王洪昆，王蒙，李興，鹿中華

（1.神華鐵路裝備有限責任公司，北京100011；2.中車山東機車車輛有限公司，濟南250022）

0 引言

隨著近年來我國運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整及大力發(fā)展多式聯(lián)運的政策指引下，以鐵路馱背車為主的公鐵聯(lián)運產(chǎn)品發(fā)展迅速。中車山東機車車輛有限公司為神華鐵路裝備有限責任公司研制了STX4型馱背多功能運輸車，如圖1所示。鞍座作為鐵路馱背車運輸半掛車的關(guān)鍵部件，承受了鐵路運行過程中半掛車引起的縱向力、橫向力及垂向力的影響，其沖擊強度和疲勞強度性能決定了車輛的運輸安全性[1]。參考AAR M-952針對評估集裝箱鎖座的沖擊強度規(guī)定，分析該車一位端鞍座在半掛車各向沖擊加速度載荷作用下的受力狀態(tài)，評定其沖擊強度；參考EN12663規(guī)定的車體垂向和橫向疲勞載荷，對鞍座進行疲勞強度評定。

圖1 STX4型馱背多功能運輸車

1 有限元模型

該鞍座的承載結(jié)構(gòu)為采用Q345鋼板材組焊的三維實體結(jié)構(gòu)，分為上下兩部分結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)平臺為半掛車前部承載面，下部結(jié)構(gòu)安放在馱背車一位端地板面上的導軌上，上部和下部結(jié)構(gòu)通過左右銷軸鉸接，二者可繞橫軸相互自由轉(zhuǎn)動[2]。

由于鞍座上部和下部結(jié)構(gòu)為靜不定系統(tǒng)，故分別單獨對二者進行結(jié)構(gòu)沖擊強度分析。在ANSYS中采用Solid92單元進行網(wǎng)格離散。上部結(jié)構(gòu)模型中包含了模擬該上部結(jié)構(gòu)平臺與半掛車接觸傳力的平板結(jié)構(gòu)，并建立上部結(jié)構(gòu)平臺與該平板的面-面接觸關(guān)系，為鞍座上部結(jié)構(gòu)的強度分析提供最大程度模擬實際的接觸傳力邊界。下部結(jié)構(gòu)模型中包含了與該下部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)接觸傳力的導軌結(jié)構(gòu)，并建立下部結(jié)構(gòu)平臺與導軌間的面-面接觸關(guān)系，為鞍座下部結(jié)構(gòu)的強度分析提供最大程度模擬實際的接觸傳力邊界。鞍座的有限元模型如圖2和圖3所示。

圖2 鞍座上部結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 鞍座下部結(jié)構(gòu)有限元模型

2 計算載荷、載荷工況及邊界條件

參考AAR M-952[3]的規(guī)定并考慮該鞍座實際受力特性（主要為垂向和橫向，理論上鞍座縱向可自由活動），分別取鞍座承受的半掛車各向沖擊加速度為：垂向2g，橫向0.5g和縱向0.5g。其中，取鞍座承受的半掛車垂向最大設(shè)計載荷為20 t；縱向取0.5g加速度為考慮鞍座可能存在縱向的異?？芰η闆r。根據(jù)上述規(guī)定同時考慮結(jié)構(gòu)的對稱性（上部結(jié)構(gòu)沿橫斷面對稱，下部結(jié)構(gòu)沿橫斷面和縱斷面對稱），分別針對該鞍座上部和下部結(jié)構(gòu)制定了表1和表2所示的沖擊載荷計算工況。

參考EN12663[4]對車體垂向和橫向疲勞載荷的規(guī)定，鞍座的垂向疲勞載荷為：平均載荷為垂向靜載荷（196.20 kN），垂向動載荷幅值為0.3倍的垂向靜載荷（即58.86 kN）；鞍座的橫向疲勞載荷為：平均載荷為垂向靜載荷（196.20 kN），橫向動載荷為0.2倍的垂向靜載荷（即39.24 kN）。表3為鞍座垂向和橫向疲勞載荷的最大和最小載荷工況。

表1 鞍座上部結(jié)構(gòu)沖擊載荷工況 kN

表2 鞍座下部結(jié)構(gòu)沖擊載荷工況 kN

表3 鞍座垂向和橫向疲勞載荷工況 kN

3 評定準則

對于沖擊強度，在上述沖擊載荷工況作用下，要求結(jié)構(gòu)計算應(yīng)力不超過鞍座制造材料Q345鋼的屈服極限，對于遠離焊縫的母材部位取345 MPa，對于臨近焊縫部位（考慮1.1倍安全系數(shù)）取314 MPa。

對于疲勞強度，借鑒ERRI B12/RP17[5]提供的抗拉強度不低于520 MPa（屈服強度約360 MPa）鋼材焊縫接頭的容許疲勞強度數(shù)據(jù)進行評定，疲勞極限線圖如圖4所示。

圖4 ERRI焊縫接頭疲勞極限線圖

4 計算和評定結(jié)果

4.1 沖擊強度

采用圖1、圖2所示有限元計算模型，對表1、表2所列沖擊載荷工況進行計算，結(jié)果表明：各沖擊工況下鞍座上部和下部結(jié)構(gòu)所有結(jié)構(gòu)部位的計算應(yīng)力均未超過制造材料母材及焊縫區(qū)的容許應(yīng)力，滿足沖擊強度評定要求。各工況詳細計算結(jié)果如表4和表5所示。

表4 鞍座上部結(jié)構(gòu)沖擊強度計算結(jié)果

表5 鞍座下部結(jié)構(gòu)沖擊強度計算結(jié)果

4.2 疲勞強度

在垂向疲勞載荷工況C1和C2下，鞍座上部結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在銷軸孔邊母材部位，是疲勞強度最薄弱區(qū)。在橫向疲勞載荷工況C3和C4下，鞍座上部結(jié)構(gòu)的潛在疲勞薄弱點為防轉(zhuǎn)擋板與內(nèi)外立板焊接連接區(qū)。

在垂向疲勞載荷工況C1和C2下，鞍座下部結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在銷軸孔邊母材部位，是疲勞強度最薄弱區(qū)，且大拉應(yīng)力均位于該結(jié)構(gòu)母材區(qū)域，是疲勞強度最薄弱區(qū)。在橫向疲勞載荷工況C3和C4下，鞍座下部結(jié)構(gòu)的潛在疲勞薄弱點為防轉(zhuǎn)擋板與內(nèi)外立板焊接連接區(qū)。

鞍座上部和下部結(jié)構(gòu)的疲勞計算結(jié)果如表6所示。從計算結(jié)果來看，各疲勞薄弱區(qū)的安全系數(shù)均大于1，鞍座疲勞強度滿足評估要求。

表6 鞍座疲勞強度計算結(jié)果

5 結(jié)語

在參考AAR M-952各種沖擊載荷工況下，鞍座結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位的計算應(yīng)力均小于制造材質(zhì)的屈服極限，滿足沖擊強度評定要求；在參考EN 12663確定的垂向和橫向疲勞載荷工況下，結(jié)構(gòu)母材及焊接接頭疲勞薄弱部位的計算應(yīng)力幅小于該結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力幅，各疲勞強度薄弱區(qū)的安全系數(shù)均大于1，疲勞強度滿足評定要求。