KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手改造方案

史洪斌 劉文勝 李旭英 李 鵬 吳勝財

(中車太原機車車輛有限公司 山西 太原 030009)

KZ70型石砟漏斗車為中車太原機車車輛有限公司于2005年研制的載重70 t石砟漏斗車，操縱室側(cè)門扶手采用圖號為KT207-200-91的B型客車通用件側(cè)門扶手，扶手套管材質(zhì)為Q235A普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(以下簡稱“普碳鋼”)，套管外包塑了塑料管。由于石砟漏斗車運用工況惡劣，塑料管在長期使用后容易老化破裂。KZ70型石砟漏斗車自2013年開始陸續(xù)進行廠修，經(jīng)入廠檢查，操縱室側(cè)門扶手包塑塑料管普遍存在因老化或磕碰導(dǎo)致的破裂，且破裂處的鋼管產(chǎn)生了一定腐蝕，故目前在廠修時側(cè)門扶手解體后全部更換為新品。為提高KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手耐腐蝕性能，保證車輛運行安全，消除作業(yè)人員人身傷害隱患，中車太原機車車輛有限公司于2021年4月提出了操縱室側(cè)門扶手改造方案，且該改造方案通過了國鐵集團貨車事業(yè)部組織的方案評審。

1 既有石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手結(jié)構(gòu)型式

1.1 K13系列石砟漏斗車側(cè)門扶手結(jié)構(gòu)

K13、K13T、K13K、K13N、K13NT、K13AK、K13NK等K13系列車型的操縱室兩側(cè)側(cè)門扶手均采用?16 mm圓鋼制成的鍛件結(jié)構(gòu)，在其兩端鍛扁處配鉆?17 mm孔，采用鉚釘將其與側(cè)門框兩側(cè)熱鉚緊固。

1.2 KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手結(jié)構(gòu)

KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手由扶手座、扶手桿和緊固螺釘?shù)冉M成，扶手座為鑄件，扶手桿由套管及端頭組成，套管采用材質(zhì)為Q235A的DN15鋼管制成，端頭采用材質(zhì)為Q235A、直徑為24 mm的圓鋼機加工而成，套裝在套管一端，安裝時通過螺栓、螺母將扶手座緊固在門框兩側(cè)，為確保安全，安裝后將螺栓和螺母點固焊。解決扶手夏天燙手、冬天凍手的問題，在扶手套管外包塑塑料管。

入廠檢修時發(fā)現(xiàn)既有KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門兩側(cè)扶手包塑的塑料管存在裂紋破損和扶手套管腐蝕等問題(見圖1)。

圖1 側(cè)門扶手裂紋破損和腐蝕

2 側(cè)門扶手折損風險分析

既有KZ70型石砟漏斗車操縱室扶手桿為流體輸送用普碳鋼焊接鋼管，規(guī)格為21.3 mm(外徑)×2.9 mm(壁厚)，外覆聚乙烯塑料(PE)或掛膠(硬質(zhì)橡膠)，運用中發(fā)現(xiàn)因覆塑或掛膠質(zhì)量不良導(dǎo)致扶手套管腐蝕等問題，分析原因為：KZ70型石砟漏斗車在長期使用后，扶手桿套管外包塑的塑料管產(chǎn)生老化、裂紋及破損等問題，如果包塑塑料管與鋼管的結(jié)合不緊密，會使雨水進入塑料管內(nèi)部對包裹的套管造成腐蝕；由于外部塑料管遮蓋，不利于段修檢修作業(yè)和列檢技檢作業(yè)時對扶手套管的腐蝕狀態(tài)進行檢查，不能及時發(fā)現(xiàn)腐蝕情況；加之石砟漏斗車運用工況比較惡劣，在南方頻繁雨水浸潤作用下，導(dǎo)致扶手套管管壁逐步腐蝕。此外，據(jù)調(diào)研，價格較低的側(cè)門扶手(B型)鋼管壁厚達不到圖紙要求，加上覆塑的塑料管與鋼管的黏接力達不到30 kN的要求，與鋼管結(jié)合不緊密，會使扶手的耐腐蝕性顯著下降。

3 既有KZ70型石砟漏斗車側(cè)門扶手改造方案

為徹底解決既有KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手腐蝕折損故障，保證運用安全，并降低檢修和改造成本，同時考慮既有KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手改造后與新造KZ70型石砟漏斗車的通用性和互換性，針對2005年～2019年間生產(chǎn)的裝用覆塑或掛膠的KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手，提出了改造方案。

KZ70型石砟漏斗車廠修時，將原車裝用的B型客車通用件側(cè)門扶手(Q235A普碳鋼材質(zhì))全部改為不銹鋼材質(zhì)側(cè)門扶手；KZ70型石砟漏斗車段修時，原車裝用的B型客車通用件側(cè)門扶手(Q235A普碳鋼材質(zhì))須拆除橡膠套，全面檢查扶手套管狀態(tài)。扶手套管狀態(tài)不良的整體改造為不銹鋼材質(zhì)側(cè)門扶手；扶手套管狀態(tài)良好的可繼續(xù)使用，涂刷防銹底漆和面漆(面漆漆種與車體相同)，不再包裹橡膠套；KZ70型石砟漏斗車臨修處理操縱室側(cè)門扶手故障時，比照段修要求執(zhí)行。同時對遮蓋側(cè)門扶手連接螺栓的操縱室側(cè)墻局部內(nèi)裝飾進行拆卸和恢復(fù)。

不銹鋼側(cè)門扶手套管采用規(guī)格為26.9 mm×3 mm的流體輸送用不銹鋼焊接鋼管，增加了扶手套管截面積，提高了扶手強度和剛度。不銹鋼側(cè)門扶手與既有碳鋼側(cè)門扶手接口尺寸相同，方便更換；在檢修時僅對外表面進行拋光處理，不需要油漆，提高了綜合經(jīng)濟效益。

4 側(cè)門扶手靜強度對比分析

為評估KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手改進后結(jié)構(gòu)強度是否滿足使用要求，采用ANSYS有限元分析程序?qū)ζ潇o強度進行了對比分析計算。

側(cè)門扶手的套管規(guī)格由21.3 mm×2.9 mm更改為26.9 mm×3 mm，截面積由167 mm2增大到225 mm2，增加幅度為35%；慣性矩IZ由0.465×106 mm4增大到1.045×106 mm4，增加幅度為125%；套管和端頭材質(zhì)由Q235A普碳鋼變成06Cr19Ni10不銹鋼，扶手座材質(zhì)由ZG230-450鑄鋼改為ZG06Cr19Ni10鑄造不銹鋼，增加了耐腐蝕性能，抗拉強度由370～500 MPa增大到不小于520 MPa。

在進行側(cè)門扶手靜強度分析中，所有零部件均離散成實體單元(solid195)，原側(cè)門扶手共離散成11 872個節(jié)點，38 910個單元。改進后的側(cè)門扶手共離散成14 843 個節(jié)點，48 650個單元。

改進前后，側(cè)門扶手通過螺栓固結(jié)在操縱室上，分析時認為螺栓孔處固定約束，扶手的受力考慮兩種載荷工況：第一種載荷工況為100 kg的人將全部重力沿垂直車門方向作用于扶手套管中央；第二種載荷工況為100 kg的人將全部重力作用于沿著車體方向的扶手套管中央。

改進前、后對比分析結(jié)果如下：

在第一種載荷工況下，原側(cè)門扶手與改進后的側(cè)門扶手應(yīng)力云圖如圖2所示，原側(cè)門扶手的最大應(yīng)力為175.9 MPa，發(fā)生在扶手套管中央位置；改進后的最大應(yīng)力為113.1 MPa，發(fā)生在扶手套管中央位置；改進后扶手套管中央的最大應(yīng)力減小了62.8 MPa，僅為原側(cè)門扶手的64%；原側(cè)門扶手最大變形為4.784 mm，改進后側(cè)門扶手最大變形為2.59 mm，減小了2.194 mm，約占46%，改進前后側(cè)門扶手均在彈性范圍內(nèi)，未發(fā)生塑性變形；改進效果明顯。

在第二種載荷工況下，原側(cè)門扶手與改進后的側(cè)門扶手應(yīng)力云圖如圖3所示，原側(cè)門扶手的最大應(yīng)力為178.4 MPa，發(fā)生在扶手套管中央位置；改進后的最大應(yīng)力為113.0 MPa，發(fā)生在扶手套管中央；經(jīng)過改進，扶手套管中央的最大應(yīng)力減小了65.4 MPa，僅為原側(cè)門扶手的63%；原側(cè)門扶手最大變形為4.23 mm，改進后側(cè)門扶手最大變形為2.278 mm，減小了1.952 mm，約占46%，改進前后側(cè)門扶手均在彈性范圍內(nèi)，未發(fā)生塑性變形；改進效果明顯。

以上對比分析結(jié)果表明，在相同的載荷工況下，側(cè)門扶手組成改進后扶手套管的應(yīng)力明顯減小，能夠明顯改善扶手的應(yīng)力狀態(tài)，滿足使用要求。

5 具體改造內(nèi)容

5.1 KZ70型石砟漏斗車廠修

圖2 在第一種載荷工況下側(cè)門扶手應(yīng)力云圖

圖3 在第二種載荷工況下側(cè)門扶手應(yīng)力云圖

(1)拆除操縱室內(nèi)部側(cè)門扶手安裝座安裝螺栓、螺母處的鋁壓條、內(nèi)飾板和防寒板，露出側(cè)門扶手安裝座安裝螺栓、螺母。如圖4所示。

(2)割除側(cè)門扶手安裝座安裝螺栓、螺母，拆除原車側(cè)門扶手。

(3)按圖樣TYH148A-40AJX-01-000(既有KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手改造圖)組裝不銹鋼材質(zhì)的A型客車通用件側(cè)門扶手，扶手安裝座組裝螺栓、螺母緊固后采用點固焊以防止螺栓、螺母松動。

(4)對操縱室內(nèi)部扶手座安裝螺栓、螺母點固處及其附近車體鋼結(jié)構(gòu)外露表面油漆損壞處補涂底漆、面漆。

圖4 KZ70型車端部側(cè)門門框三維結(jié)構(gòu)示意圖

(5)重新組裝操縱室內(nèi)部側(cè)門扶手安裝座安裝螺栓、螺母處的防寒板、內(nèi)飾板和鋁壓條。

5.2 KZ70型石砟漏斗車段修、臨修

(1)原車裝用Q235A普碳鋼材質(zhì)的B型客車通用件側(cè)門扶手須拆除橡膠套，全面檢查扶手套管技術(shù)狀態(tài)。

(2)扶手套管狀態(tài)不良的按照廠修改造內(nèi)容整體改造為不銹鋼材質(zhì)的A 型客車通用件側(cè)門扶手。

(3)扶手套管狀態(tài)良好的可繼續(xù)使用，涂刷底漆和面漆(漆種、顏色及漆膜厚度與原車體相同)，不再包裹橡膠套。

6 改造效果

KZ70型石砟漏斗車操縱室側(cè)門扶手經(jīng)過改進后，未再出現(xiàn)腐蝕等情況，使用情況良好?！?/p>