王鹏1 单晓涛2 高春雷1
（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京交通运输职业学院，北京 100096）
摘 要 针对列车车辆检修时架车机同步作业工况，建立架车机托架的力学模型，推导出架车机受力计算公式，获得架车机托架的力学性能与结构系数的关系。根据力学模型并利用有限元仿真分析方法，对架车机的托架和机架结构的强度和刚度进行分析。结果表明：托架应力集中发生在垫块与侧板、托头与侧板接触的位置，机架受到弯矩作用产生的变形随着托架起升逐渐增大。本文提出的方法和获取的计算数据可为架车机结构设计的优化提供理论依据。
关键词 架车机；有限元分析；结构设计；结构强度；结构系数；结构刚度；应力集中
移动式架车机是列车车辆维护、检修的一种重要的非标起重设备，主要由升降机构、机架、液压移动机构、托架等部分组成。随着轨道交通，特别是城市轨道交通的发展，移动式架车机呈现广阔的应用前景。由于架车机将列车抬高后可在列车底下进行检修和维护作业，故架车机的安全性、可靠性成为人们关注的焦点。
架车机的发展有较长的历史，在国产架车机的研制过程中，研究者在架车机的结构设计及维护上做了不少工作［1-6］，但对架车机力学性能研究相对较少。然而，在架车机设计中力学分析是架车机可靠性、安全性、使用寿命等重要性能分析的理论基础。
本文根据架车机同步作业工况，建立架车机托架的力学模型，推导出架车机受力计算公式，然后利用有限元仿真分析方法，对架车机的托架和机架结构的强度和刚度进行分析，为架车机结构设计优化提供理论依据。
架车机负载升降过程中其主要受力如图1 所示。其中：G 为架车机整机自重；Pca为架车时的车辆载荷；m 为架车机重心至底板边缘距离；n 为车辆载荷至底板边缘距离。
为防止架车机发生倾覆的危险弯矩M 的平衡公式必须满足［7-8］
图1 架车机负载升降过程中其主要受力
为安全起见，设计中托架伸出时托头外侧边缘不应超出底板边缘。其伸出长度直接影响托架和机架的受力情况，以下将进一步分析。
架车机的托架是连接机架、传动机构和列车车体的工作装置，因此对托架的力学分析是架车机设计及性能分析的基础。
Michael Mauer:优秀的设计源自于“天马行空”一般的创意，但它们最终要回归到源于纪律、架构、目标等略显枯燥的细化阶段。在这个阶段，除了自由和创意，我们还需要勤奋、认真和严谨的工作态度。就像我刚才说的，设计师可以用感性的方式来创新，但也必须要具备理性的思维来实践。好的设计师就像一名经验丰富的运动员，拥有十分准确的预判技巧，也有着沉着、冷静的执行能力。设计虽然能够令人沉醉其中，但我也不否认，做一名优秀的设计师其实很辛苦。
托架受力模型如图2所示。若忽略托架的结构形状并把载荷和重力等效到托架中心，可得到托架的等效力学模型［9］，如图3所示。
图2和图3中：O为托架中心，y轴经过O点垂直于地面，x 轴经过O 点平行于地面，z 轴经过O 点垂直于x轴和 y 轴；Fn1～Fn2分别为机架对 4 个滚轮的法向作用力；Ft1～Ft4分别为机架对4个滚轮的切向作用力；O1～O4分别为4个滚轮中心，a为O1到O2的距离（也为O3到O4的距离），l，e 分别为托架中心O 点到Pca作用线的距离投影到x轴、z轴的长度；e2为O点到丝杠对托架的作用力 Fs作用线的距离；PO1，PO2，PO3分别为车辆载荷 Pca与托架自重GT的合力沿y，x，z 轴等效到O 点的等效力和等效力矩；l13为O1到O3的水平距离。
图2 托架受力模型
图3 托架的等效力学模型
该模型假定：①模型为刚体；②不考虑加工和安装误差；③忽略托架自重。托架缓慢匀速的负载架车过程是一个作用力和力矩平衡过程，作用在托架上的空间力学系统为线性系统，可用叠加原理［10］进行分析，故 Fs，Fn，Ft与Pca有以下关系：
式中：αs，αn，αt 分别为Fs，Fn，Ft的托架载荷参数，量纲均为1。其表达式为
The femoral BMD in each group was detected with an Osteocore3 Digital 2D bone density instrument.
式中：β1，β2，β3分别为l/h，e2/h 和 e/a，统称为结构系数；μ 为滚动摩擦系数；h 为 O1与 O3或 O2与 O4滚轮的垂直距离。
托架载荷参数取决于量纲为1 的结构系数，可避开托架的具体尺寸，直接分析托架载荷参数与结构系数之间的关系，从而获得架车机托架的力学性能与结构系数的关系。
由前述分析可知，托架载荷参数与结构系数和车辆载荷有关，与托架起升高度和位置无关。综合考虑移动式架车机的稳定性，设计和作业中应控制托架托头的伸出量。托头最大伸出点距架车机中轴不宜超过700 mm，如图4所示。
图4 托架作业工况
根据作业需求，可选择在1 位或2 位加载进行架车作业，并以此作为加载工况，计算分析托架结构强度。
仿真计算分析时采用弹塑性材料模型中的随动塑性（Plastic Kinematic）材料模型，该应力-应变关系模型可简化为双线性强化塑性模型［11］。材料力学性能指标见表1。
根据工程实践，半湿孔钻孔作业存在以下重难点：（1）干湿交界面的确定。半湿孔作业重点是确定干湿交界面位置，钻孔时需要提前确定，交界面过高则无法体现半湿孔作业的优势，过低又易发生塌孔影响成孔稳定性。（2）泥浆的灌注。半湿孔作业泥浆的选择和使用对于成孔的质量有很大影响，泥浆的黏度和比重将直接决定钻孔的稳定性。另外，在灌浆过程中由于高程原因不能像全湿孔作业那样进行浆液循环，又不得破坏已开挖的孔壁。（3）钻孔机具的选择。半湿孔作业由于稳定性原因需要钻孔速度快，成孔质量好的钻进设备，同时，孔内出土需要靠钻机实施，泥浆自身无法带出孔内土方。
表1 材料力学性能指标
材料45钢Q235钢Q345钢铸钢230铸钢275锡青铜密度ρ/（kg∙m-3）7 870 7 850 7 850 7 850 7 850 8 940弹性模量E/GPa 200 200 200 210 210 115泊松比ν 0.29 0.26 0.26 0.33 0.33 0.31屈服极限σs/MPa 360 235 345 248 275 350
丝杠对托架的作用力在中心线上，仿真分析时不考虑偏载现象。相关结构参数分别为：a=0.448 m，e=0，e2=0.05 m，h=0.8 m，l=0.65 m。故β1=0.812 5，β2=0，β3=0，取μ=0.01，则有
当Pca=250 kN时
仿真分析时忽略焊接、螺栓等结构的影响，对几何结构进行简化。主要采用四面体和六面体的实体单元进行网格划分，建立的托架有限元模型见图5。
胡四一：《意见》立足科学发展这一主题，提出了实行最严格水资源管理制度的指导思想，即深入贯彻落实科学发展观，以水资源配置、节约和保护为重点，强化用水需求和用水过程管理，通过健全制度、落实责任、提高能力、强化监管，严格控制用水总量，全面提高用水效率，严格控制入河湖排污总量，加快节水型社会建设，促进水资源可持续利用和经济发展方式转变，推动经济社会发展与水资源水环境承载能力相协调，保障经济社会长期平稳较快发展。
图5 托架有限元模型
在托头承载面以均布载荷的形式施加Pca，在左右、上下4 个滚轮与机架接触的位置以节点力的形式施加Fn和Ft。两侧主板通过衬套与螺母架连接，受到轴向和竖直方向的约束，故在衬套处施加y 轴，z 轴方向的位移约束和x轴的转动约束。
Pca=250 kN，在托头1 位、2 位加载时托架整体应力云图见图6。
由图6（a）可知：1位加载时，应力集中发生在垫块与侧板、托头与侧板接触的位置，最大应力（245 MPa）出现在托头与侧板的焊接位置，均在屈服极限应力范围内，满足强度要求。
由图6（b）可知：2 位加载时，托架整体受力相对1 位加载时有所改善，应力集中发生在垫块与侧板接触面，最大应力为217 MPa。
（1）短距离攻击。短距离攻击步骤为：首先向全网提交一个交易，然后攻击者试图回滚该交易，攻击者在该交易之前的区块上继续进行挖矿，在该交易得到n次确认后，若不含该交易的分叉区块数足够长，则该分叉成为主链，成功回滚交易。
图6 托架整体应力云图（单位：Pa）
综合来看，无论托头在1 位还是2 位加载，垫块与侧板接触面均易产生应力集中，选用Q235 钢可满足强度要求。将垫块与滚轮轴设计为螺栓连接，作为易损件方便更换和调整。托头与侧板焊缝应进行圆角处理，以减小应力集中；托头材料选用铸钢230，其强度应不低于248 MPa，或者选用铸钢275。相对于托头在1 位加载，2 位加载时托架应力分布更合理，架车时应尽量使用2位加载。
托架承重通过滚轮和丝杠传递到机架，其与托架等效力是一对作用力与反作用力的关系。机架受力可等效简化，如图7所示。其中：机架顶部减速机座的环形端面所受载荷F's，与丝杠对托架的作用力Fs方向相反，大小相等；导轨衬板与左右、上下4 个滚轮接触的位置受到的压力F'n 和摩擦力F't 分别与机架对滚轮的法向作用力Fn、切向作用力Ft 大小相等，方向相反。
图7 机架作业工况（单位：mm）
机架受力分布主要受到承载重量、托架伸出长度和托架起升高度的影响。托架伸出长度达到极限时，机架受到的载荷也最大，因此主要分析机架在不同起升高度和承载重量情况下的受力情况。选取托架在最低位和最高位2 种工况对机架强度和刚度进行分析。
机架主要为板材结构，采用壳单元进行网格划分。载荷F's 以均布载荷的形式施加于机架顶部减速机座的环形端面；压力F'n和摩擦力F't 分别以节点力的形式施加于导轨衬板与托架滚轮接触位置。机架底盘施加3 向位移约束。托架在最低位和最高位时，机架有限元模型见图8。
图8 机架有限元模型
Pca=250 kN，托架在最低、最高位时机架整体应力云图见图9。
王老师：当然也思考，但我不会把这种思考叫作“经验研究”“行动研究”。经验是有，但背后缺乏真正的研究；行动也有，但背后也只有总结。什么都叫研究的话，反而拉低了研究的层次。如果教师上完一堂课之后反思一下教学就叫研究，班会课后写一份总结报告也能变成论文，那就失去研究的意义了。我并不反对思考、总结，但我反对把教师的思考和总结包装成“学术论文”，甚至以指标的形式强迫教师发表。
图9 机架整体应力云图（单位：Pa）
由图9可知：机架导轨、侧立板和后立板为主要的承载结构，应力分布较为均匀合理，应力集中均发生在导轨与滚轮接触的位置，均小于材料的屈服极限。导轨由槽钢和衬板焊接而成，由衬板作为导轨与滚轮的接触面。衬板选用45 钢板，并经调质处理，加强表面硬度，即使出现局部应力集中也能满足强度要求。
对比图9（a）和图9（b）可以发现：托架在最低位时机架承受的最大应力为147 MPa，略小于最高位时的158 MPa；最低位时应力主要分布于机架下端，最高位时整个机架都起到承载作用。
⑪㉔爱新觉罗·弘历:《游寄畅园再叠丁丑旧作韵》，裴大中、倪咸生修，秦缃业等纂:《光绪无锡金匮县志》，《中国地方志集成·江苏府县志辑》第24册，江苏古籍出版社、上海书店、巴蜀书社1991年版(以下版本同)，第32、34页。
根据《机械设计手册》［12］中对机架设计刚度的要求可知，受弯构件的允许挠度应小于L/600（L 为受弯构件的跨度）。架车机机架高度为2 800 mm，L/600=4.67 mm。机架在2种工况下的整体位移云图见图10。可知：最低位、最高位时机架整体最大位移分别为1.34，3.54 mm，均在容许范围之内；托架起升过程中，机架受到弯矩影响产生的变形逐渐增大，最高位时位移达到最大，故设计时对机架刚度的要求必须以托架在最高位时为准。
图10 机架整体位移云图（单位：m）
1）本文针对架车机作业工况，建立架车机托架的力学模型，推导出架车机受力计算公式，分析托架载荷参数与结构系数之间的关系，从而获得架车机托架的力学性能与结构系数的关系。
在机载无线射频识别技术的实现中，主要使用了固定翼无人机、读写器、电子标签、高清摄像机，实现了视频信息的远距离传输。其中，固定翼无人机的飞行半径为100公里、电子标签与读写器的传输距离为300米，能够对航标巡检的需求进行满足。通过使用机载无线射频识别技术，能够在不需要人员出海、或是船舶运行距离更近的情况下，完成航标巡检工作，除了能够对巡检的效率进行提升、对巡检成本进行控制，还降低了航标巡检的危险性，提升了安全管理的效果。
2) 配置中心：用于管理微服务应用程序所需的配置参数，选用Spring Cloud Config实现，通过Spring Cloud Bus实现动态的配置更新。
2）通过力学分析，分别建立架车机托架和机架结构的有限元模型，分析得出：托架侧板与垫块接触区域、托头与托架侧板接触区域、机架导轨衬板与托架滚轮接触面易产生应力集中，承载250 kN 时最大应力为245 MPa。设计时应将垫块设计成可调整和更换件，衬板做硬化处理以保证结构强度满足要求。
3）托架起升过程中，机架受到弯矩影响产生的变形逐渐增大，最高位时变形量最大，达到3.54 mm。设计时对机架刚度的要求必须以托架在最高位时为准。
参考文献
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Structure Design and Finite Element Analysis of Mobile Car Lifting Jack
WANG Peng1，SHAN Xiaotao2，GAO Chunlei1
（1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China；2.Beijing Vocational Transportation College，Beijing 100096，China）
Abstract In view of the synchronous operation of the car lifting jack during the maintenance of the train，the mechanical model of the car lifting jack bracket was established，the force calculation formula of the car lifting jack was derived，and the relationship between the mechanical properties and the structural coefficient of the car lifting jack bracket was obtained.According to the mechanical model and the finite element simulation analysis method，the strength and stiffness of the bracket and rack construction of the car lifting jack were analyzed.The results show that the stress concentration of the bracket occurs at the contact position between the cushion block and the side plate，and contact position between supporting head and side plate，and the deformation of the bracket caused by the bending moment gradually increases with the rise of the bracket.The method proposed in this paper and the obtained calculation data can provide theoretical basis for the optimization for the structure design of the car lifting jack.
Key words car lifting jack；finite element analysis；structural design；structural strength；structural coefficient；structural stiffness；stress concentration
中图分类号 U216.3
文献标识码 A
DOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2020.01.12
文章编号：1003-1995（2020）01-0049-05
收稿日期：2019-06-10；
修回日期：2019-08-10
基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划（2017G003-H，J2017G006）
第一作者：王鹏(1986—)，男，助理研究员，硕士。E-mail：13426199547@163.com
（责任审编 葛全红）
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