谷美娜 林結(jié)良 劉映安

(中車眉山車輛有限公司產(chǎn)品開發(fā)部 四川 眉山 620032)

關(guān)于凹底雙層集裝箱平車技術(shù)問題的探討

谷美娜 林結(jié)良 劉映安

(中車眉山車輛有限公司產(chǎn)品開發(fā)部 四川 眉山 620032)

從凹底雙層集裝箱平車的結(jié)構(gòu)選取、計算分析、裝箱模式等方面進行分析改進，達到了最終研發(fā)目標(biāo)。

凹底；集裝箱；計算；疲勞；模態(tài)

1 研發(fā)背景

2014年7月，中車眉山車輛有限公司(以下簡稱眉山公司)與某客戶成功簽訂了《凹底平車供貨合同》，根據(jù)合同要求，眉山公司為其研制完成雙層集裝箱平車，確定此次研發(fā)的主要目標(biāo)如下：(1)安全配載，實現(xiàn)多模式組合裝載；(2)優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)，提升關(guān)鍵部位承載能力；(3)探索計算方法，理論與實際相吻合。

2 主要技術(shù)問題和解決措施

2.1 集裝箱的配載計算

凹底雙層集裝箱平車采用在同一車輛裝載上、下2層集裝箱的運輸方式，為了確保運輸安全，對運輸車輛的中心、高度和最大軸重等都有嚴(yán)格的限制，因此集裝箱裝載時必須進行配載。一般意義下的集裝箱配載是指為有效利用集裝箱的容積和載重進行的貨物搭配和裝載工作[1]，此外還要考慮集裝箱的配載組合應(yīng)滿足運輸安全條件的要求。

此次合同中涉及的雙層配載的集裝箱主要有3 種尺寸:48 ft(英尺)、40 ft和20 ft。配載時重點考慮重箱的裝載,且上、下箱均為滿箱裝載(為了配載成功，個別情況下也允許使用空箱)。雙層配載時,必須遵循以下條件：(1)裝載工況主要有2種模式：①上層必須是40(或45、48)ft箱,下層可以是2個20 ft或1個40(或45、48) ft箱；②上、下2層均為2個20 ft箱；(2)上層總重必須小于下層總重，車輛的總載重要小于規(guī)定值(該車總載重規(guī)定值為78 t)；(3)重心高度依據(jù)AS7520.2—2012《鐵道車輛-車身結(jié)構(gòu)要求-第2部分：貨車》標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱AS7520.2標(biāo)準(zhǔn))中關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)軌距車輛重心高度不高于2 650 mm的規(guī)定。在滿足上述配載條件下，利用Excel表格對該車型進行配載方案計算，具體結(jié)果如表1所示。

表1 配載后的凹底雙層集裝箱平車裝箱工況

從表1可以看出，雙層集裝箱在滿足配載條件下，并不是所有工況都可以滿足裝運78 t的要求。

2.2 提高關(guān)鍵部位的承載結(jié)構(gòu)

2.2.1 選擇合適的部件連接方式減少應(yīng)力集中

在貨車車輛的產(chǎn)品設(shè)計時，側(cè)墻與底架的連接方式主要有鉚接和焊接2種。在本次研發(fā)中設(shè)計了鉚接和焊接2種方案分別對其進行有限元分析，并對結(jié)果進行了比較。方案1：底架橫梁與下側(cè)梁之間采用鉚接方式，底架與側(cè)墻之間在外側(cè)設(shè)置有強大的鑄鋼支撐座進行連接；方案2：底架橫梁與下側(cè)梁之間采用焊接的連接方式，底架與側(cè)墻之間在內(nèi)側(cè)通過鍛鋼彎角連接，2種方案的三維示意圖分別如圖1所示。

對2種方案分別進行了有限元強度分析，分析評定主要依據(jù)AS7520.2標(biāo)準(zhǔn)以及《凹底平車供貨合同》的要求。

有限元分析結(jié)果表明：方案1中車體最大應(yīng)力出現(xiàn)在鑄鋼支撐座與橫梁接觸部位，為806 MPa，如圖2所示；方案2中車體最大應(yīng)力出現(xiàn)在下側(cè)梁端部圓弧邊緣，為382 MPa，如圖3所示。

圖1 2種方案三維示意圖

圖2 方案1有限元高應(yīng)力云圖分布圖

圖3 方案2有限元高應(yīng)力云圖分布圖

通過2種方案的有限元分析結(jié)果可以得出，方案1由于鑄鋼支撐座局部過于強大，從而導(dǎo)致該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中；而方案2通過對該部位進行了柔性化設(shè)計，能夠較好地釋放應(yīng)力，可以達到大幅降低車輛靜應(yīng)力的目的，滿足AS7520.2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.2.2 選擇恰當(dāng)?shù)暮缚p接頭位置遠離疲勞應(yīng)力源

凹底雙層集裝箱平車由于承受著較為復(fù)雜的交變載荷，在前期與客戶的交流中，客戶多次強調(diào)既有車輛出現(xiàn)過疲勞裂紋，為了解該車車體關(guān)鍵部位的抗疲勞能力，對方案2中車體結(jié)構(gòu)進行了疲勞強度評估，計算主要依據(jù)BS EN12663:2010《鐵路運用-鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱BS EN12663：2010標(biāo)準(zhǔn))，主要疲勞應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

從圖4中的分析結(jié)果可以看出，下側(cè)梁與橫梁上蓋板之間的對接焊縫為車輛運行中出現(xiàn)疲勞裂紋的問題源，而該區(qū)域與前期客戶指出的既有車輛焊縫裂紋區(qū)域恰好吻合。為此對方案2又進行了優(yōu)化，將原有的角型下側(cè)梁改為帶有圓弧型翅膀的角型梁，從而使下側(cè)梁與橫梁上蓋板之間的焊縫遠離受力區(qū)域，延長了車輛的使用壽命。通過此種優(yōu)化改進，可以將焊縫易發(fā)生疲勞的區(qū)域轉(zhuǎn)化為母材區(qū)域(根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，母材的疲勞許用應(yīng)力要遠大于焊縫接頭的許用應(yīng)力)，優(yōu)化前、后三維示意圖如圖5所示。利用BS EN12663：2010標(biāo)準(zhǔn)對車體的疲勞強度評估后得出：在各疲勞載荷工況下車體的安全系數(shù)均大于1。

圖4 方案2疲勞高應(yīng)力云圖分布圖

圖5 下側(cè)梁與橫梁上蓋板對接焊縫位置優(yōu)化前后示意圖

2.3 探索模擬車輛實際運行狀態(tài)的計算新方法

集裝箱平車在用傳統(tǒng)的計算模態(tài)分析時，僅將裝載質(zhì)量分配到集裝箱鎖座上，并未詳細(xì)考慮集裝箱自身的扭轉(zhuǎn)剛度對車輛系統(tǒng)頻率的影響，這樣的計算結(jié)果是偏于危險的。凹底平車作為一種特種車輛，無中梁結(jié)構(gòu)，由底架與側(cè)墻共同承載，中間橫梁僅起橫向連接作用，傳遞橫向位移。由于其受自身承臺面高及凹底最低點距軌面高的限制，橫梁截面較小。同時，為避免橫梁與側(cè)墻連接部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，橫梁不易過強，需要存在一定的柔性。因此，導(dǎo)致了該車車體扭轉(zhuǎn)剛度比其他車型低，車體自振的固有頻率過低。按傳統(tǒng)方法計算的該車車體自振頻率與懸掛系統(tǒng)頻率之比如表2所示。

表2 按傳統(tǒng)方式計算的車體自振頻率與懸掛系統(tǒng)頻率比

表3 新方法計算的車體自振頻率與懸掛系統(tǒng)頻率比

3 總結(jié)

2015年6月，眉山公司研制的凹底雙層集裝箱平車成功交付客戶投入運用，從使用至今，車輛一直保持良好狀態(tài)，得到客戶的高度認(rèn)可。

[1] 趙 鵬，楊 浩，姚鳳金.雙層集裝箱運輸車輛的配載算法[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2005,29(3)：81-83.□

(編輯：李琳琳)

2095-5251(2016)05-0017-03

2016-01-18

谷美娜(1979-)，女，本科學(xué)歷，高級工程師，從事鐵路貨車設(shè)計工作。

U272.3

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