基于鉚接結(jié)構(gòu)的模塊化平車車體結(jié)構(gòu)探討

段元勇,劉寅華,翟鵬軍,代魯平,耿 平

(中車山東機(jī)車車輛有限公司 軌道車輛研究所,山東 濟(jì)南 250022)

隨著交通強(qiáng)國、藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)、調(diào)整運輸結(jié)構(gòu)等政策的推進(jìn),發(fā)揮鐵路貨運的比較優(yōu)勢,保證全程物流的流暢度和時效性,是鐵路提高白貨運輸占比的有效途徑,也是我國推進(jìn)物流業(yè)降本增效的重要舉措。因此開展鐵路平車加集裝箱的多式聯(lián)運,保證貨運產(chǎn)品靈活、多樣將是未來鐵路貨運發(fā)展的方向。

目前,鐵路貨車大多采用焊接結(jié)構(gòu),存在設(shè)計理念陳舊、環(huán)境污染重、缺少對新結(jié)構(gòu)新工藝迭代等問題。模塊化和鉚接結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念可以有效解決這些難題。通過對功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計,實現(xiàn)車輛模塊化的設(shè)計、制造和運用維護(hù),降低車輛全壽命周期成本,提高產(chǎn)品的市場競爭力。同時,也可以減少制造過程中焊接作業(yè)對環(huán)境的污染。

中車山東機(jī)車車輛有限公司采用鉚接和模塊化的設(shè)計理念研制了新型平車,不僅解決了車體結(jié)構(gòu)輕量化、環(huán)保等問題,而且大大簡化了車輛制造工藝,也可根據(jù)用戶需求進(jìn)行車輛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合,縮短研發(fā)和制造周期,提高車輛對貨物的適應(yīng)性,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)計理念

1.1 鉚接設(shè)計

1.1.1 鉚接工藝的優(yōu)勢

鉚接工藝在汽車、飛機(jī)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,近些年來拉鉚工藝在鐵路貨車上應(yīng)用廣泛,相較于焊接工藝,鉚接工藝的主要優(yōu)勢是:

(1) 減少了制造過程中對環(huán)境的污染和降低了對人員、環(huán)境及設(shè)備的要求;

(2) 減少了焊后矯正、飛濺清理等工序,提高了作業(yè)效率;

(3) 更好地控制自動化鉚接質(zhì)量,更易于實現(xiàn)生產(chǎn)自動化;

(4) 鉚接結(jié)構(gòu)具有更好的疲勞強(qiáng)度;

(5) 可實現(xiàn)母材無損重復(fù)性連接,提高了維修的方便性;

(6) 適應(yīng)不同材料間的聯(lián)接,提高了設(shè)計材料的選擇范圍。

相較于螺栓連接,鉚接工藝的主要優(yōu)勢是:

(1) 避免了套環(huán)的旋轉(zhuǎn)松動,提高了防松、防盜能力;

(2) 預(yù)緊力更易控制,避免了人為因素的影響;

(3) 套環(huán)變形咬合,提高了螺紋處的防腐能力。

1.1.2 鉚接形式的選擇

該平車設(shè)計采用拉鉚結(jié)構(gòu),拉鉚連接具有連接強(qiáng)度高、抗振性和抗疲勞性能優(yōu)異、安裝方便快捷、無需后期維護(hù)等優(yōu)點。設(shè)計選型時需考慮以下幾點:

(1) 連接強(qiáng)度滿足底架承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,與高強(qiáng)度材料匹配;

(2) 鉚接作業(yè)的成型速度快,鉚接質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高;

(3) 對鉚接作業(yè)人員、設(shè)備及作業(yè)環(huán)境的要求低;

(4) 可實現(xiàn)重復(fù)性連接,同時具有簡易的破拆工藝。

設(shè)計選用鐵路貨車常用的拉斷型LMY型鉚釘,配套高拉脫力的LMTF型套環(huán),保證鉚接的預(yù)緊力和連接強(qiáng)度。需要拆解部位,采用可重復(fù)使用的LMDY型短尾鉚釘,配套LMDTF型短尾法蘭套環(huán)。在不同鉚接厚度及連接強(qiáng)度部位采用不同規(guī)格的鉚釘,對于無法滿足拉鉚操作空間部位,采用等強(qiáng)度螺栓,并通過力矩要求及必要的防松措施來替換拉鉚釘。

1.2 模塊化設(shè)計

1.2.1 模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

模塊化設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計有很大不同,傳統(tǒng)車輛的車體各部件間采用焊接結(jié)構(gòu),各部件間聯(lián)系緊密,獨立性較差。而模塊化設(shè)計正是將整體分解,使設(shè)計有層次且易于實現(xiàn),在車輛設(shè)計、生產(chǎn)和運維時具有諸多優(yōu)點:

(1) 模塊化技術(shù)可以滿足用戶對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多種選擇,在最大程度上實現(xiàn)優(yōu)化組合,滿足不同用戶的多種需求;

(2) 各模塊的相對獨立性保證了各模塊可并行作業(yè),實現(xiàn)模塊并行開發(fā)和并行試驗;

(3) 可采取分散化和專業(yè)化生產(chǎn),提高勞動生產(chǎn)率,降低廢品率;

(4) 模塊的可重復(fù)使用率縮短了企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)與制造周期,增強(qiáng)了企業(yè)對市場的快速反應(yīng)能力,提高了企業(yè)市場競爭力;

(5) 模塊接口的標(biāo)準(zhǔn)化使產(chǎn)品易于實現(xiàn)模塊化維護(hù),從而縮短了維修時間,部件受損或車輛大修時更換更加簡單,車輛的技術(shù)改造和產(chǎn)品部件的升級換代容易實現(xiàn)。

1.2.2 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計

車體底架作為集裝箱平車的承載結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)性能決定了整車性能。底架設(shè)計除考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、輕量化、工藝性和可靠性外,還需要考慮制造過程的環(huán)保性、維修方便性和全生命周期成本,并兼顧車輛對貨物的適應(yīng)性和承載能力等綜合因素。因此在設(shè)計時需考慮以下幾點:

(1) 將車輛功能結(jié)構(gòu)模塊化,底架作為整車的承載模塊,提高車輛功能靈活性;

(2) 按結(jié)構(gòu)部件劃分模塊,提高部件的標(biāo)準(zhǔn)化和通用性,便于車體設(shè)計的優(yōu)化組合;

(3) 采用拼接式底架結(jié)構(gòu),通過部分模塊更換,滿足不同車輛長度和裝載工況需要;

(4) 結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮模塊化的制造和維護(hù)理念,提高零部件的通用性、制造維護(hù)效率和車輛使用的靈活性;

(5) 采用板材成型零件,減少焊接及鑄造件的使用,提高批量生產(chǎn)能力和尺寸精度,實現(xiàn)車輛輕量化。

2 平車車體結(jié)構(gòu)

底架設(shè)計包括中梁、枕梁、橫梁、大橫梁和側(cè)梁5種模塊結(jié)構(gòu),如圖 1 所示?？紤]縱向力傳遞和輕量化,采用單中梁承載結(jié)構(gòu);采用三段式底架結(jié)構(gòu),滿足不同車輛長度要求;大橫梁模塊位置、數(shù)量可調(diào)整,滿足不同集裝箱裝置工況需求;零部件間采用全鉚接結(jié)構(gòu)以減少焊接;采用超高強(qiáng)度板材成型零部件,提高輕量化能力和鉚接適應(yīng)性。

1—橫梁;2—中梁;3—大橫梁;4—枕梁;5—側(cè)梁。

2.1 中梁模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

中梁模塊為車輛貫通承載件,為車輛承載提供支撐,將各模塊聯(lián)結(jié)成整體,傳遞車輛縱向沖動。因此在設(shè)計時需考慮以下幾點:

(1) 三段式結(jié)構(gòu)設(shè)計,滿足底架的長度調(diào)整及模塊化拼裝;

(2) 提高中梁各段的截面模量,滿足車輛的垂向和扭轉(zhuǎn)剛度要求;

(3) 提高模塊接口統(tǒng)一性,便于實現(xiàn)快速安裝與拆卸;

(4) 采用板材成型零件,減少焊鑄件數(shù)量,提高輕量化能力和鉚接適應(yīng)性。

中梁三段結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用兩端牽引梁段和中間魚腹梁段的三段式鉚接設(shè)計結(jié)構(gòu)。調(diào)整中間魚腹梁段尺寸,滿足車輛20 ～ 80 ft長度要求。牽引梁段為2個冷彎槽鋼外扣(背對),與上下蓋板鉚接成箱型結(jié)構(gòu)。魚腹梁段為2個冷彎槽鋼內(nèi)扣(相對),中間與多個上下蓋板及隔板鉚接組成,可根據(jù)魚腹梁長度要求調(diào)整蓋板及隔板數(shù)量。槽鋼內(nèi)扣(相對)有利于與牽引梁鉚接連接,提高了魚腹梁剛度,兩側(cè)平直便于與大橫梁模塊接口設(shè)計。

圖2 中梁三段結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 枕梁、橫梁模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

枕梁模塊、橫梁模塊兩端與牽引梁模塊、側(cè)梁模塊連接。枕梁模塊、橫梁模塊主要傳遞中梁模塊與上部集裝載具間的垂向載荷及縱向沖動。因此在設(shè)計時需考慮以下幾點:

(1) 提高2種模塊結(jié)構(gòu)及接口的一致性;

(2) 減少零部件的種類,提高2種模塊零部件的通用性;

(3) 提高結(jié)構(gòu)組裝工藝性,便利車輛組裝和檢修維護(hù);

(4) 采用板材成型零部件,減少焊鑄件數(shù)量,提高輕量化能力和鉚接適應(yīng)性。

枕梁結(jié)構(gòu)如圖3所示,枕梁腹板采用板材成型,與枕梁上蓋板及隔板等鉚接形成箱型承載結(jié)構(gòu),中間設(shè)置與中梁模塊連接的鉚接接口。橫梁與枕梁結(jié)構(gòu)相似,橫梁腹板與枕梁腹板零部件外形尺寸相同。

圖3 枕梁結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 大橫梁模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮不同車輛長度集裝載具的裝載方案會存在大橫梁布置單個和雙集裝箱鎖的結(jié)構(gòu)方案,因此在設(shè)計時需考慮以下幾點:

(1) 具備適應(yīng)單個和雙集裝箱鎖的靈活拼裝結(jié)構(gòu)方案;

(2) 降低單一零部件的復(fù)雜程度,提高零部件在線可更換能力;

(3) 簡化與中梁模塊接口,滿足與魚腹梁段的靈活組合;

(4) 采用板材成型零部件,減少焊鑄件數(shù)量,提高輕量化能力和鉚接適應(yīng)性。

大橫梁結(jié)構(gòu)為雙集裝箱鎖的雙單元支撐結(jié)構(gòu),如圖4所示。單集裝箱鎖時可調(diào)整為一個單元支撐結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)采用三角形支持結(jié)構(gòu),降低單一零部件的復(fù)雜程度及外形尺寸。采用板材成型件,通過鉚接組裝與中梁之間可實現(xiàn)模塊化鉚接組對。滿足結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和自動化鉚接組裝要求。

3 整車設(shè)計優(yōu)勢

車輛可采用平車+結(jié)構(gòu)模式,車體作為承載的通用模塊,針對不同的貨物形式,配套不同功能的集裝箱實現(xiàn)不同車型的功能,實現(xiàn)整車層面的車輛功能模塊化。模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu),有利于底架的模塊化制造和維護(hù),同時通過對魚腹梁模塊的尺寸調(diào)整和大橫梁模塊的數(shù)量及結(jié)構(gòu)調(diào)整,可實現(xiàn)車輛長度及裝載工況的靈活轉(zhuǎn)換。

沖壓成型零部件減少了焊鑄造件的使用,保證了零部件的尺寸精度、互換性和批量生產(chǎn)能力,提高了車輛的輕量化水平。

底架的鉚接結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點:避免了焊接變形和焊后調(diào)修,提高了組裝精度和組裝效率;降低了組裝對環(huán)境、設(shè)備和人員的要求;成型質(zhì)量更易控制,有利于車輛的自動化生產(chǎn);減少了焊接結(jié)構(gòu)的組裝夾具,降低了制造企業(yè)裝備和設(shè)備的投入;適于零部件重復(fù)組裝,為模塊化的制造、維護(hù)提供了便利;避免了不同材料間無法組焊問題,提高了原材料的選擇范圍,更容易實現(xiàn)車體的輕量化。

4 車體強(qiáng)度

為了同時滿足國內(nèi)外市場的需求,分別采用TB/T 3550.2—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體 第2部分 貨車車體》和EN 12663-2:2010《鐵路應(yīng)用設(shè)施 鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求》對車體進(jìn)行了強(qiáng)度仿真。

仿真計算遵循先整體后局部的方式進(jìn)行分布計算:

(1) 整體仿真,首先采用整體殼單元模型對整車進(jìn)行建模,鉚接結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬,整體計算為了獲取板材的大應(yīng)力區(qū)域和鉚釘?shù)膬?nèi)力,以便對車體結(jié)構(gòu)和鉚接方式進(jìn)行優(yōu)化,經(jīng)過多次優(yōu)化獲得較為合理的車體結(jié)構(gòu)。

(2) 局部仿真,對應(yīng)力較大的板材和內(nèi)力較大的鉚釘進(jìn)行子模型仿真,采用實體單元、接觸單元以及預(yù)緊力單元建立鉚接結(jié)構(gòu)的有限元模型,以便獲得更精確的應(yīng)力結(jié)果。

仿真結(jié)果表明,基于鉚接結(jié)構(gòu)的模塊化平車可滿足鐵標(biāo)和歐標(biāo)的設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

鉚接結(jié)構(gòu)給車輛制造及維護(hù)帶來了諸多便利,但底架作為車輛承載結(jié)構(gòu),其受力情況復(fù)雜,鉚釘?shù)氖芰η闆r及鉚接質(zhì)量決定了車輛安全性。因此還需通過理論計算和試驗數(shù)據(jù)對比,進(jìn)一步優(yōu)化鉚釘布置及排列型式。另外在鉚接處的密封、鉚釘強(qiáng)度與板材強(qiáng)度匹配上還要進(jìn)一步進(jìn)行研究優(yōu)化。

模塊化的車輛有諸多優(yōu)點,但在進(jìn)行模塊化設(shè)計時應(yīng)充分考慮模塊化的裝配工藝要求,將模塊化制造和維護(hù)的概念深入到設(shè)計中。處理好各模塊間的接口關(guān)系,便于快速可靠連接,相信模塊化概念在鐵路貨車的設(shè)計和制造中必將進(jìn)一步得到推廣應(yīng)用。采用模塊化、環(huán)保設(shè)計理念的集裝箱專用平車將是鐵路貨運裝備下一步研發(fā)的方向,板材成型零部件、鉚接工藝和模塊化結(jié)構(gòu)的概念應(yīng)用為下一代鐵路貨車提供了新的途徑。