張春林

摘要：文章基于PRO/E軟件對電機(jī)車排障器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析指出其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并通過ANSYS軟件對其結(jié)構(gòu)的兩種受載情況做受力分析計(jì)算，證明結(jié)構(gòu)合理性。

關(guān)鍵詞：電機(jī)車排障器；設(shè)計(jì)；強(qiáng)度分析

前言

電機(jī)車是軌道車輛運(yùn)輸?shù)囊环N牽引設(shè)備，按使用環(huán)境分類為露天使用和礦井使用。電機(jī)車主要運(yùn)輸?shù)V石、廢石、材料、設(shè)備和人員等。電機(jī)車的使用環(huán)境差，積水可能導(dǎo)致看不見軌道，而且運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)礦石、廢石等掉落在軌道上。為了保證電機(jī)車安全使用，電機(jī)車排障器是必須的。

為了滿足電機(jī)車安全運(yùn)輸要求，電機(jī)車排障器的功能和強(qiáng)度需要全方位的設(shè)計(jì)。排障器是電機(jī)車的重要組成部分，固定于電機(jī)車的前端墻下部，主要作用是排除軌道內(nèi)側(cè)的障礙物。電機(jī)車排障器能否正常排除障礙物，直接關(guān)系到電機(jī)車運(yùn)行的安全性，因此還有必要對電機(jī)車排障器結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

1.電機(jī)車排障結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

如圖1-1所示，現(xiàn)有電機(jī)車是將一根厚度為25mm的鋼條焊接在電機(jī)車前端墻底部，起排開障礙物的作用。

圖1-1 現(xiàn)有電機(jī)車排障結(jié)構(gòu)示意圖

通過分析可以得出這樣的排障結(jié)構(gòu)至少有三個(gè)缺點(diǎn)：

（1）當(dāng)電機(jī)車撞擊較大障礙物時(shí)，受沖擊的是電機(jī)車前端墻，障礙物碎散后極易落在軌道上，對輪對造成沖擊，甚至造成電機(jī)車脫軌。

（2）障礙物可能頂起電機(jī)車前端，進(jìn)入電機(jī)車底部撞壞其他部件。

（3）沒有電機(jī)車防撞緩沖結(jié)構(gòu)。當(dāng)出現(xiàn)能使電機(jī)車破壞的沖擊時(shí)，沒有防撞緩沖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電機(jī)車破壞程度大或以至于無法維修。

2.電機(jī)車排障器設(shè)計(jì)

電機(jī)車排障器設(shè)計(jì)要求：結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)度弱于車架但能承受規(guī)定沖擊載荷、安裝和維修方便、成本低。

2.1電機(jī)車排障器結(jié)構(gòu)

電機(jī)車排障器整體三維模型如圖2-1所示，電機(jī)車排障器通過背后的一排通孔跟車架前端墻用螺栓連接。電機(jī)車排障器長度可以調(diào)整單元結(jié)構(gòu)數(shù)量而改變。

圖2-1 電機(jī)車排障器

電機(jī)車排障器由相同的多節(jié)單元結(jié)構(gòu)組成，其單元結(jié)構(gòu)三維模型如圖2-2所示，單元結(jié)構(gòu)采用20mm厚的鋼板Q345B拼焊而成，也可以用材料ZG340-640鑄造而成。多個(gè)單元結(jié)構(gòu)通過其側(cè)面的孔用螺栓連接就組成了一個(gè)完整的電機(jī)車排障器。在電機(jī)車排障器單元結(jié)構(gòu)的前端部撞擊面上增加加強(qiáng)筋，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖2-2 電機(jī)車排障器單元結(jié)構(gòu)

1-與前端墻的螺栓連接孔、2-單元與單元螺栓連接孔、

3-前端部撞擊面、4-結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋板

3.電機(jī)車排障器特點(diǎn)

該電機(jī)車排障器有以下6個(gè)特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)。該電機(jī)車排障器可由20mm厚鋼板拼焊組成，前端面設(shè)置加強(qiáng)筋，焊接方便沒有死角；該電機(jī)車排障器也可以鑄造成型，模型結(jié)構(gòu)簡單。

（2）排障作用好。該電機(jī)車排障器能推開電機(jī)車前方障礙物，個(gè)別障礙物強(qiáng)行擠壓進(jìn)入到電機(jī)車排障器底部，也能被電機(jī)車排障器底部的凹坑卡住或二次撞擊將其壓碎，能有效防止障礙物破壞電機(jī)車車底的零部件。

（3）對電機(jī)車車架起保護(hù)作用。電機(jī)車排障器設(shè)置在電機(jī)車的最前端，撞擊時(shí)首先受沖擊的是電機(jī)車排障器；電機(jī)車排障器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱于車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，當(dāng)電機(jī)車受破壞型沖撞時(shí)，電機(jī)車排障器被破壞而產(chǎn)生形變，同時(shí)吸收沖擊動(dòng)能，延長撞擊接觸時(shí)間，削弱沖擊破壞力。

（4）拆裝方便。該電機(jī)車排障器通過螺栓與車架前端墻連接，可獨(dú)立拆裝，與其他零部件拆裝不干涉。

（5）結(jié)構(gòu)模塊化。該電機(jī)車排障器是由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單元結(jié)構(gòu)組成，不同噸位的電機(jī)車有不同的車架和軌道寬度，可調(diào)整單元結(jié)構(gòu)數(shù)量來匹配電機(jī)車，且安裝結(jié)構(gòu)無需改變。

（6）維修方便，節(jié)約成本。電機(jī)車排障器整體受破壞時(shí)，將其與車架連接螺栓拆除即可更換電機(jī)車排障器；電機(jī)車排障器受局部破壞時(shí)，將被破壞的單元結(jié)構(gòu)拆除更換即可，節(jié)約更換成本。

4.電機(jī)車排障器強(qiáng)度計(jì)算

電機(jī)車排障器強(qiáng)度計(jì)算需要考核兩個(gè)方面：一、電機(jī)車運(yùn)行時(shí)正面排障沖擊載荷影響；二、根據(jù)TB/T 2541-2010《機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范》的要求，對電機(jī)車排障器中部正下方進(jìn)行載荷為140kN的靜載荷計(jì)算。

4.1 正面沖擊計(jì)算

在電機(jī)車運(yùn)行過程中，根據(jù)JB/T 10772-2007《窄軌架線式工況電機(jī)車通用技術(shù)條件》，電機(jī)車車架抗沖擊載荷為電機(jī)車粘著重量的1.5～2倍。電機(jī)車排障器設(shè)計(jì)中排障器強(qiáng)度小于整體車架強(qiáng)度，因此取電機(jī)車排障器設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1.5倍電機(jī)車粘著重量載荷。

以最大粘著重量為45T的電機(jī)車為計(jì)算目標(biāo)，電機(jī)車排障器承受沖擊載荷為661.5kN。根據(jù)該電機(jī)車排障器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，總共7個(gè)每個(gè)單元結(jié)構(gòu)，且每個(gè)單元結(jié)構(gòu)受力情況相同，可取單個(gè)單元結(jié)構(gòu)做計(jì)算分析，其正面沖擊載荷為95kN。

電機(jī)車排障器分析情況可見圖4-1、圖4-2和圖4-3。由圖4-3電機(jī)車排障器單元結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可知，電機(jī)車排障器承受1.5倍電機(jī)車粘著載荷沖擊時(shí)最大應(yīng)力為322MPa。可以分析得出采用Q345B鋼板或ZG340-640制造的電機(jī)車排障器能承受的正面沖擊載荷略大于電機(jī)車粘著重量的1.5倍，剛好能夠滿足沖撞強(qiáng)度又能保護(hù)車架。得出結(jié)論：該電機(jī)車排障器滿足正面沖撞設(shè)計(jì)要求。

圖4-1 電機(jī)車排障器單元結(jié)構(gòu)有限元

圖4-2 電機(jī)車排障器單元結(jié)構(gòu)受力約束情況

圖4-3 電機(jī)車排障器單元結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4.2 靜強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)TB/T 2541-2010《機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范》的要求，對電機(jī)車排障器中部正下方進(jìn)行載荷為140kN的靜載荷計(jì)算。

以45T電機(jī)車為計(jì)算目標(biāo)，該電機(jī)車排障器由7個(gè)完全相同的單元結(jié)構(gòu)組成。

圖4-4 電機(jī)車排障器有限元網(wǎng)格

圖4-5 電機(jī)車排障器受力及約束情況

圖4-6 電機(jī)車排障器應(yīng)力云圖

電機(jī)車排障器中間部位正下方承受140kN靜載荷分析情況可見圖4-4、圖4-5和圖4-6。由圖4-6電機(jī)車排障器應(yīng)力云圖可知，電機(jī)車排障器在140kN靜載荷作用下最大應(yīng)力為108MPa，遠(yuǎn)小于電機(jī)車排障器結(jié)構(gòu)材料的屈服應(yīng)力。得出結(jié)論：電機(jī)車排障器滿足設(shè)計(jì)要求。

5.結(jié)論

通過分析和強(qiáng)度計(jì)算該電機(jī)車排障器結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)度弱于車架但能承受規(guī)定沖擊載荷、安裝和維修方便、成本低，滿足設(shè)計(jì)要求。

6.結(jié)束語

本文提出了電機(jī)車排障器設(shè)計(jì)方案，并對其進(jìn)行了強(qiáng)度分析。理論分析和仿真結(jié)果表明該電機(jī)車排障器符合當(dāng)前的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。利用仿真分析來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性在現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常用到，它不僅能夠提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，還能降低設(shè)計(jì)成本，是設(shè)計(jì)過程中的強(qiáng)大助手。

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