張建武，萬(wàn) 濤，王艷霞，許秀峰，郭 娜

(中車石家莊車輛有限公司 技術(shù)中心,河北 石家莊 050000)

自滾輪裝卸凹底平車是中車石家莊車輛有限公司根據(jù)客戶需求研發(fā)的新一代凹底平車。該車采用整體凹底式承載結(jié)構(gòu)，適用于在1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距線路上運(yùn)行，主要用于各種大型設(shè)備、輪式裝備、履帶機(jī)械等特種貨物的鐵路運(yùn)輸，該車載重達(dá)到72 t，可以滿足所運(yùn)貨物自端站臺(tái)裝卸的要求，同時(shí)在車輛兩端設(shè)有能開(kāi)閉的加強(qiáng)型端板，在需要時(shí)可以作為渡橋使用。該車具有承載面長(zhǎng)度長(zhǎng)、載重大等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足長(zhǎng)大貨物運(yùn)輸?shù)钠椒€(wěn)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等要求。

1 自滾輪裝卸凹底平車主要結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

自滾輪裝卸凹底平車主要由凹底架、制動(dòng)裝置、車鉤緩沖裝置、轉(zhuǎn)向架和捆綁加固裝置等組成(圖1)。凹底架采用無(wú)中梁全鋼焊接結(jié)構(gòu)，主要由端梁、枕梁、牽引梁、框格結(jié)構(gòu)、地板、下蓋板、口蓋和加強(qiáng)型端板等部分組成。主要型鋼和板材均采用Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼，滿足車輛載重要求。

1.轉(zhuǎn)向架；2.凹底架組成；3.捆綁加固裝置；4.制動(dòng)裝置及附屬件；5.車鉤緩沖裝置。圖1 自滾輪裝卸凹底平車結(jié)構(gòu)

凹底架框格結(jié)構(gòu)由縱向腹板、魚(yú)腹形橫向腹板及隔板組焊而成,框格結(jié)構(gòu)與地板、魚(yú)腹形橫斷面下蓋板組合成箱形結(jié)構(gòu),在外縱向腹板和端梁上布置有加強(qiáng)型繩栓；牽引梁采用由上下蓋板、腹板、隔板等組焊而成的雙腹板箱形變截面結(jié)構(gòu)；采用直徑為358 mm的鍛鋼上心盤(pán)及C級(jí)鋼的前后從板座，前后從板座上加裝螺釘連接的鋼制磨耗板；地板上長(zhǎng)方口處設(shè)有口蓋，內(nèi)部可以裝載12組鑄鋁止輪擋，地板上布置有4條縱向布置的系留槽，用于固定止輪擋承載面上車輪行駛處涂刷高凸起型防滑涂料。

自滾輪裝卸凹底平車主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 自滾輪裝卸凹底平車主要技術(shù)參數(shù)

2 承載結(jié)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)

(1) 底架承載面長(zhǎng)度為12 300 mm，承載面距軌面高度為675 mm，底架最低點(diǎn)距軌面高度為204 mm，承載結(jié)構(gòu)的綜合技術(shù)性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類主型凹底平車。

(2) 車體采用無(wú)中梁整體凹底框架結(jié)構(gòu)，采用縱向折彎、中部低于兩端的折角式凹形底架，底架中部橫斷面采用橫向抽魚(yú)腹結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，中部集載明顯提高。

(3) 車體承載部位采用T形結(jié)構(gòu)，充分利用了車輛下部限界，同時(shí)承載面高度更低，降低了貨物裝載運(yùn)輸?shù)某薜燃?jí)。

(4) 采用新型可移動(dòng)式輕量化鑄鋁止輪擋，輕便可調(diào)，抗腐蝕性能好，配合地板上縱向布置的系留槽，可滿足各種輪式裝備的捆綁加固要求并且操作方便。

(5) 地板縱向涂刷2條高凸起型大顆粒防滑涂料帶，加大了裝備和地板之間的摩擦因數(shù)，提高了輪式裝備運(yùn)輸及裝卸的安全性。

3 承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及其設(shè)計(jì)

3.1 承載面高度和長(zhǎng)度

特種裝備貨物的不解體運(yùn)輸能最大限度地減少對(duì)其性能的損害，根據(jù)超長(zhǎng)、超重、超限裝備的不解體運(yùn)輸需求，確定該車采用無(wú)中梁整體凹底式承載結(jié)構(gòu)。車輛受上部限界限制和所運(yùn)貨物限制，承載面高度不能提高。受車輛下部限界限制，車輛斷面高度不能隨意增加，所以在滿足特種裝備運(yùn)輸需求情況下如何保證承載面長(zhǎng)度和高度是承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

針對(duì)上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)，利用有限元計(jì)算工具對(duì)車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。由于限界的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，車體承載部位采用T形結(jié)構(gòu)(圖2)，可充分利用車輛下部限界。承載面距軌面高度確定為675 mm，底架最低點(diǎn)距軌面高度確定為204 mm，解決了特殊貨物裝載運(yùn)輸時(shí)的超限問(wèn)題。承載面長(zhǎng)度確定為12 300 mm，與載重60 t凹底平車相比，承載面長(zhǎng)度增加了300 mm，是目前滿足自滾輪裝卸要求的承載面長(zhǎng)度最長(zhǎng)的凹底平車，解決了特種裝備的不解體運(yùn)輸難題。

圖2 承載部位采用T形結(jié)構(gòu)

3.2 儲(chǔ)物空間

為滿足所運(yùn)貨物自滾輪裝卸的要求，該車需設(shè)置隨車?yán)壖庸膛浼拇鎯?chǔ)空間，在保證車輛強(qiáng)度和剛度的同時(shí)降低車輛自重，是車輛設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和核心技術(shù)。

利用框格結(jié)構(gòu)中空的特點(diǎn)，設(shè)置2個(gè)2.3 m×1.58 m×0.43 m的立方體存儲(chǔ)空間，用于存放止輪擋等隨車配件。

3.3 車輛集載

車輛中部框格和上下蓋板結(jié)構(gòu)要滿足車輛的集載工況要求，是承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

該車牽引梁由上下蓋板和腹板組成箱形結(jié)構(gòu)，與車體中部的框格結(jié)構(gòu)組焊成一個(gè)整體承載結(jié)構(gòu)，保證了車輛承載要求。車體框格結(jié)構(gòu)與地板、魚(yú)腹形橫斷面的下蓋板組合成箱形變截面結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析計(jì)算，該整體焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度性能優(yōu)異，自重較輕。地板面設(shè)置有角度為14°的緩坡，便于自滾輪裝備自行上下。

3.4 捆綁加固方式

針對(duì)特種裝備的運(yùn)輸，需設(shè)計(jì)安全、簡(jiǎn)單、方便的捆綁加固方式，這也是承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)時(shí)，車輛捆綁加固裝置采用新型鑄鋁止輪擋，結(jié)構(gòu)輕巧，安全可靠，配合車體周圍布置的飛翼型繩栓，既能增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又能滿足特種裝備的捆綁加固要求。

4 有限元分析

依據(jù)TB/T 3550.2—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 車體 第2部分：貨車車體》要求 ，采用ANSYS有限元軟件對(duì)車體承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析計(jì)算[1]。靜強(qiáng)度分析的載荷條件和評(píng)估方法依據(jù)TB/T 3550.2—2019和鐵科技[2012]154號(hào)文《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件(暫行)》的要求進(jìn)行。

4.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

表2為靜強(qiáng)度工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，其中工況1垂向載荷為72 t均布載荷，工況2垂向載荷為72 t輪式裝載，輪式裝載時(shí)載荷主要分布于承載面兩側(cè)系留槽之間600 mm寬度范圍內(nèi)。

表2 靜強(qiáng)度工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

由計(jì)算結(jié)果可以看出，車體承載結(jié)構(gòu)在各靜強(qiáng)度工況下的最大應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)工況下的材料許用應(yīng)力，表明該車承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。圖3～圖7為72 t均載情況下工況1應(yīng)力云圖。

圖3 垂向總載+側(cè)向力+扭轉(zhuǎn)+拉伸工況應(yīng)力云圖

4.2 剛度計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，該凹底平車屬于底架承載車體，車體撓跨比應(yīng)小于或等于1/300。分別對(duì)72 t均載和72 t輪載情況下的車體下邊梁撓度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示,均載時(shí)撓度為47.161 mm，撓跨比為0.895/300；該車體下邊梁的最大撓度發(fā)生在輪載情況下，最大撓跨比為0.93/300。2種工況下的車體下邊梁撓度均小于1/300，表明其剛度符合要求。

圖4 垂向總載+側(cè)向力+扭轉(zhuǎn)+壓縮工況應(yīng)力云圖

4.3 疲勞壽命分析

參照AAR M 1001：2015《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》的載荷條件和疲勞壽命評(píng)估方法，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析，分析結(jié)果顯示，車體底架下蓋板與其加強(qiáng)板間搭接接頭處的疲勞壽命最短，為453萬(wàn)km，但依然大于30年300萬(wàn)km的設(shè)計(jì)要求，表明該車車體疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析結(jié)果 萬(wàn)km

圖5 垂向靜載+縱向壓縮(兩端壓縮)工況應(yīng)力云圖

圖6 垂向靜載+縱向壓縮(單側(cè)沖擊)工況應(yīng)力云圖

圖7 頂車工況應(yīng)力云圖

4.4 模態(tài)分析

對(duì)車體垂向彎曲、車體橫向彎曲、車體側(cè)滾、車體扭轉(zhuǎn)等工況進(jìn)行模擬分析[2]，以了解該車體固有頻率和相應(yīng)振型，分析結(jié)果(表4)滿足相關(guān)要求。

表4 車體模態(tài)分析結(jié)果 Hz

5 結(jié)束語(yǔ)

自滾輪裝卸凹底平車由于其裝卸貨物的便捷性和運(yùn)輸?shù)陌踩?，已成為輪式、履帶式特種裝備貨物實(shí)施鐵路運(yùn)輸?shù)闹髁囆椭弧Ｖ熊囀仪f車輛有限公司按照優(yōu)化后的承載結(jié)構(gòu)制定了整車的技術(shù)方案，關(guān)鍵技術(shù)性能和主要裝貨指標(biāo)均能夠滿足客戶的實(shí)際運(yùn)輸需求，且能與所運(yùn)貨物有更好的匹配性。