电动架车机机架强度与稳定性分析毕业设计.docx

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电动架车机机架强度与稳定性分析毕业设计

电动架车机机架强度与稳定性分析毕业设计

第一章绪论

1.1课题的提出及意义

近半个多世纪以来，世界各国都在努力进行铁路的技术装备和现代化管理的研究，

努力推进铁路运输技术的进步，在很多方面取得了突破性的进展。

与此同时，随着世界各国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对于出行条件、旅行环境的要求越来越高。

高速铁路的出现，无疑对铁路复兴产生了积极影响。

移动式电动架车机是一种不需要动用起运设备或天车，人工便可推动的、轻便的且具有自动控制同步升降功能的移动式电动架车机。

包括由机体、可沿机体位移的臂架和驱动臂架位移的传动装置组成的架车机构，特别是架车机构设在—’·具调节离地间隙的行走装置的底架上，架车机构上设有可使多台电动架车机同步联动升／降的电气控装置。

可方便、快捷、轻松地移到所需的工作位置，通过自动控制举升系统实现单机控制或多机联动控制，可用于铁路机车车辆和机动车的检修，应用范围广，随着世界经济的高速发展，电动架车机在机车检查修理方面有着越来越大的作用，在架车时，机架为承受力的主要部位，通过机架上的托头与货车相连，外载荷由托头传递到机架上。

作为铁道电力机务段必不可少的三大检修设备之一的电动架车机的安全性问题已越来越引起广大设计者的关注。

设计与制造电动架车机时，除考虑该机构能简单、安全、方便地架起电力或内燃机车、推出转向架外，还应注意其自身机架的强度与稳定性问题。

本课题拟采用有限元分析方法对25T电动架车机的机架强度及稳定性进行计算与分析，并对其工作过程进行动态数值模拟，以提高其工作可靠性与稳定性。

本文针对25Ｔ电动架车机在架车过程中出现的问题，通过采用通用有限元软件对该机架进行静态、稳定性分析，找出机架受力大，变形大的部位，在设计中抓住此问题就可以使架车机具有良好的强度与稳定性。

1.11电动架车机综述

过去一直使用日伪时期遗留下来的千斤顶，不但效率低，劳动强度也大，而且不安全，电动架车机是检修铁道车辆的一种常用设备电力机车检修转向架下部的机械部分和检修牵引电机时,均需架车。

由于电力机车构造本身架车比落轮方便,所以电力机车无论在架修、定修或临修,架车比较频繁。

因此,电动架车机为电力机务段必不可少的检修设备,也是机务段一开始就必备的三项，铁路机务专用设备是机务设备的重要组成部分，它对保证机车段修质量，提高整备能力，确保行车安全，完成运输生产任务具有重要作用。

多年以来，以铁路局和设计院为主体，广大职工和技术人员在生产中打高技术革新和开展标准设计，造出许多好的机务专用设备，取得了很大成绩，奠定了机务专用设备发展的基础

25吨电动架车机是铁路机车检查修理专用设备，是一个内燃、电力机务段进行机车大修的必备设备。

其主要用途就是将机车的车体以上部分架起、悬空。

以便将车体底部的走行部分分解修理。

25T电动架车机示意

25吨电动架车机是1995年从郑州铁路局襄樊北机务段承担的研制任务该段是郑州局的重点机车检修基地。

“八五”期间该段进行大规模扩建改造将原蒸汽机车检修运用段改成内燃机车检修运用段，25吨电动架车机主要适用于国产内燃机车、电力机车的架车作业，架车高度在820毫米至2770毫米。

其主要技术性能如下：

额定起重量：

25t

起升速度：

O．162∥ⅡlirI

托架行程：

1850n脚

托头距轨面最低高度：

820啪

电动机及减速器型号：

XID4—6—1／71·．

电动机功率：

4kW

外形尺寸：

1350×1060×4074咖

架车机重量：

2075kg

结构上，该架车机电传动装置，机架托架、控制柜组成。

架车时，四台架车机为一组联合动作架车，架车过程中根据运行需要可进行单台调整。

传动装置由电机、行星摆线针轮减速器，齿轮组成，安装在架车机顶部，减速器速比为71，减少了传动件，提高了动效率，降低了运行时的噪音。

机架为双立柱式，两立柱为箱形焊接结构，结构紧凑刚大，四台架车机上均装有接线箱及控制按钮，上、下限位行程开关、操作方便，既可以在控制柜上操作，又可在架车机上操作，给架车调整带来方便。

该架车机已交付襄樊北机务段使用。

实际运用证明，该机结构合理，性能良好，深得用户好评，现为段内的重要检修设备。

1.1.2国内外电动架车机的发展过程及发展趋势

（1）国内外电动架车机现状

铁路机务专用设备是机务设备的重要组成部分，它对保证机车段修质量，提高整备能力，确保行车安全，完成运输成产任务具有重要作用，多年以来，以铁路局和设计院为主体，广大职工和技术人员在生产中大搞技术革新和开展标准设计，造出了许多好的机务专用设备，取得了很大成绩，奠定了机务专用设备发展的基础。

“七五”以来我国铁路牵引动力改革发展迅速，一大批内燃，电力机车投入运用，从总体上看还需要配套开发，有的需要改进完善和更新换代

（2）25T电动架车机的发展过程

25Ｔ电动架车机最初是根据苏联实物测绘后设计而成，托臂最低高度为860mm,净行程为1400mm，但自1956年以来，电力机车型号和构造有所变化，为适应不同高度的架车点和改进的机车检修工艺，做了三次大变更和改进。

第一次，为了适应SS1—01号电力机车，它的外皮为裙形遮掩式，最低价车点高度560mm,从SS1—08到SS1—32号电力机车，外皮裙形改为敞露式，架车最低点高度为920到940mm,法国进口的6Y1型电力机车最低架车点高度为1100mm,为使架车机适应各型机车不同架车点的高度，将矩形的架车机托臂断面改为鸭子形状，托臂形状如图所示。

第二次在1967年修改图纸，其编号为叁机6501，机车架起后，转向架从两边推出，不通过中部变压器，降低架车高度要求，其行程为1540mm。

第三次SS1型机车60号以后基本定型。

当时的检修工艺要求架车时，一般不拆前后排障器，转向架向一端推出，也就是通过中部变压器，因而行程要求1800mm,图纸改为全路通用图，编号为叁化2022，沈阳桥梁厂作为定型产品，其型号为QC25-18A，此设备先后在马角坝和宝鸡电力机务使用，反应良好，相对稳定了18年。

（3）.电动架车机发展趋势

目前机务段配属机车正处在六轴车和八轴车同时存在，而且往往是先上六轴车，逐步过渡到八轴车。

机型结构也逐步变化，国产车逐步由SS3、SS4、SS5型代替SS1型，另外从法国进口8K型电力机车，从日本进口6Ｇ型三转向架六轴车，从苏联进口8G型八轴双节车，这些机车架车最低点的高度和行程都有变化。

由于这些机车架车净行程有增加的趋势，造成未来架车工艺和修改架车机设备高度的复杂性，针对上述情况下列几点看法。

①不宜增加净行程，应从机车构造改变，事先考虑为检修工艺创造条件。

架车时，车体高达6米，相当两层楼高，加以四台架车机并不绝对同步，都会给架车安全带来困难性，增加危险性，加以25Ｔ电动架车机是按压杆设计，高行程受力条件更不稳定，根本方法是使前后排障器易于拆卸，或降低转向架高度

②改变修车工艺后，吊车吨位、库房高度、投资均相应增加。

③设计新的架车机，改压杆为拉杆，新设计专用设备，再经试制试验周期长。

1．2机架有限元分析进展现状

机架是电动架车机的承载基体，不仅承担电动机、底座和所架货车的质量，而且还要承受过作业程中所产生的各种力和力矩。

因此，其强度不仅关系到架车的力度，而且还关系到整车的安全性。

对机架设计的要求是：

在保证足够的强度、刚度和稳定性下，尽可能达到质量轻、形状合理，并最大限度地减缓过渡区的应力集中。

近年来，国内外许多学者对机架的有限元分析迸行了研究，本文主要是以下两个方面进行分析，有限元强度应力分析、稳定性分析。

1.2.1机架强度的有限元分析

机架强度和变形的计算，一般采取如下步骤：

1）将机架结构图简化成为刚架，即以机架各断面的中性轴的连线组成框架，近似地处理成直线或规整的圆弧线段，并确定求解断面的位置；

2）确定静不定阶数，如一般闭式机架是三次静不定问题，需做一系列假设来简化模型，降低静不定阶数；

3）确定外力的大小及作用点；任意一种方法求解静不定力和力矩；

5）根据计算界面的面积、惯性矩、中性线的位置及承载情况，求出应力和变形。

4）根据变形协调条件，用材料力学中的

1．2.2结构稳定性的概述及应用现状

结构稳定性问题属于固体力学范畴，人们很早开始了对它的研究并取得了丰硕的成果。

但到目前为止，还有很多问题没有获得满意的解决。

尤其是复杂梁杆系统的稳定性破坏，因结构形式的不同，其失稳形式也因之具有复杂多样性，很难用一种简单统一的方法描述，对特定结构的稳定性分析尚在不断的探索之中。

结构稳定性问题早在。

18世纪中期由Eulcr与Lagrange等提出来了，但仅限于线性问题。

由于当时主要建筑物为土、木结构，结构稳定性问题没有得到足够的重视。

二十世纪以来随着钢结构与高强度材料以及板壳结构的广泛应用，结构稳定性越来越受到人们的重视。

在对某结构进行稳定性分析时，明确其稳定性判定的准则是进行稳定分析的首要条件。

判定结构稳定性的判定准则通常有：

能量准则及能量法、静力准则及静力法、动力准则及动力法、初始缺陷准则这些准则都是进行结构稳定性判定的基本准则，依据这些准则，可以得出以下几种求解结构稳定性的方法。

（1）势能驻值法

此方法是对能量准则的直接应用，其基本概念是：

当体系发生微小位移时，如果体系的总势能不变，则体系处于平衡状态。

即首先列写出系统的势能表达式，通过势能的一阶变分为零求出系统的临界屈曲载荷。

（2）能量法即铁摩辛柯能量法

其基本的理论依据是能量守恒定理，根据能量守恒定律，一个保守系统处于平衡状态的充分必要条件是：

存储于该系统的应变能必须等于外加载荷对系统所做的功。

分别列出系统的应变能与外力做功的表达式，代入能量守恒定理，则可求出系统临界载荷的表达式，是系统变形函数的函数。

通过对系统变形的拟合函数来求解其临界载荷，这是

～种近似的方法。

（3）微分方程法

该方法根据处于中性平衡状态的平衡关系建立系统平衡的微分方程，并通过求解微分方程来求解构件的临界载荷。

通过微分方程法，可以精确的求解出构件的临界载荷。

（4）有限单元法

有限单元法是分析连续介质力学的一种数值方法。

其表达形式统一，组装规则简单，便于计算机应用而成为复杂结构分析的强有力工具。

有限元方法的计算精度很大程度上依赖于结构刚度矩阵的精度，根据刚度矩阵的建立方式不同，有限元方法又可以分为一般的有限元方法和精确的有限元方法。

一般有限元法中，对轴向力的二阶效应考虑很少或很不全面，导致单元和系统的切线刚度矩阵很不精确，从而在梁杆稳定性分析时得不到相应的精确欧拉解，而精确有限单元法在考虑轴向力的二阶效应的基础上，给出了梁杆单元精确的刚度矩阵，使稳定性计算的精度大大提高。

有限单元法进行稳定性分析的基本思路是：

列出系统的刚度矩阵，令刚度矩阵行列式为零来求解系统的欧拉临界力。

1.3设计的主要环节和论文的主要内容

建立了以板壳单元为基本单元的电动架车机机架有限元分析模型，针对电动架车机检修过程中机架出现的异常问题，应用ansys有限元分析软件对机架结构强度进行了静态分析。

有限元计算结果与实车机架断裂结果相吻合，证明所采取的建模方法和分析方法是可行的。

根据实际工艺要求，给出了该机架结构的改进方法，实际改进结果表明改进方法是非常有效的，断裂区的强度有明显提高。

第二章ANSYS强度与稳定性理论研究

2.1有限元法简介

通俗地说，有限元法就是一种计算机模拟技术，使人们能够在计算机上用软件模拟一个工程问题的发生过程而无需把东西真的做出来。

这项技术带来的好处就是，在图纸设计阶段就能够让人们在计算机上观察到设计出的产品将来在使用中可能会出现什么问题，不用把样机做出来在实验中检验会出现什么问题，可以有效降低产品开发的成本，缩短产品设计的周期。

有限元法也叫有限单元法（finiteelementmethod,FEM），是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。