常寧，吳志法，黃尊地，鄭聲佳，何闖，傅志輝，李土明

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，貨物運(yùn)輸需求快速上升，鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，具有明顯的優(yōu)勢(shì).在軌道交通站段中，運(yùn)輸繁忙，調(diào)車(chē)推送作業(yè)量大[1]，常需要進(jìn)行整列車(chē)的解體、編組、車(chē)輛摘掛、列車(chē)折返或轉(zhuǎn)線(xiàn)等作業(yè)，同時(shí)最重要也最關(guān)鍵的是要求人工輔助行車(chē).調(diào)車(chē)推送作業(yè)時(shí)，工作人員通常需要用手將自己的身體掛在車(chē)體外瞭望以實(shí)時(shí)判斷與前車(chē)的距離或鋼軌上是否有異物入侵，并將信息及時(shí)反饋給司機(jī)人員.該工作繁重且不安全，尤其是在雨天，極易造成人員傷亡等安全事故[2].

為了革除站段調(diào)車(chē)推送作業(yè)的弊端，保障調(diào)車(chē)推送作業(yè)順利開(kāi)展以及調(diào)車(chē)人員的人身安全，本文提出在調(diào)車(chē)推送作業(yè)中使用安全監(jiān)控設(shè)備，通過(guò)實(shí)地考察及比較不同車(chē)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬為前端設(shè)備在復(fù)雜的車(chē)鉤環(huán)境設(shè)計(jì)一個(gè)支撐裝置，用有限元靜強(qiáng)度分析該裝置的有效性.

1 監(jiān)控設(shè)備安裝位置的確定

要完成監(jiān)控設(shè)備支撐裝置的設(shè)計(jì)工作，首先要確定該設(shè)備的安裝位置.針對(duì)軌道交通常見(jiàn)的罐車(chē)、棚車(chē)、敞車(chē)三種貨車(chē)車(chē)型，并進(jìn)行實(shí)地考察，確定了如表1所示的幾種安裝位置，并比較了各種車(chē)型安放位置的優(yōu)缺點(diǎn).

表1 不同車(chē)型監(jiān)控設(shè)備的安裝比較

通過(guò)比較可以看出：不同車(chē)型、不同的安裝位置各有優(yōu)劣.為驗(yàn)證實(shí)際效果，我們?cè)诨葜葚涍\(yùn)中心進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)表1的安裝方式都不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的要求，原因如下：1）選定的位置不能太高，否則現(xiàn)場(chǎng)工作人員難以放置、拆卸；2）選定的位置必須是所有車(chē)型共有的才能有很高的適用性.

對(duì)上述位置進(jìn)行綜合分析，結(jié)合安裝設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，兼顧方案的通用型、經(jīng)濟(jì)型，最終選擇在車(chē)鉤處安裝監(jiān)控設(shè)備.如圖1，由于車(chē)鉤結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，尤其是上作用式車(chē)鉤，在車(chē)鉤處會(huì)形成一個(gè)障礙，因而需要設(shè)計(jì)一個(gè)支撐裝置.本文最終確定的監(jiān)控設(shè)備支撐裝置安裝位置如圖2中方框標(biāo)記所示.

圖1 車(chē)鉤模型圖

圖2 支撐裝置在車(chē)鉤處的固定位置

2 支撐裝置的設(shè)計(jì)

由于支撐裝置要在調(diào)車(chē)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足裝置輕便、快裝快卸、簡(jiǎn)單易學(xué)、便于攜帶的要求，同時(shí)考慮安裝位置和對(duì)車(chē)鉤表面進(jìn)行精加工的不現(xiàn)實(shí)性，本文設(shè)計(jì)的支撐裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，其支撐方式如圖4所示.該裝置為敞開(kāi)式的箱型結(jié)構(gòu)，主要由上支撐板、左右固定板、工業(yè)合頁(yè)、軸承、軸承座、螺旋手桿以及若干螺釘組裝而成.

圖3 支撐裝置的三維設(shè)計(jì)圖

圖4 支撐裝置的支撐方式

1）左右兩側(cè)固定板：左右兩側(cè)為該裝置的固定板，右側(cè)板通過(guò)孔徑為M8的鋅合金壓鑄工業(yè)合頁(yè)與上支撐板連接，能夠?qū)崿F(xiàn)90°折疊，方便攜帶和拆裝，同時(shí)能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境，便于后期支撐板螺紋孔的加工.

2）右側(cè)單邊手輪：當(dāng)左側(cè)與車(chē)鉤側(cè)面貼合后，通過(guò)右側(cè)螺旋手柄旋進(jìn)的方式使其夾緊，該方式能夠適應(yīng)不同的車(chē)鉤寬度，保證其夾緊，也能消除車(chē)鉤面不平整帶來(lái)的影響.在手輪端作用面處鑲嵌一層橡膠，增大手輪端面與車(chē)鉤安裝座側(cè)面的接觸面積，保證二者之間對(duì)作用力的要求.

3）軸承：將扭力轉(zhuǎn)換為軸向力，最終軸向力作用在車(chē)鉤座側(cè)面，達(dá)到緊固支撐的效果.消除軸承座在旋進(jìn)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，使支撐裝置結(jié)合車(chē)鉤右側(cè)的是垂直于車(chē)鉤的力.根據(jù)支撐裝置的軸承座孔的受力特點(diǎn)，選用型號(hào)為608-2Z、內(nèi)徑8 mm、外徑22 mm的深溝球軸承，使之能承受單向的載荷[3].

4）上支撐板卡緊機(jī)構(gòu)：上支撐板與監(jiān)控設(shè)備接觸，突出部分的寬度與高度能夠適應(yīng)前端上部總裝部分下端的鋁鰭，另外突出部分中間開(kāi)出能安放磁鐵的坑槽，以便更好地卡緊前端上部總裝部分，限制其自由度.

3 支撐裝置有限元靜強(qiáng)度分析

根據(jù)調(diào)車(chē)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，采用有限元方法，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)該支撐裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核.

3.1 網(wǎng)格劃分

在一定范圍內(nèi)，網(wǎng)格數(shù)量較少時(shí)，想要提高計(jì)算精度，可以通過(guò)適當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù)量，以保證在不增加過(guò)多計(jì)算時(shí)間的條件下提高計(jì)算精度，保證最高的經(jīng)濟(jì)性[4-5].為了兼顧網(wǎng)格質(zhì)量與計(jì)算時(shí)間，本次網(wǎng)格的劃分基于支撐裝置的復(fù)雜性與網(wǎng)格劃分計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性.由于該支撐裝置主要承受螺桿傳遞的水平推力和工業(yè)合頁(yè)上的豎直壓力、螺桿與右板之間的壓力，因而在分析過(guò)程中選用三維8節(jié)點(diǎn)的六面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID185.對(duì)于形狀結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的上板及左右側(cè)板整體進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分.為了提高網(wǎng)格的整體質(zhì)量，對(duì)安裝螺栓的接觸面、螺桿與右板的接觸面等10個(gè)接觸面進(jìn)行更高質(zhì)量的面網(wǎng)格劃分，劃分后網(wǎng)格模型如圖5所示，共3 818 772個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 373 841個(gè)單元.

3.2 載荷及邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況受力分析可知，在靜態(tài)條件下，該支撐裝置主要受到自身重力以及上方設(shè)備箱裝置的壓力.支撐裝置的材料為45#鋼，計(jì)算質(zhì)量為1.5 kg，取上方設(shè)備箱裝置的總質(zhì)量為10 kg，給支撐裝置施加一個(gè)98 N的壓力.根據(jù)支撐裝置的實(shí)際安裝情況，對(duì)支撐裝置左側(cè)板（無(wú)手輪側(cè)）施加x、y、z三個(gè)方向的位移約束.

圖5 支撐裝置有限元模型

3.3 仿真結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)際工況，給支撐裝置在相關(guān)位置施加上述載荷，并進(jìn)行相應(yīng)的約束，采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果如下.

3.3.1 等效應(yīng)力

利用ANSYS處理計(jì)算，將應(yīng)力云圖中的最大應(yīng)力數(shù)據(jù)與材料標(biāo)準(zhǔn)中的許用應(yīng)力[σ]進(jìn)行比較，以判斷本方案結(jié)構(gòu)是否能夠滿(mǎn)足材料的強(qiáng)度需求[6].許用應(yīng)力[σ]=屈服強(qiáng)度/安全系數(shù)n.45#號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa，支撐裝置材料選用的45#鋼為塑性材料，其安全系數(shù)n=1.5～2.0，故許用應(yīng)力[σ]=178～237MPa.

如圖6所示，從等效應(yīng)力云圖可知，σmax=14.94MPa.最大的應(yīng)力值在紅色區(qū)域，應(yīng)力集中在右側(cè)合頁(yè)與上支撐板固定處，σ遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力[σ]，說(shuō)明這個(gè)方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工作中是安全的.

3.3.2 等效應(yīng)變

本文中計(jì)算應(yīng)變用許用應(yīng)力表征，該值與應(yīng)變?cè)茍D的最大應(yīng)變值進(jìn)行比較，以判斷材料是否符合要求.按照應(yīng)變值的計(jì)算方法，可得其為0.000 8～0.001 1.由圖7可知，紅色區(qū)域?yàn)榉治龅淖畲髴?yīng)變值（為0.000 076）.由于紅色區(qū)域的值遠(yuǎn)小于通過(guò)許用應(yīng)力計(jì)算的應(yīng)變值，故本設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求.

圖6 等效應(yīng)力云圖

圖7 等效應(yīng)變?cè)茍D

3.3.3 總形變

為了校核方案能否滿(mǎn)足材料的剛度需求，賦予預(yù)計(jì)最大的壓力值對(duì)總變形的最大變形量進(jìn)行分析計(jì)算，并與材料（45#鋼）的彈性模量E進(jìn)行比較.由圖8可知，最大變形量在紅色區(qū)域，值為0.012 mm，滿(mǎn)足材料性能要求.

4 結(jié)論

本項(xiàng)目根據(jù)車(chē)輛段現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)不同車(chē)型安裝位置的對(duì)比，選出適宜實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的安裝位置，并對(duì)監(jiān)控設(shè)備支撐裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).借助ANSYS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度校核.結(jié)果表明：該裝置具有操作簡(jiǎn)單、快裝快卸、便于加工等優(yōu)點(diǎn)，其強(qiáng)度與剛度能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工況的要求.

圖8 總形變?cè)茍D