础上，对升降式作业平台进行改进.综合分析车体结构特点和应力分布情况，具体确定了以下三种改进方案.

3.1 改进方案一

由于开口的槽型钢的抗弯曲能力较弱，将设备安装座四周相连的槽型钢改为矩形钢.经计算分析得到改进后的作业平台应力分布云图如图7所示.最大应力同样发生在顶部横向槽型钢与边梁的相交处，应力值为330 MPa.对应力计算结果进一步分析可知，和设备安装座相连的矩形钢应力值已经下降到材料的许用应力以下，但是与矩形钢相连的车顶其他部位的纵向梁的应力值仍超过材料的许用应力.

图7 方案一中升降式作业平台应力云图

3.2 改进方案二

对原始结构和方案一结构的计算结果进行对比分析可知，通过改变作业平台下方的槽型钢的截面形式来降低应力是可行的.另外，原始结构与方案一结构中最大应力发生位置均为顶部横向槽型钢与边梁的相交处，说明此处应力集中最明显，应该对此处结构进行改进.改进方案如下:作业平台下开口槽型钢均改为矩形钢;设备安装座下部采用8 mm钢板封闭;安装座上部封板厚度由8 mm改为10 mm;横向矩形钢与顶部边梁之间保持20 mm距离.改进后的作业平台结构如图8所示.经计算分析后的作业平台最大应力为262 MPa，发生在横向矩形钢与边梁斜边处接触处，而作业平台其他位置应力值均低于材料的许用应力.除横向矩形钢与边梁斜边处接触位置处，此方案作业平台结构已经具有较高的强度，进一步只需要对局部改进即可.

图8 方案二中升降式作业平台结构图

3.3 改进方案三

针对横向矩形钢与边梁斜边处接触位置，具体改进方案如下:将横向矩形钢与边梁斜边处接触的位置整体去掉.其局部结构如图9所示.经计算后的作业平台应力最大值仅为111.1 MPa，如图10所示.计算结果表明，作业平台改进方案三的结构大大降低了最大应力值，使得应力分布比较均匀，结构比较合理.

4 结论

通过对车顶作业平台进行有限元强度分析，计算结果表明该多功能作业车升降式作业平台原始结构设计不够合理.依据计算结果提出了一系列改进方案，最终给出了一个结构合理、满足力学性能的升降式作用平台的改进方案.在改进过程中得到以下规律:①对局部应力集中，应尽可能在不改变整体结构的前提下对相对薄弱的局部结构进行适当补强;②开口槽型钢的抗弯曲能力较弱，如结构受到力矩较大时，应尽可能采用闭口截面的矩形钢.本文的研究结果为以后我国多功能综合作业车车体设计提供了一定参考.

［1］中华人民共和国铁道部.TB/T 2180-2006电气化铁路接触网综合检修作业车技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2006.

［2］中华人民共和国铁道部.TB/T 1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范［S］.北京:中国铁道出版社，1996.

［3］于雷，孙丽萍，黄银华，等.铁路检修轨道车车体强度与局部应力集中分析［J］.内燃机车，2010，(9):4-7.

［4］王春华，黄杨，孟凡林，等.基于ANSYS液压支架托梁结构改进及强度分析［J］.机械设计，2013，30(1):67-69.

［5］王鹏，张宝霞.高速列车车体结构设计及强度分析［J］.机械研究与应用，2012(1):41-43.

［6］姜士鸿.25T型客车车底架枕梁结构的改进［J］.机械工程师，2007(5):141-142.

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