樊利芳 梁曉穎 向光波

（1.鄭州科技學(xué)院，鄭州 450046；2.大連理工大學(xué)鄭州研究院，鄭州 450000）

1 敞車下側(cè)門應(yīng)用現(xiàn)狀

敞車是鐵路運(yùn)輸中的主型車輛。我國通用敞車保有量超過40萬輛，約占貨車總數(shù)的60%，主要承運(yùn)煤炭、礦粉、糧食等各種散裝或集載貨物。下側(cè)門是鐵路敞車的重要組成部件，如圖1所示。每輛通用敞車裝有12個下側(cè)門，主要用于貨物裝卸和人員進(jìn)出，并與側(cè)墻共同承載，如圖2所示。在長期運(yùn)輸過程中，車輛除受日曬雨淋等自然天氣影響外，還會受所運(yùn)貨物如煤炭的腐蝕、貨物的磕碰、裝卸機(jī)具的撞擊等影響，導(dǎo)致下側(cè)門逐漸出現(xiàn)腐蝕、破損、產(chǎn)生變形等現(xiàn)象，如圖3所示。下側(cè)門與側(cè)墻之間的門縫逐漸變大，嚴(yán)重時(shí)會影響車門的密封性能，致使車輛運(yùn)輸煤炭等散粒貨物時(shí)出現(xiàn)撒漏，造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[1-2]。因此，對下側(cè)門進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決變形嚴(yán)重、門縫間隙大及車門腐蝕等既有問題迫在眉睫。此外，國家倡議實(shí)施綠色可持續(xù)發(fā)展舉措。為響應(yīng)國家雙碳戰(zhàn)略，降低車輛自重是鐵路貨車的發(fā)展趨勢。因此，采用輕質(zhì)新型材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料，對下側(cè)門進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

圖1 下側(cè)門的安裝應(yīng)用

圖2 挖掘機(jī)卸載煤炭作業(yè)

2 下側(cè)門結(jié)構(gòu)及功能

以通用70 t級敞車下側(cè)門為研究對象。下側(cè)門由整體壓型門板和扁鋼熱煒折頁等組焊而成。折頁與底架搭扣配合進(jìn)行鎖閉，下側(cè)門與門框間為普通平面搭接結(jié)構(gòu)，如圖4所示。原有下側(cè)門板主要采用Q450NQR1或09CuPCrNi-A高強(qiáng)度耐候鋼材質(zhì)，門板厚度5 mm，質(zhì)量約56 kg。

圖4 下側(cè)門結(jié)構(gòu)組成

調(diào)研既有通用敞車系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，變形、腐蝕、破損等造成車門維修更換頻率較高。門縫間隙超過8 mm時(shí)，影響車門的密封性能。一個廠修期（8年）車門更換率在35%左右，兩個廠修期更換率達(dá)80%。由于結(jié)構(gòu)件笨重，門板和折頁總質(zhì)量達(dá)到80 kg，作業(yè)人員勞動強(qiáng)度大，維修周期長[3-4]。為解決這些問題，可充分利用新興材料——碳纖維。

碳纖維是高級復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，享有“黑色黃金”之稱，具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比模量、耐化學(xué)腐蝕以及熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點(diǎn)。碳纖維密度為1.6～2.5 g·cm-3，約為鋼材的1/5；拉伸強(qiáng)度在2.2 GPa以上，約為鋼材的10倍；比強(qiáng)度為金屬的7倍以上；比模量為金屬的5倍以上[5]。采用碳纖維復(fù)合材料制作下側(cè)門，不僅可以提高其強(qiáng)度和剛度，而且可以減輕敞車整個車體質(zhì)量，可以減少動力損耗，提高效率，減少對環(huán)境的污染，還可以延長其使用壽命。

3 敞車下側(cè)門的靜力學(xué)分析

為考察下側(cè)門的靜態(tài)特性，對下側(cè)門進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核其強(qiáng)度及剛度。

下側(cè)門所受作用力由散裝貨物的側(cè)向壓力和離心力兩部分組成。忽略風(fēng)力產(chǎn)生的離心力影響，只考慮慣性離心力。按《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（TB/T 1335—1996）中兩種工況計(jì)算，第一工況和第二工況下側(cè)門所受側(cè)向分布壓力分別為4.94 kN和14.65 kN，離心力為4.86 kN和14.41 kN，合力大小分別為8.33 kN和17.84 kN。由于第二工況較為惡劣，對整車要求較高，選取第二工況進(jìn)行計(jì)算?？紤]安全系數(shù)為1.5，因此側(cè)向分布壓力取26.76 kN，轉(zhuǎn)化均布載荷約0.021 MPa。

簡化下側(cè)門組件模型，保留承載件折頁，刪除其他連接元件，構(gòu)建比較真實(shí)的三維模型。采用HyperMesh強(qiáng)大的前處理功能，對簡化后的模型抽取中面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用四邊形網(wǎng)格，大小設(shè)為10 mm，如圖5所示。材料采用Q450NQR1，力學(xué)參數(shù)如表1所示。賦予單元?dú)卧獙傩?，厚? mm。約束折頁上下兩端位移，并在面板施加0.021 MPa均布載荷。

表1 Q450NQR1的力學(xué)性能

圖5 敞車下側(cè)門有限元模型劃分網(wǎng)

采用Optistruct求解器進(jìn)行計(jì)算，得到下側(cè)門在第二工況下的應(yīng)力和變形云圖，如圖6所示。

圖6 下側(cè)門靜力分析云圖（單位：MPa）

由圖6可知，在均布載荷作用下，車門的最大應(yīng)力約為300 MPa，遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度450 MPa。最大變形發(fā)生在下側(cè)車門的中間位置，變形量約為4.5 mm，符合最大間隙不超過6 mm的要求。

在運(yùn)輸貨物過程中，由于受粉煤顆粒等側(cè)向擠壓，下側(cè)門中間位置易發(fā)生變形。在長期經(jīng)受加載卸載的反復(fù)作用下，該位置容易發(fā)生疲勞破壞。

4 碳纖維復(fù)合材料下側(cè)門的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決下側(cè)門變形過大的問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)門板結(jié)構(gòu)?？紤]下側(cè)門的腐蝕性問題，選取耐腐蝕的碳纖維單向板作為加工材料。根據(jù)復(fù)合材料加工工藝，選擇模壓成型方式。

4.1 門板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高剛度，在表面增加凹型槽，同時(shí)門板設(shè)計(jì)為均勻厚度8 mm，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

材料采用熱固性環(huán)氧樹脂玻璃纖維方格布預(yù)浸料，力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。根據(jù)復(fù)合材料預(yù)浸布性能，下側(cè)門采用0°、90°相互交替的鋪層方式，每層厚度0.5 mm，采用整體熱壓成型[6-7]。成型后下側(cè)門質(zhì)量為23 kg，減重比達(dá)58.9%。

表2 材料力學(xué)特性參數(shù)

4.2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)校核

采用Hypermesh對下側(cè)門進(jìn)行前處理，抽取中面進(jìn)行劃分網(wǎng)格。采用四邊形網(wǎng)格，大小為10 mm。按照表2設(shè)置材料力學(xué)參數(shù)，賦予門板結(jié)構(gòu)殼單元屬性，建立復(fù)合材料鋪層。每層厚度0.5 mm，共16層，采用0°、90°交替鋪設(shè)。層間采用黏接方式[8]。鋪層如圖8所示。

圖8 下側(cè)門鋪層

通過約束折頁上下兩端位移，對下側(cè)門施加均布載荷0.021 MPa進(jìn)行受力分析，得到變形與受力云圖，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的靜力分析圖（單位：MPa）

在均布載荷作用下，敞車下側(cè)門的最大變形為4.5 mm，發(fā)生在下側(cè)車門的中間位置。左右兩側(cè)門與門縫相連接位置最大變形量約為3.0 mm，總體變形小于6.0 mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。最大正應(yīng)力約為58 MPa。門板與折頁接觸及形狀突變處，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度343 MPa，且遠(yuǎn)低于原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值。優(yōu)化后剛度變化不大，但強(qiáng)度大大提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足使用要求。

5 結(jié)語

采用碳纖維復(fù)合材料代替原有金屬材料，優(yōu)化設(shè)計(jì)下側(cè)門結(jié)構(gòu)，不僅提高了其力學(xué)性能，而且達(dá)到了減重目的，滿足綠色環(huán)保的要求，同時(shí)可為敞車其他零部件的輕量化設(shè)計(jì)提供新思路。