铁路特种货车底架结构改造设计

铁路特种货车底架结构改造设计

张新瑜

中车沈阳机车车辆有限公司 辽宁 110000

摘要：特种车辆主要用于运输超长、超重、超高货物。由于其承载能力比普通平板车高，车辆重量更大。为了适应市场竞争的要求和日益增长的铁路运输需求，各国铁路运输的质量和技术都有了很大的提高。在时效性、安全性、可靠性、质量和环保性等方面，货车的基本技术条件比过去有了很大的提高，我国货车在铁路货运方面与国外发达国家还有很大差距，而货车的技术水平难以满足经济发展和运输市场竞争的要求。对铁路专用货运底架结构改造设计分析。

关键词：改造设计；底架；有限元分析；模态分析

随着国民经济的发展，特别是冶金、电力、化工、军工等行业的发展，大型军用机械设备越来越多，这些超重物品的运输关系到国家的建设和发展，特种货物车在结构、数量和技术参数上都有了很大的进步。

一、底架方案及结构改造设计

1.方案分析。在初步方案中，根据TB/t1335-96《铁路车辆设计及强度试验规范》和最不利条件的组合原则。底架强度计算荷载组合如下：总垂直荷载=静态垂直荷载×(动荷载系数+侧向力系数）；总垂直荷载+纵向压缩力+扭转荷载；垂直总载荷＋纵向拉伸力＋扭转载荷；根据初步设计资料，上述三种工况下凹底底架的最大应力分别为139.5mpa、135.7mpa和104.7mpa。这远远低于所用材料的允许值，底架中心的最大挠度为46mm，挠跨的比值（挠度底架两个中心板之间的中心距离）为1/328。以上数据显示，底架具有更大的储能减压能力。对于凹底底架，凹底底架的长度和宽度、底架凹底表面与轨面之间的高度、下支架两个中心板之间的距离在科学任务书中有明确规定，不得更改。凹底底架下平面距轨面300mm，为铁路车辆的变窄宽度限制区。因此，本次改造的主要设计方向是降低自重系数，提高运行速度，降低复合重心高度。其他技术参数尽量修改，净重系数在0.3～0.4之间。长货车的汽车重量系数通常约为0.6。净重系数是铁路货车设计水平的重要指标，具有许多实际意义。在设计过程中，尽量减轻重量，提高过桥的能力原设备和车辆的组合重心太高，只能以50公里/小时的速度行驶。希望改装后的11米凹底平车不仅能够整体装卸，而且能够在装载后以120公里/小时的速度运输，大大缩短了车辆占用的时间，凹底底架的主要材料是Q345-D低合金钢，许用应力为216Mpa。它们是低碳低锰合金钢，具有较高的强度和塑性，更重要的是具有低温冲击强度它易于焊接，适合铁路车辆的制造特点和多区域环境特点。梁截面高度将从366mm增加到450mm，且不会改变承载曲面相对于轨道曲面的高度，因为底部和间隙之间仍有很多空间。同时，重心向下移动，降低了整个汽车的重心。按照TB1335的要求铁路车辆设计和强度试验规范及钢材市场标准。考虑到安全运营铁路的重要性，并根据多年的设计和生产经验，侧、横、枕、牵引梁使用不同的截面组合，希望从不同的解决方案中找到更合理的解决办法。在原始方案中，上下盖板几腹板厚度分别为25mm、25mm、20mm，12mm筋隔板厚度。

2.改造后的技术参数。可达到的性能参数见表2-1:

表1改造后期望的参数表

3.改造进程面临的挑战。底架改造的设计存在若干困难:(1)许用应力是材料极限应力与安全系数之间的关系，是测量结构强度的基础。安全因素的选择意味着适当管理安全与经济之间的关系。从安全角度看，安全因素应该增加，这将不可避免地增加材料和车辆的重量，并对经济产生不利影响。从经济角度来看，虽然使用较少的材料可以减轻自重，但这不利于安全。(2)底架不同部分的厚度(甚至由于重量减轻而减小，从而降低底架本身的强度、刚度和稳定性)以及底架结构参数(包括底架重量、垂直刚度和扭转刚度对以下各项的影响)还要考虑底架更改对生产流程的影响。(3)底架结构改变后，空气制动装置和手制动装置也发生变化，需要重新计算制动比、制动率和制动距离。(4)底架所有零件的板相应地变薄后，材料中板和零件的刚性降低可能导致相应的提升困难等。与有关部门的技术人员协调和讨论了这些问题，并加强或增加了相应的工装、吊具。在底盘制造过程中，对所有生产工序进行了检查，以确保前一工序的质量，并为装配提供可靠的保证

二、凹底底架强度和刚度及模态分析

由于传统方法计算的应力应变不能分析构件的所有变化，ANSYS可以避免传统方法计算量大的问题，并可以重新验证设计的安全性和评估结果的准确性，以供参考。

1.结构参数。底架为封闭箱型结构，由侧、牵引、枕和横梁组成。底架纵横对称，侧梁中央高450mm，两梁高330mm，即上盖、下盖、腹板焊接的箱梁、侧，牵引，枕和横的腹板厚厚度为12mm，盖板底板厚度16mm，底架全部采用q345-d低合金钢。

2.结构有限元分析模型。离散结构模型。由于需要计算预埋底架的扭转条件，需要对整个底架结构进行建模，采用壳单元模拟凹底底架结构。有限元模型采用8节点Solid45节点单元。整个底架结构分为188485个离散单元。如图1所示，凹底平车用于运输专用设备，两个油压千斤顶放置在底架的支承面上，最坏的情况下，车辆的总重量可以考虑由两个千斤顶支撑。两千斤顶之间的距离越小，各工况的应力应变越大，千斤顶之间的距离越大，为7米。根据《铁道车辆强度设计与试验规范》TB/T1335，底架荷载为垂向、侧向和扭转。

图1底架离散模型

4.模态分析。根据gb5599-85，ANSYS模态分析是一个理论建模过程。采用有限元法对振动结构进行离散，建立了系统特征值问题的数学模型，得到了系统的函数值和函数向量。它是系统的固有频率和模态矢量。模态是振动系统的一种表示。载荷条件按gb5599-86《铁道车辆动态性能评价试验规程》确定荷载工况为：垂直静荷载（自重+荷载）和心盘的载荷之和；垂直载荷动荷系数×垂直静载，垂直动载系数为0.34；枕梁两端的旁承上的扭转载荷为50kN.m垂向力，并进行了计算，结构振型模态应变可以表示为每个序列固有模态应变的线性组合。低振幅振型与高振幅振型相比，低振幅振型对结构动力特性的影响更大，因此低振幅振型决定了结构的动力特性。它们是垂直弯曲和扭转，充分反映了模型结构的响应。有限元模态分析为下轴承的响应分析提供了重要的模态参数。这为改进结构设计提供了理论依据，进一步推导了结构振动方程，预测了系统在外力作用下的响应，为进一步研究振动和疲劳问题奠定了基础。

总之，设计方案的选择是科学合理的。底架的成功开发具有重要的现实意义，不仅降低了制造成本，而且解决了铁路运营中的诸多实际困难。它可以组织与常规车辆的通信，提高速度，提高过桥能力，减少铁路养护工作量和费用，解决特种设备快速运输的问题，满足战时需要，减少车辆估算。具有良好的社会效益和经济效益

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