王美麗，曾運(yùn)清，申雪靜，辛 昕，張瑞鵬

(1.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津300161;2.軍事交通學(xué)院聯(lián)合投送系，天津300161)

組合站臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)人員少、架設(shè)速度快等特點(diǎn)，對于提高鐵路輸送快速裝卸載能力具有十分重要的意義。但是，在通載履帶車輛時(shí)，其道面防滑條存在著磨損破壞、斷裂，甚至脫落的現(xiàn)象，這在一定程度上影響和制約了履帶裝備的通行安全和快速裝卸載。因此，需對鋁合金站臺(tái)道面(以下簡稱“鋁合金道面”)的防滑耐磨技術(shù)進(jìn)行研究。本文在調(diào)研鋁合金道面通載履帶裝備打滑、嚴(yán)重磨損現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有關(guān)力學(xué)理論對防滑條受力進(jìn)行分析計(jì)算，提出提高鋁合金道面通載履帶裝備防滑耐磨性能的方法和措施。這對提高鋁合金道面通載履帶裝備時(shí)的防滑耐磨性能、降低維護(hù)費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)履帶裝備的通載安全和快速機(jī)動(dòng)具有一定的參考作用。

1 鋁合金道面防滑條結(jié)構(gòu)

目前制式運(yùn)輸保障裝備器材通行道面材質(zhì)以鋼質(zhì)和鋁合金材質(zhì)為主，防滑耐磨措施主要是采用防滑條。防滑條就是在道面上采用焊接、黏接或由道面材料擠壓成型的方法形成的，具有防滑和防護(hù)作用的條塊結(jié)構(gòu)，其中以焊接(有的為點(diǎn)焊，有的為滿焊;防滑條有的為分段式結(jié)構(gòu)，有的為整體式結(jié)構(gòu))方法較為常用。這種防滑條結(jié)構(gòu)通過履帶與防滑條的“咬合”力來達(dá)到防滑目的。

本文研究的某型組合站臺(tái)，其道面材質(zhì)為鋁合金材質(zhì)，在站臺(tái)道面上設(shè)計(jì)了“V”字形分段式防滑條(如圖1所示)，礎(chǔ)板、搭板上分別設(shè)計(jì)了“一”字形、“W”字形防滑條(如圖2所示)。所有防滑條均采取間斷焊接形式。

圖1 組合站臺(tái)鋁合金道面防滑條

圖2 組合站臺(tái)搭板與礎(chǔ)板防滑條

2 履帶裝備對鋁合金道面防滑條作用力分析

通載狀態(tài)下，鋁合金站臺(tái)與鐵路平車間既有一定的搭設(shè)坡度，又有一定的水平夾角。履帶車輛在站臺(tái)上勻速行駛時(shí)需要轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時(shí)履帶凸肋對站臺(tái)道面的作用力最大，即對防滑條的磨損破壞最為嚴(yán)重。這與實(shí)車通載時(shí)站臺(tái)道面防滑條的磨損破壞情況相一致。因此，選取履帶車輛轉(zhuǎn)向工況時(shí)對防滑條的磨損進(jìn)行計(jì)算分析。以鋁合金站臺(tái)實(shí)施通載某型坦克為例，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析。

2.1 履帶裝備轉(zhuǎn)向時(shí)對防滑條的作用力

履帶裝備在站臺(tái)上轉(zhuǎn)向時(shí)一般采用制動(dòng)轉(zhuǎn)向，即一側(cè)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，另一側(cè)原地不動(dòng)。在分析轉(zhuǎn)向過程中履帶對站臺(tái)道面的切向力時(shí)，不能將兩側(cè)履帶看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，可以根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系的達(dá)朗貝爾原理，構(gòu)建動(dòng)力學(xué)方程來求解。履帶車輛的轉(zhuǎn)向平面如圖3所示，O為轉(zhuǎn)向中心，O'為履帶的幾何接地中心，以O(shè)'為原點(diǎn)建立與車身固接的直角坐標(biāo)系x'y'z'，x'O'y'平面與路面重合，z'軸垂直于坡道面向上。

圖3 履帶式車輛轉(zhuǎn)向平面

運(yùn)用力的簡化原理，將路面對履帶式車輛的作用力都標(biāo)于相應(yīng)側(cè)履帶的接地中心位置，F(xiàn)lx'、Fly'、Flz'、Mlx'、Mlz'分別為簡化到車輛左側(cè)履帶接地中心的力和力矩，F(xiàn)rx'、Fry'、Frz'、Mrx'、Mrz'分別為簡化到車輛右側(cè)履帶接地中心的力和力矩，此處暫不細(xì)分來自地面的阻力和牽引力，并假定它們都簡化到相應(yīng)側(cè)履帶的接地中心(如圖4所示)。圖中，慣性力 Fgy'= － macy'，F(xiàn)gz'= －macz'，慣性力矩式中:m為整車質(zhì)量;Jz'為整車?yán)@通過O'點(diǎn)的 z'軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;acy'、acz'分別為車輛質(zhì)心沿y'、z'軸的絕對加速度;z'是車輛繞z'軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度。

圖4 履帶受力分析

對于斜坡上轉(zhuǎn)向的履帶式車輛來說，實(shí)際運(yùn)動(dòng)為空間復(fù)合運(yùn)動(dòng)，選擇動(dòng)系x'y'z'為參考坐標(biāo)系，建立包括3個(gè)移動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)在內(nèi)的6個(gè)動(dòng)力學(xué)方程，其目的是根據(jù)履帶式車輛的運(yùn)動(dòng)求需要施加的力或力矩。

式中:Gx'、Gy'、Gz'分別為整車質(zhì)量沿 x'、y'、z'軸分量;x'c、y'c、z'c分別為質(zhì)心 C 在 x'y'z'坐標(biāo)系的坐標(biāo);B為坦克履帶中心距。

作以下3個(gè)假設(shè):

(1)履帶車輛在幾何上關(guān)于其縱向、橫向平面對稱，質(zhì)心在x'O'y'平面上的投影和車輛平面幾何中心重合;

(2)由于站臺(tái)搭設(shè)坡度僅為7°，可以忽略壓力中心和轉(zhuǎn)向極的縱向偏移，而把法向負(fù)荷分布及橫向阻力分布仍然按矩形分布考慮;

(3)轉(zhuǎn)向時(shí)忽略高速履帶的滑轉(zhuǎn)、低速履帶的滑移。

根據(jù)該型組合站臺(tái)通載的履帶式車輛主要技術(shù)參數(shù)，及其在站臺(tái)上的行駛速度、轉(zhuǎn)彎半徑、加速度，可求出計(jì)算結(jié)果［1－2］:

此處Fry'為負(fù)，表示站臺(tái)對坦克的作用力與所建立的坐標(biāo)系相反，即:站臺(tái)板對右側(cè)履帶的作用力方向向下，大小110.65 kN;站臺(tái)板對左側(cè)履帶的作用力方向向上，大小58.15 kN。履帶對防滑條的作用力是履帶受力的反作用力，其大小與履帶受力相等，方向相反。

2.2 坦克轉(zhuǎn)向時(shí)對防滑條的壓應(yīng)力

坦克在站臺(tái)上行駛時(shí)，履帶凸肋一部分與站臺(tái)道面接觸，還有一部分要與防滑條接觸。在計(jì)算防滑條頂面的實(shí)際壓應(yīng)力時(shí)，首先要計(jì)算出防滑條占站臺(tái)道面的比例，即防滑條的面積系數(shù)f1。

某型組合站臺(tái)防滑條布置［3］如圖5所示，防滑條厚度為12 mm;采用端部包角、兩側(cè)錯(cuò)開、間斷焊接方式，焊縫長50 mm，焊縫橫截面為3 mm×3 mm的等腰三角形。選取站臺(tái)板200 mm單位長度進(jìn)行計(jì)算，站臺(tái)板寬1 080 mm，其上有3根防滑條，每根防滑條長280 mm、寬20mm，站臺(tái)道面 V字形防護(hù)條的面積系數(shù)為

式中:F1為按200 mm為單元長度時(shí)，站臺(tái)道面防滑條面積;F0為按200 mm為單元長度時(shí)，站臺(tái)道面面積。

由文獻(xiàn)［4］可知，鋁合金站臺(tái)通載ZTZ88式坦克的峰值接地壓力0.803 MPa。防滑條所承受履帶凸肋的壓應(yīng)力σmax值可按下式計(jì)算:

圖5 鋁合金道面防滑條布置(mm)

式中ξ為防滑條有效系數(shù)，取為1。

則 σmax=0.803/0.078=10.29 MPa。

宋文祥［5］根據(jù)橋面由于瘦馬效應(yīng)引起的防滑條失效，確定了防滑條有效系數(shù)ξ的值為19%，該數(shù)值也與其樣橋?qū)嶋H試驗(yàn)情況相符?？紤]防滑條失效的因素后，防滑條頂面所承受的實(shí)際壓應(yīng)力為

該組合站臺(tái)道面材質(zhì)為7A05鋁合金，其許用應(yīng)力值見表1。

表1 7A05鋁合金道面許用應(yīng)力值 MPa

從計(jì)算結(jié)果可知，鋁合金站臺(tái)σmax小于材料的許用軸向拉壓正應(yīng)力364 MPa，即使考慮防滑條的失效因素，其站臺(tái)道面防滑條頂面實(shí)際壓應(yīng)力也達(dá)不到其材質(zhì)的屈服強(qiáng)度。

2.3 履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)防滑條焊縫的強(qiáng)度分析

站臺(tái)道面的附著力主要是由防滑條與凸肋“咬住”所提供的。但是坦克轉(zhuǎn)向時(shí)高速履帶凸肋到底有多少與防滑條“咬住”是無法確定的，這是履帶隨機(jī)作用的結(jié)果。本文在分析時(shí)按最不利情況考慮［6］，即假設(shè)僅有一個(gè)負(fù)重輪下的一根防滑條端部與履帶“凸肋”咬住，也即Fry'完全作用在一根防滑條上。

焊縫的連接強(qiáng)度能否承受履帶車輛帶來的巨大應(yīng)力，焊縫強(qiáng)度是否能夠達(dá)到履帶車輛轉(zhuǎn)向所需的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)也需要驗(yàn)算。假定外力N與鉛垂面(xOy面)的夾角為α(如圖6所示)，投射到xOy面的分力為Νxy，垂直于xOy面分力為Nz，其中Nxy產(chǎn)生分力 Nx、Ny，則焊縫強(qiáng)度的計(jì)算公式［7］為

式中:lw為焊縫長度;he為直角角焊縫的有效厚度，he=0.7 hf，hf為焊腳尺寸;ffw為規(guī)定的角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，根據(jù)抗剪條件確定為相當(dāng)于角焊縫的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖6 直角角焊縫的空間受力計(jì)算

履帶車輛原地轉(zhuǎn)向時(shí)凸肋受到的作用力前文已經(jīng)計(jì)算出來，根據(jù)作用力與反作用力原理，相應(yīng)的防滑條也會(huì)受到履帶凸肋傳遞的作用力。按照最不利情況，假設(shè)履帶凸肋與防滑條僅有一根咬住。

由于右側(cè)履帶受力較大，將與右側(cè)履帶咬住的防滑條作為研究對象，將履帶凸肋所受作用力等效給防滑條，且“咬住”方式假設(shè)為最危險(xiǎn)情況，即履帶凸肋作用力沿防滑條法線方向，則Nx=Frz'=187 kN，Ny=Frx'=0 kN，Nz=Fry'=110 kN。

鋁合金站臺(tái)防滑條為V字形，防滑條寬度20 mm，厚度10 mm，焊腳尺寸hf=3 mm，焊縫為間斷焊接，直角角焊縫的有效厚度 he=0.7hf=2.1 mm。假設(shè)坦克轉(zhuǎn)向時(shí)整個(gè)防滑條全部受力，則焊縫長度取等效焊縫長度lw=280/(50×2)×50≈150 mm，由式(1)得到履帶車輛原地轉(zhuǎn)向時(shí)防滑條焊縫承受的最大應(yīng)力為σb=731 MPa。

計(jì)算時(shí)采用的焊縫長度為整根防滑條的等效焊縫長度，實(shí)際坦克轉(zhuǎn)向時(shí)，實(shí)際受力的焊縫長度要小于整個(gè)防滑條的長度，而且當(dāng)履帶凸肋與防滑條端部咬住時(shí)，存在應(yīng)力集中效應(yīng)，焊縫的實(shí)際應(yīng)力要比計(jì)算值大得多。因此，焊縫的設(shè)計(jì)強(qiáng)度在現(xiàn)實(shí)情況下容易產(chǎn)生焊縫失效而導(dǎo)致防滑條端部脫落的現(xiàn)象。

3 技術(shù)改進(jìn)措施

綜合運(yùn)用以上分析結(jié)果和其他相關(guān)研究成果，防滑條的抗沖擊咬合性能具體通過防滑條的形狀、尺寸和焊接形式及尺寸等要素來體現(xiàn)。

基于鋁合金道面的強(qiáng)度考慮，無論是直線行駛，還是制動(dòng)、加減速，特別是轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，防滑條形狀都設(shè)計(jì)為V字形。通過前文計(jì)算可知，鋁合金站臺(tái)防滑條受履帶車輛作用的壓應(yīng)力極限值54.2 MPa，防滑條寬度20 mm，滿足壓應(yīng)力強(qiáng)度條件，焊縫強(qiáng)度與防滑條寬度無關(guān)，增加寬度對提高焊縫強(qiáng)度無明顯作用。因此，鋁合金防滑條的寬度方案不作改動(dòng)。

履帶裝備在站臺(tái)道面上作轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí)，防滑條與其道面間的焊縫強(qiáng)度必須能夠承受巨大的切向力。履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)防滑條焊縫的強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，鋁合金防滑條受履帶車輛作用時(shí)防滑條焊縫所受最大應(yīng)力為731 MPa。因此，需要通過改變焊縫形式、焊縫長度和焊材強(qiáng)度來提高防滑條焊縫強(qiáng)度。

本文將鋁合金站臺(tái)防滑條從原來的兩段更改為整體，將焊接形式由間斷焊改為連續(xù)焊。因此，計(jì)算焊縫強(qiáng)度時(shí)采用的焊縫長度為lw=280 mm，由式(1)可以得出防滑條上最大應(yīng)力值σb=392 MPa。防滑條焊縫承受的應(yīng)力會(huì)減少將近一半。因此，改間斷焊縫為連續(xù)焊縫可以大幅提高焊接強(qiáng)度。鋁合金站臺(tái)防滑條改進(jìn)前后防滑性能對比見表2。實(shí)際通載過程中，與履帶凸肋“咬住”的防滑條根數(shù)是隨機(jī)的，本文考慮的防滑條只有一根與履帶凸肋“咬住”，屬于最不利情況。

表2 鋁合金站臺(tái)防滑條改進(jìn)前后防滑性能對比

4 結(jié)論

(1)不同于通常的鋁合金橋面防滑耐磨設(shè)計(jì)，鋁合金站臺(tái)與鐵路平車之間，既有一定的坡度，又有一定的轉(zhuǎn)角，坦克在上面通載涉及到爬坡轉(zhuǎn)向的問題。本文系統(tǒng)地論述了鋁合金站臺(tái)防滑耐磨設(shè)計(jì)的基本問題，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論和方法。

(2)基于鋁合金道面的強(qiáng)度考慮，無論是直線行駛，還是制動(dòng)、加減速，特別是轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，防滑條形狀都設(shè)計(jì)為V字形。防滑條現(xiàn)有尺寸滿足壓應(yīng)力強(qiáng)度條件，鋁合金道面防滑條的寬度方案不作改動(dòng)。將鋁合金道面防滑條由原來的分段式改為整體式，將焊接形式由間斷焊改為連續(xù)焊。通過計(jì)算，改間斷焊縫為連續(xù)焊縫可以大幅提高焊接強(qiáng)度。

［1］ 孫逢春，史青錄，郭汾.履帶式車輛斜坡轉(zhuǎn)向時(shí)的動(dòng)力學(xué)特征［J］.中國機(jī)械工程，2007，18(22):66-71.

［2］ 史青錄，孫逢春.履帶式車輛斜坡轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(7):22-26.

［3］ 湖北華舟重工應(yīng)急裝備股份有限公司.輕型組合站臺(tái)設(shè)計(jì)圖紙［G］.天津:軍事交通學(xué)院，2006:S05·121·008-S05·121·012.

［4］ 彭明輝.鋼質(zhì)和鋁合金站臺(tái)板面防滑耐磨技術(shù)研究［D］.天津:軍事交通學(xué)院，2012:48-51.

［5］ 宋文祥.鋁合金橋面防滑耐磨的試驗(yàn)分析［J］.工兵裝備研究，1998(1):45-50.

［6］ 張文謹(jǐn)，劉連春.鋁合金橋面防滑耐磨層的設(shè)計(jì)理論和方法［J］.工兵裝備研究，1992(2):1-12.

［7］ 謝兆平，林曉東，黃麗娟.關(guān)于直角角焊縫焊強(qiáng)度計(jì)算基本公式的探討［J］.三明學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，24(2):193-195.