谷美娜 林結(jié)良 劉映安

(中車眉山車輛有限公司產(chǎn)品開發(fā)部 四川 眉山 620032)

關(guān)于凹底雙層集裝箱平車技術(shù)問題的探討

谷美娜 林結(jié)良 劉映安

(中車眉山車輛有限公司產(chǎn)品開發(fā)部 四川 眉山 620032)

從凹底雙層集裝箱平車的結(jié)構(gòu)選取、計(jì)算分析、裝箱模式等方面進(jìn)行分析改進(jìn)，達(dá)到了最終研發(fā)目標(biāo)。

凹底；集裝箱；計(jì)算；疲勞；模態(tài)

1 研發(fā)背景

2014年7月，中車眉山車輛有限公司(以下簡(jiǎn)稱眉山公司)與某客戶成功簽訂了《凹底平車供貨合同》，根據(jù)合同要求，眉山公司為其研制完成雙層集裝箱平車，確定此次研發(fā)的主要目標(biāo)如下：(1)安全配載，實(shí)現(xiàn)多模式組合裝載；(2)優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)，提升關(guān)鍵部位承載能力；(3)探索計(jì)算方法，理論與實(shí)際相吻合。

2 主要技術(shù)問題和解決措施

2.1 集裝箱的配載計(jì)算

凹底雙層集裝箱平車采用在同一車輛裝載上、下2層集裝箱的運(yùn)輸方式，為了確保運(yùn)輸安全，對(duì)運(yùn)輸車輛的中心、高度和最大軸重等都有嚴(yán)格的限制，因此集裝箱裝載時(shí)必須進(jìn)行配載。一般意義下的集裝箱配載是指為有效利用集裝箱的容積和載重進(jìn)行的貨物搭配和裝載工作[1]，此外還要考慮集裝箱的配載組合應(yīng)滿足運(yùn)輸安全條件的要求。

此次合同中涉及的雙層配載的集裝箱主要有3 種尺寸:48 ft(英尺)、40 ft和20 ft。配載時(shí)重點(diǎn)考慮重箱的裝載,且上、下箱均為滿箱裝載(為了配載成功，個(gè)別情況下也允許使用空箱)。雙層配載時(shí),必須遵循以下條件：(1)裝載工況主要有2種模式：①上層必須是40(或45、48)ft箱,下層可以是2個(gè)20 ft或1個(gè)40(或45、48) ft箱；②上、下2層均為2個(gè)20 ft箱；(2)上層總重必須小于下層總重，車輛的總載重要小于規(guī)定值(該車總載重規(guī)定值為78 t)；(3)重心高度依據(jù)AS7520.2—2012《鐵道車輛-車身結(jié)構(gòu)要求-第2部分：貨車》標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱AS7520.2標(biāo)準(zhǔn))中關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)軌距車輛重心高度不高于2 650 mm的規(guī)定。在滿足上述配載條件下，利用Excel表格對(duì)該車型進(jìn)行配載方案計(jì)算，具體結(jié)果如表1所示。

表1 配載后的凹底雙層集裝箱平車裝箱工況

從表1可以看出，雙層集裝箱在滿足配載條件下，并不是所有工況都可以滿足裝運(yùn)78 t的要求。

2.2 提高關(guān)鍵部位的承載結(jié)構(gòu)

2.2.1 選擇合適的部件連接方式減少應(yīng)力集中

在貨車車輛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，側(cè)墻與底架的連接方式主要有鉚接和焊接2種。在本次研發(fā)中設(shè)計(jì)了鉚接和焊接2種方案分別對(duì)其進(jìn)行有限元分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較。方案1：底架橫梁與下側(cè)梁之間采用鉚接方式，底架與側(cè)墻之間在外側(cè)設(shè)置有強(qiáng)大的鑄鋼支撐座進(jìn)行連接；方案2：底架橫梁與下側(cè)梁之間采用焊接的連接方式，底架與側(cè)墻之間在內(nèi)側(cè)通過鍛鋼彎角連接，2種方案的三維示意圖分別如圖1所示。

對(duì)2種方案分別進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，分析評(píng)定主要依據(jù)AS7520.2標(biāo)準(zhǔn)以及《凹底平車供貨合同》的要求。

有限元分析結(jié)果表明：方案1中車體最大應(yīng)力出現(xiàn)在鑄鋼支撐座與橫梁接觸部位，為806 MPa，如圖2所示；方案2中車體最大應(yīng)力出現(xiàn)在下側(cè)梁端部圓弧邊緣，為382 MPa，如圖3所示。

圖1 2種方案三維示意圖

圖2 方案1有限元高應(yīng)力云圖分布圖

圖3 方案2有限元高應(yīng)力云圖分布圖

通過2種方案的有限元分析結(jié)果可以得出，方案1由于鑄鋼支撐座局部過于強(qiáng)大，從而導(dǎo)致該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中；而方案2通過對(duì)該部位進(jìn)行了柔性化設(shè)計(jì)，能夠較好地釋放應(yīng)力，可以達(dá)到大幅降低車輛靜應(yīng)力的目的，滿足AS7520.2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.2.2 選擇恰當(dāng)?shù)暮缚p接頭位置遠(yuǎn)離疲勞應(yīng)力源

凹底雙層集裝箱平車由于承受著較為復(fù)雜的交變載荷，在前期與客戶的交流中，客戶多次強(qiáng)調(diào)既有車輛出現(xiàn)過疲勞裂紋，為了解該車車體關(guān)鍵部位的抗疲勞能力，對(duì)方案2中車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度評(píng)估，計(jì)算主要依據(jù)BS EN12663:2010《鐵路運(yùn)用-鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱BS EN12663：2010標(biāo)準(zhǔn))，主要疲勞應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

從圖4中的分析結(jié)果可以看出，下側(cè)梁與橫梁上蓋板之間的對(duì)接焊縫為車輛運(yùn)行中出現(xiàn)疲勞裂紋的問題源，而該區(qū)域與前期客戶指出的既有車輛焊縫裂紋區(qū)域恰好吻合。為此對(duì)方案2又進(jìn)行了優(yōu)化，將原有的角型下側(cè)梁改為帶有圓弧型翅膀的角型梁，從而使下側(cè)梁與橫梁上蓋板之間的焊縫遠(yuǎn)離受力區(qū)域，延長(zhǎng)了車輛的使用壽命。通過此種優(yōu)化改進(jìn)，可以將焊縫易發(fā)生疲勞的區(qū)域轉(zhuǎn)化為母材區(qū)域(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，母材的疲勞許用應(yīng)力要遠(yuǎn)大于焊縫接頭的許用應(yīng)力)，優(yōu)化前、后三維示意圖如圖5所示。利用BS EN12663：2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車體的疲勞強(qiáng)度評(píng)估后得出：在各疲勞載荷工況下車體的安全系數(shù)均大于1。

圖4 方案2疲勞高應(yīng)力云圖分布圖

圖5 下側(cè)梁與橫梁上蓋板對(duì)接焊縫位置優(yōu)化前后示意圖

2.3 探索模擬車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的計(jì)算新方法

集裝箱平車在用傳統(tǒng)的計(jì)算模態(tài)分析時(shí)，僅將裝載質(zhì)量分配到集裝箱鎖座上，并未詳細(xì)考慮集裝箱自身的扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車輛系統(tǒng)頻率的影響，這樣的計(jì)算結(jié)果是偏于危險(xiǎn)的。凹底平車作為一種特種車輛，無中梁結(jié)構(gòu)，由底架與側(cè)墻共同承載，中間橫梁僅起橫向連接作用，傳遞橫向位移。由于其受自身承臺(tái)面高及凹底最低點(diǎn)距軌面高的限制，橫梁截面較小。同時(shí)，為避免橫梁與側(cè)墻連接部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，橫梁不易過強(qiáng)，需要存在一定的柔性。因此，導(dǎo)致了該車車體扭轉(zhuǎn)剛度比其他車型低，車體自振的固有頻率過低。按傳統(tǒng)方法計(jì)算的該車車體自振頻率與懸掛系統(tǒng)頻率之比如表2所示。

表2 按傳統(tǒng)方式計(jì)算的車體自振頻率與懸掛系統(tǒng)頻率比

表3 新方法計(jì)算的車體自振頻率與懸掛系統(tǒng)頻率比

3 總結(jié)

2015年6月，眉山公司研制的凹底雙層集裝箱平車成功交付客戶投入運(yùn)用，從使用至今，車輛一直保持良好狀態(tài)，得到客戶的高度認(rèn)可。

[1] 趙 鵬，楊 浩，姚鳳金.雙層集裝箱運(yùn)輸車輛的配載算法[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,29(3)：81-83.□

(編輯：李琳琳)

2095-5251(2016)05-0017-03

2016-01-18

谷美娜(1979-)，女，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，從事鐵路貨車設(shè)計(jì)工作。

U272.3

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