一種便于靈活布局的車體底架設(shè)計及結(jié)構(gòu)分析

（北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司，北京 100072）

邊坡清篩機(jī)用于線路兩側(cè)道床邊坡的清篩作業(yè)，通過對邊坡道碴的挖掘、清篩、回填和整形，改善道床的排水性能，維護(hù)路基的承載能力[1]。邊坡清篩機(jī)整機(jī)由裝載車和篩分車兩節(jié)連掛組成，裝載車在前，篩分車在后。

SBC-HP/BS1200型邊坡清篩機(jī)是中國北車股份北京二七軌道交通裝備公司（簡稱“二七公司”）與美國LORAM公司合作，進(jìn)行技術(shù)引進(jìn)與國產(chǎn)化的項目。該車用于軌枕兩側(cè)的道床邊坡道碴層的篩分，能夠一次性完成道床邊坡道碴的挖掘、輸送、篩分、回填、整形等過程，以改善道床邊坡的彈性、排水性能，從而恢復(fù)承載能力。整車全長45米，由裝載車和篩分車2節(jié)車組成。全車分動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣及制動系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、車體鋼結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架等構(gòu)造系統(tǒng)，同時配置挖掘斗輪、松碴裝置、回填裝置、篩分裝置、整形裝置、清掃裝置等特殊的工作裝置。圖1為作業(yè)車在接受運(yùn)用考核。

邊坡清篩機(jī)是針對于軌枕兩側(cè)的道床進(jìn)行作業(yè)，所以其作業(yè)裝置如挖掘斗輪、松碴裝置、回填裝置、整形裝置都需布置在車架兩側(cè)，由于其中一些作業(yè)裝置體積較大，這就要求車架在保證足夠強(qiáng)度的同時，車架左右兩側(cè)有足夠的空間來布置這些作業(yè)裝置。同時車架上要安裝機(jī)器間、司機(jī)室等裝置，這也要求車架在橫向?qū)挾确较蛏嫌凶銐虻目臻g和支撐。這就決定了邊坡車以一根主梁為主貫穿車架前后，在特定位置通過在主梁兩車對稱增加副梁的方法，實(shí)現(xiàn)了車架橫向與縱向的承載與空間要求。

這種以一根主梁為主貫穿車架前后的車架結(jié)構(gòu)簡單，尤其是在總體布局時，可以比較靈活地按照布局需求在主梁兩側(cè)增加小副梁或者只是簡單的支架就能滿足要求。本文從該車的總體布局及性能參數(shù)等需求出發(fā)，以設(shè)計理念及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為著眼點(diǎn)，對該車的車架、兩車連接、作業(yè)裝置支架等進(jìn)行介紹和分析，并總結(jié)了設(shè)計和制造過程中的相關(guān)經(jīng)驗，以供設(shè)計和技術(shù)人員進(jìn)行參考。

1 總體布局及性能參數(shù)

邊坡清篩機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，作業(yè)流程如圖2所示，根據(jù)其作業(yè)流程需要，邊坡車有裝載車和篩分車兩節(jié)連掛組成，裝載車在前，篩分車在后。裝載車的總體布局見圖3所示，裝載車集中布置了邊坡清篩機(jī)主要動力裝置，擔(dān)負(fù)驅(qū)動整機(jī)走行的任務(wù)。主要的作業(yè)裝置之一——挖掘輪也布置在裝載車上。篩分車的總體布局見圖4所示，篩分車集中了邊坡清篩機(jī)上大部分作業(yè)裝置，通過兩車連接裝置與裝載車掛接在一起，由裝載車帶動走行。

表1車輛主要技術(shù)參數(shù)

圖2邊坡清篩機(jī)作業(yè)過程

圖3裝載車總體布局圖

圖4篩分車總體布局

2 車體底架特點(diǎn)分析

邊坡清篩機(jī)車架部分包含裝載車車架和篩分車車架兩部分，這兩部分的車架對于整個清篩機(jī)起著至關(guān)重要的支撐作用和牽引力的傳遞作用，整個清篩機(jī)的所有工作裝置、輸送帶、柴油機(jī)等都需要車架來承載，同時在工作時，邊坡車的作業(yè)裝置如挖掘斗輪、松碴裝置、整形裝置等會對車架產(chǎn)生附加力與附加力矩，可以說一臺清篩機(jī)的承載能力完全取決于車架部分的組裝水平和焊接水平。

2.1 裝載車車體底架

裝載車車體底架由鋼制部件及鋼板制成，其縱向（車行駛的方向）承壓能力不小于1 250 kN，縱向承拉能力不小于980 kN，主體由主梁、枕梁、加強(qiáng)梁、主滑動座套、松渣裝置支架五部分組成，如圖5所示。

圖5裝載車車體底架

裝載車重量（含兩個動力轉(zhuǎn)向架）為88 t，最大軸重22 t.由于工作裝置布局與工作空間需求，整個裝載車主要由一根貫穿于車架前后的主梁承載。所以說主梁是整個車架的主體承載和傳力部件。主梁長度為20 465 mm，最寬位置為711 mm，主要由三個蓋板（厚度為 25 mm）、六個立板（厚度為20 mm）及底板（厚度為25 mm），筋板四部分厚板組成的箱型梁[2]。此梁的特點(diǎn)之一就是主體材料板厚較大，在我國通常的車架主梁一般厚度在15 mm~20 mm左右，正是由于大大厚度的鋼板保證了主梁的大的承載界面。主梁的另一個顯著特點(diǎn)為魚腹結(jié)構(gòu),如圖5所示，魚腹設(shè)計在在主梁的中部位置。因為裝載車單位面積承重最大的位置為挖掘斗輪的安裝位置，挖掘輪的總重為21 t，挖掘輪在工作的時候，斗輪的挖掘與提升過程會對整個主梁產(chǎn)生一個扭矩，在挖掘輪的安裝位置（即主滑動座套位置）設(shè)計為魚腹結(jié)構(gòu)，同時在主梁內(nèi)部布置三個加強(qiáng)板，來保證其足夠的強(qiáng)度和剛度。裝載車的重量為88 t，僅僅由一根簡易的、貫穿于車架首尾的主梁承載，對主梁的考驗是相當(dāng)大的，正是由于此主梁的厚板材料和魚腹結(jié)構(gòu)滿足了整個車體底架的強(qiáng)度和剛度的要求。圖6為垂直載荷時車架有限元分析，從圖中可以看到魚腹結(jié)構(gòu)有效的承擔(dān)垂直載荷，為整個車體底架的垂向剛度做出了重大貢獻(xiàn)。從圖7中可以看出主梁有效地傳遞在列車牽引運(yùn)行中所產(chǎn)生的車鉤縱向力。

裝載車架主梁的前端裝有邊坡清篩機(jī)的主要動力裝置，如主發(fā)動、泵組成等，尾端裝有1號裝載輸送帶，因此在主梁前端與尾端左右兩側(cè)設(shè)有簡易的加強(qiáng)梁框結(jié)構(gòu)，以此作為機(jī)組安裝平臺和工作平臺。車鉤緩沖裝置都安裝在主梁內(nèi)部，無牽引梁。

圖6垂向載荷篩分車車架應(yīng)力分布

圖7拉伸工況下的車體底架應(yīng)力分布

2.2 篩分車車體底架

篩分車重量（含兩個從動轉(zhuǎn)向架）：72 t，最大軸重為18 t。篩分車車體底架主體由主梁、枕梁、加強(qiáng)梁、尾部橫梁和輸送帶支架組成，如圖8所示。

圖8篩分車車體底架

篩分車的主梁長2 345 mm，最寬位置為558 mm。此主梁與裝載車主梁結(jié)構(gòu)相似，主要的區(qū)別是篩分車魚腹結(jié)構(gòu)的面積較大，這正滿足了篩分車的功能與總體布局。在篩分車的魚腹位置兩側(cè)裝有回填裝置和整形裝置，魚腹結(jié)構(gòu)的上部承載著振動篩、輸送帶的縱向載荷。圖9為垂直載荷時車架有限元分析，從圖中可以看到魚腹結(jié)構(gòu)有效的承擔(dān)垂直載荷，為整個車體底架的垂向剛度做出了重大貢獻(xiàn)。圖10為拉伸工況下車體底架應(yīng)力分布，從圖中可以看出主梁有效的傳遞在列車牽引運(yùn)行中所產(chǎn)生的車鉤縱向力。

圖9垂向載荷篩分車車架應(yīng)力分布

圖10拉伸工況下的車體底架應(yīng)力分布

2.3 車體底架的特點(diǎn)

（1）車架鋼結(jié)構(gòu)為主梁承載，一根主梁貫穿于車架的前后屬于平板結(jié)構(gòu)，單根的主梁結(jié)構(gòu)很好地傳遞了縱向力的走向。主梁為厚板組成的帶魚腹的箱型梁；

（2）主梁是邊坡車五大作業(yè)裝置和輸送帶的全部承載體，魚腹結(jié)構(gòu)效地有承擔(dān)了整車的垂直載荷；

（3）車架前后兩端采用型鋼組成加強(qiáng)梁框作為機(jī)組安裝平臺及工作平臺，平臺上部布置防滑走板；

（4）車架前部和尾部采用100型車鉤與牽引車連接，裝載車后端采用緩沖裝置和牽引桿與篩分車架連接。

3 兩車連接裝置特點(diǎn)分析

邊坡清篩機(jī)由于裝載車和篩分車在工作時是同步的，裝載車主要功能為挖掘，并將挖掘出的石碴運(yùn)送到篩分車的篩分裝置上，其中負(fù)責(zé)運(yùn)輸石碴的1號輸送帶橫跨裝載車和篩分車連接處，這就要求要保證兩車的連續(xù)性與同步性。牽引桿連接裝置很好地滿足了邊坡車對此的需求。邊坡清篩機(jī)兩車連接裝置，主要由牽引桿、沖擊座、鉤尾框、鉤尾銷、緩沖器、從板組成。車鉤鉤體尾部，通過鉤尾銷，與鉤尾框相連如圖11所示。

圖11 原型車兩車連接裝置

此兩車連接裝置的主要特點(diǎn)為：（1）使用牽引桿代替車鉤的連接方式改善了兩車的動力學(xué)性能，降低了零部件采購和定期檢查的工作量[3]，降低了兩車連接的自重（兩個車鉤共重404 kg，牽引桿重223 kg）。（2）牽引桿的尾端為球面結(jié)構(gòu)，從板與牽引桿的接觸面為球面，與機(jī)車常用的圓面結(jié)構(gòu)相比，增加了牽引桿的自由度。（3）由于邊坡車的軸重較大，緩沖裝置減少了兩車之間的縱向沖擊。（4）此連接裝置直接裝入兩車架的主梁內(nèi)，使得牽引力的方向直接由主梁、牽引桿、再到主梁，很大程度地提高了牽引力的傳遞效率。

4 結(jié)束語

本文以邊坡清篩機(jī)為實(shí)例，從總體方案布局需求出發(fā)，詳細(xì)介紹了一種簡易、便于靈活布局的車架設(shè)計理念及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造工藝等進(jìn)行了分析總結(jié)。

其優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）車架橫向體積小，因此在軌道有限的區(qū)域內(nèi)有較大的布局空間，方便于車體整體的布局。同時根據(jù)布局的需求可以依附于主梁兩側(cè)設(shè)計作業(yè)平臺，并且根據(jù)載荷的需求設(shè)計魚腹結(jié)構(gòu)。所以此車體底架的設(shè)計理念可以被多種車型所借鑒，尤其適用于需在車架兩端安裝工作裝置的車型，如清篩機(jī)、整型車等養(yǎng)路機(jī)械。

（2）首尾貫穿一根成單一直線的主梁，力的傳遞方向明確直接，有效的傳遞了車的縱向牽引力，魚腹結(jié)構(gòu)有效地承擔(dān)了整車的垂直載荷；

（3）結(jié)構(gòu)簡單，利于生產(chǎn)可以很大程度上降低生產(chǎn)成本。

（4）帶有鉤緩裝置的牽引桿兩車連接裝置，既保證了兩車的連續(xù)性與同步性，又減少了兩車之間的縱向沖擊。

[1]田繼新，李少華，王少華.BSC型邊坡清篩車設(shè)計[J].哈爾濱鐵道科技，1999，(3):16-17.

[2]劉 娜，孫保林，劉 宇.淺談SBC-HP3型邊坡清篩機(jī)裝載車車架結(jié)構(gòu)及組裝工藝[J].裝備制造技術(shù)，2014，(1):54-55.

[3]孟慶民，等.牽引桿技術(shù)在大秦鐵路重載貨車上的應(yīng)用[J].鐵路機(jī)車車輛，2008，(28)：91-94.