150 t机车发运吊具结构可靠性分析

王玉艳，孙丽萍

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)＊

0 引言

随着铁路事业的迅猛发展，高速、重载是铁路发展的必然趋势，也对铁道车辆设计者提出了更高的要求.在不断设计出新的机车车辆产品的同时，更需要校验一下吊具设备能否在新的载荷条件下满足技术要求.对于铁路机车发运吊具，当机车的重量增加时，需校核其能否在规定的安全系数下使用.

本次分析的机车发运吊具适用于150 t及以下机车的吊装，每台机车由两个吊具共同作用来实现机车吊装.每个吊具在75 t载荷下作静止、上升、下降试验;不得有影响强度，安全之缺陷存在.本文对机车吊具进行了强度分析，并对车体吊钢丝绳进行了校核［1-2］.

1 150 t机车吊具结构简介

150 t机车吊具主要由车体吊架、吊销和车体吊钢丝绳三部分组成.车体吊架由底板、顶板、内外立板、吊耳、补板等不同厚度的钢板和端铁焊接组成一个架子;并用螺母把挂钩圆销、安全圆销和架子联接起来用于机车车体的吊装;材质分别为20#钢、A3和45#钢，具体结构如图1所示.

机车车体吊销有四种，结构形式基本相同，材质为20号钢，结构如图2所示.车体吊钢丝绳的型号为 D-6×37+1-32.5-160-特 -2，查《起重机设计手册》［2］该钢丝绳为起重机用钢丝绳，钢丝绳直径为32.5 mm，由6个小股每股37根钢丝组成，该钢丝绳的公称抗拉强度为160kg/mm2，破断拉力总和不小于614 580 N.钢丝绳一端吊在吊架的端铁上，另一端安在吊销上，吊销安装在车体底架四个吊装部位［3-4］.当吊车勾住吊架的挂钩圆销时，实现机车的吊装.

图2 机车车体吊销结构简图

2 150 t机车吊具的可靠性要求

机车吊具在载荷作用下应能达到如下所述的安全系数:车体吊架的安全系数不小于1.5;车体吊销的安全系数不小于2.5;车体吊钢丝绳的安全系数不小于5.机车吊具各部位材料的基本力学特性及许用应力［5］见表1.

表1 材料的屈服极限和许用应力 MPa

3 150 t机车吊架有限元分析

3.1 有限元模型

由于150 t机车吊具具有纵向及横向两个对称面，并且所受的载荷也是对称的，因此取1/4结构进行有限元分析.机车吊架只在焊接位置、挂钩圆销和安全圆销联接处看成一个整体.I-DEAS软件［6-7］建立机车吊架1/4结构几何模型如图3所示.分析全部采用4节点四面体单元进行结构离散，1/4结构有限元模型共划分98万个单元和22万个节点.

图3 1/4机车吊架结构几何模型和有限元模型

3.2 强度计算分析

根据机车吊具负载试验，本次有限元强度分析计算的载荷工况是机车吊架自重+75 t载荷工况.75 t载荷施加在车体吊钢丝绳与端铁的接触处，方向与重力的施加方向相同垂直向下;在吊具结构的对称面上施加对称约束，在挂钩圆销上与吊车相接处的位置施加径向位移约束.

有限元分析计算结果表明:75 t载荷工况作用下，节点的最大Mises应力为125 MPa，发生在挂钩圆销与吊耳接触位置，均小于材料的许用应力.节点的Mises应力分布如图4所示.

图4 机车吊架自重加75t载荷工况下Mises应力云图

4 机车车体吊销有限元分析计算

4.1 吊销销体有限元模型

车体吊销安装在车体底架相应的吊装位置，用来吊装整个机车车辆.本次有限元分析采用了两种有限元模拟方式:

(1)取出底架侧梁吊装的相应位置和吊销进行接触模拟，具体结构及有限元模型如图5所示.

图5 车体吊销有限元模型(假设1)

(2)分析吊销的变形及受力特点，仅对吊销进行有限元分析，有限元模型如图6所示.

图6 车体吊销有限元模型(假设2)

4.2 计算载荷工况及其约束设置

分析机车车体吊销的结构，由其结构特点和力学性质，设置如下所述的边界条件:

假设1:载荷37.5 t分别作用在钢丝绳与其接触的位置;吊销销体与底架的接触处设置接触约束;在底架侧梁取出的部分边界设置固定约束.

假设2:载荷37.5 t分别作用在钢丝绳与其接触的位置;在吊销销体的相应位置设置轴向约束.

4.3 计算结果及分析

4.3.1 车体吊销一有限元分析计算结果

著名医学家W.Osler曾说过，一个新建学科的发展要靠成立专科学会、举办学术会议、出版学术期刊。1992年，中华医学会高压氧分会在北京成立，高压氧医学进入了迅猛发展期。四川省医学会结合省内高压氧医学发展状况，于1995年协助从业人员组建高压氧医学学组，使学科团队的建设迈出艰难的第一步，学科的构建框架初具雏形；2003年在省医学会的大力支持下，四川省第一届高压氧专委会成立，预示着专业规范化管理及学术水平的进一步提高。

经过有限元分析计算，机车车体吊销1，在37.5t载荷作用下:

(a)假设1，节点的最大Mises应力为333MPa，发生在吊销体与底架侧梁接触的边界，大于材料的许用应力98 MPa，超过材料的屈服强度245 MPa;结构的变形及Mises应力分布如图7(a)所示.

(b)假设 2，节点的最大 Mises应力为339MPa，发生的位置同上，大于材料的许用应力98 MPa，超过材料的屈服强度245 MPa;结构的变形及Mises应力分布如图7(b)所示.

图7 37.5 t载荷下车体吊销1节点Mises应力云图

车体吊销的有限元分析表明，两种模拟方式的计算结果基本相同，以下其它3种销体结构，均使用第2种方法进行有限元分析计算.

4.3.2 有限元分析结果汇总

表2 车体吊销销体有限元分析计算结果汇总 MPa

由于机车底架结构的限制，吊销的外径不能再增加，当增加壁厚时，如车体吊销销体1为实心结构时，吊销的最大应力124 MPa，应力也是超过材料的许用应力，应力分布如图8所示.而且由于吊销内部有机构，是不可能做成实心的.因此建议采用屈服强度高的材质，提高其许用应力，如45号钢的屈服极限为355 MPa，在安全系数K=2.5时，其许用应力为142 MPa.并把吊销的内径设计为可以安装内部机构的最小尺寸，根据不同的机车底架结构，在吊销外径不变的情况下，适当增加吊销的底架内伸端长度，以满足150 t载荷吊装的要求.

图8 吊销销体1为实心结构时应力分布云图

5 车体吊钢丝绳强度校核

车体吊钢丝绳的型号为D-6×37+1-32.5-160-特 -2，钢丝绳破断拉力总和不小于614580 N，查《起重机设计手册》钢丝绳的安全系数为K=5，钢丝绳的许用拉力为:

钢丝绳的许用拉力=钢丝绳破断拉力总和/K=614 580/5=122 916 N

用四根钢丝绳分别吊75 t重重量，每根钢丝绳的承受的拉力分别为F1:

F1=75 ×9.8 ×1 000/4=183 750 N

每根钢丝绳的承受的拉力F1，大于钢丝绳的许用拉力122 916 N.

查《起重机设计手册》建议钢丝绳选用的型号为:D-6×37+1-39公称抗拉强度为1 700 N/mm2的钢丝绳 、D-6×37+1-36.5公称抗拉强度为1 850 N/mm2的钢丝绳或D-6×37+1-43公称抗拉强度为1 400 N/mm2的钢丝绳.钢丝绳破断拉力总和≥钢丝绳的承受的拉力×K=183 750×5=918 750 N.

6 结论

本文利用I-DEAS软件对150 t机车吊具进行了有限元强度和刚度计算分析.计算结果表明:150 t机车吊架的强度和刚度满足要求，性能可靠;吊销强度不满足要求，建议改进吊销的材质和结构以满足可靠性要求;但车体吊钢丝绳的安全系数较低，建议更换钢丝绳.本次机车吊具的可靠性分析可以为机车吊具设计提供一定的参考.

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 3811-2008起重机设计规范［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［2］张质文.起重机设计手册［M］.北京:中国铁道出版社，2013.

［3］刘丽娟，李庆，刘文俊.HX_D2型机车底架结构与强度研究［J］.内燃机车，2013(2):10-12，28.

［4］崔笛.HXD3B型交流传动电力机车车体设计［D］.大连:大连理工大学，2012.

［5］何永强，刘丰芹，何清和，等.机车车体常用金属材料分析［J］.电力机车与城轨车辆，2006(1):27-29.

［6］李伟.NX Master FEM 基础教程［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［7］廖日东.I-DEAS实例教程:有限元分析［M］.北京:北京理工大学出版社，2003.

［8］邓传福.40t轴重矿石车整车吊具用吊钩组成的研制［J］.铁道机车车辆工人，2012(2):15-17.

［9］何翠微.机车整体吊装装置的选择［J］.内燃机车，1990(12):13-16.

［10］俞利平，陈利法.利用专用钢架吊装蒸汽机车［J］.浙江冶金，2012(3):46-47.