DK36A型落下孔車集載能力分析及試驗研究

陳 坤

(中鐵特貨大件運輸有限責任公司 安全裝備研發(fā)部，北京 100070)

我國國民經(jīng)濟建設(shè)中大型設(shè)備的研制及運用都離不開運輸裝備的研發(fā)，提升運輸裝備的性能是大型設(shè)備能否安全送達到用戶的關(guān)鍵。我國鐵路落下孔車主要用于裝運電力、冶金行業(yè)等超限、超重的闊大貨物，如變壓器和軋機機架等[1]，如圖1所示。

圖1 變壓器裝車運輸照片

該車型屬于長大貨物車的一種，主要由側(cè)承梁、大小底架、轉(zhuǎn)向架、車鉤緩沖裝置、制動裝置及液壓電氣裝置等部分組成[2]。鐵路落下孔車運輸?shù)拇笮妥儔浩鳛殚L方體結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)帶有4個以上的肩座，肩座伸出長方體結(jié)構(gòu)外并搭在落下孔車側(cè)承梁上，變壓器整體落于兩側(cè)承梁內(nèi)，將其橫向、縱向加固后進行鐵路運輸[3-4]。圖2為變壓器承載斷面結(jié)構(gòu)。

圖2 變壓器承載斷面結(jié)構(gòu)

按照落下孔車的承載方式以及變壓器的外形尺寸，貨物的垂向載荷相對于側(cè)承梁為垂向?qū)ΨQ集中載荷，車輛設(shè)計時需要確定其最小支承距離及最大垂向載荷。早期的落下孔車為保證滿載使用的經(jīng)濟性，僅規(guī)定了車輛滿載時的最小支承距離，即車輛達到載重額定值時能夠滿足的變壓器肩座最小間距。隨著大件貨物運輸市場的發(fā)展，變壓器的類型日益增多，其質(zhì)量不斷變化，肩座間距也隨之變化。因此，需要對現(xiàn)階段的落下孔車集載能力進行評估，以適應(yīng)多種類型變壓器的運輸需求，提高落下孔車的運用效率，縮短落下孔車的閑置期。本文以DK36A型落下孔車為例，對落下孔車側(cè)承梁進行計算分析及試驗檢測，以評估其集載能力，擴大使用范圍，提高其在大件貨物運輸市場的競爭力。

1 DK36A型落下孔車集載要求

DK36A型落下孔車主要技術(shù)參數(shù)見表1[5]。

DK36A型落下孔車技術(shù)條件及使用說明書規(guī)定：貨物支承距離最小為7 000 mm，載重為滿載360 t。根據(jù)變壓器運輸市場的需求，該車可裝運支承距離小于7 000 mm、質(zhì)量小于360 t的變壓器。因此，按照變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量指標確定了其最小支承距離及相對應(yīng)的載荷，并進行有限元分析計算，DK36A型落下孔車加載工況見表2。

表2 DK36A型落下孔車加載工況

2 計算

2.1 建模

進行有限元計算時按照表2所示的加載工況，依據(jù)TB/T 2553—2018《鐵路長大貨物車》中關(guān)于綜合動荷系數(shù)的要求[6]，選取該車樣車試制時動應(yīng)力測試得到的側(cè)承梁綜合動荷系數(shù)(0.19)。

有限元計算對象為側(cè)承梁鋼結(jié)構(gòu)，采用I-DEAS軟件對通過各拉桿整體連接的側(cè)承梁與導(dǎo)向梁結(jié)構(gòu)進行建模。建模主要采用4節(jié)點四邊形薄殼單元，整體單元長度為30 mm,并通過多次計算對高應(yīng)力區(qū)進行了網(wǎng)格細化。側(cè)承梁有限元模型如圖3所示，該計算模型有163 646個節(jié)點，165 164個單元；模型以剛性單元模擬導(dǎo)向梁，以梁單元模擬側(cè)承梁之間的拉桿、等分撐桿、端部拉桿[7]。

圖3 側(cè)承梁有限元模型

2.2 計算結(jié)果

各工況下材料強度評價標準見表3。剛度評價標準為：側(cè)承梁中央斷面相對于兩端部移動心盤處的撓跨比≤1/180。

表3 材料強度評價標準 MPa

圖4為有限元計算的側(cè)承梁應(yīng)力取點位置，計算得到的應(yīng)力輸出全部為Von-Mises應(yīng)力，各集載工況最大合成應(yīng)力均發(fā)生在圖4所示的斷面3上蓋板處，工況1～工況4的最大合成應(yīng)力分別為332 MPa、352 MPa、371 MPa、391 MPa。

圖4 有限元計算的側(cè)承梁應(yīng)力取點位置

各集載工況載荷作用下，側(cè)承梁結(jié)構(gòu)上下蓋板折彎處斷面最大合成應(yīng)力見表4。從表4可以看出，各工況下的合成應(yīng)力均不超過其材料的許用應(yīng)力，最大合成應(yīng)力發(fā)生在工況4，其應(yīng)力云圖和垂向位移云圖分別見圖5和圖6。

表4 各工況下側(cè)承梁結(jié)構(gòu)斷面最大合成應(yīng)力 MPa

圖5 工況4應(yīng)力云圖

圖6 工況4垂向位移云圖

在各集載工況垂直靜載荷作用下，側(cè)承梁中央斷面相對于兩端部移動心盤處的垂向位移及撓跨比見表5。從表5可以看出，各工況下的撓跨比均滿足≤1/180的要求。

表5 各工況下側(cè)承梁中央斷面相對于兩端部移動心盤處的垂向位移及撓跨比

3 試驗

3.1 加載方式

側(cè)承梁采用吊掛進行試驗，吊掛上放置一鋼結(jié)構(gòu)平臺，其上擺放軸坯鋼。兩吊掛間的距離與集載工況最小支承距離相對應(yīng)，可調(diào)整為4 m、5 m、6 m、7 m。軸坯鋼質(zhì)量即為載荷值，每根軸坯鋼規(guī)格為250 mm×250 mm×5 200 mm，重2.5 t。兩吊掛間距為4 m時在平臺上對稱裝載120根軸坯鋼，重300 t；間距為5 m時在平臺上對稱裝載128根軸坯鋼，重320 t；間距為6 m時在平臺上對稱裝載136根軸坯鋼，重340 t；間距為7 m時在平臺上對稱裝載144根軸坯鋼，重360 t。在側(cè)承梁中央處及兩端部移動心盤處放置位移傳感器，垂向加載時分別測量各位移傳感器位置的位移。

圖7為DK36A型落下孔車試驗載荷加載圖，圖8為試驗加載照片。

圖7 DK36A型落下孔車試驗載荷加載圖

3.2 試驗結(jié)果

參考TB/T 2553—2018及TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體 第2部分：貨車車體》[8]對試驗結(jié)果進行處理、分析及評定。

考慮自重影響，兩片側(cè)承梁的質(zhì)量為48.6 t，上調(diào)裝裝置(拉壓桿)的質(zhì)量為3.5 t，則側(cè)承梁靜應(yīng)力σ側(cè)換算公式為：

式中：σ——試驗載荷下的應(yīng)力值，MPa；

P——試驗載荷，t。

圖8 DK36A型落下孔車試驗加載照片

測定側(cè)承梁靜應(yīng)力后，以該車樣車研制時中國鐵道科學(xué)研究院提出的《載重360 t落下孔車靜動強度試驗報告》中的側(cè)承梁最大綜合動荷系數(shù)(0.19)，求出合成應(yīng)力[9]。

撓度取所測數(shù)據(jù)的平均值，考慮自重的影響換算出撓度和撓跨比。由中鐵檢驗認證(青島)車輛檢驗站有限公司對該車側(cè)承梁進行了靜強度、剛度試驗[10]。試驗結(jié)果顯示：

(1) 最大合成壓應(yīng)力發(fā)生在工況4，位于上蓋板折彎處的上平面，最大值為-409.7 MPa，小于材料壓應(yīng)力下的許用應(yīng)力值(457 MPa)；最大合成拉應(yīng)力發(fā)生在工況4，位于下蓋板端部折彎處下平面，最大值為370.6 MPa，小于材料拉應(yīng)力下的許用應(yīng)力值(430 MPa)。

(2) 4個工況下側(cè)承梁在各試驗載荷下考慮自重后的撓度分別為135.9 mm、141.8 mm、147.3 mm、155.2 mm；側(cè)承梁心盤距離為34 000 mm，撓跨比分別為0.72/180、0.75/180、0.78/180、0.82/180，均滿足設(shè)計技術(shù)條件規(guī)定的撓跨比≤1/180的要求。

通過計算分析及加載試驗研究，并與該車樣車制造時的靜強度試驗對比分析。在支承距離分別為4 m、5 m、6 m時相應(yīng)的試驗載荷作用下，側(cè)承梁的應(yīng)力值及撓跨比均在許用值范圍內(nèi)，且小于支承距離為7 m時載重360 t的試驗值，完全滿足支承距離為4 m、5 m、6 m時的運用要求。因此，DK36A型落下孔車集載能力可按表6補充支承距離為4 m、5 m、6 m時的集載工況。

表6 DK36A型落下孔車集載能力