（光学工程专业论文）25t轴重新型铁路自翻车研制.pdf

北京交通大学工程硕士专业学位论文 摘要 本文研究了国内自动倾翻车的发展趋势与现状，介绍了 新型自翻车的结构特点及主要技术性能参数，针对该车的主要 结构及关键部件进行了方案优化设计，重点论述针对该项目所 展开的结构方案设计、技术设计、设计评审、强度计算及刚度 校核等工作的思想、理论依据、结论等。新型自翻车在技术设 计过程中尽可能使用了通用件、标准件、成熟的零部件，并符 合相关的国家标准、行业标准及企业标准，以提高产品的通用 性和可检修性，提高标准化程度。在此基础上，提出工程实现 的条件、方法以及执行的相关标准和必要的试验。 本次设计使用了计算机辅助技术绘图。另外使用了 i deas 软件进行三维绘图造型，同时完成了新型自 翻车车体有限元强度计算、车辆动力学性能分析、车辆倾翻卸 货工况安全性校核、转向架弹簧参数计算、制动计算等，提出 了该车的技术关键对自翻车的设计开发进行了技术可行性分 析。 本文介绍了新型自翻车进行的各类型式试验，计算、试验 表明：所设计的新型自翻车静强度完全满足t b l 3 3 5 一1 9 9 6 铁 道车辆强度设计及试验鉴定规范之要求；车辆的运行平稳性 和脱轨安全性等动力学性能指标符合g b 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动 力学性能评定和试验鉴定规范规定的要求。 关键词：自翻车、倾翻、有限元、强度、计算、校核 北方交通大学颐士研究生学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，m a i n l vs t u d i e dt h ed e v e l o d i n g 仃e n da n ds t a t u s q u oo fi na n do v e r s e a sa u t oc a r e e nt u mo v e rw a g o n 。i n t r o d u c e d t h es t r u c t u r ec h a r a c t e ra n dm a i nt e c h n o l o g vd e m o n s t r a t i o no ft h e n e wk i n do fa u t oc a r e e nt u r no v e rw a g o n ，c a r r yo u tt h ep r o j e c t d e s i g ni 1 1 u s t r a t i o nt ot h eg e n e r a ls t l l 】c t u r ea n dk e yp a r t s ，p r o p o s e d t h ek e vt e c h n i c a la n dt e c h n i c a le c o n o m i cb e n e f i t f o c u s e do nt h i s p r o j e c t s s t r u c t u r es c h e m ed e s i g n ， t e c h n 0 1 0 9 yd e s i g n ，d e s i g n e v a l u a t i o n ，s t r e n g t hc a l c u l a t i o n ，r i g i d i t yv e r i f y i n ga n dt h e i r sb a s i s o ft h o u 2 h t sa n dt h e o r i e sa sw e l la sc o n c l u s i o n t h en e ws t r u c t u r e a u t oc a r e e nt u mo v e rw a g o nu s e da sp o s s l b l ea sg e n e r a lp a r t s 、 s t a n d a r d i z e d p a r t s 、 m a t u t ep a r t si nt h ed e s i g n i n gp r o c e s si n a c c o r d a n c ew i t hr e l a t i v en a t i o n a ls t a n d a r d s t r a d es t a n d a r d sa n d b u s i n e s ss t a n d a r d st oi m p r o v et h ep r o d u c ta b i l i t yt ob ec o m m o n u s e da n de a s 订vr e 口a i r e da n di m p r o v ei t ss t a n d a r d i z e dl e v e l s o t h ec o n d i t i o n sa n dm e t h o d s t oa c c o m p l i s ht h i s p r o je c t a n d r e l a t i v es t a n d a r d s、 n e c e s s a r ve x p e r i m e n t sc o u l db es u b m i t t e d c a d ( c o n l p u t e ra i d e dd e s i g n ) i sa p p l i e di n t h i s d e s i g n i d e a ss o f t w a r ei sa l s ou s e dt os h a p e3 dm o d e l s ，a n dn n i s h e d t h e6 n i t ee l e m e n ts t r e n g t hc a l c u l a t i o no ft h en e wk i n do fa u t o c a r e e nt u mo v e rw a g o n ，d y n a m i cc a p a b i l i t ya n a l y s i so fw a g o n ， s e c u r i t yc h e c k i n gt h et u mo v e ru n l o a d i n gw o r k i n gc o n d i t i o no f w a g o n ，p a r a m e t e rc a l c u i a t i o no fb o g i es p r i n g ，b r a k ec a l c u l a t i o n ， g i v eo u tk e yt e c h n 0 1 0 9 yf o ra n a l y z e dt e c h n 0 1 0 9 yf e a s i b i l i t y t o w a r dt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h i sw a g o n t h i st h e s i si n t r o d u c e da l lk i n d so ft e s t so fa u t oc a r e e nt u m o v e rw a g o n ，c a l c u l a t i o ns t u d va n dt e s t sm e a n st h a t ：t h es t a t i c s t r e n g t ho ft h en e wk i n do fa u t oc a r e e nt u mo v e rw a g o nw h i c h b e e nd e s i g n e dt o t a l l yf i tt h ed e m a n do ft b l 3 3 5 1 9 9 6 r a i h a y i i ! ! 室銮望奎堂三堡耍主主些堂堡笙奎 w a g o ns t r e n g t hd e s i g na n dt e s t i d e n t i f yc r i t e r i o n ； r u n n i n g p l a c i d i t ya n dd i g r e s s i o ns e c u r i t ye t co ft h ed y n a m i c sc a p a b i l i t y g u i d e l i n e o ft h e w a g o nn t t h ed e m a n dt h e r u l i n g o ft h e g b 5 5 9 9 罐5 r a i l w a y w a g o n sd y n a m i c sc a p a b m t ya s s e s sa n d t e s t i n ga p p r a i s a lc “t e r i o n 】 k e yw o r d s ：a u t oc a r e e nt u mo v e rw a g o nt u mo v e r n n i t e e l e m e n t s t r e n g t h c a l c u l a t i o n c h e c k 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 为了提高铁路运输能力和竞争力，实现铁路运输矿石等散装 货物装备水平的提升，多年来，我厂对铁路运输散装货物的专用 车辆的研制发展十分重视，先后研制、生产k l3 系列石碴漏斗车 及石灰石漏斗车、k 1 8 系列煤炭漏斗车、k 1 4 系列铁矿石漏斗车 等铁路运输专用车。近年来，随着我国铁路货车技术政策的快速 推进，成熟的制动、牵引技术不断扩大装车使用以及新材料的应 用，原有铁路自翻车己不能适应冶金、采矿等行业铁路运输发展 的需要。研制2 5 t 轴重新型铁路自翻车势在必行，我厂在充分进 行市场调研、用户访问基础上提出了研制2 5 t 轴重新型铁路自翻 车研制方案。 1 。1 铁路自翻车现状 我国冶金、采矿行业使用的自翻车大部分是六、七十年代生 产的k f 一6 0 型自翻车，该型车制动系统采用的是g k 型制动阀、 制动管系螺纹连接、没有手制动机、各种板材采用q 2 3 5 一a 材质、 车钩缓冲装置采用2 号车钩或普通材质13 号车钩，三号或二号 缓冲器、转向架采用h 2 e 型滑动轴承等。 近年来，随着我国铁路货车技术政策的快速推进，新技术、 新材料在其他各型货车上已经得到广泛应用，在运行速度、安全 性和车辆使用寿命等方面发生了质的飞跃。而自翻车由于近年来 没有进行过大的技术改进，技术水平落后，尤其是在走行部方面， 一直没有一个定型、可靠的适应铁路重载政策的转向架。基本上 不具备正线提速运营的条件，只能在企业内部和专用线路上使 用。但随着冶金、采矿行业的发展壮大，矿石运输量的增加，运 北京交通大学工程硕士专业学位论文 输路径点对点区间的延长，特别是跨省区间的国铁线路运输，供 应途径在地区上的多样性差异，原有的矿石运输车辆制约企业发 展的问题已显露出来。 铁路自翻车运用特点及其背景： ( 1 ) 我国大型冶金、采矿企业大部分都是五、六十年代建立的， 其卸料坑都是单边料坑，现有的矿石漏斗车无法使用，单边卸 料势必偏载，造成安全隐患。如果改造卸料地面设施，其改造 费用比购置卸车设备要高的多。而且有的企业受空间和地域限 制，地面设施无法进行改造。自翻车任何一边都可以卸料，完 全满足单边卸料的要求。 ( 2 ) 各大型企业虽然可以用敞车来单边卸料，但对于没有机械化 卸车设备的企业只能人工卸车。机械化翻车机的投入和维护费 用都很高。人工卸车成本高，卸车效率低，而使用自翻车卸车 1 分钟就可以卸完，效率很高。 ( 3 ) 自翻车可以装用大块矿石，而其他矿石漏斗车有粒度限制。 这就需要采矿单位购置矿石粉碎设备，增加成本。 1 22 5 t 轴重新型铁路自翻车方案设计思路 2 5 t 轴重新型铁路自翻车是针对国内现有k f 一6 0 型自翻车在日 常应用中存在的问题，在综合考虑了铁道车辆提速和重载发展趋 势的基础上为充分满足用户要求而开发研制的一种新型自翻车。 该车在车体、底架设计、风手制动系统设计、车钩缓冲装置和走 行部等各方面均采用了目前国内铁道车辆的先进技术和新型材 料，具有车体强度高、耐腐蚀性强、检修周期长、维修保养费用 低、运营成本低。并可满足在现有国铁正线运营等特点。 1 2 1 车体、底架钢结构方案确定 考虑结构的继承性和配件的标准化、简统化及互换问题，同时 根据个别结构件或配件的易损和修换的频繁程度，合理的采用了 原k f 一6 0 铆焊混合结构。车体、底架车体的高强度、轻量化和防 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 腐耐蚀方案设计是该车在设计中首要考虑的问题。 车体的钢结构对车辆的自重和强度影响最大，因此该车的车 体设计采用了新材料。全部板材采用耐侯钢，主要结构的板材厚 度相应比原k f 一6 0 采用板材厚度减薄l 2 m m 。车体自重降低 o 7 t 。2 5 吨轴重新型自翻车采用与转k 6 型转向架相配套的锻造 上心盘和新型上旁承。心盘加强板采用整体结构。 1 2 2 风手制动装置方案确定 原k f 一6 0 自翻车采用g k 型制动机、制动系统管系螺纹连接、 制动缸为非密封式的普通制动缸。折角塞门为普通折角塞门。没 有设置空、重车手动两级调整装置，运行过程中容易擦伤车轮。 新的货车制动新技术没有得到应用。 2 5 t 轴重新型铁路自翻车较好的采用了目前铁路制动新技术， 风制动装置采用l2 0 ( 改进型) 制动机、2 5 4 2 5 4 整体旋压密封 式制动缸、组合式集尘器、球芯折角塞门、编织制动软管总成、 高摩合成闸瓦、制动管系采用法兰连接、制动管系磷化处理等。 手制动机采用n s w 型手制动机。 1 2 3 车钩、缓冲装置方案确定 2 5 t 轴重新型铁路自翻车采用c 级钢材质的1 3 号上作用车钩、 c 级钢材质的1 3 a 型钩尾框、m t 一2 型缓冲器或m t 一3 缓冲器。钩 尾框托板及钩托梁采用f s 型防松螺母。i o 9 级高强度螺栓紧固。 1 2 。4 转向架方案确定 装用符合运装货车 2 0 0 3 3 2 6 号文件批复的转k 6 型转向架。 采用转k 6 转向架的2 5 吨轴重新型自翻车可在国铁正线运行，其 商业运营速度达1 2 0 k m h ，满足铁路重载提速技术政策要求。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第二章新型自翻车技术生能分析 2 1 新型自翻车和k f 一6 0 的比较 2 5 t 轴重新型自翻车是针对国内现有的k f 一6 0 型自翻车在日 常应用中存在的问题，在综合考虑了铁道车辆提速和重载发展趋 势的基础上为充分满足用户要求而开发研制的一种新型自翻车。 该车在载货厢体、底架设计、风手制动系统设计、车钩缓冲装置 及走行部等各方面均采用了目前国内铁道车辆的先进技术和新 型材料，具有车体强度高、而耐腐蚀性强、检修周期长、维修保 养费用低，运用成本低，并可满足现有国铁正线运营等特点。 k f 一6 0 型自翻车大多是六、七十年代生产的，该车型的制动 系统采用g k 型制动阀，制动管为螺纹连接，没有手制动机、各 种板材采用q 2 3 5 一a 材质，车钩缓冲器采用2 号车钩或普通材质 l3 号车钩，三号或二号缓冲器，转向架采用h 2 e 滑动轴承。侧 门折页下部超过了机车车辆限界，没有闸调器。基本上不具备正 线提速运营条件，只能在企业内部和专用线路上使用。 2 2 新型自翻车技术性能分析 该车总体设计的原则是兼顾提速、重载对车体强度的要求， 降低应用成本、延长使用寿命。在具体的技术设计过程中重点考 虑以下几方面： 1 车体的钢结构对车辆自重和强度影响最大，因此车体的高强 度、轻量化和防腐耐蚀设计是该车在设计中首要考虑的问题。 2 该车在结构设计上以运用为第一原则，尽量采用标准化、通 用化的零部件，以方便制造和检修工作。全车主要钢板均采用耐 候钢材质，车体的强度、刚度能适应提速、重载的要求。车辆结 构安全可靠，各构件的结构强度好、连接件之间的结合牢固。选 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 用新的材料和新的结构以减轻车辆自重，增加车体强度，并提高 耐腐防蚀性能，延长使用寿命。 3 车体主要由车体底架、两侧侧门及两端壁组成。车体底架由 中梁、侧梁、主横梁等组成一体构架。中梁为1 3 0 0 1 2 8 l l 的 工字钢，两侧边梁采用高强度耐候钢15 0 x 9 0 x 8 规格的冷弯z 型 钢，横梁为 3 0 0 1 2 8 l l 槽钢，大横粱为1 3 0 0 x8 5 7 5 工字 钢。枕梁两端铆有转轴上座，该座在正常位置时把载货厢体的载 荷传递到底架枕梁上，在倾翻卸货时作为载货厢体倾翻的转动轴 心。在顶横粱上以螺栓组装有顶铁轴承，它是倾翻缸顶起载货厢 体倾翻卸货时的支撑点。中梁下部焊有支座挡铁，以防止车厢纵 向窜动。 侧门采用以贯通的上檐梁为主要纵向承载梁，它与折页、下 檐梁、侧筋柱组成一体结构。侧门用折页销轴与车体底架相销， 通过侧门开闭机构可随载货厢体的倾翻而开启卸货。 端壁由上檐梁与端角柱组成构架，并与端壁板组焊成一体。 角柱下部与端壁板间焊有角型加强筋，以防止压帮扫车时损坏。 为便于上、下车和保证上、下车的安全，上檐板、端柱间焊有脚 踏并铆有扶手。 4 底架用两根5 9 6 1 9 9 l5 l o 、q 3 4 5 b 材质的h 型钢与上、 下盖板、隔板组成鱼腹形的底架中梁与端、枕梁组成主体构架。 在底架中梁的两侧组焊有倾翻缸架、方支承、人字形支承和其它 安装制动及倾翻管路的附件。端梁两侧铆有脚蹬，为保护制动及 倾翻管路的连接塞门，在端梁外侧焊有防护檐。端梁上安装扶手。 采用锻造上心盘并加装心盘磨耗盘。枕梁上焊有转轴下座并 装有转轴，以支撑车厢载核并作为载货厢体倾翻卸货时的转动 轴。在底架中梁上安装铁路货车车号自动识别系统车辆标签。 5 倾翻装置主要由倾翻管路系统、倾翻缸、侧门开闭机构等部分 组成。 倾翻管路系统由管路、储风筒及各种阀类组成，它是载货厢 体倾翻卸货的操作系统。通过操纵阀使压缩空气进入倾翻缸，顶 起载货厢体进行倾翻卸货。 e 北京交通大学工程硕士专业学位论文 倾翻缸采用两级活塞式结构，由内、外活塞、活塞杆、倾翻 缸外套、顶铁等组成。铸铁的内、外活塞均以橡胶皮碗及压圈等 密封。倾翻缸通过轴承安装在底架的缸架上，活塞杆上端以顶铁 与载货厢体相连接。 侧门开闭机构由折页、支肘、滚子等组成。它是控制侧门开 闭的随动机构，直接决定车辆的倾翻性能。 6 转向架 采用符合运装货车 2 0 0 3 3 2 6 号文件批复的k 6 型转向架。 转k 6 转向架为铸钢三大件式货车转向架。一系悬挂采用改 进型轴箱橡胶垫：两侧架之间加装下交叉支撑装置；二系悬挂采 用带变摩擦减振装置的中央枕簧悬挂系统，摇枕弹簧为二级刚 度；采用直径为3 7 5 m 丌】的下心盘，下心盘内设有含油尼龙心盘磨 耗盘；r e 2 a 型5 0 钢车轴及l m 磨耗型踏面的新结构轻型铸钢车 轮；采用双作用常接触弹性旁承：基础制动装置采用高摩合成闸 瓦、单侧闸瓦制动装置，l a 或l b 型组合式制动梁，采用奥一 贝球铁衬套；摇枕、侧架材质为b 级铸钢，侧架采用宽导框式结 构。 7 空气制动装置能满足5 0 0 k pa 和6 0 0 k p a 的制动主管压力，采 用改进1 2 0 型控制阀、直径为3 5 6 m m 的整体旋压密封式制动缸、 s t 2 2 5 0 型双向闸瓦间隙自动调整器、球芯折角塞门、组合式集 尘器、编织制动软管总成、法兰接头、高磷铸铁闸瓦、奥一贝球 铁衬套及配套圆销等。制动管系全部进行磷化处理。 8 车钩缓冲装置 车钩缓冲装置采用c 级钢材质的1 3 号上作用车钩、c 级钢材质 的1 3 a 型钩尾框、m t 一3 型缓冲器。钩尾框托板及钩托梁采用f s 型防松螺母。1 0 9 级高强度螺栓紧固。 北京交通大学l 程硕士专业学位论文 2 3 设计目标、性能、参数及基本尺寸 载重( t ) 白重( t ) 自重系数 容积( 【r 1 3 ) 每延米轨重( t 【r i ) 轴重( t ) 车辆最大宽度( 侧门折页的外侧距离) ( m m ) 车辆最大高度( 车厢顶部至轨面的距离) ( m m ) 车辆长度( m 玎1 ) 车辆定距( 唧) 车钩高( m m ) 底架长度( m m ) 车厢倾翻角度 车厢侧门全开角度 倾翻缸工作压力( m p a ) 倾翻缸数 倾翻缸活塞推力( 按0 外活塞 内活塞 储风简容积( m 3 ) 制动装置： 空气控制阀 制动缸 手制动机 转向架： 4 9 m p a 风压计算) ( t ) 6 0 3 4 8 0 5 8 2 9 7 0 3 2 5 3 2 2 9 2 4 8 7 1 3 4 9 2 8 9 0 0 8 8 0 1 2 5 6 2 4 5 。 4 5 。 o 4 9 d 2 3 1 7 1 o 7 6 改进型1 2 0 阀 2 5 4 2 5 4 整体旋压密封式 n s w 型 转k 6 型转向架或转k 5 型转向架 固定轴距( m m ) 轮径( m m ) 商业运营速度( k m h ) 7 1 8 3 0 由8 4 0 l2 0 北京交通大学工程硕士专业学位论文 通过最小曲线半径( m ) 轨距( m m ) 制动距离( 重车、紧急，m ) 12 0 k m h 制动初速度时 车钩缓冲装置： 车钩 缓冲器 钩尾框 1 4 5 1 4 3 5 1 4 0 0 13 a 型上作用( c 级钢) m t 一2 型或m t 一3 型缓冲器 13 a 型钩尾框( c 级钢) 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第三章车体设计与计算 在机械产品设计中，经常有两类问题需要解决：一 类是强度问题，例如在车辆的结构设计中，对车体结构 的应力强度、疲劳强度的计算。通常物体的强度是靠控 制它内部的最大应力来保证的，即盯。b j ( b j 为材 料的许用应力) 。另一类问题是刚度问题，例如车辆在 重载时，车体最大垂向位移必须满足铁道车辆强度设 计及试验鉴定规范( t b tl3 35 19 9 6 ) 的规定要求。 弹性力学原则上可以提供关于应力和位移的计算 方法，但实际上，由于结构的复杂性，特别是车体、转 向架等大件的结构复杂性，长期以来主要应用经验类比 设计，对车体等的动、静、热特性只能作定性分析和经 验类比估算。在决定实际结构时，取较大的安全系数， 结果使产品“傻、大、粗”，材料的潜力不能充分发挥， 产品性能也难以把握，只有等到样机制成，进行各种性 能试验时才能有所了解，对薄弱环节提出改进方案，这 样必然导致设计、制造周期长，成本高。 传统的设计方法已越来越不能适应科学技术及生 产技术的发展，近2 0 年来，由于计算机的应用，正在 设计领域中进行着一场深刻的革新，如用理论设计代替 经验设计，用优化设计代替一般设计，用动态分析代替 静态分析等等，而有限元方法为在设计阶段掌握产品性 能提供了强有力的工具。可以认为有限元计算是利用计 算机对机械产品动、静、热特性进行了模拟试验。随着 计算机及计算技术的发展，机械产品设计已进入计算机 辅助设计及自动设计时代，目前它正以有限元一一优化 设计为中心不断地向前发展。 有限元方法是数值计算中的一种离散化方法，用数学 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 术语来说，就是从变分原理出发，通过分区插值，把二 次泛函( 能量积分) 的极值问题化为一组多元线性代数 方程来求解【3 1 】。人们知道，直接从一个微分方程推导出 它的泛函，常常是很复杂的，有时甚至是不可能的，所 以在求泛函时常借助于所研究问题的物理特性。 从物理或几何概念来说，有限元方法是结构分析的一 种计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域 中的发展和应用，其基本思想是将弹性连续体划分成有 限个小单元体，它们在有限个节点上相互连结，如图3 1 所示。在一定精度要求下，对每个单元用有限个参 数来描述它的力学特性，而整个连续弹性体的力学特 性，可认为是这些小单元体力学特性的总和，从而建立 起连续体的力的平衡关系。 ( a )( b ) 图3 一l 有限元方法 对于货车车体来说，由于其结构和受力情况比较复 杂，应用有限单元法，在计算机上求解，是当前分析强 度、刚度问题最为行之有效的方法。 本章介绍新型自翻车采用有限元方法进行强度、刚度 计算校核的思路，以及主要结论。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 1 结构离散 在新型自翻车结构分析模型中，结构进行了适当和必 要的简化，忽略了对车体结构强度、刚度计算影响很小 的一些因素。 在单元选择时，考虑到该车结构对称，有限元网格采 用了四边形单元，且有足够的网格密度。 在该计算模型中，有限元离散结构的底架节点总数为 5 4 2 31 ，单元总数为55 4 15 ；车厢节点总数为3 98 0 0 ，单 元总数为4 0 632 。 3 2 约束处理 在车厢与底架分开建模后，对车厢而言，在被支承处 施加位移约束条件；对车体而言，支承车厢处旌加由车 厢传递的载荷，在心盘处施加相应的位移约束。 3 3 计算模型 计算模型包括计算工况、边界条件、合适的单元选择及相关 的技术处理。 根据设计资料，计算中将车厢与底架分别建模，因该车结构 对称，除倾翻卸货工况沿纵向取二分之一结构建模外，其余计算 工况取四分之一结构建模。 用于划分网格的几何如图3 2 所示： 北京交通大学工程硕士专业学位论文 ( a ) 车厢几何模型 ( b ) 底架几何模型 图3 2 用于划分网格的几何模型 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 四分之一结构的有限元模型( 包括对称边界条件) 所示： ( a ) 车厢有限元模型 ( b ) 底架有限元模型 图3 3四分之一结构的有限元模型 北京交通大学工程硕士专业学位论文 二分之一结构的有限元模型如图3 4 所示： ( a ) 车厢有限元模型( 单元：3 9 8 0 0 节点：4 0 6 3 2 ) ( b ) 底架有限元模型( 单元：5 4 4 15 节点：5 4 2 3 1 ) 图3 4 二分之一结构的有限元模型 从图3 3 与图3 4 中可以看出，有限元网格均采用了四边形 单元，且有足够的网格密度。 1 4 北京交通人学工程硕士专业学位论文 3 4 计算载荷 根据铁道车辆强度设计及试验鉴定规范( t b t l3 5 5 一一 1 9 9 6 ) 的规定，以及计算任务书，本次计算载荷如下。 3 4 1 车厢模型载荷工况： ( 1 ) 垂直总载荷 【车辆自重+ 载重】+ 动载系数( 1 3 4 ) 车厢自重：1 2 6 3 t 载重：6 5 t 1 15 ( 雨雪增载) ( 2 ) 第一工况散粒货物侧墙压力 ( 3 ) 第二工况散粒货物侧墙压力和端墙压力 以上工况根据铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 ( t b t 1 3 5 5 一一1 9 9 6 ) 的规定计算。 合成工况一： 第一工况散粒货物侧墙压力与垂直总载荷产生的应力相合 成，其合成应力不得大于规范中第一工况的许用应力。 合成工况二： 第二工况散粒货物侧墙压力和端墙压力与垂直总载荷产生 的应力相合成，其合成应力不得大于规范中第二工况的许用应 力。 车厢材料的许用应力列于表3 1 。 表3 1车厢材料的许用应力 低合金钢普通碳素钢低合金铸钢低合金铸钢 ( 1 6 h 1 ) ( q 2 3 5 一a )( b 级钢)( c 级钢) 第一工况 2 1 6 呼a1 6 1 k 皿a1 5 0 m p a1 9 5 口a 第二工况 2 9 3 【p a2 1 2 m p a2 0 0 口a2 5 9 m p a 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 4 2 底架模型载荷工况 ( 1 ) 垂直总载荷 车辆自重+ 载重 动载系数( 1 3 4 ) 车辆自重：3 5 4 8 2 ( 转向架重) 载重：6 5 1 15 ( 雨雪增载) ( 2 ) 拉伸工况 第一工况纵向拉伸力：1 l2 5 ( k n ) ( 3 ) 压缩工况 第一工况纵向压缩力：1 4 0 0 ( k n ) ； ( 4 ) 压缩工况 第二工况纵向压缩力：2 2 5 0 ( k n ) ( 5 ) 扭转工况 4 0 k n m ( 6 ) 倾翻卸货工况 当卸载倾翻( 4 5 度角) 时，由静力平衡关系，可以推导出 底架所受之力。将此力作用于相应部位上即可计算倾翻工况的底 架应力。 合成工况一： 第一工况纵向拉伸压缩力产生的应力与垂童总载荷、侧向 力( 取垂直静载荷的7 5 ) 、扭转载荷的应力相合成，其合成 应力不得大于规范中第一工况的许用应力2 1 6m p a ) 。 合成工况二： 第二工况纵向压缩力产生的应力与垂直静载荷产生的应力 相合成，其合成应力不得大于规范中第二工况的许用应力( 2 9 3 m p a ) 。 底架材料的许用应力列于表3 2 。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表3 2底架材料的许用应力 低合金钢普通铸钢 ( q 3 4 5 g n h l ) ( z g 2 3 0 4 5 0 ) 第一工况 2 1 6m p a1 3 2m p a 第二工况 2 9 3m p a17 7m p a 3 5 计算结果及分析 3 5 1 刚度计算结果及分析 刚度由挠跨比评定，货车车体的挠跨比的规定值为： 厂】 二 = = ( 3 1 ) l ，9 0 0 、。一 式中：f 为中梁中央挠度( m ) ： 厶为车辆定距( m ) 。 该车的车辆定距为8 9 ( m ) ，计算的底架中梁中央挠度值为 o 0 0 l5 7 ( m ) ，因此： 挠跨比：旦：塑! ! ! ：o o j o l 6 4 上。 8 99 0 0 3 5 2 强度计算结果及分析 根据强度规范要求，本次计算给出的应力均为当量应力，即 冯米赛斯应力，单位为m p a 。 计算结果表明各工况下结构的最大应力均不超过许用应力。 表3 3 和表3 4 、3 5 分别给出车厢与底架关键部位的应力值。 1 7 j ! 室皇望盔兰三堡堡主主、业堂垡堡苎 表3 3车厢钢结构主要部位应力表单位：m p a 序应力 垂直 合成工况 倾翻 号部位 静载篇一第二工况 工况工况 1 中梁 1 0 71 4 41 3 1 2 边粱 13 21 7 413 8 3 大横梁1 与中梁相接处 1 1 41 2 915 5 4 大横梁2 与中梁相接处 6 7 91 2 36 5 6 5 顺梁 5 3 97 0 55 2 1 6 小横梁 5 7 67 7 56 0 6 7 大横梁与转轴上座相接处 6 38 4 46 5 9 8地板 5 4 7 7 3 4 6 3 9 9 上檐梁( 中部) 1 0 7 81 4 01 2 3 1 0 下檐粱( 中部) 1 4 6l8 81 1 2 l l 侧墙板( 中部) 1 3 81 9 01 6 5 1 2 折页 9 6 4 1 4 2 1 8 8 13 折页安装座 1 1 2 61 4 18 7 7 折页 1 48 1 91 2 l1 6 4 轴承 1 5 端柱 5 5 7 5 6 7 1 3 2 1 6 端板 3 1 1 3 1 74 2 4 8 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 4 底架钢结构拉伸、压缩工况下主要部位应力表 单位；m p a 序 应力部位 垂直 第一工况第一工况第二工况 拉伸压缩压 缩 号静载 ( 1 1 2 5 叼( 1 4 0 0 k n )( 2 2 5 0 k n ) 1 前从扳座后腹扳处 13 9 9 2 后从板座后下翼缘枕 1 4 8 o1 7 4 o2 8 0 o 粱加强板边沿 3 中梁心盘处上盖板4 0 ，4 4 中梁心盘处下盖扳4 1 8 5中梁中部上盖板l5 r 84 3 45 4 ，11 0 0 o 6中粱中部下盖扳13 o3 8 34 7 77 6 7 7 心盘加强板孔边 8 5 o1 3 7 0 8 枕梁上盖板( 与中梁搭 9 1 1 接处) 9 枕梁腹板( 孔边)8 7 9 i o枕梁腹板与转轴座连 接处 枕粱下盏板( 与中粱搭 1 l7 2 2 接处) 1 2枕中隔板 4 4 9 7 1 7 1 2 5 0 1 3转轴下座根部 3 1 2 1 4气缸架 枕粱与气缸架间中粱 1 5 腹板 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 5 底架钢结构合成与倾翻工况下主要部位应力表单位：m p a 序应力部位 第 第一压 第二 号 拉伸压缩倾翻倾翻 工况+ 缩工况 十其它 工况+4 5 度o 度 其它其它 i前从板座后腹板处1 4 0 o 2 后从板座后下翼缘枕梁 1 4 7 01 8 0 o2 8 4 加强板边沿 3 中梁心盘处上盖扳 4 中粱心盘处下盖板 5 中粱中部上盖板3 3 1了2 41 1 6 o 6 中梁中部下盖板5 6 02 9 86 3 5 7 心盘加强扳孔边8 3 7 1 3 3 2 6 7 8枕梁上盖扳( 与中粱搭接 12 6 1 0 8 77 5 91 4 81 8 7 处) 9 枕梁腹板( 孔边)l1 69 2 o6 9 4 2 3 81 3 6 1 0枕粱腹板与转轴座连接 2 6 86 8 2 处 枕梁下盖板( 与中粱搭接 1 16 4 1 1 1 31 1 81 2 715 8 处) 1 2枕中隔板 5 3 3 2 8 2 1 3 转轴下座根部1 9 0 1 4气缸架 2 2 5 1 6 9 枕粱与气缸架间中梁腹 15 17 5 板 注：表中空格处因应力较小，未注出，细节可查看相关云图。 附图给出了车厢和底架每一计算载荷的应力云图。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 5 3 有限元计算结论与关注部位 计算结果表明： ( 1 ) 该车有足够的刚度，满足规范要求。 ( 2 ) 该车有一定的强度，满足规范要求。 关注部位与建议： ( 1 ) 车厢底架中梁与横梁连接处应力偏高，应注意该部位 加强。 ( 2 ) 心盘加强板的6 6 0 m m 长圆孔缩短为3 6 0 【m 的长圆孔， 减小翻车顶起瞬间工况的孔边应力。 ( 3 ) 枕中隔板与腹板连接的部位应力较高，应注意该部位 腹板加强。 附图卜1 车厢垂直静载工况应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图1 2 车厢垂直静载工况局部应力云图 附图卜3 车厢合成工况一应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图1 4 车厢合成工况局部应力云图 附图1 - 5 车厢合成工况二应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图1 6 车厢合成工况= 局部应力云图 附图2 1 垂直静载工况底架垂向位移图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图2 2 垂直静载工况底架应力云图 附图2 3 合成工况一( 拉伸) 底架应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图2 4 合成工况一( 压缩) 底架应力云图 附图2 5 合成工况二底架应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图2 6 翻车工况( 4 5 度) 底架应力云图 附图2 7 翻车工况( 4 5 度) 底架局部应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图2 8 翻车工况( 0 度) 底架应力云图 附图2 9 翻车工况( o 度) 底架局部应力云图 2 8 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图2 1 0 翻车工况( o 度) 底架局部应力云图 附图2 一l l 翻车工况( o 度) 底架局部应力云图 3 6 其它相关的计算 相关的计算包括曲线通过能力、空重车重心高度、轮 重减载率和倾覆系数、折页强度的计算及校核，验证该 车的总体结构参数，为该车的试制、鉴定、投产等提供 充分的理论依据，目的是保证行车安全。 北京交通人学上程硕士专业学位论文 3 6 1 曲线通过能力计算 校核连挂车辆能否通过曲线区段是通过把自动车钩 相对于车辆纵向中心线的最大偏移角与连挂车辆在结 构上允许的最大偏移角相比较的方法来评定的。 经过计算车辆与计算车辆连挂后可以通过s 型曲线 区段( r = r 。= 1 45m ) 。 3 6 2 车辆重心高度计算 由于车辆重心高度对车辆运行稳定性具有定的影 响，为此，各国铁路部门对车辆重心作了具体规定。 铁道部( 81 ) 铁货字第17 92 号文公布的铁路货物装 载加固规则“规定”，“重车重心高度从钢轨面算起，一 般不得超过2 0 0o m m ，超过时，可采取配重措施，以降低 重车重心高度，否则应限速运行” t b l9 5 0 一87 “铁路罐车车体设计参数”规定，“铁路 罐车在空车状态下，罐体端板中心至轨面的高度应小于 等于2 6 0 0 m m 美国a a r 规定，车辆重心高不得超过9 8 ”( 即2 4 8 9 m m ) 太娄 太蕊 式中w 。一组合体中各物体的重量 w 一组合体的总重量 y 一组合体中各物体( 本结构中各零件至轨 面) 的重心，在某一直角坐标系中的坐标值。 根据车辆各主要零部件重量及其离轨面重心高，可得 出新型自翻车空车重心高为l0 6 9 6 m 】1 1 ，重车重心高为1 6 9 5 m m 。 重车重心高均满足要求。 北京交通大学【：程硕士专业学位论文 3 6 3 倾覆系数计算 根据倾覆系数评定车辆抗倾覆稳定性，车辆倾覆的临 界条件为倾覆系数d = 1 g b55 9 9 85 规定，抗倾覆安全条件为d 0 8 根据对车辆通过曲线时未被平衡的离心力引起的倾 覆系数d 的计算，车辆横向振动惯性引起的倾覆系数d 。 的计算，由于侧向风力引起的倾覆系数d 。的计算： 当车辆通过半径3 5 0 m 曲线处，v m a x = 6 0 k m h 时；在 直线区段，分别对v = 9 0 k m h 、1o o k m h 、12 0 k m h 的情 况下验证计算，倾覆系数d 均在1 以内。 3 6 4 轮重减载率计算 根据轮重减载率评定车轮抗脱轨稳定性 我国规定轮重减载率安全标准为 垒! o 6 p ( 33 ) 式中：p 一轮重减载量，单位k n p 一左右车轮平均轮轨垂向力即轮重 经验证新型自翻车也满足上述标准。 北京交通大学l 程硕十专业学位论文 3 ，6 5 折页强度分车斥 ( 1 )折页外型与有限元模型 ( 2 ) 有限元强度分析结果 车厢倾翻1 5 度，侧门开度3 4 度的有限元计算结果觅下图。 最大应力1 6 3 m p a ，低于b 级钢第二工况的许用应力2 0 0m p a 。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 车厢倾翻2 0 度，侧门开度4 6 5 度的有限元计算结果见下图。 最大应力15 7 m p a ，低于b 级钢第二工况的许用应力2 0 0m p a 。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 7 本章小结 本章介绍了2 5 t 新型自翻车计算建模、系统仿真计算以及折 页强度分析，通过计算分析结果表明，该车有足够的刚度和一定 的强度，满足t b t l3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规 范要求，但通过计算也发现，车厢底架中梁与横梁连接处应力 偏高；心盘加强板的6 6 0 m m 长圆孔处应力偏大；枕中隔板与腹板 连接处应力较高，以上这些问题都在产品修改设计时作了设计修 改，在车厢底架中梁与横梁连接处增加了横梁盖板；心盘加强板 的6 6 0 m m 长圆孔缩短为3 6 0 m m 长圆孔，减小翻车顶起瞬间工况的 孔边应力：在枕中隔板与腹板连接处牵引梁外侧增加了牵引梁加 强板，加强了该部位的腹板强度。通过以上修改，使得该车整车 在强度和刚度上完全满足了规范的要求。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第四章倾翻稳定性计算 自动倾翻车同其它物体一样，具有在各种外力作用下始终使 自己处于平衡状态，则称之为稳定；反之，如果离开了平衡状态， 又无力使其恢复平衡位置，即平衡被破坏，则称之为不稳定。由 于自动倾翻车工作的特殊性，其卸货过程是在瞬间完成，因此， 对其倾翻稳定的要求尤为突出。 2 5 t 轴重新型自翻车是在我国矿山及其它部门广泛使用的 k f _ 6 0 型自动倾翻车的基础上改进设计而成，该车的倾翻开门机 构设计与k f 一6 0 型自动倾翻车相同。即：车厢倾翻l5 0 时，车门 开度3 4o ；车厢倾翻2 0 一3 0 0 时，车门开度4 60 3 0 至8 6 0 ( 见表4 1 ) ， 车门开度8 6 。时正好处于水平位。车厢倾翻3 0 。时，车门所装的 物料还基本没有流出车厢，但已流向了车门( 见图4 一i ) ，可视 为偏重最多最不稳定的位置。若随着车厢继续倾翻，物料能及时 流出车厢，且还保持车厢有足够的复原力，则车厢还算处于稳定 状态。相反，若物料不能及时流出车厢，随着重心偏移量的加大， 当重心超过侧支点时，车厢就没有复原力了，因而失去了稳定 眭。 表4 一l车厢倾翻角度与侧门开度关系表 车厢 倾翻 o 。5 。1 0 。1 5 o 2 0 o 2 5 。3 0 。3 5 。4 0 。4 5 。 角度 侧门 4 6 。 1 0 3 。1 2 8 。 o 4 6 。1 5 。3 4 o 6 6 。8 6 o 1 1 8 。 开度 3 0 3 0 4 6 韭星銮望奎兰兰矍堕主童些兰垡笙奎 图4 一l 车厢倾翻过程 应用车辆动力学有关稳定性理论，探讨自翻车倾翻稳定 性，衡量车辆抗倾覆( 扣翻) 能力的指标为横向稳定系数n ，其 值等于一侧支点在动力作用下增加( 或减少) 载荷与原静载荷之 比，用公式表示为： n = p p ； 式中： ( 4 1 ) p 一一侧支点增加( 或减少) 的载荷( t ) ： p ， 一一侧支点原承受的静载荷( t ) 。 n 值范围在o 与l 之问，n 值为o 时，两侧支点受力匀称为 最稳定位置。n 值为1 时，说明一侧支点增载( 或减载) 等于原 来的静荷承载，为最不稳定位置，会因外力再稍增加平衡即被破 坏。 由于2 5 t 轴重新型自翻车与k f 一6 0 型自动倾翻车倾翻机构相 j 司。k f 一6 0 型自动倾翻车稳定性较好，用两种自翻车稳定系数n