关于垂向加载横梁的结构改进_横梁加载
［摘 要］ 文章介绍了对垂向加载横梁结构的优化和改进，减轻了垂向加载横梁的重量，为垂向加载横梁的装卸提供了便利；通过对垂向加载横梁与油缸的连接接口的优化，避免了在试验中垂向加载横梁导向槽与油缸脱离的危险；并通过改进缩短了垂向加载横梁装卸时间降低了辅助工的劳动量。
［关键词］ 垂向加载横梁；改进；结构
［基金项目］ 此项目属于：十一五科技项目
［作者简介］ 王伟华，南车青岛四方机车车辆股份有限公司高级工程师，研究方向：车体静强度和车体气密试验，山东 青岛，266111；郝刚，南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛，266111
［中图分类号］ U26 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-7723（2012）05-0088-0003
一、前 言
通过前期的试验车体垂向载荷试验发现，垂向加载横梁的装卸难度较大且劳动量也较大，具初步统计一次装卸时间约需2天时间，此项试验准备加长了车体试验的周期，若能将垂向加载横梁的装卸时间控制在1天内完成比较合适（相对于采用沙袋垂向加载的时间一般在1天半）；另外，在垂向载荷试验中发现，加载横梁油缸导向槽深度不够，试验中易造成在试验的油缸连接头从加载横梁油缸导向槽中脱出。针对以上问题本文提出了对垂向加载横梁进行改进的方案及措施。
二、原有垂向加载横梁简介及加改方案介绍
原有垂向加载横梁为全钢制件，板梁焊接结构（见图1），单根垂向加载横梁重量约为323kg（需10个以上辅助工才能搬运），垂向加载横梁长度为3660mm，宽度为120mm，高度为324mm；由于垂向加载横梁单个件体积、重量都较大以及试验车体窗口高度的限制，造成了在装卸过程中不易对垂向加载横梁进行控制且难度较大；特别对于不锈钢试验车体和铝合金试验车体，在垂向加载横梁装卸过程中，垂向加载横梁不得与不锈钢车体和铝合金车体窗口产生刮碰，否则易对两者试验车体窗口造成损伤，若造成损伤修补难度较大，由此造成影响将有损实验室的形象和声誉。因此，在试验的准备过程中需特别小心，试验进度将放慢，故加长了车体试验的周期。对于此问题主要从降低垂向加载横梁重量的方向着手进行改进，在试验中每根横梁承载极限载荷为10t，此极限载荷主要是由加载油缸和力传感器（每根梁配置两个5t的力传感器）两者共同决定的，因此改进方案方向是在满足极限载荷10t的条件下，尽可能地降低垂向加载横梁的重量。在目前常用的金属材料中减重最为明显的是使用铝合金材料，出于此目的选择了铝合金A7N01P-T4材料，弹性极限为195MPa，疲劳极限为135MPa，弹性模量为69GPa，密度为2700Kg/m3，比钢密度的三分之一稍大些。若能将垂向加载横梁重量为100kg左右时，对其的装卸和控制将会提供很大的便利。
第二个在试验中遇到的较棘手的问题是，垂向加载油缸连接头易从垂向加载横梁导向槽中脱出，造成油缸不能正常回位及脱出再回位时将顶翻垂向加载横梁或出现油缸倾倒的现象，导致试验中断或终止等质量事故。原有垂向加载横梁导向槽的深度为20mm（见图2）；从以往的车体试验和计算报告中可知，试验车体在三点支撑工况时最大位移变动在30mm左右（此工况位移最大），因此垂向加载横梁导向槽的深度在原有的基础上至少再加大10mm；在改进中将垂向加载横梁导向槽深度确定为48mm（见图3），此时油缸连接头与导向槽的间距仍有16mm，两者不发生干涉。
三、铝合金垂向加载横梁
（一）铝合金垂向加载横梁的结构
铝合金垂向加载横梁相对于原有的钢制垂向加载横梁在材料上作了改动，并新加了4块立筋板和减重孔，对横梁局部补强，原有的垂向加载横梁所用板材的厚度保持不变；另外，在铝合金垂向加载横梁两端与垂向拉杆连接的圆孔内压入钢制内衬套（见图4），材料为Q345C（屈服极限为345MPa），增加连接孔处的承载能力和耐磨性能。在油缸与垂向加载横梁接触部位增加8mm钢承载垫板，承载垫板与铝合金垂向加载横梁间涂防锈底漆，承载垫板通过螺钉和垫板1固定在加载横梁上（见图3）；以此改进后铝合金垂向加载横梁重量约为110kg，在重量控制方面基本达到了预期目标。
（二）铝合金垂向加载横梁强度校核
鉴于仅对铝合金垂向加载横梁进行强度计算，在静态分析时，所建力学模型包括立板、筋板、底板和上盖板等；计算模型采用板梁结构（见图5），采用壳单元SHELL63，模型按有限元法ANSYS划分网格（见图6，仅示意一半模型），单元数量：33582个，节点数量为：33784个；在铝合金垂向加载横梁两端孔壁下半部分施加全约束，同时在铝合金垂向加载横梁上两处承载区域共施加100000N的作用载荷。
（三）铝合金垂向加载横梁计算结果
从计算模型结果中可知，铝合金垂向加载横梁最大应力为113.55MPa（见图7，图8），最大应力发生在横梁的内衬套上，小于内衬套的屈服强度345MPa，安全系数为S1=345/113.55≈3.03。铝合金垂向加载横梁变形量为4.379mm（见图9），发生在加载横梁的中部。
铝合金垂向加载横梁两内衬套以外的部位最大应力为61.932MPa，远小于材料的弹性极限195MPa，安全系数为S2=195/61.932≈3.15。
四、结 论
通过以上对铝合金垂向加载横梁的结构改进及强度校核分析可知，铝合金垂向加载横梁结构强度满足要求，结构改进满足试验的需求；减重后的垂向加载横梁装卸方便和劳动量明显减小，大幅度缩短了垂向加载横梁装卸时间。因此，本文对垂向加载横梁的结构改进是成功的。