趙天軍，趙金鳳，王孝東，李曉峰

(1.中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 1160521;2.大連交通大學(xué) 機(jī)車(chē)車(chē)輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

我國(guó)出口澳大利亞30t軸重煤炭漏斗車(chē)具有較大載重能力.車(chē)輛以中梁、枕梁、側(cè)梁、橫梁、脊背構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)，使車(chē)輛的剛度分配更加合理，提高了車(chē)輛的整體承載能力.同時(shí)，大圓弧包板式側(cè)墻結(jié)構(gòu)提高了車(chē)體剛度、充分利用了機(jī)車(chē)車(chē)輛限界，增大了有效容積.其隔板加強(qiáng)板焊接在隔板邊緣位置，采用3.5mm不銹鋼板，主要是對(duì)隔板邊緣剛度進(jìn)行加強(qiáng)，隔板與其加強(qiáng)板坐落在大橫梁上，并與漏斗車(chē)側(cè)墻連接，起到增加側(cè)墻橫向剛度的作用［1］.該漏斗車(chē)運(yùn)行一段時(shí)間后，隔板加強(qiáng)板上端圓弧位置、加強(qiáng)板根部與大橫梁交接位置出現(xiàn)裂紋.為找出裂紋產(chǎn)生的原因，并對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)為以后同類(lèi)型車(chē)輛設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和支持，本文對(duì)隔板加強(qiáng)板上裂紋成因進(jìn)行分析與改進(jìn).

1 裂紋成因分析

1.1 裂紋情況描述

裂紋主要發(fā)生在隔板加強(qiáng)板上端圓弧位置和加強(qiáng)板根部與大橫梁交接位置，加強(qiáng)板上端圓弧裂紋垂直圓弧切線方向整個(gè)母材縱向貫通，與大橫梁交接位置裂紋沿著焊縫方向發(fā)展，隔板加強(qiáng)板裂紋見(jiàn)圖1、圖2.

圖1 隔板加強(qiáng)板上部圓弧處裂紋特寫(xiě)圖

圖2 隔板加強(qiáng)板根部裂紋特寫(xiě)圖

1.2 隔板加強(qiáng)板常規(guī)工況分析

基于AAR M-1001-2011《貨車(chē)設(shè)計(jì)制造規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)［2］，對(duì)隔板裂紋處的應(yīng)力進(jìn)行了分析［3］，可知隔板裂紋處的應(yīng)力均很小，不足以造成破壞.各工況中應(yīng)力最大的工況為:緩沖載荷1 560 kN×1.8+垂向載荷×1.8+橫向載荷×1.8組合工況，其作用下隔板裂紋位置上部圓弧處最大主應(yīng)力為10.3 MPa，隔板下部最大主應(yīng)力為15.3 MPa.

2 煤炭漏斗車(chē)裝卸貨的離散元分析

列車(chē)是在緩慢運(yùn)行中進(jìn)行裝卸載貨物，此時(shí)隔板加強(qiáng)板兩側(cè)的貨物質(zhì)量不一致，會(huì)使隔板加強(qiáng)板發(fā)生彎曲變形.由于裝卸載瞬間，會(huì)對(duì)隔板造成瞬間沖擊，需要對(duì)裝卸貨時(shí)隔板受到的沖擊力進(jìn)行具體分析［4］.

2.1 離散元分析理論

煤炭顆粒本身特點(diǎn)難以用傳統(tǒng)均勻、連續(xù)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)處理，離散元方法較其他方法能更好的模擬散體的力學(xué)性質(zhì)［5］.本文采用PFC-3D離散元計(jì)算軟件數(shù)值模擬裝卸貨狀態(tài)下煤炭顆粒與隔板間的相互作用力.煤炭顆粒的形狀各異，排列分布結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜［6］，考慮到煤炭顆粒［6］本身的特點(diǎn)，用散體力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)分析研究它們的力學(xué)性質(zhì)，離散元方法［7］較其他方法能更好的模擬散體的力學(xué)性質(zhì).

在離散元模擬中采用高斯函數(shù)分布規(guī)律隨機(jī)生成大小不一的顆粒尺寸，計(jì)算不同粒徑間球形顆粒間的作用力［8］.本文采用線性接觸模型計(jì)算各顆粒間接觸作用，顆粒間的接觸力計(jì)算是通過(guò)接觸剛度與顆粒間的相對(duì)位移計(jì)算出來(lái)的.

線性接觸模型主要通過(guò)相互接觸的兩個(gè)顆粒的法向與切向的剛度定義而得，單元間法向力包括彈性力和粘滯力兩部分［9］.

式中，gr是單元法向應(yīng)變，Un是單元法向應(yīng)變率;Kn是法向剛度系數(shù)，βn是法向阻尼系數(shù).

基于Mindlin理論和Mohr-Coulomb摩擦定律，忽略切向粘滯力影響，切向接觸力寫(xiě)作［10］:

式中，Us和U′s分別為顆粒的切向變形和應(yīng)變率;Ks是切向剛度系數(shù)，βs是切向阻尼系數(shù);μ是摩擦系數(shù).

2.2 裝卸貨過(guò)程分析

裝貨時(shí)采用漏斗倉(cāng)進(jìn)行裝貨，邊走邊裝，車(chē)輛運(yùn)行速度為3 km/h，從一端開(kāi)始，一直裝滿(mǎn)到另一端;卸貨時(shí)，運(yùn)行速度與裝貨時(shí)一樣，每間隔3s開(kāi)一組底門(mén).如圖3、4所示.

可以看到隔板加強(qiáng)板兩側(cè)的貨物質(zhì)量不一致，會(huì)使隔板加強(qiáng)板發(fā)生彎曲變形.由于裝卸載瞬間，會(huì)對(duì)隔板造成瞬間沖擊，隨著裝貨的進(jìn)行，隔板受力在逐步增加，裝載結(jié)束，隔板所受力達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài).當(dāng)漏斗車(chē)底門(mén)開(kāi)啟開(kāi)始卸貨瞬間，煤炭顆粒對(duì)隔板發(fā)生沖擊，隔板所受力瞬間增加，隨著卸貨進(jìn)行，隔板受力逐步減少.

圖3 裝貨狀態(tài)

圖4 卸貨狀態(tài)

由仿真分析可知，卸貨過(guò)程中隔板受力偏大，本文取卸載過(guò)程中不同時(shí)刻隔板受到的作用力，如圖5所示，隔板中間受力最大，隔板的兩端受力最小，受力呈倒三角形式.圖5選取了卸貨過(guò)程中4個(gè)時(shí)刻的隔板受力趨勢(shì)，縱坐標(biāo)為隔板高度單元編號(hào)，橫坐標(biāo)為該高度隔板上載荷數(shù)值.

圖5 卸貨過(guò)程隔板受力隨高度變化情況

按照卸貨過(guò)程隔板受力分析情況，施加面力模擬該工況.在該模擬工況計(jì)算下隔板裂紋位置上部圓弧處主應(yīng)力最大值達(dá)到了906 MPa，隔板下部最大主應(yīng)力為438 MPa.由分析結(jié)果可以看出，隔板裂紋是由于裝卸載工況造成的.

在模擬裝卸載工況下，隔板加強(qiáng)板上部及根部主應(yīng)力均沿著加強(qiáng)板方向，受載側(cè)為壓應(yīng)力，對(duì)側(cè)為拉應(yīng)力.由主應(yīng)力大小及方向最終確定了試驗(yàn)時(shí)隔板加強(qiáng)板貼片位置及貼片方向如圖6、圖7所示.加強(qiáng)板上端沿著圓弧切線方向貼片，貼在切點(diǎn)位置，距邊緣5mm;下端應(yīng)變片貼在焊縫附近，距離焊縫5 mm，沿著加強(qiáng)板方向，應(yīng)變花貼在加強(qiáng)板與大橫梁交接位置焊縫附近，距離焊縫5 mm處大橫梁上.

圖6 隔板加強(qiáng)板上部貼片示意圖

圖7 隔板加強(qiáng)板根部貼片示意圖

3 測(cè)試結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估

對(duì)該型漏斗車(chē)在往返線路上開(kāi)展了線路測(cè)試工作，在測(cè)試區(qū)間內(nèi)，進(jìn)行全工況測(cè)試，包括空、重車(chē)線路運(yùn)行工況，裝、卸載工況，使用BMT WBM專(zhuān)用的應(yīng)變放大器和動(dòng)態(tài)應(yīng)變記錄儀采集測(cè)試數(shù)據(jù).由線路運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果同樣可知，列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)隔板加強(qiáng)板上應(yīng)力較小，不足以造成疲勞破壞，測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力分布如表1所示.

表1 試驗(yàn)測(cè)試應(yīng)力與仿真分析應(yīng)力對(duì)比表 MPa

依據(jù)BS-EN1993-1-9-2005《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-第1-9部分:疲勞》標(biāo)準(zhǔn)［11］和隔板加強(qiáng)板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的具體接頭型式，選取S-N曲線.根據(jù)選定曲線，對(duì)隔板加強(qiáng)板測(cè)點(diǎn)裝卸載工況進(jìn)行疲勞計(jì)算，疲勞計(jì)算按照實(shí)際運(yùn)行狀況711 km裝卸載一次.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 隔板疲勞壽命評(píng)估表

由疲勞壽命評(píng)估結(jié)果可知，分析計(jì)算壽命與實(shí)際運(yùn)行壽命基本相符.

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果可知，由于隔板加強(qiáng)板縱向剛度弱，導(dǎo)致裝卸載時(shí)隔板加強(qiáng)板應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出許用應(yīng)力，現(xiàn)提出如下幾種補(bǔ)強(qiáng)方案:

方案一:在隔板加強(qiáng)板外側(cè)加焊槽鋼，槽鋼尺寸為60 mm×70 mm，厚度為3.5 mm.補(bǔ)強(qiáng)形式如圖8所示.

方案二:在隔板加強(qiáng)板內(nèi)側(cè)加焊兩個(gè)角鋼，角鋼尺寸為100 mm×35 mm，厚度為5 mm.補(bǔ)強(qiáng)形式如圖9所示.

方案三:在隔板加強(qiáng)板內(nèi)側(cè)加焊兩個(gè)角鋼，角鋼尺寸為100 mm×35 mm，厚度為4 mm.補(bǔ)強(qiáng)形式如圖9所示.

方案四:在隔板加強(qiáng)板內(nèi)側(cè)加焊一個(gè)角鋼，角鋼尺寸為100 mm×35 mm，厚度為5 mm.補(bǔ)強(qiáng)形式如圖9所示.

圖9 角鋼補(bǔ)強(qiáng)梁

圖8 槽鋼補(bǔ)強(qiáng)梁

各改進(jìn)方案按照PFC-3D軟件計(jì)算的卸載沖擊載荷進(jìn)行計(jì)算，各改進(jìn)方案測(cè)點(diǎn)位置具體應(yīng)力大小見(jiàn)表3.

表3 各改進(jìn)方案測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力匯總表 MPa

由各位置應(yīng)力匯總表可以看出，方案二和方案三均小于許用應(yīng)力350 MPa，滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求.

對(duì)滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求的方案二和方案三，依據(jù)BS-EN1993-1-9-2005《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-第1-9部分:疲勞》標(biāo)準(zhǔn)［9］選取S-N曲線.根據(jù)選定曲線，對(duì)隔板加強(qiáng)板測(cè)點(diǎn)位置裝卸載工況進(jìn)行疲勞計(jì)算，疲勞計(jì)算按照實(shí)際運(yùn)行狀況711 km裝卸載一次.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，壽命單位萬(wàn)公里.

表4 補(bǔ)強(qiáng)方案疲勞壽命評(píng)估表

由疲勞壽命評(píng)估表可以看出，方案二和方案三均滿(mǎn)足裝卸載工況運(yùn)用要求，對(duì)上述兩方案正常運(yùn)營(yíng)工況進(jìn)行計(jì)算，補(bǔ)強(qiáng)梁位置應(yīng)力均很小.綜上所述，補(bǔ)強(qiáng)方案二和方案三均能滿(mǎn)足運(yùn)用要求.根據(jù)經(jīng)濟(jì)性公司最終選取了方案三對(duì)車(chē)體進(jìn)行了焊修.

5 結(jié)論

(1)本文對(duì)某出口煤炭漏斗車(chē)隔板加強(qiáng)板裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，由分析可知，由于隔板加強(qiáng)板縱向剛度弱，導(dǎo)致裝卸載時(shí)隔板加強(qiáng)板應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出許用應(yīng)力，通過(guò)離散元模擬裝卸貨過(guò)程，得出卸貨仿真計(jì)算數(shù)值與線路實(shí)測(cè)卸貨數(shù)據(jù)一致性良好，能夠有效的指導(dǎo)設(shè)計(jì);

(2)改進(jìn)方案很好的解決了隔板加強(qiáng)板在裝卸載時(shí)縱向剛度不足的問(wèn)題，方案二和方案三均滿(mǎn)足運(yùn)用要求，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性選擇了方案三作為最終補(bǔ)強(qiáng)方案，目前應(yīng)用情況良好;

(3)各個(gè)國(guó)家鐵路貨車(chē)標(biāo)準(zhǔn)中均沒(méi)有涉及到該裝卸載沖擊工況，該工況可以作為考核標(biāo)準(zhǔn)為以后該類(lèi)型車(chē)輛提供設(shè)計(jì)判據(jù).