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)，潛在市場需求廣闊.面對鐵路客貨分線運(yùn)輸?shù)男滦蝿?，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速120 km/h的快運(yùn)活動側(cè)墻棚車，并對其原理、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)的俄羅斯和其他國家生產(chǎn)的非自行貨車和客車.其他國家的鐵路車輛(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度(車輛定距大于16m)的貨車車體時也應(yīng)考慮斜對稱力，其在運(yùn)行于線路的曲線區(qū)段時可能產(chǎn)生對角旁承的受力接觸.

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，鋼地板可按四周簡支板計(jì)算當(dāng)木地板直接承載時其跨距不得大于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)行時垂向振動引起的垂直動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1 kN的力均布于車頂三個位置:位置1為兩個車頂彎梁之間的車頂板上(車體縱向);位置2為兩個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0.03 MN的力均布于地板上四個位置: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)，中間長縱向梁上的木地板;位置3為中間大橫梁兩側(cè)，前兩個長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)時不僅要保證側(cè)門門立柱位置有底架大橫梁，還應(yīng)在對應(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.國內(nèi)外棚車的發(fā)展及120km/h快運(yùn)活動側(cè)墻棚車研制［J］.鐵道車輛，2003，41(2):9-13.

［3］趙天軍.70t級新型通用棚車的設(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］中國人民共和國鐵道部.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:中國鐵道出版社，1996.