基于俄羅斯車輛計(jì)算與設(shè)計(jì)規(guī)范的棚車車體強(qiáng)度分析

張偉杰，謝素明，朱 森

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.包頭市北方創(chuàng)業(yè)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭014032)*

0 引言

棚車主要用于運(yùn)輸免受日曬、雨雪侵襲的成件貨物、零散貨物等包裝貨物，具有可運(yùn)輸貨物范圍廣、通用性強(qiáng)、利用率高、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，潛在市場(chǎng)需求廣闊.面對(duì)鐵路客貨分線運(yùn)輸?shù)男滦蝿?shì)，研制和開發(fā)適應(yīng)用戶需求的通用和專用棚車成為目前十分迫切的研究課題［1］.目前對(duì)棚車的研究主要集中在車體制造、增加載重、提高運(yùn)輸速度以及力學(xué)性能等方面.肖穎等運(yùn)用有限元仿真分析方法研究時(shí)速120 km/h的快運(yùn)活動(dòng)側(cè)墻棚車，并對(duì)其原理、研制過程、基本結(jié)構(gòu)及性能特定等進(jìn)行了詳細(xì)闡述［2］.趙天軍運(yùn)用有限元仿真分析方法研究載重70t的通用棚車，在車體靜強(qiáng)度、車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)及車輛動(dòng)力試驗(yàn)的方法［3］.

本文比較了俄羅斯的交通部1 520 mm軌距鐵路(非自行)車輛計(jì)算和設(shè)計(jì)規(guī)范［4］(以下簡(jiǎn)稱俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范)和TB/T 1335-1996標(biāo)準(zhǔn)［5］中棚車的計(jì)算載荷工況，并利用俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)某棚車車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

1 俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范與TB標(biāo)準(zhǔn)的比較

俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范適用于1 520 mm軌距鐵路網(wǎng)的俄羅斯和其他國(guó)家生產(chǎn)的非自行貨車和客車.其他國(guó)家的鐵路車輛(包括其他軌距，如1435 mm軌距的車輛)，如果它們被規(guī)定要運(yùn)用于交通部1520mm軌距鐵路，則應(yīng)符合該規(guī)范.TB/T 1335-1996適用于標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路上運(yùn)用的新設(shè)計(jì)的一般用途非動(dòng)力車輛及主要零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.客車構(gòu)造速度不大于200 km/h，貨車構(gòu)造速度不大于120km/h;列車牽引總重不大于6000 t，運(yùn)煤專線為10000 t及以上，軸重不大于25 t.

兩種標(biāo)準(zhǔn)的垂直靜載荷定義為自重與載重的之和，垂向動(dòng)載荷系數(shù)均在0.2以上;TB/T 1335-1996中第Ⅰ工況的縱向拉伸力為1 780 kN，壓縮力為1 920 kN.俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范中第Ⅲ工況中準(zhǔn)靜態(tài)力及沖擊力的拉伸和壓縮都為1.0 MN;TB/T 1335-1996中第Ⅱ工況的縱向壓縮力為2500 kN.俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范中第I工況中準(zhǔn)靜態(tài)縱向拉伸力為2.0MN，壓縮力為2.5 MN;沖擊拉伸力為 2.5 MN，壓縮力為3.0 MN.

兩種標(biāo)準(zhǔn)都考慮了慣性離心力、轉(zhuǎn)向架中心高、風(fēng)力等引起的側(cè)向力，且大小基本一致.

TB/T 1335-1996規(guī)定心盤支重式車體不考慮斜對(duì)稱載荷，但必須在第一工況中考慮40kN·m的扭轉(zhuǎn)載荷;俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范中則規(guī)定，在計(jì)算具有較大的車輛長(zhǎng)度(車輛定距大于16m)的貨車車體時(shí)也應(yīng)考慮斜對(duì)稱力，其在運(yùn)行于線路的曲線區(qū)段時(shí)可能產(chǎn)生對(duì)角旁承的受力接觸.

TB/T 1335-1996規(guī)定地板應(yīng)能滿足叉車裝卸作業(yè)的要求.前輪距為760 mm時(shí)載荷為40 kN(每20 kN)，作用在地板任何位置所產(chǎn)生的應(yīng)力不得大于第Ⅱ工況許用應(yīng)力.強(qiáng)度考核時(shí)，鋼地板可按四周簡(jiǎn)支板計(jì)算當(dāng)木地板直接承載時(shí)其跨距不得大于400 mm;俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，棚車地板任何部位應(yīng)能承受兩個(gè)相距1.0 m、數(shù)值為0.03 MN、作用面積為 0.15 m ×0.15 m 的集中力載荷.此外，俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范還規(guī)定，客車和貨車車頂任何部位應(yīng)能承受兩個(gè)1.0 kN、作用面積為0.25 m ×0.25 m、相距為0.5 m 的載荷.

TB/T 1335-1996中規(guī)定了對(duì)車體垂向彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的要求，而俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)剛度沒有要求.

2 棚車結(jié)構(gòu)及分析模型

棚車主體結(jié)構(gòu)是由車體、制動(dòng)裝置、車鉤緩沖裝置及轉(zhuǎn)向架組成.車體為全鋼焊接整體承載結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、端墻、車頂、車門、車窗等組成.

底架主要由中梁、下側(cè)梁、枕梁、端梁、大橫梁、小橫梁、縱向梁等組焊而成.中梁采用屈服強(qiáng)度為450 MPa的熱軋乙字型鋼;下側(cè)梁為冷彎槽型鋼;枕梁為雙腹板、單層上下蓋板組焊而成的變截面箱形結(jié)構(gòu);大橫梁為工字形組焊結(jié)構(gòu);在端梁與枕梁、枕梁與枕梁間設(shè)有的冷彎縱向槽型梁.在底架鋼結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)木地板，用螺栓緊固在側(cè)梁、縱向梁上.側(cè)墻為板柱式結(jié)構(gòu)，由側(cè)板、側(cè)柱、門柱、上側(cè)梁等組焊而成.端墻為板柱式結(jié)構(gòu)，由端板、端柱、角柱、上端梁等組焊而成.車頂采用圓弧形車頂結(jié)構(gòu)，由車頂板、車頂彎梁、車頂側(cè)梁、端彎梁、車頂端板等組焊而成.

棚車車體部件主要離散為四節(jié)點(diǎn)等參薄殼單元shell181(該單元考慮了結(jié)構(gòu)單元中間面上的平面剛度、彎曲剛度及曲率效應(yīng)，計(jì)算精度高)，采用剛性單元模擬車體部件之間的焊接關(guān)系.考慮到棚車車體底架與木地板之間傳力關(guān)系，將棚車木地板離散為實(shí)體單元solid185，并采用位移耦合來模擬車體底架中梁、枕梁、縱向梁、橫梁與木地板之間的傳力關(guān)系;采用beam188模擬螺栓連接關(guān)系.棚車車體有限元模型的單元總數(shù)為1532502，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1444314，如圖1所示.

圖1 棚車車體有限元分析模型

車體主結(jié)構(gòu)鋼材料的彈性模量為2.06×105MPa，鑄鋼的為1.72 ×105MPa，泊松比為 0.3，密度7 850 kg/m3.車內(nèi)木地板的材料為落葉松，其性能參數(shù)為:彈性模量順紋為16 272 MPa，徑向?yàn)? 103 MPa，弦向?yàn)?73 MPa;剪切模量順紋-弦面為676 MPa，順紋-徑面為1 172 MPa，水平面為66 MPa;泊松比弦徑向?yàn)?0.51，順徑向?yàn)?0.42，順弦向?yàn)?.68;材料密度為550 kg/m3.車體部件所用材料的許用應(yīng)力見表1.

表1 棚車車體部件所用材料的許用應(yīng)力 MPa

3 車體計(jì)算載荷工況

依據(jù)俄羅斯設(shè)計(jì)規(guī)范，棚車車體計(jì)算載荷包括:①車輛結(jié)構(gòu)自身和貨物的垂直靜載荷、考慮運(yùn)行時(shí)垂向振動(dòng)引起的垂直動(dòng)載荷以及車體縱向慣性力引起的垂向附加載荷;②車輛運(yùn)行時(shí)的車鉤縱向壓縮和拉伸載荷(靜態(tài)和沖擊);③車輛運(yùn)行時(shí)由慣性離心力引起的側(cè)向力以及車輛相互間作用引起的曲線橫向力;④車輛在裝卸作業(yè)和修理作業(yè)時(shí)的叉車載荷、頂車載荷以及車頂構(gòu)件載荷.

棚車車體的計(jì)算工況匯總見表2，表中力的單位為kN.棚車車體的貨物重量均布于木地板上;縱向載荷和曲線橫向力作用于兩端從板座處;離心力均布于一側(cè)側(cè)墻上.車頂工況的兩個(gè)1 kN的力均布于車頂三個(gè)位置:位置1為兩個(gè)車頂彎梁之間的車頂板上(車體縱向);位置2為兩個(gè)車頂彎梁之間的車頂板上(沿圓周方向);位置3為中間車頂彎梁兩側(cè)的車頂板上(車體縱向).叉車工況的兩個(gè)0.03 MN的力均布于地板上四個(gè)位置:位置1為中間大橫梁兩側(cè)，下側(cè)梁上的木地板;位置2為中間大橫梁兩側(cè)，中間長(zhǎng)縱向梁上的木地板;位置3為中間大橫梁兩側(cè)，前兩個(gè)長(zhǎng)縱向梁中間的木地板;作用位置4為中梁兩側(cè)，中間大橫梁與小橫梁之間的木地板.

表2 棚車車體計(jì)算工況匯總 kN

4 車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

基于車體初始方案的有限元分析結(jié)果，對(duì)棚車車體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)(參見圖2)及數(shù)次仿真分析，最終確定了棚車車體結(jié)構(gòu).改進(jìn)后棚車車體靜強(qiáng)度分析的部分結(jié)果如圖3所示.

圖2 車體底架結(jié)構(gòu)改進(jìn)部位示意圖

圖3 棚車車體靜強(qiáng)度分析部分結(jié)果

結(jié)合圖2和圖3可以看出:棚車車體側(cè)門附近的底架是車體強(qiáng)度的薄弱部位，車體設(shè)計(jì)時(shí)不僅要保證側(cè)門門立柱位置有底架大橫梁，還應(yīng)在對(duì)應(yīng)側(cè)門中部位置鋪設(shè)大橫梁.此外，也應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注底架中梁與大橫梁的聯(lián)接部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

5 結(jié)論

在總結(jié)出的基于俄羅斯規(guī)范的棚車車體強(qiáng)度分析的五類計(jì)算載荷工況的作用下，對(duì)某棚車車體進(jìn)行靜強(qiáng)度分析.結(jié)果表明:棚車車體側(cè)門附近的底架是車體強(qiáng)度的薄弱部位，即車體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注側(cè)門附近的底架大橫梁的位置、數(shù)量及與中梁的聯(lián)接結(jié)構(gòu).

［1］張超德，潘樹平，傅茂海，等.我國(guó)鐵路棚車的現(xiàn)狀與發(fā)展探討［J］.鐵道車輛，2001，30(4):15-17.

［2］肖穎，肖乾佑，李芾，等.國(guó)內(nèi)外棚車的發(fā)展及120km/h快運(yùn)活動(dòng)側(cè)墻棚車研制［J］.鐵道車輛，2003，41(2):9-13.

［3］趙天軍.70t級(jí)新型通用棚車的設(shè)計(jì)研究［D］.大連:大連交通大學(xué)，2006.

［4］俄羅斯交通部.1520mm軌距鐵路(非自行)車輛計(jì)算和設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.俄羅斯:［s.n.］，1996.

［5］中國(guó)人民共和國(guó)鐵道部.TB/T 1335-1996.鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1996.