地铁铣轨车车体静强度分析及试验验证

史天亮

中国铁建高新装备股份有限公司 昆明 650215

0 引言

钢轨滚动接触疲劳裂痕、波磨和曲线上股钢轨侧磨是城市轨道交通钢轨最常见的表面损伤。如果钢轨表面损伤得不到及时、有效的整修，将严重影响行车安全以及钢轨寿命。为了保证列车运行的安全性、稳定性和舒适性，需要使用快速、高效的在线修复技术来消除钢轨表面伤损，恢复钢轨型面和平顺度。

地铁铣轨车适用于地铁线路轨道的修复作业，可一次性铣削消除钢轨轨顶表面形成的长波和短波波磨、裂纹、飞边和剥离掉块等劳损，使作业后的钢轨纵、横断面轮廓得到重塑，表面平顺度可较好地恢复[1]。由于地铁铣轨车具有噪声低、污染少、作业后无残留物等特点，特别适合城市轨道交通、隧道等环境使用，但其复杂的作业机构导致整车质量较大，而大部分地铁轴重要求不能超过14 t，故需对车体进行轻量化设计以满足轴重要求。本文通过有限元软件对地铁铣轨车车体强度和刚度进行分析计算，并与车体静强度试验的结果进行对比分析，为后续同类车型的设计提供了理论和试验依据。

1 车体结构特点

如图1所示，地铁铣轨车车体的主体结构由车架、侧墙、端墙、顶棚等组成。车架是铣轨车主要承载结构，主要由枕梁、侧梁、牵引梁、纵梁、横梁等组成。车架中部安装有工作装置，前部安装司机室，后部安装液压间。车架长15 320 mm，枕梁为变截面箱形梁，上下盖板壁厚12 mm，侧板壁厚8 mm；侧梁为变截面的焊接H形钢梁，截面高度由250 mm、350 mm、750 mm、2 255 mm等，H形钢梁的翼板壁厚为16 mm和10 mm，腹板壁厚均为10 mm；牵引梁为壁厚12 mm的槽钢，纵向板壁厚为16 mm；其他横梁、纵梁均由不同壁厚的板拼焊而成。车架两侧设计有侧墙，侧墙顶部支撑起顶棚。车体传力结构为整体承载方式，即车体关键部位在承受载荷后，通过焊接在一起的型材将载荷传递到车体各个部位，进而引起车体发生相应变形[2，3]。

图1 铣轨车车体模型

2 车体结构有限元分析

2.1 车体有限元模型建立

地铁铣轨车车体大部分结构为薄板，建立有限元模型可选用壳单元建模分析。采用带有节点偏置功能的壳单元建模[4-6]，当遇到需要改变板厚的情况，只需变更实常数或截面数据即可，适应性强，适合设计阶段使用。本文采用Shell 181号单元建立车体模型，设备以质量单元的形式施加在各自的质心位置，如表1、图2所示。考虑车架作为主要承载结构，划分网格使用较小的网格，尺寸为15～20 mm，侧墙及顶棚采用较稀疏网格，尺寸为20～30 mm。车体有限元模型包含383 890个单元和386 810个节点。

表1 铣轨车各部件质量

图2 铣轨车各部件安装图

2.2 各工况分析计算

以车体长度方向为X方向，宽度方向为Y方向，高度方向为Z方向。由于壳单元只有2个旋转自由度，故直接在芯盘处约束UY、UZ、ROTX，车辆的计算工况如表2所示。

表2 车体静强度计算载荷工况

在表2中，垂直静载荷工况是测试车体在自重载荷下的应力和中央断面挠度。纵向拉伸、压缩工况是为了测试车体在牵引、碰撞等条件下的力学特性，其载荷分布工况情况如图3、图4所示。其中纵向拉伸载荷采用货车标准取1 125 kN，在车钩一端施加其一半562 500 N的拉力，在车架与转向架旁撑接触位置施加4 132 N的斜对称载荷，压缩载荷采用客车标准取1 180 kN，在车钩一端施加其一半59 000 N的压力，在车架与转向架旁撑接触位置施加4 132 N的斜对称载荷。垂向总载荷由垂向静载荷、垂向动载荷、侧向力组成。垂向静载荷为车体的整备质量，垂向动载荷可换算成垂向静载荷乘以动载荷系数Kdy，依据TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》[7]，在试验车体侧梁、枕梁的强度时，可通过加大垂向载荷来模拟侧向力的影响。货车侧向力的垂向载荷增加数值为垂向静载荷的10%，Kc＝0.1。因此，垂向总载荷的计算式为

图3 纵向拉伸工况载荷分布

图4 纵向压缩工况载荷分布

式中：LZ为垂向总载荷，Lj为垂向静载荷，Kdy为动载荷系数。

动载荷系数Kdy的计算式为

式中：fj为车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度，取39.77 mm；v为车辆的行驶速度，取120 km/h；b为系数，取值为0.05；d为系数，取值为1.65；a为系数，簧上部分取值为1.5；c为系数，簧上部分取值为0.427。

计算得出动载荷系数Kdy为0.3，故垂向总载荷为1.4Mg。

斜对称载荷的计算式[4]为

式中：Q为斜对称载荷；L2为车辆两端轴颈中心之间的距离，取值为1.8 m；C1为一个轴箱上轴箱弹簧组的总刚度，取值为1 380 N/mm；C2为转向架抵抗斜对称载荷刚度。

为计算转向架抵抗斜对称载荷刚度，在其中一个轴箱处施加10 000 N载荷，转向架位移分布如图5所示。由图5可知，施加载荷位置的位移为4.43 mm，根据公式可计算出C2＝10 000/4.43＝2 258 N/mm，将其代入式（3）可计算出转向架斜对称载荷Q为4 132 N。

图5 转向架位移分布

整体抬车工况是为了确定在顶车处用架车机架起车体时，车体任何断面的应力是否不大于材料的屈服极限。其载荷分布工况情况如图6所示，在车架4个吊装点处施加4点平均的整备质量。

图6 整体抬车工况载荷分布

2.3 仿真结果分析

各计算工况下，车体各处应力要小于材料许用应力，车体采用的材料为S355J2，取安全系数1.15，许用应力关系如表3所示。

表3 许用应力关系表

根据已建立的模型进行4种工况仿真研究，最大应力仿真结果如图7～图10所示，垂直静载荷工况最大应力为106 MPa，纵向拉伸工况最大应力为208 MPa，纵向压缩工况最大应力为214 MPa，整体抬车工况最大应力为148 MPa。4种工况计算应力均小于材料的许用应力，所以其结构强度符合标准要求。

图7 垂直静载荷工况最大应力

图8 纵向拉伸工况最大应力

图9 纵向压缩工况最大应力

图10 整体抬车工况最大应力

3 车体静强度试验验证

3.1 车体静强度试验

地铁铣轨车静应力测试和刚度试验试验委托中国铁道科学院机车车辆研究所进行试验。试验依据为TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》、GB/T 25337－2018《铁路大型养路机械通用技术条件》[8]和GB/T 25336－2018《铁路大型养路机械检查与试验方法》[9]。试验内容分为：车体在垂直载荷下的静强度试验、在纵向载荷下的静强度试验、在扭转载荷作用下的扭转试验。使用电阻应变片来测量车体的应力，应变片采集到的应变值根据虎克定律换算成应力，即为该处的应力值。选取结构的1/2进行布点测试，重要部分则在对称位置布置对称点。车架测点为82个。应变片粘贴位置如图11所示。车体的挠度变形使用位移传感器测量。在车架两个侧梁各布置3个点侧梁挠度，分别为车架中央和两端芯盘指点处3个断面上，取3点挠度平均值作为车架挠度。

图11 车体应力测点分布布置图

3.2 试验结果

地铁铣轨车车体静强度试验在4种工况下的最大应力点位置及数值如表4所示。对试验结果进行分析：4种工况下各点的应力值均小于材料的许用应力；垂向静载荷试验下车体两侧侧梁的中央挠度都小于标准规定值。车体钢结构的静强度和垂向弯曲刚度均满足TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》要求。

表4 各工况试验结果

3.3 有限元计算与试验结果对比分析

将有限元仿真计算和试验结果进行对比分析，可以发现：地铁铣轨车车体垂向静载荷、纵向拉伸、纵向压缩、整体抬车等4种工况仿真结果与试验结果趋势相同，数值偏差大约10%，如图12所示。其主要原因有：

图12 仿真与试验结果对比

1）建模过程中对车体结构和载荷施加方式的简化、网格划分情况；

2）车体主要部件在组焊时产生的焊接变形使各梁端头产生的制造误差；

3）试验测量贴片位置不一定在单元的相应节点上，导致计算节点应力与试验测量应力位置存在差异。

4 结论

1）地铁铣轨车车体的强度和刚度都满足标准的要求；

2）仿真结果和计算结果相近，数值偏差小于10%，验证了有限元模型的可靠性；

3）通过有限元模型可以较准确地判断出该车体在不同工况下的结构薄弱点,对车体设计有着指导意义。