自滾輪裝卸凹底平車承載結構設計及強度分析

張建武，萬 濤，王艷霞，許秀峰，郭 娜

(中車石家莊車輛有限公司 技術中心,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客戶需求研發的新一代凹底平車。該車采用整體凹底式承載結構，適用于在1 435 mm標準軌距線路上運行，主要用于各種大型設備、輪式裝備、履帶機械等特種貨物的鐵路運輸，該車載重達到72 t，可以滿足所運貨物自端站臺裝卸的要求，同時在車輛兩端設有能開閉的加強型端板，在需要時可以作為渡橋使用。該車具有承載面長度長、載重大等優點，能夠滿足長大貨物運輸的平穩性、安全性和經濟性等要求。

1 自滾輪裝卸凹底平車主要結構及主要技術參數

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

1.轉向架；2.凹底架組成；3.捆綁加固裝置；4.制動裝置及附屬件；5.車鉤緩沖裝置。圖1 自滾輪裝卸凹底平車結構

凹底架框格結構由縱向腹板、魚腹形橫向腹板及隔板組焊而成,框格結構與地板、魚腹形橫斷面下蓋板組合成箱形結構,在外縱向腹板和端梁上布置有加強型繩栓；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構；采用直徑為358 mm的鍛鋼上心盤及C級鋼的前后從板座，前后從板座上加裝螺釘連接的鋼制磨耗板；地板上長方口處設有口蓋，內部可以裝載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參數見表1。

表1 自滾輪裝卸凹底平車主要技術參數

2 承載結構技術特點

(1) 底架承載面長度為12 300 mm，承載面距軌面高度為675 mm，底架最低點距軌面高度為204 mm，承載結構的綜合技術性能優于國內同類主型凹底平車。

(2) 車體采用無中梁整體凹底框架結構，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腹結構，結構強度好，中部集載明顯提高。

(3) 車體承載部位采用T形結構，充分利用了車輛下部限界，同時承載面高度更低，降低了貨物裝載運輸的超限等級。

(4) 采用新型可移動式輕量化鑄鋁止輪擋，輕便可調，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，提高了輪式裝備運輸及裝卸的安全性。

3 承載結構設計難點及其設計

3.1 承載面高度和長度

特種裝備貨物的不解體運輸能最大限度地減少對其性能的損害，根據超長、超重、超限裝備的不解體運輸需求，確定該車采用無中梁整體凹底式承載結構。車輛受上部限界限制和所運貨物限制，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輸需求情況下如何保證承載面長度和高度是承載結構的設計難點。

針對上述設計難點，利用有限元計算工具對車輛結構強度進行分析計算，對承載結構進行重點設計。由于限界的結構特點，車體承載部位采用T形結構(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，底架最低點距軌面高度確定為204 mm，解決了特殊貨物裝載運輸時的超限問題。承載面長度確定為12 300 mm，與載重60 t凹底平車相比，承載面長度增加了300 mm，是目前滿足自滾輪裝卸要求的承載面長度最長的凹底平車，解決了特種裝備的不解體運輸難題。

圖2 承載部位采用T形結構

3.2 儲物空間

為滿足所運貨物自滾輪裝卸的要求，該車需設置隨車捆綁加固配件的存儲空間，在保證車輛強度和剛度的同時降低車輛自重，是車輛設計的難點和核心技術。

利用框格結構中空的特點，設置2個2.3 m×1.58 m×0.43 m的立方體存儲空間，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構要滿足車輛的集載工況要求，是承載結構的設計難點。

該車牽引梁由上下蓋板和腹板組成箱形結構，與車體中部的框格結構組焊成一個整體承載結構，保證了車輛承載要求。車體框格結構與地板、魚腹形橫斷面的下蓋板組合成箱形變截面結構，經分析計算，該整體焊接結構強度和剛度性能優異，自重較輕。地板面設置有角度為14°的緩坡，便于自滾輪裝備自行上下。

3.4 捆綁加固方式

針對特種裝備的運輸，需設計安全、簡單、方便的捆綁加固方式，這也是承載結構的設計難點之一。設計時，車輛捆綁加固裝置采用新型鑄鋁止輪擋，結構輕巧，安全可靠，配合車體周圍布置的飛翼型繩栓，既能增加結構強度，又能滿足特種裝備的捆綁加固要求。

4 有限元分析

依據TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體 第2部分：貨車車體》要求 ，采用ANSYS有限元軟件對車體承載結構的強度、剛度和疲勞強度進行有限元分析計算[1]。靜強度分析的載荷條件和評估方法依據TB/T 3550.2—2019和鐵科技[2012]154號文《大軸重鐵路貨車總體技術條件(暫行)》的要求進行。

4.1 靜強度計算

表2為靜強度工況應力計算結果，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，輪式裝載時載荷主要分布于承載面兩側系留槽之間600 mm寬度范圍內。

表2 靜強度工況應力計算結果 MPa

由計算結果可以看出，車體承載結構在各靜強度工況下的最大應力均小于對應工況下的材料許用應力，表明該車承載結構強度滿足設計要求。圖3～圖7為72 t均載情況下工況1應力云圖。

圖3 垂向總載+側向力+扭轉+拉伸工況應力云圖

4.2 剛度計算

根據設計任務書的要求，該凹底平車屬于底架承載車體，車體撓跨比應小于或等于1/300。分別對72 t均載和72 t輪載情況下的車體下邊梁撓度進行計算，計算結果顯示,均載時撓度為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+側向力+扭轉+壓縮工況應力云圖

4.3 疲勞壽命分析

參照AAR M 1001：2015《貨車設計制造規范》的載荷條件和疲勞壽命評估方法，采用ANSYS有限元分析軟件對車體結構進行疲勞壽命分析，分析結果顯示，車體底架下蓋板與其加強板間搭接接頭處的疲勞壽命最短，為453萬km，但依然大于30年300萬km的設計要求，表明該車車體疲勞壽命滿足設計要求。車體結構疲勞壽命分析結果見表3。

表3 車體結構疲勞壽命分析結果 萬km

圖5 垂向靜載+縱向壓縮(兩端壓縮)工況應力云圖

圖6 垂向靜載+縱向壓縮(單側沖擊)工況應力云圖

圖7 頂車工況應力云圖

4.4 模態分析

對車體垂向彎曲、車體橫向彎曲、車體側滾、車體扭轉等工況進行模擬分析[2]，以了解該車體固有頻率和相應振型，分析結果(表4)滿足相關要求。

表4 車體模態分析結果 Hz

5 結束語

自滾輪裝卸凹底平車由于其裝卸貨物的便捷性和運輸的安全性，已成為輪式、履帶式特種裝備貨物實施鐵路運輸的主力車型之一。中車石家莊車輛有限公司按照優化后的承載結構制定了整車的技術方案，關鍵技術性能和主要裝貨指標均能夠滿足客戶的實際運輸需求，且能與所運貨物有更好的匹配性。