一種鋼軌銑磨車車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李銀山

（中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215）

1 背景介紹

鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，是綜合交通運(yùn)輸體系的骨干和主要運(yùn)輸方式之一[1]。作為鐵路系統(tǒng)中的核心部件，鋼軌在對(duì)機(jī)車車輛提供導(dǎo)向作用的同時(shí)，也將所承受的機(jī)車載荷傳遞給鐵路路基或橋隧，由于服役過程中時(shí)刻受到來自垂向、橫向以及縱向的復(fù)雜多變的載荷和沖擊作用，其表面和內(nèi)部容易出現(xiàn)各種損傷和缺陷，如波磨、裂紋、剝離、壓潰、點(diǎn)蝕和肥邊等。這些損傷和缺陷若得不到及時(shí)處理和有效控制，鋼軌將因不斷惡化而失效，帶來高額維護(hù)成本[2]。

目前，國(guó)內(nèi)主要的鋼軌在線維護(hù)方式有鋼軌打磨和鋼軌銑磨兩種。鋼軌銑磨機(jī)在鋼軌維護(hù)性輪廓修復(fù)、處理病害較重的鋼軌方面具有優(yōu)勢(shì)，作業(yè)效率較高，作業(yè)過程環(huán)保，火花飛濺少，利于防護(hù)[3]。

2 面臨的問題

中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司生產(chǎn)的一種鋼軌銑磨車，于2014年1月完成樣車的生產(chǎn)和調(diào)試，交付用戶單位使用。2014年1月至今，樣車在用戶單位施工作業(yè)累計(jì)超過500 km，包括開“開窗”進(jìn)行正線集中修復(fù)。

樣車按質(zhì)按量按時(shí)完成線路修復(fù)工作，它的施工效果和施工效率贏得了用戶單位的認(rèn)可。同時(shí)，它還節(jié)省了人力，通過車上集成的集塵減排、節(jié)能環(huán)保設(shè)施解決了用戶的一個(gè)痛點(diǎn)問題，為操作者提供了良好的工作環(huán)境。

但是隨著使用年限的增加，樣車一些設(shè)計(jì)方向的缺陷也逐漸暴露出來。比如說整車重心過高，軸重分布不均，整車外觀造型不協(xié)調(diào)，功能間分布不合理等。特別是隨著車齡的增加，維修保養(yǎng)難度大已成為困擾用戶的主要問題，直接制約了該產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

3 解決思路

為適應(yīng)市場(chǎng)的需求，擴(kuò)大此車型的市場(chǎng)份額，該公司啟動(dòng)了對(duì)該車的優(yōu)化工作。針對(duì)用戶反饋的問題，結(jié)合這幾年的維護(hù)和保養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)整車的功能和布局進(jìn)行了重新梳理和布置。

為適應(yīng)新布局，在保持原關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，對(duì)A、B兩車的車架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證車架強(qiáng)度的同時(shí)，精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，控制重量，盡可能減重，控制軸重，考慮工藝性，降低生產(chǎn)難度，方便修理和養(yǎng)護(hù)。

優(yōu)化主要落實(shí)在以下幾個(gè)方面：

（1）更換槽鋼為矩形管，作用：增加截面面積大小，提高材料屈服強(qiáng)度。

（2）增加過線孔，作用：方便管線布置，減少安全隱患，方便檢修和養(yǎng)護(hù)。

（3）在相應(yīng)位置開槽、挖孔，作用：預(yù)留拆卸空間，方便檢修和養(yǎng)護(hù)，控制重量。

（4）在相應(yīng)位置增加補(bǔ)強(qiáng)筋板，作用：優(yōu)化應(yīng)力分布，減少應(yīng)力集中。

（5）優(yōu)化焊縫和焊接坡口設(shè)計(jì)，作用：增加焊縫可達(dá)性，方便施焊，保證焊接接頭強(qiáng)度。

（6）對(duì)各類支座進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，作用：精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，方便生產(chǎn)，方便管線代布置。

4 方案對(duì)比

經(jīng)過反復(fù)的討論、修改和論證，得到了較為滿意的新車方案。A、B兩車架優(yōu)化前后的三維模型對(duì)比如圖1、圖2所示。

圖1 A車車架新舊方案對(duì)比

圖2 B車車架新舊方案對(duì)比

在整個(gè)過程中，我們利用有限元分析軟件Ansys指導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化完成后進(jìn)行了靜強(qiáng)度校核。校核采用的標(biāo)準(zhǔn)是TB/T3550.2-2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 車體 第2部分 貨車車體》以及GB/T25337-2018《鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械通用技術(shù)條件》。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們針對(duì)以下幾種工況進(jìn)行計(jì)算，具體如表1所示。

表1 計(jì)算工況

其中，車架的垂向剛度計(jì)算要滿足標(biāo)準(zhǔn)[4]中的公式：

式中：f為最大撓度，也即是車架的最大垂向變型；L為車輛的心盤定距。A車定距13 650 mm，得其最大撓度為15.167 mm；B車定距11 300 mm，得其最大撓度為12.56 mm。

車架結(jié)構(gòu)為焊接的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)于韌性材料應(yīng)計(jì)算Von Mises應(yīng)力[5]，Von Mises應(yīng)力按公式（2）計(jì)算。

式中：σe為當(dāng)量應(yīng)力，單位為MPa；

σi（i=1，2，3）為主應(yīng)力，單位為MPa。

計(jì)算得到的當(dāng)量應(yīng)力σe不應(yīng)超過材料的許用用力。車架所用各種材料的許用應(yīng)力見表2。

為了更直觀地對(duì)比新舊方案的優(yōu)劣，對(duì)每個(gè)車架進(jìn)行了3種不同情況下的校核：

（1）樣機(jī)車架3個(gè)工況下的校核計(jì)算。

表2 許用應(yīng)力表

（2）新方案車架3個(gè)工況下的校核計(jì)算。

（3）新方案車架+車體3個(gè)工況下的校核計(jì)算。

校核結(jié)果整理如表3所示。

通過表3的對(duì)比，我們可以清楚地看到，優(yōu)化后A、B兩個(gè)車架不管是撓度還是應(yīng)力，都有明顯下降。特別是車架+車體的情況下，撓度下降特別明顯。

新方案為整體式承載車身，車體與車架拼焊為一體后，作為整機(jī)的承載結(jié)構(gòu)，因此車架+車體的情況更貼合實(shí)際情況，其計(jì)算結(jié)果更具參考價(jià)值。

圖3～圖8為A、B兩車在新方案下車架+車體在垂向靜載、拉伸和壓縮三個(gè)工況下的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于部分應(yīng)力集中的區(qū)域，選用Q420D材料，其許用應(yīng)力值為262 MPa，兩車的撓度、最大應(yīng)力均在許用值以內(nèi)，強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 校核結(jié)果對(duì)比

圖3 A車新方案車架+車體垂向靜載撓度

圖4 A車新方案車架+車體拉伸工況

圖5 A車新方案車架+車體壓縮工況

圖6 B車新方案車架+車體垂向靜載撓度

圖7 B車新方案車架+車體拉伸工況

圖8 B車新方案車架+車體壓縮工況

5 結(jié)語

得益于有限元分析軟件的使用，優(yōu)化過程中少走了很多彎路，這與部門同事在設(shè)計(jì)方面和有限元軟件使用方面多年的傳承和積累是密不可分的。

優(yōu)化后的車架新方案得到了專家組的一致肯定，順利通過評(píng)審。整車的其他項(xiàng)目評(píng)審也順利通過，新車目前已投入生產(chǎn)。相信優(yōu)化后的鋼軌銑磨車一定會(huì)讓用戶眼前一亮，讓我們拭目以待。