郝曉明,安 赟,王 強(qiáng)（南車(chē)四方車(chē)輛有限公司,山東 青島266111）

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緬甸米軌客車(chē)車(chē)體設(shè)計(jì)

郝曉明,安 赟,王 強(qiáng)
（南車(chē)四方車(chē)輛有限公司,山東 青島266111）

摘 要：主要闡述緬甸米軌客車(chē)車(chē)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)車(chē)體的靜強(qiáng)度及模態(tài)進(jìn)行了分析計(jì)算、試驗(yàn)，檢驗(yàn)和驗(yàn)證了設(shè)計(jì)車(chē)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度水平。

關(guān)鍵詞：米軌客車(chē)；車(chē)體；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度；有限元；試驗(yàn)

1 引言

緬甸客車(chē)屬適用于米軌的客運(yùn)車(chē)輛，運(yùn)行環(huán)境濕熱，路況條件較差。通過(guò)考慮使用條件，分析車(chē)輛載荷，合理分布材料，規(guī)劃各部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足客戶(hù)要求的車(chē)體。

2 車(chē)體結(jié)構(gòu)概述

2.1 緬甸國(guó)內(nèi)現(xiàn)用客車(chē)狀況

緬甸國(guó)內(nèi)現(xiàn)用客車(chē)普遍由國(guó)外進(jìn)口，且國(guó)別不一，差異較大。對(duì)于現(xiàn)有車(chē)輛，其弊陋主要集中在以下2個(gè)方面：

（1）技術(shù)落后，底架仍采用中梁結(jié)構(gòu)，笨重；

（2）端部結(jié)構(gòu)粗糙，車(chē)輛連掛不緊密，舒適性差。

根據(jù)緬方合同的技術(shù)要求，結(jié)合對(duì)國(guó)內(nèi)25型鐵路客車(chē)成熟技術(shù)的借鑒，設(shè)計(jì)車(chē)體。

2.2 車(chē)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

車(chē)體為全鋼焊接、整體承載、薄壁筒形碳鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壽命為30年。車(chē)體兩側(cè)盡可能地平滑流暢，避免設(shè)置突出的安裝件。

車(chē)體采用無(wú)中梁底架結(jié)構(gòu)，其中，底架采取強(qiáng)化設(shè)計(jì)，以提高強(qiáng)度。此外，按客戶(hù)要求采用AAR H型車(chē)鉤，但采取一定改型，減小空間占用。采用橡膠風(fēng)擋，并增加緩沖裝置，提高車(chē)輛運(yùn)行舒適性。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

車(chē)體主要技術(shù)參數(shù)（見(jiàn)表1）。

2.4 材料選用原則

鑒于緬甸環(huán)境濕熱，車(chē)體所用材料以耐候鋼Q295GNH (厚度3-6mm)/Q310GNH(厚度≤3mm)為主，部分使用普通碳鋼Q235B，重要受力部位型材及板材均采用高耐候結(jié)構(gòu)鋼Q345B，局部易腐蝕部位采用不銹鋼。

2.5 強(qiáng)度準(zhǔn)則

根據(jù)客戶(hù)要求，車(chē)體需承受車(chē)鉤中心線(xiàn)方向不低于120t的縱向壓縮載荷，且不產(chǎn)生永久變形。經(jīng)分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算、試驗(yàn)載荷及工況按照TB1335執(zhí)行。

表1

3 車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體

緬甸客車(chē)車(chē)體采用整體承載，斷面為薄壁筒形結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

車(chē)體主要由端墻、車(chē)頂、底架、側(cè)墻、車(chē)鉤及緩沖裝置、風(fēng)擋等組成。車(chē)廂兩端設(shè)通過(guò)臺(tái)，向內(nèi)經(jīng)盥洗室/廁所間，至中部客室。

一、四位角端部設(shè)蹬車(chē)頂扶梯、腳蹬，四角門(mén)及端門(mén)設(shè)計(jì)不銹鋼扶手，四角門(mén)設(shè)計(jì)直立腳蹬。

3.2 端墻結(jié)構(gòu)

外端墻鋼結(jié)構(gòu)由骨架、墻板、風(fēng)擋立柱、端腳柱、扶梯、渡板等組成；骨架橫梁立柱均采用薄板軋制C型梁，骨架下部設(shè)計(jì)貫穿邊梁，見(jiàn)圖2。

3.3 車(chē)頂結(jié)構(gòu)

車(chē)頂主要由骨架、頂板、水箱平頂和各種吊卡構(gòu)成，車(chē)頂兩端設(shè)水箱平頂，平頂板為不銹鋼；中部均布五組通風(fēng)帽。骨架彎梁采用薄板軋制帽型梁，穩(wěn)定性好；縱梁采用軋制L型梁。

3.4 底架結(jié)構(gòu)

底架結(jié)構(gòu)直接承受乘客、車(chē)下設(shè)備等垂向載荷，車(chē)輛制動(dòng)、牽引等縱向載荷；是主要的承載部件；主要由牽枕緩組成、地板、邊梁、橫梁以及設(shè)備安裝座等組成，見(jiàn)圖3。

一是盡快擴(kuò)大中央小型農(nóng)田水利工程建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金規(guī)模，建議2012年小型農(nóng)田水利補(bǔ)助資金規(guī)模增加到300億元；二是將小型農(nóng)田水利設(shè)施改革試點(diǎn)全面推開(kāi)，將中西部地區(qū)及糧食主產(chǎn)區(qū)補(bǔ)助比例提高到70%；三是允許在補(bǔ)助資金中提取適當(dāng)比例用于農(nóng)村水利組織改革、農(nóng)民用水戶(hù)協(xié)會(huì)的組建、開(kāi)辦等工作經(jīng)費(fèi)；四是引導(dǎo)農(nóng)民抵押土地流轉(zhuǎn)權(quán)借入信貸資金投入農(nóng)村水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；五是引導(dǎo)社會(huì)資本參與農(nóng)村飲水安全工程和農(nóng)村小水電項(xiàng)目建設(shè)，創(chuàng)新公私合作制、股份制或合伙制等多種形式；六是在小水能資源豐富的地區(qū)，鼓勵(lì)由鄉(xiāng)政府用集體資產(chǎn)提供無(wú)償擔(dān)保幫助農(nóng)戶(hù)貸款興辦農(nóng)村小水電。

為保證室內(nèi)高度，波紋地板采用沉降式安裝，見(jiàn)圖3右圖；其次，為保證車(chē)輛連掛端間距，底架兩端相對(duì)上部結(jié)構(gòu)各收縮100mm。

以上對(duì)底架強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，為此，對(duì)底架采取強(qiáng)化設(shè)計(jì)。首先，牽枕緩、邊梁均采用Q345B高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，板材厚度為8mm～12mm；其次，增加局部補(bǔ)強(qiáng)，見(jiàn)圖3左，包括牽引梁“刀把”應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)、枕梁與邊梁連接的前后端增加長(zhǎng)大補(bǔ)強(qiáng)板、邊梁局部增加封口立板。

基于提高耐腐蝕性能而采用的不銹鋼制波紋地板，其屈服強(qiáng)度不低于345MPa。

3.5 側(cè)墻結(jié)構(gòu)

側(cè)墻結(jié)構(gòu)由墻板、骨架、上邊梁、焊件、隔熱材等組成；骨架橫梁、立柱采以乙型梁為主。其中，客室為雙層活動(dòng)窗，窗間設(shè)窗框，窗間立柱及橫梁均采用小高度截面。

3.6 車(chē)鉤及緩沖裝置

采用AAR-H型車(chē)鉤，與轉(zhuǎn)向體、緩沖裝置、托梁裝置配套使用，具有連掛間隙小、綜合性能優(yōu)良等特點(diǎn)，能良好滿(mǎn)足客車(chē)運(yùn)行需要，見(jiàn)圖4。

單車(chē)時(shí)由托梁裝置托舉車(chē)鉤，連掛運(yùn)行時(shí)，鉤緩裝置的橫向搖擺及垂向俯仰由轉(zhuǎn)向體實(shí)現(xiàn)。

為適應(yīng)米軌客車(chē)使用需要，對(duì)緩沖裝置進(jìn)行一定的調(diào)整，壓縮前后從板間距至345mm；車(chē)鉤保留鉤頭結(jié)構(gòu)，但采用短鉤身設(shè)計(jì)。

H型車(chē)鉤的靜拉破壞強(qiáng)度(kN) 2660

連掛間隙（mm）2.8±1

緩沖裝置阻抗力（kN）1200

行程（mm）55

車(chē)鉤水平轉(zhuǎn)角20o

車(chē)鉤垂向轉(zhuǎn)角6o

托梁鞍行程（mm）70

3.7 橡膠風(fēng)擋

采用橡膠風(fēng)擋，由一個(gè)橫膠囊和兩個(gè)立囊組成，并用螺栓連接至車(chē)端結(jié)構(gòu)。立膠囊的內(nèi)側(cè)設(shè)有擋手條，橫膠囊設(shè)導(dǎo)雨條、防曬板。車(chē)廂連掛時(shí)，膠囊被壓成橢圓形狀，起到密封作用。

橡膠風(fēng)擋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，路況適應(yīng)性強(qiáng)，特別適合緬甸現(xiàn)有鐵路狀態(tài)。

4 車(chē)體強(qiáng)度計(jì)算

車(chē)體基本結(jié)構(gòu)確定后，通過(guò)計(jì)算檢驗(yàn)其強(qiáng)度。

4.1 有限元模型

利用Catia軟件建立車(chē)體3D模型，并采用Ansys對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，車(chē)體有限元模型的構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。車(chē)體結(jié)構(gòu)的有限元模型單元總數(shù)為1382673，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為893625。車(chē)體有限元模型見(jiàn)圖5。

4.2 強(qiáng)度、模態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

車(chē)體所用材料及性能參數(shù)（見(jiàn)表2）。

表2

強(qiáng)度原則：在所有計(jì)算工況，車(chē)體各部件的最大Von- Mises應(yīng)力均不得大于該部件所用材料的屈服強(qiáng)度。

模態(tài)分析要求車(chē)體振動(dòng)頻率偏離其他附屬設(shè)備自振頻率，防止產(chǎn)生共振。

4.3 計(jì)算工況

根據(jù)TB/T1335，客車(chē)靜強(qiáng)度計(jì)算工況分為：垂向載荷工況；縱向載荷工況；頂車(chē)工況及設(shè)備沖擊工況。

4.4 結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算，得出各工況應(yīng)力、位移云圖，其中，縱向壓縮工況應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

各工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表（表3）。

表3

計(jì)算結(jié)果表明，車(chē)體最大應(yīng)力均不超過(guò)對(duì)應(yīng)材料屈服強(qiáng)度，滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求。

此外，分別從空車(chē)、整備、超員三種工況分析車(chē)體模態(tài)，空車(chē)模態(tài)振型見(jiàn)圖7：

經(jīng)分析，車(chē)體在不同狀態(tài)下的模態(tài)頻率值與同類(lèi)車(chē)輛吻合，振型合理。

5 車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

首輛車(chē)體制造完成后，對(duì)其做靜強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)一步檢驗(yàn)車(chē)體強(qiáng)度。

5.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果布置檢測(cè)點(diǎn)，牽枕緩測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖8：

5.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)分為垂向加載、縱向加載、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、頂車(chē)試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)分別進(jìn)行3次，結(jié)果取平均值。

5.3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該車(chē)的強(qiáng)度和剛度與計(jì)算結(jié)果基本一致，滿(mǎn)足客戶(hù)要求。

6 結(jié)論

緬甸客車(chē)是應(yīng)緬方要求而設(shè)計(jì)的適用于米軌的客運(yùn)車(chē)輛，車(chē)體材料選用考慮了緬甸當(dāng)?shù)丨h(huán)境濕熱的特點(diǎn)，并對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)化設(shè)計(jì)。采用Catia三維建模與Ansys有限元分析相結(jié)合，首車(chē)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，設(shè)計(jì)了具備良好強(qiáng)度、剛度的車(chē)體，滿(mǎn)足了客戶(hù)需求；同時(shí)，該產(chǎn)品也為米軌客車(chē)設(shè)計(jì)提供了一款可借鑒平臺(tái)。目前，該車(chē)首批次已順利交付客戶(hù)，并將很快投入使用。

參考文獻(xiàn)：

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[4]青島四方車(chē)輛研究所有限公司.緬甸客車(chē)車(chē)體靜強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告[R].2015.

表4　試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)力及合成應(yīng)力單位：MPa

作者簡(jiǎn)介：郝曉明（1982-），男，山東煙臺(tái)人，研究生，工程師，研究方向：機(jī)客車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.185