基于SolidWorks 和ANSYS 的鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架設計

袁舜，潘帥，盧泓坤，田志強，袁霞，鄒美思

（1.蘭州交通大學 鐵道部貨物裝載加固研究與咨詢中心，蘭州 730070；2.九江職業(yè)技術學院，江西 九江332007）

卷鋼、鋁卷運輸屬于鐵路大宗貨物運輸，其特點是圓柱狀易滾動、密度大易集重，加固難。鐵路在卷狀貨物中長途運輸中占有較高地位[1-2]。目前，國內(nèi)鐵路運輸卷狀貨物尚無專用車型，通常采用敞車運輸，優(yōu)先采用臥裝方式。烏魯木齊鐵路局管內(nèi)的新疆八一鋼鐵集團有限責任公司（簡稱八鋼公司）通過鐵路發(fā)往疆內(nèi)外的卷狀貨物運距較長，距離最近省會城市蘭州約2 000 km。卷狀貨物在運輸過程中存在橫向位移風險，危及行車安全，見圖1。要運用鐵路敞車安全高效、經(jīng)濟環(huán)保的運輸卷狀貨物，就要結(jié)合敞車內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設計新型鋼制座架。

目前，針對卷狀貨物運輸?shù)难芯恐饕性阡撝谱軓姸裙浪恪⑵趬勖嬎?、主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面。韓立東[3]提出了研究鐵路貨物裝載加固座架的強度估算方法，計算了貨物縱向慣性力，進行了卷鋼座架靜態(tài)和沖擊動強度試驗。劉曉華[4]通過中鐵聯(lián)合物流股份有限公司RUL-Cl 型卷鋼座架，研究了強度有限元分析和檢測試驗，后對底架架構(gòu)進行優(yōu)化。高俊平[5]選擇鐵路A 型卷鋼座架為研究對象，比較不同工況下的鋼座架強度有限元數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，后改進了敞車補強座與阻擋臂接觸方式、增設了縱向緩沖裝置。方哲[6]以攀鋼集團鐵路TX-C-I 型卷鋼座架為研究對象,計算疲勞破壞條件下鋼座架的疲勞壽命，后從消除焊縫應力集中、補強薄弱處和母材表面強化處理等方面對鋼座架進行改進。

文中在既有技術經(jīng)驗基礎上，根據(jù)（GB 50017—2017）《鋼 結(jié) 構(gòu) 設 計 規(guī) 范》[7]、（TB/T 3550.2—2019）《機車車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范車體第2 部分：貨車車體》[8]和鐵路敞車、平集兩用車內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設計一款安全可靠、適用車型廣、結(jié)構(gòu)強度高、循環(huán)使用、疊裝回送、適合多種規(guī)格貨物并帶可伸縮橫向限位裝置的卷狀貨物運輸鋼制座架（以下簡稱卷狀貨物橫向限位鋼制座架）。按照鐵總運[2015]296 號《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》[9]，計算發(fā)生在卷狀貨物上的各種力，制定經(jīng)濟合理的裝載加固方案。采用SolidWorks 和ANSYS，對鋼制座架進行三維建模和有限元分析，現(xiàn)實意義重大。

1 鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架設計方法

1.1 設計原則

卷狀貨物圓柱狀易滾動、密度大易集重，加固難。運輸中，線路變化以及車輛運動等，會引起車輛橫向運動狀態(tài)變化[10]，危機行車安全，見圖1。

圖1 鐵路卷狀貨物橫向位移事故現(xiàn)場Fig.1 Accident scene of lateral displacement of railway coiled cargo

卷狀貨物不能發(fā)生縱向滾動、橫向竄動等情況，應遵循以下原則。

1） 安全。卷狀貨物臥裝于V 形駝峰支架凹槽內(nèi)，防止貨物縱向滾動。鋼制座架帶可伸縮橫向限位裝置，防止貨物橫向竄動。

2） 無縫疊放，降低回送成本。鋼制座架V 形駝峰支架、V 形橫擋支撐桿連接件的設計，可實現(xiàn)無縫疊放回送，降低回送成本。

3） 適用車型廣。敞車、平集兩用車均可使用，不挑車型。

4） 結(jié)構(gòu)簡單，輕量化。在保障貨物安全運輸條件下，減少用材，降低重量。

5） 強度高，可重復循環(huán)使用，綠色環(huán)保。

1.2 鋼制座架結(jié)構(gòu)設計

卷狀貨物橫向限位鋼制座架三維立體仿真見圖2，裝載卷狀貨物工況見圖3。鋼制座架主要由3 部分組成，即底架結(jié)構(gòu)、駝峰支架、橫向限位裝置。

圖2 鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架Fig.2 Lateral limit steel seat frame of railway coiled cargo

圖3 鋼制座架裝載卷狀貨物Fig.3 Steel seat frame loading coiled cargo

1.3 各結(jié)構(gòu)設計

1.3.1 底架結(jié)構(gòu)設計

底架結(jié)構(gòu)主要包括橫梁、縱梁、中梁、側(cè)梁、角件、C 形加固鉤、加固環(huán)、棘輪緊固器、卡板、定位卡槽等。

1.3.2 駝峰支架結(jié)構(gòu)設計

駝峰支架結(jié)構(gòu)主要包括V 形駝峰支架、輔助支架、加強筋、橡膠墊等。支架兩側(cè)均用工業(yè)強力膠粘黏12 mm 厚的多層夾線耐磨橡膠墊作為緩沖材料。

1.3.3 橫擋限位裝置結(jié)構(gòu)設計

橫擋限位裝置主要包括橫向檔桿、齒條、齒塊、T 型螺桿等。橫向檔桿兩側(cè)的矩形橫擋牙齒卡在齒條內(nèi)，防止橫擋橫向移動。此外，通過T 型螺桿將橫擋固定在橫擋支撐桿上。鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架自重約600 kg/架, 徑寬比小于2.5，外形尺寸為2 800 mm×2 200 mm×500 mm，承載貨物最大重量不超過32.5 t，適用卷徑1 100～2 150 mm，適用板寬為900～2 300 mm。外形尺寸公差標準參考GB/T 19804—2005《焊接結(jié)構(gòu)的一般公差尺寸和形位公差》[11]。

1.4 鋼制座架使用材料性能

鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架相關材料性能參數(shù)見表1。

表1 鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架使用材料及強度性能Tab.1 Materials and strength properties of steel seat frame for lateral limit of railway coiled cargo

鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架主承載結(jié)構(gòu)采用Q550NQR1 耐候鋼。耐候即耐大氣腐蝕，耐候鋼是介于普通鋼和不銹鋼間的低合金鋼系列，具有優(yōu)質(zhì)鋼強韌、塑延、成型、焊割、磨蝕、高溫、抗疲勞等特性[12]，因此，耐候鋼常用于鐵道、車輛、橋梁、塔架等長期暴露在外界的鋼結(jié)構(gòu)。

2 裝載加固方案論證

通過SolidWorks 對鐵路70 t 通用敞車（簡稱C70）進行建模，特別對C70的內(nèi)補強座與內(nèi)部強座把手，見圖4。其中，C70主要技術參數(shù)見表2。

表2 C70 主要技術參數(shù)表Tab.2 Main technical parameters of C70

圖4 鐵路70 t 通用敞車Fig.4 Railway 70 t general gondola car

2.1 卷狀貨物裝載加固方法

根據(jù)鐵總運[2015]296 號《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，以敞車一車兩鋼制座架裝2 件為例，進行計算[9]。使用鐵路通用車型C70。加固裝置為鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架。貨物在敞車中裝載加固仿真見圖5。

圖5 鐵路70t 通用敞車2 件卷狀貨物裝車工況Fig.5 Loading condition of 2 pieces of coiled cargo in railway 70 t general gondola car

2.2 卷狀貨物裝載加固計算

以下計算均嚴格按照鐵總運[2015]296 號《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》。采用C70，主要技術參數(shù)見表2。每個鋼制座架裝載1 件卷狀貨物，剛性加固。

2.2.1 計算作用于貨物上各種力的數(shù)值

1）縱向慣性力：

式中：a為貨物重心偏離車輛橫中心線的距離，mm；l為負重車轉(zhuǎn)向架中心距，mm；n0為單位質(zhì)量貨物的橫向慣性力，kN/t；N為橫向慣性力，kN。

3）垂直慣性力：

2.2.2 檢查貨物穩(wěn)定性

1）卷狀貨物水平移動穩(wěn)定性。鋼制座架在縱向水平移動方面穩(wěn)定性：

故，鋼制座架在縱向穩(wěn)定，卷狀貨物在橫向會發(fā)生水平移動。

2）貨物在傾覆方面的穩(wěn)定性

縱向傾覆穩(wěn)定性：因卷狀貨物橫向臥裝，存在縱向滾動風險。卷鋼在V 形駝峰槽內(nèi)縱向免于滾動的條件：

鋼制座架高度500 mm，因此，符合要求。

橫向傾覆穩(wěn)定性：卷狀貨物橫向臥裝，因此，卷狀貨物有橫向傾覆的風險。

橫向合力產(chǎn)生傾覆力矩：M傾=（N+W）×R×cosα=50.79DKN·m (15)

橫向合力產(chǎn)生穩(wěn)定力矩：M穩(wěn)=9.8Q×K× 0.5=159.25KKN·m (16)

式中：K為鋼制座架相鄰支架（外邊緣）間距，mm。

卷狀貨物免于橫向傾覆條件為：

3 基于SolidWorks 和Ansys 的鋼制座架有限元分析

3.1 SolidWorks 和Ansys 簡介

SolidWorks 集三維建模、裝配、工程制圖于一體的大型軟件，拓展性好，可與多款軟件配合使用[13-14]。ANSYS 是全球主流有限元分析軟件，但三維參數(shù)化建模環(huán)境不友好[15]。因此，采用SolidWorks 對鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架進行三維建模，將模型導入ANSYS 中進行有限元分析。

3.2 有限元分析思路

在SolidWorks 環(huán)境下，對鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架裝載卷狀貨物工況等效建模；再通過CAD 關聯(lián)接口，導進Workbench 環(huán)境下；然后網(wǎng)格劃分，添加載荷，運行算例求解；最后，結(jié)合材料特性、GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》規(guī)定的強度及位移要求，得出結(jié)論。此外，算例運行環(huán)境如下：ROG 臺式計算機，處理器為Core（TM）i9@5.20GHz 12900KF,操作系統(tǒng)為 Windows 10 20H2，ANSYS 2022R1 版。

3.3 鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架有限元分析

3.3.1 V 形駝峰支架有限元分析

V 形駝峰支架分別受到卷狀貨物縱向慣性力，垂向慣性力與重力合力。其中，縱向慣性力為480 kN，垂向慣性力與重力的合力494.98 kN。進行有限元分析，網(wǎng)格質(zhì)量為0.89，劃分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為5 473 554，單元數(shù)為1 302 777。依次施加上述力，垂向等效應力分析見圖6，垂向等效位移分析見圖7；縱向等效應力分析見圖8，縱向等效位移分析見圖9。

由圖6 可知，施加垂向力后，最薄弱部分是V 形駝峰支架支撐面與卷狀貨物接觸處，應力值172.1 MPa，小于Q550NQR1 耐候鋼屈服極限（550 MPa），強度滿足要求。由圖7 可知，施加垂向力后，最大位移發(fā)生在V 形駝峰支架支撐面和齒條焊接處下方，位移形變量為0.23 mm，小于2 mm，滿足規(guī)定。

圖6 V 形駝峰支架垂向等效應力云圖Fig.6 Vertical equivalent stress contour of V-shaped hump bracket

圖7 V 形駝峰支架垂向等效位移云圖Fig.7 Vertical equivalent displacement contour of V-shaped hump bracket

由圖8 可知，施加縱向力后，最薄弱部分是V 形駝峰支架支撐面與卷狀貨物接觸處，應力值244.39 MPa，小于Q550NQR1 耐候鋼屈服極限（550 MPa），強度滿足要求。由圖9 可知，施加垂向力后，最大位移發(fā)生在V形駝峰支架支撐面和齒條焊接處下方，位移形變量為0.19 mm，小于2 mm，滿足規(guī)定。

圖8 V 形駝峰支架縱向等效應力云圖Fig.8 Longitudinal equivalent stress contour of V-shaped hump bracket

圖9 V 形駝峰支架縱向等效位移云圖Fig.9 Longitudinal equivalent displacement contour of V-shaped hump bracket

3.3.2 鋼制座架橫向限位裝置強度校核

卷狀貨物在鋼制座架V 形駝峰凹槽內(nèi)所受橫向不平衡力ΔN為71.1 kN，通過橫向限位裝置的橫向擋桿及齒條上的齒塊抵消。鋼制座架橫向限位裝置三維實體模型如圖10 所示。

圖10 鋼制座架橫向限位裝置Fig.10 Lateral limit device of steel seat frame

1）校核齒塊抗剪強度。每側(cè)齒塊剪切力17.775 kN，齒塊橫截面積625 mm2，齒塊剪應力τ為7.11 MPa，小于Q345 NQR3 鋼的許用剪切應力。

2）校核橫向檔桿的抗彎強度。橫向不平衡力ΔN作用于長1 270 mm 的橫向檔桿，橫向檔桿長度方向中間斷面受到工作彎曲應力Mc最大。

根據(jù)橫向限位裝置設計，通過ANSYS 有限元分析對橫向檔桿受力進行分析。在最不利載荷作用下，橫向檔桿等效應力分析云圖和位移云圖如圖11、圖12 所示。由圖11 可知，最大等效應力28.66 MPa，小于Q345 鋼的許用應力216 MPa。由圖12 可知，最大變形量0.03 mm，為彈性變形。綜上，鋼制座架橫向限位裝置強度及剛度符合要求。

圖11 橫向擋桿等效應力云圖Fig.11 Equivalent stress contour of lateral stop bar

圖12 橫向擋桿等效位移云圖Fig.12 Equivalent displacement contour of lateral stop bar

《鐵路技術管理規(guī)程》規(guī)定，車輛在編組站，應限速連掛，可實施溜放。此外，V 形駝峰支架支撐面鋪滿12 mm 厚的多層夾線耐磨橡膠墊進行緩沖[16]，因此，運輸卷狀貨物更加安全可靠。

4 結(jié)語

我國幅員遼闊，鐵路在以卷鋼、鋁卷為代表的卷狀貨物運輸中發(fā)揮重要作用。以C70為代表的敞車占鐵路貨物運輸運用車保有量60.64 %以上[17]。文中在鐵路卷狀貨物鋼制座架技術基礎上，提出的鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架具有安全穩(wěn)定、循環(huán)使用、適用車型廣、無縫疊放、適合多種規(guī)格卷狀貨物運輸?shù)忍攸c。通過SolidWorks 對鋼制座架不同工況三維建模,確定最不利條件下的卷狀貨物裝載加固方案，計算運輸過程中的各種力；配合ANSYS Workbench，對鋼制座架進行有限元分析。結(jié)果證明，鐵路卷狀貨物橫向限位鋼制座架可有效防止貨物橫向位移，保障卷狀貨物運輸安全，降低裝載加固成本。未來研究，可考慮如何簡化裝卸作業(yè)流程，實現(xiàn)“門到門”運輸，提高鐵路運輸市場競爭力，促進卷狀貨物運量加速反流鐵路。