緬甸米軌客車車體設(shè)計

郝曉明,安 赟,王 強（南車四方車輛有限公司,山東 青島266111）

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緬甸米軌客車車體設(shè)計

郝曉明,安 赟,王 強
（南車四方車輛有限公司,山東 青島266111）

摘 要：主要闡述緬甸米軌客車車體的結(jié)構(gòu)特點和各主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對車體的靜強度及模態(tài)進行了分析計算、試驗，檢驗和驗證了設(shè)計車體結(jié)構(gòu)的強度水平。

關(guān)鍵詞：米軌客車；車體；結(jié)構(gòu)；強度；有限元；試驗

1 引言

緬甸客車屬適用于米軌的客運車輛，運行環(huán)境濕熱，路況條件較差。通過考慮使用條件，分析車輛載荷，合理分布材料，規(guī)劃各部結(jié)構(gòu)，設(shè)計滿足客戶要求的車體。

2 車體結(jié)構(gòu)概述

2.1 緬甸國內(nèi)現(xiàn)用客車狀況

緬甸國內(nèi)現(xiàn)用客車普遍由國外進口，且國別不一，差異較大。對于現(xiàn)有車輛，其弊陋主要集中在以下2個方面：

（1）技術(shù)落后，底架仍采用中梁結(jié)構(gòu)，笨重；

（2）端部結(jié)構(gòu)粗糙，車輛連掛不緊密，舒適性差。

根據(jù)緬方合同的技術(shù)要求，結(jié)合對國內(nèi)25型鐵路客車成熟技術(shù)的借鑒，設(shè)計車體。

2.2 車體結(jié)構(gòu)特點

車體為全鋼焊接、整體承載、薄壁筒形碳鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計壽命為30年。車體兩側(cè)盡可能地平滑流暢，避免設(shè)置突出的安裝件。

車體采用無中梁底架結(jié)構(gòu)，其中，底架采取強化設(shè)計，以提高強度。此外，按客戶要求采用AAR H型車鉤，但采取一定改型，減小空間占用。采用橡膠風擋，并增加緩沖裝置，提高車輛運行舒適性。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

車體主要技術(shù)參數(shù)（見表1）。

2.4 材料選用原則

鑒于緬甸環(huán)境濕熱，車體所用材料以耐候鋼Q295GNH (厚度3-6mm)/Q310GNH(厚度≤3mm)為主，部分使用普通碳鋼Q235B，重要受力部位型材及板材均采用高耐候結(jié)構(gòu)鋼Q345B，局部易腐蝕部位采用不銹鋼。

2.5 強度準則

根據(jù)客戶要求，車體需承受車鉤中心線方向不低于120t的縱向壓縮載荷，且不產(chǎn)生永久變形。經(jīng)分析相關(guān)標準，計算、試驗載荷及工況按照TB1335執(zhí)行。

表1

3 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體

緬甸客車車體采用整體承載，斷面為薄壁筒形結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)見圖1。

車體主要由端墻、車頂、底架、側(cè)墻、車鉤及緩沖裝置、風擋等組成。車廂兩端設(shè)通過臺，向內(nèi)經(jīng)盥洗室/廁所間，至中部客室。

一、四位角端部設(shè)蹬車頂扶梯、腳蹬，四角門及端門設(shè)計不銹鋼扶手，四角門設(shè)計直立腳蹬。

3.2 端墻結(jié)構(gòu)

外端墻鋼結(jié)構(gòu)由骨架、墻板、風擋立柱、端腳柱、扶梯、渡板等組成；骨架橫梁立柱均采用薄板軋制C型梁，骨架下部設(shè)計貫穿邊梁，見圖2。

3.3 車頂結(jié)構(gòu)

車頂主要由骨架、頂板、水箱平頂和各種吊卡構(gòu)成，車頂兩端設(shè)水箱平頂，平頂板為不銹鋼；中部均布五組通風帽。骨架彎梁采用薄板軋制帽型梁，穩(wěn)定性好；縱梁采用軋制L型梁。

3.4 底架結(jié)構(gòu)

底架結(jié)構(gòu)直接承受乘客、車下設(shè)備等垂向載荷，車輛制動、牽引等縱向載荷；是主要的承載部件；主要由牽枕緩組成、地板、邊梁、橫梁以及設(shè)備安裝座等組成，見圖3。

一是盡快擴大中央小型農(nóng)田水利工程建設(shè)專項資金規(guī)模，建議2012年小型農(nóng)田水利補助資金規(guī)模增加到300億元；二是將小型農(nóng)田水利設(shè)施改革試點全面推開，將中西部地區(qū)及糧食主產(chǎn)區(qū)補助比例提高到70%；三是允許在補助資金中提取適當比例用于農(nóng)村水利組織改革、農(nóng)民用水戶協(xié)會的組建、開辦等工作經(jīng)費；四是引導農(nóng)民抵押土地流轉(zhuǎn)權(quán)借入信貸資金投入農(nóng)村水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；五是引導社會資本參與農(nóng)村飲水安全工程和農(nóng)村小水電項目建設(shè)，創(chuàng)新公私合作制、股份制或合伙制等多種形式；六是在小水能資源豐富的地區(qū)，鼓勵由鄉(xiāng)政府用集體資產(chǎn)提供無償擔保幫助農(nóng)戶貸款興辦農(nóng)村小水電。

為保證室內(nèi)高度，波紋地板采用沉降式安裝，見圖3右圖；其次，為保證車輛連掛端間距，底架兩端相對上部結(jié)構(gòu)各收縮100mm。

以上對底架強度產(chǎn)生較大影響，為此，對底架采取強化設(shè)計。首先，牽枕緩、邊梁均采用Q345B高強度結(jié)構(gòu)鋼，板材厚度為8mm～12mm；其次，增加局部補強，見圖3左，包括牽引梁“刀把”應(yīng)力危險區(qū)、枕梁與邊梁連接的前后端增加長大補強板、邊梁局部增加封口立板。

基于提高耐腐蝕性能而采用的不銹鋼制波紋地板，其屈服強度不低于345MPa。

3.5 側(cè)墻結(jié)構(gòu)

側(cè)墻結(jié)構(gòu)由墻板、骨架、上邊梁、焊件、隔熱材等組成；骨架橫梁、立柱采以乙型梁為主。其中，客室為雙層活動窗，窗間設(shè)窗框，窗間立柱及橫梁均采用小高度截面。

3.6 車鉤及緩沖裝置

采用AAR-H型車鉤，與轉(zhuǎn)向體、緩沖裝置、托梁裝置配套使用，具有連掛間隙小、綜合性能優(yōu)良等特點，能良好滿足客車運行需要，見圖4。

單車時由托梁裝置托舉車鉤，連掛運行時，鉤緩裝置的橫向搖擺及垂向俯仰由轉(zhuǎn)向體實現(xiàn)。

為適應(yīng)米軌客車使用需要，對緩沖裝置進行一定的調(diào)整，壓縮前后從板間距至345mm；車鉤保留鉤頭結(jié)構(gòu)，但采用短鉤身設(shè)計。

H型車鉤的靜拉破壞強度(kN) 2660

連掛間隙（mm）2.8±1

緩沖裝置阻抗力（kN）1200

行程（mm）55

車鉤水平轉(zhuǎn)角20o

車鉤垂向轉(zhuǎn)角6o

托梁鞍行程（mm）70

3.7 橡膠風擋

采用橡膠風擋，由一個橫膠囊和兩個立囊組成，并用螺栓連接至車端結(jié)構(gòu)。立膠囊的內(nèi)側(cè)設(shè)有擋手條，橫膠囊設(shè)導雨條、防曬板。車廂連掛時，膠囊被壓成橢圓形狀，起到密封作用。

橡膠風擋結(jié)構(gòu)簡單，路況適應(yīng)性強，特別適合緬甸現(xiàn)有鐵路狀態(tài)。

4 車體強度計算

車體基本結(jié)構(gòu)確定后，通過計算檢驗其強度。

4.1 有限元模型

利用Catia軟件建立車體3D模型，并采用Ansys對其進行有限元分析。

為了計算的準確性，車體有限元模型的構(gòu)成以任意四節(jié)點薄殼單元為主，三節(jié)點薄殼單元為輔。車體結(jié)構(gòu)的有限元模型單元總數(shù)為1382673，節(jié)點總數(shù)為893625。車體有限元模型見圖5。

4.2 強度、模態(tài)評價標準

車體所用材料及性能參數(shù)（見表2）。

表2

強度原則：在所有計算工況，車體各部件的最大Von- Mises應(yīng)力均不得大于該部件所用材料的屈服強度。

模態(tài)分析要求車體振動頻率偏離其他附屬設(shè)備自振頻率，防止產(chǎn)生共振。

4.3 計算工況

根據(jù)TB/T1335，客車靜強度計算工況分為：垂向載荷工況；縱向載荷工況；頂車工況及設(shè)備沖擊工況。

4.4 結(jié)果分析

通過計算，得出各工況應(yīng)力、位移云圖，其中，縱向壓縮工況應(yīng)力云圖見圖6。

各工況計算結(jié)果見下表（表3）。

表3

計算結(jié)果表明，車體最大應(yīng)力均不超過對應(yīng)材料屈服強度，滿足靜強度要求。

此外，分別從空車、整備、超員三種工況分析車體模態(tài)，空車模態(tài)振型見圖7：

經(jīng)分析，車體在不同狀態(tài)下的模態(tài)頻率值與同類車輛吻合，振型合理。

5 車體靜強度試驗

首輛車體制造完成后，對其做靜強度試驗，進一步檢驗車體強度。

5.1 測點布置

根據(jù)靜強度計算結(jié)果布置檢測點，牽枕緩測點布置見圖8：

5.2 試驗工況

試驗分為垂向加載、縱向加載、扭轉(zhuǎn)試驗、頂車試驗，各項試驗分別進行3次，結(jié)果取平均值。

5.3 結(jié)果分析

實驗結(jié)果見表4。

試驗結(jié)果表明，該車的強度和剛度與計算結(jié)果基本一致，滿足客戶要求。

6 結(jié)論

緬甸客車是應(yīng)緬方要求而設(shè)計的適用于米軌的客運車輛，車體材料選用考慮了緬甸當?shù)丨h(huán)境濕熱的特點，并對局部結(jié)構(gòu)進行了強化設(shè)計。采用Catia三維建模與Ansys有限元分析相結(jié)合，首車實驗驗證的方法，設(shè)計了具備良好強度、剛度的車體，滿足了客戶需求；同時，該產(chǎn)品也為米軌客車設(shè)計提供了一款可借鑒平臺。目前，該車首批次已順利交付客戶，并將很快投入使用。

參考文獻：

[1]大連交通大學. 緬甸客車車體靜強度、剛度和模態(tài)分析報告[R].2015.

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[4]青島四方車輛研究所有限公司.緬甸客車車體靜強度試驗報告[R].2015.

表4　試驗結(jié)果應(yīng)力及合成應(yīng)力單位：MPa

作者簡介：郝曉明（1982-），男，山東煙臺人，研究生，工程師，研究方向：機客車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.185