（光学工程专业论文）新型石碴漏斗车设计.pdf

北京交通大学_ t 程硕士专业学位论文 摘要 铁路是我国主要运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用。铁路 货车担负着繁重的货物运输任务，它的发展在国民经济和铁路运输中起着 举足轻重的作用。为适应国民经济发展的要求，铁道部提出了铁路跨越式 发展的新思路，这对铁路技术装备水平提出了高要求，对铁路运输提出了 新的需求，运输市场的竞争将r 益激烈，市场对车辆的用途、要求越来越 高。采用c a d 技术，提高新产品的创新能力、缩短新产品的研制周期、 提高新产品的设计质量，开发适应市场要求的专用货车势在必行。 本文研究了国内外漏斗车的发展趋势与现状，阐述了采用c a d 技术设 计的主要用于运输矿石、石灰石、石碴等散装货物的大圆弧包板型式漏 斗车的重要性及必要性。 本文介绍了新型石碴漏斗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设计说明，提出了该车的技术关键及 技术经济效益。 本文建立了新型石碴漏斗车的有限元模型，根据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，确定了计算载荷及计算工况，采用i d e a s 有限元分析软件对该车车体结构进行了有限元分析计算，并通过对计算结 果的分析，对关键结构的应力进行了研究。 本文介绍了新型石碴漏斗车进行的各类型式试验，计算、试验表明： 所设计的新型石碴漏斗车静强度完全满足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：车体、大圆弧包板、有限元、强度、动力学 j ! 室奎望查兰王堡堡兰：主些兰些笙三兰； 一 a b s t r a c t r a i l w a yi st h em a i nf o r mo ft r a n s p o r t a t i o ni no u rc o u n t r y a n dp l a ya 1 1 i m p o r t a n tr o l ei nc o u n t r y se c o n o m y r a i l w a yw a g o n t a l ( eo nt l l eh e a v yc a 唱o t r a n s p o r t a t i o nt a s k ，a 1 1 di t sd e v e l o p m e n tp l a ya v i t a lr o l ei nc o u n t r y se c o n o m y a n dr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t om e e tm ed 锄a n d i n go ft h ec o u n t r y se c o n o m y d e v e l o p m e n t ，r a i l w a ym i n i s t r yp r o p o s e dn e wc o n c e p ta b o u tr a i l w a ys t r i d e d e v e l o p m e n t ，i tg i v em eu p p e rd e m a l l d i n gf o rr a i l w a yt e c c a le q u i p m e m l e v e l ，a n di tg i v ct h en e wd 锄a n d i n gf o rr a i l w a yt r a l l s p o r t a t i o n ，t r a _ 1 1 印o r t a t i o n m a r k e tw i l lf 犯em o r ea n dm o r cf i e r c ec o m p e t i t i o n ，t h em a r k e th a v et h em o r e h j 班e rd e m a n d i n ga l l dp u r p o s ef o rw a g o n t 酞ei nc a dt e c h n 0 1 0 9 y u p 留a d e i n n o v a t i o na b i l i t yo ft h en e wp m d u c t ，s h o r t c nd e v e l o pp e r i o do ft h en e w p m d u c t ，u p f a d ed e s i g nq u a l i t yo ft h en e wp r o d u c t ；i t sac n l c i a lf o ru st o d e v e l o p m e mt h es p e c i a lw a g o nt or r l c e tm ed 锄a i l d i n go f t h em a r k e t i nt h i st h e s i s ，m a i n l ys t u d i e dt h ed e v e l o p i n gt r e n da n ds t a n l sq u oo fi na n d o v e r s e a s 如n n e l e dw a g o n ，i l l u s 妃牡e dt h a tm ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s a r i l yt o c a r r ) ro u tt h ea n t i f a t i g u ed e s 啦f u n n e l e dw a g o nw h i c hi sa d o p t i n gc a d t e c h n o l o g yf o rd e s i g ng r e a ta r cw i n dp l a n tt y p ea i l dw a sm a i n l yu s e df o r t r a i l s p o n a t i o nm i n e m l ，l i m e s t o n e ，s t o n ee t cs c a t t e rc a r g o t h i sm e s i si n 缸d d u c e dt t l es 仇l c t u r cc h a r a c t c ra n dm a i r it e c l l n o i o g y d e m o n s t r a t i o no ft h en e wk i n do fs t o n ef u n n e l e dw 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 om eg e n e m ls t r l l c t u r ea 1 1 dk e yp a n s ，p r o p o s e dm ek e y t e c h n i c a la n dt e c h l l i c a le c o n o m i cb e n e f i t t h i st h e s i se s t a b l i s h e dm ef i n i t ye l e m e n fm o d a lo fm en e wk i n do fs t o n e 如m e l e dw a g o n ，a c c o r d i n gt ot b l 3 3 5 一1 9 9 6 r a i l w a yw a g o ns t r e n g md e s i 印 a n dt e s ti d e n t i f yc r i t c r i o n 】，t oe n s u r ec a l c u l a t i o nl o a da n dc a l c u l a t i o nw o r k i n g c o n d i t i o n ，a d o p t i n gi d e a sf i n i t ye i e m e n ta i l a i y s i ss o rw a r et om a k eo u tm e f i n i t ye l 锄e n ta n a l y s i sc a l c u l a t i o nf o rw a g o n sb o d ys t r u c t u r c ，a 1 1 db yw a yo f a 1 1 a l y s i st h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ，t or e s e a r c h i n g l es t r e s so f h ck e ys t m c t l l r e 北京交通大学_ t 程顺二匕专业学位论文 t h i st h e s i si n 仃0 d u c e d4 l lk i n d so f t h ct e s t s ，c a l c u l a t i o ns t u d ya n dt e s t s m e 肌st h a t ：m es t a t i cs 仃e n g t ho f 血en e wk i n do f s t o r l cf u n n e l e dw a g o nw h i c h b e e nd e s i g n e dt o t a l l ymm ed e m a n do f t b l 3 3 5 1 9 9 6 【r a i l w a yw a g o ns t r e n g t h d e s i g na n dt e s ti d e l l t i f yc r i t e r i o n 】；r u m i n gp l a c i d i t ya n dd i 粤r e s s i o ns e c u r i t ye t c o ft h ed ”a m i c sc a p a b i l i t yg u i d e l i n eo ft h ew a g o nf i tt h ed e n l a l l dt h e 兀i l i n go f t h eg b 5 5 9 9 8 5 r a i l w a yw a 9 0 n sd ”锄i c sc 印a b i l i t ya s s e s sa n dt e s t i n g 印p r a i s a lc r i t e r i o n k e yw o r d s ：b o d yg r e a ta r cw i n dp l a n tf i n i t ye l e m e n td ”m i c s i l i 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景 铁路是国民经济的大动脉，铁路运输与公路交通和航空运输相比，既节 省能源又对环境污染小，是我国主要的运输方式。铁路货车作为运输货物的 铁道车辆，承担着繁重的货物运输任务。统计显示，我国1 9 9 9 年铁路货物发 送量达1 5 6 9 亿吨，货物周转量达1 2 5 7 8 亿吨公里，占全国货物周转量的 5 3 6 ，由此可见，铁路货车在铁路运输中担负着重要的作用。 我国货车品种繁多，大体可分为通用车和专用车两大类，随着国民经济 的发展，运送的货物品种日益丰富，对专用货车的需求也日益加大，专用车 的品种和数量在不断增加，近十年来，我国铁路研制出了一大批新型专用货 车，有各种新型漏斗车、分格棚车、快运棚车、大容积棚车、活顶棚车、活 动侧墙棚车、专用集装箱平车、通用集装箱平车、2 5 t 轴重钢浴盆运煤车、焦 炭专用敞车、加长敞车、双层小汽车平车、低重心罐车、大容积罐车、大容 积各类液化气体罐车、带押运间的各类罐车、各类粉状货物罐车、各类化工 产品运输专用车、各类特殊货物专用车、各类运输散装货物的漏斗车、运猪、 运牛的家畜车、冷板车、具有冷藏设备的特殊行李车、各型长大货车、组合 式长大货物车等。随着我国加入w t d ，市场竞争进一步加剧，通用货车已经 不能满足用户的运输要求，只有开发铁路专用运输车辆，才能不断拓展货物 运输市场。 大宗散粒货物的铁路运输方式有两种：一种是专用敞车加翻车机；一种 是漏斗车。目前敞车、平车、棚车和罐车四大类货车仍是我国主型货车，由 于我国铁路线路能力不足，车辆的密度高、流动性差，为减少“回空率”， 对具有良好通用性的货车的依赖性大，从客观上限制了车辆品种的开发。据 对漏斗车数量的不完全统计，属于铁路所有的漏斗车数量仅约为4 0 0 0 辆， 加上企业自备车中的漏斗车，大约不足万辆。随着我国铁路市场的不断开 放，市场经济对铁路运输的影响将进一步加大，为适应铁路货运市场的需要， 必然导致铁路专用车辆的迅猛发展。由于漏斗车采用风动或手动两侧同时进 行卸料，能显著提高装卸效率、加速车辆周转、获得较好的经济效益。漏斗 北京交通大学工程硕士专业学位论文 车在技术性能上大大提高了装卸货物的机械化与自动化程度，降低了成本， 提高了效率，不仅工作可靠，无需采用翻车机这种大型的卸货机械，而且减 少了因维修保养管理而设置的人力。随着新技术、新工艺和新材料的发展， 漏斗车的使用寿命也得以大大提高，所以漏斗车在今后的设计制造中无论从 种类还是数量上都将有大的发展。本课题将从现有漏斗车的结构入手，针对 其特点及不足，提出新型石碴漏斗车的设计思路及结构特点。目前该种类型 漏斗车侧墙采用板柱式结构，载荷的分布不均匀，漏斗承载能力较弱，漏斗 自重及车辆载重直接作用于底架上，使底架承担的载荷较大。虽然本车的承 载特点是底架、侧壁共同承载，但因中、侧梁之间的连接强度和刚度不足， 致使中梁承受的垂直载荷不能有效传递至侧梁和侧墙，侧墙分担的载荷较 小，不能有效减轻底架的负担。本课题的研究中将充分运用现代设计技术， 针对现有漏斗车结构上存在的问题，对其侧壁结构进行改进，采用当今世界 流行的大圆弧包板结构，从静强度计算、三维样车制作入手，详细介绍新型 石碴漏斗车的设计、试制及各种型式试验。 1 2 国内外漏斗车现状与发展趋势 国内用于铁路货运的漏斗车，从卸货方式上分为重力卸货和气力卸货两 种，从结构形式上分为有盖漏斗车和无盖漏斗车两种，我国目前拥有的无盖 漏斗车，主要有k 1 8 型煤炭漏斗车和k 1 3 型石碴漏斗车，有盖漏斗车主要 有k 1 7 、l 1 8 型粮食漏斗车和k 1 5 型水泥漏斗车。我国铁路运输的大宗散粒 货物主要有煤、石碴、粮食等。由于我国铁路运输是高度集中指挥的垄断、 封闭性体制，对车辆的品种具有较大的限制，也就是车辆的通用性越好，车 辆的品种越少，运输调度部门操作就越方便，我国现行的调度手段基本上依 靠人工，大量货车的运行、集结和疏散速度依托在每年运行图的调整。调度 效率取决于人的工作能力和水平。货车的密度高、流动性差，造成对即时调 动车辆反应差，因而对通用货车的依赖大，必然制约了货车品种的发展，也 就限制了专用漏斗车的发展。 国外漏斗车的品种很多，铁路运输的大宗散粒货物，如：煤、粮食、颗 粒状塑制品原料及化肥等，均采用相应的漏斗车装运。以美国为例，在其1 4 0 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 万辆铁路货车中，漏斗车的总数达约5 7 4 万辆，占货车总数的4 1 ，其中有 盖、无盖漏斗车分别约有3 9 2 万辆和1 8 2 万辆，分别占货车总数的2 8 和 1 3 。在美国铁路运输的大宗散粒货物，均采用相应的漏斗车。又如：德、 法、英等一些欧洲国家，燃煤电厂的用煤，普遍采用煤漏斗车。 随着专用漏斗车的不断发展，国外货车制造商一直致力于开发新型结构 漏斗车，当代一些有盖和无盖漏斗车普遍采用了大圆弧包板结构，取消了侧 柱。美国格林布赖尔公司推出的新型l o o t 运输塑料颗粒的有盖漏斗车，其质 量标准在其推出的所有车型中是最高的。该车车体为全钢焊接结构，采用大 圆弧包板、无中梁设计，带有圆形装货口，4 个隔问配有重力气动卸货门。 美国a c f 的6 2 0 l c 型中央卸货漏斗车是专为运输密度不超过5 1 2 6 k m 3 的 货物而设计的，该车采用圆弧包板，取消侧柱结构。美国国立钢铁车辆公司 的1 0 0 t 大圆弧包板钢制有盖漏斗车是专门为运输塑胶树脂而设计的。该车具 有直径5 0 8 m m 的车项装货口，并装有水密盖和自动对中锁。比利时提供给 约旦的圆弧包板全钢磷酸盐漏斗车，侧板厚度仅为3 m m 。降低了车辆自重， 提高了货物运输能力。 综合国内外漏斗车的结构特点，采用大圆弧包板结构，避免了侧墙板柱 式结构重量大以及漏斗板与侧墙的交接不很顺畅，影响货物流动的缺陷，以 此达到延长车辆使用寿命、减轻车辆自重，增大车辆容积，提高有效运载能 力的目标。 1 3 选题意义及主要研究内容 如前所述，随着车辆设计和制造技术水平的不断提高，以及我国加入 w t o ，进入国际铁路市场的机会日益增多，而国外采购的铁路货车，几乎都 是专用货车，其中漏斗车占有很大的比例。因此，适应国际上漏斗车的发展 趋势，进一步开发与国际上漏斗车接轨的新型大圆弧包板漏斗车具有重要意 义。 我厂是k 1 3 系列石碴漏斗车的主导生产厂，k 1 3 系列石碴漏斗车主要用 于铁路维修和新线铺设石碴及运送散粒货物，可有节制地、均匀地将石碴散 布卸出。从生产以来，经过了k 1 3 、k 1 3 n 、k 1 3 n a 、k 1 3 n t 、k 1 3 n k 等多 北京交通大学工程硕士专业学位论文 次升级换代，车体结构经历了从钢木结构过渡到全钢结构的大改进，其性能 日益完善。k 1 3 系列石碴漏斗车为无中梁全钢焊接结构，由底架、端墙、侧 墙、漏斗、卸碴系统、操纵室、除尘装置等组成。底架由牵引梁、侧梁、枕 梁、端梁、小横梁及钢地板等组焊而成，牵引梁为3 l o 乙字钢。侧墙为板柱 式结构，由变截面侧柱、上侧梁、侧板、检修门组成等组焊而成。端墙由上 端缘、端板、角柱、腰带、端柱、斜撑等组焊而成。漏斗由中漏斗板、侧漏 斗板、中隔板、端隔板、分碴梁、导流板等组焊而成，其中导流板与中漏斗 板是用螺栓连接。卸碴系统由双向风缸、上部传动装置、下部传动装置、底 门组成、风动管路系统等组成。操纵室由内、外钢结构、侧门、端门、侧窗、 隔热材料等组成。除尘系统由水箱、管路、减压阀、喷嘴等组成。2 0 0 2 年在 k 1 3 型漏斗车的基础上，我厂又开发研制了新型石碴漏斗车，该车改变了传 统漏斗车侧墙板柱式结构，取消了原k 1 3 系列漏斗车每侧侧墙的7 根变截面 侧柱，采用了大圆弧包板新结构，保留了原车的机械性能，在使用上除满足 上装下卸要求外，能够在轨道内外两侧卸碴，采用以风动为主，手动为辅的 机械传动开门机构，两侧卸碴可单独操纵，亦可集中操纵。并在整车设计上 最大限度地采用了国内各种新技术、新工艺、新材料，使产品的技术经济指 标处于国内同类产品的领先水平。 随着现代科技的迅猛发展，我国的铁路面临着新的挑战，加快铁路技术 进步，采用新技术提高设计水平是当代铁路设计人员面临的重大课题，采用 与国际接轨的三维设计计算方法，通过在计算机上模拟整车的受力情况，可 以得出整车的应力分布，提出方案设计的不足之处，避免样车试制中出现的 不必要浪费，但由于实际生产与静态模拟之间存在着必然的差异，因此，经 过静强度分析的漏斗车还须经过试验和运用的考验。本课题将在此方面进行 介绍，具体工作内容如下： 1 研究国内外漏斗车的现状与发展趋势，阐述开发新结构大圆弧包板 石碴漏斗车的必要性。 2 提出新型石碴漏斗车的结构特点及主要技术性能参数，并对该车进 行方案设计说明。 3 建立新型石碴漏斗车的有限元模型，根据t b l 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 度设计及试验鉴定规范，确定计算载荷及计算工况，采用i d e a s 有限元分 析软件对该车车体结构进行有限元分析计算，并对计算结果进行分析，同时 对关键结构的应力进行了研究。 4 对新型石碴漏斗车进行技术经济分析，并通过强度试验结果及动力 学试验对该车进行了评价，验证了该车的改型设计。 1 4 本章小结 本章根据我国铁路货车的特点及国内外漏斗车现状和发展趋势，提出了 新型石碴漏斗车的研究意义及研究内容。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第2 章新型石碴漏斗车的总体设计 及方案设计说明 新型石碴漏斗车主要用于铁路维修和新线铺设石碴及运送散粒货物等， 可有节制地、均匀地将石碴散布卸出。由于车体呈上部大，底部小的漏斗状， 货物可从顶部或舱口装入，靠其自重自动沿漏斗斜面，由漏斗底部或侧部的 卸货口卸出。漏斗内壁制成光滑无凸起的表面，其斜面倾角和漏斗容积随所 运货物的品种不同而有所不同。采用此种结构的车辆加速了车辆的周转，提 高了装卸效率，获得了较好的经济效益。我厂是k 1 3 系列石碴漏斗车的主导 生产厂，新型石碴漏斗车是k 1 3 系列石碴漏斗车的改型换代产品，为此新型 石碴漏斗车在改型设计中综合考虑了铁道货车提速与重载的关系，在车体设 计中充分考虑了该车的承载特点，采用了当今世界流行的大圆弧包板结构， 取消了原k 1 3 漏斗车的7 根侧柱，使侧壁的承载能力大为提高。该车风手制 动系统设计、车钩缓冲装置、底门开闭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，使该车具有车体强度高、车辆载重大、 耐腐蚀性强、检修周期长、维修保养费用低、运营成本低等特点。 2 1 新型石碴漏斗车的总体设计思想 新型石碴漏斗车是太原机车车辆厂根据铁道部有关技术政策、国内外同 类型车的结构特点、发展趋势以及用户的要求对k 1 3 型系列石碴漏斗车进行 的一次重大改型设计。该车在车体设计、风手制动系统设计、车钩缓冲装置、 底门开闭装置和走行部等各方面最大限度的采用了新结构、新技术、新材料， 提高了车辆的适用性和经济指标。 k 1 3 系列石碴漏斗车作为我厂货车的主型产品，近几年来经过了几次改 型设计，但其车体钢结构一直沿用老k 1 3 型车的板柱式结构，既笨重又影响 了车体的外观质量，也增加了整车的自重，整车的技术指标较国外先进水平 存在一定的差距，借鉴国内外同类产品的成功经验，新型石碴漏斗车在沿用 了原k 1 3 无中梁全钢焊接结构的基础上，侧墙采用国际上普遍采用大圆弧包 板结构，取消原k 1 3 的7 根侧柱，采用圆弧包板结构与底架共同承受垂向载 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图1新型石碴漏斗车三维样车效果图 荷，既改善了车体外观质量，又减轻了整车自重、降低了车辆重心，提高了 车辆的运行品质。k 1 3 系列石碴漏斗车在近几年来的改型设计中，响应铁道 部有关技术政策及新技术的发展，其制动系统已进行了较大改进，从1 0 3 型 制动机到1 2 0 型制动机，尤其是晟近研制的k 1 3 t 型石碴漏斗车在装用转8 g 型转向架后，其基础制动进行了重新设计，所以，就目前运用状况而言，我 厂的石碴漏斗车基本能够满足铁道部有关提速的要求。但是，由于石碴漏斗 车特有的使用性能，边走边卸，其载重量是逐渐降低，而采用现有的两级空 重车调整装置，制动力只有从重车位到空车位，对现车的使用状况极为不利。 根据本车的特点，通过对同类产品性能的比较及装车运用情况的对比调查， 在该车上装用了k z 乙4 g 型无级空重车自动调整装置。因此，此次开发设计 的新型石碴漏斗车具有如下特点： 1 通过采用大圆弧包板结构，降低了车辆重心，增大了车辆容积。 2 侧墙结构采用大圆弧包板结构，取消了侧柱，有效抑制了侧墙外涨， 降低了自重，提高了载重。 3 采用了空重车自动调整装置，适应铁路运输快捷、重载的要求。 7 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 2 新型石碴漏斗车的主要技术 参数及技术设计说明 新型石碴漏斗车为a ( 亦称标准型) 、b 两种型号。其中b 型车上设有加 长型操纵室，内设上、下铺，水箱等基本生活设施，可供操作人员使用。 2 2 1 新型石碴漏斗车主要技术参数 该车车体为无中梁全钢焊接结构，牵引梁由两根3 1 0 乙字型钢组焊而成， 枕梁、端梁为钢板组焊结构，侧梁由1 6 0 x 6 0 x 6 矩形冷弯型钢及异型钢组焊而 成。侧墙采用大圆弧板结构，上侧梁采用1 0 0 x 1 6 0 x 5 的冷弯型钢，上端梁为 1 2 0 x 8 0 x 5 的矩形钢管，材质除牵引梁为0 9 v 钢、圆弧形侧板及上端梁、端板 采用0 9 c u p c 州i _ a 高耐候性结构钢外 其主要技术参数如下： a 型车 载重( t ) 6 1 自重( t )约2 3 自重系数 o 3 8 3 容积( i n 3 ) 3 7 轴重( t 轴) 2 1 最高运行速度( k m h ) 1 2 0 通过最小曲线半径( m ) 1 4 5 全车制动率( 常用制动位) 空车 重车 限界 2 2 2 其余均为0 9 c u p t i r e a 耐候钢。 b 型车 6 1 约2 3 0 3 8 3 3 7 2 1 1 2 0 1 4 5 8 08 0 3 0 3 0 符合g b l 4 6 卜8 3 标准轨距铁路机车车辆限界 新型石碴漏斗车技术设计说明 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图2新型石碴漏斗车( a 型) 示意图 l 底架组成；2 附属件；3 漏斗组成；4 底门组成；5 传动组成：6 、7 侧墙组成：8 、9 端墙组成；1 0 、 1 1 操纵室组成；1 2 除尘装置；1 3 风手制动装置；1 4 风控管路组成；1 5 车钩缓冲；1 6 标记：1 7 转向 架组成 图3 新型石碴漏斗车( b 型) 示意图 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 新型石碴漏斗车车体为无中梁全钢焊接结构，全车由底架、侧墙、端墙、 漏斗、操纵室、卸碴系统、除尘系统、制动装置、钩缓装置及转向架组成。 2 2 2 1 底架组成 底架由牵引梁、枕梁、侧梁、端梁、小横梁及局部地板等组焊而成。牵 引梁由两根3 1 0 乙字型钢组焊而成，枕梁、端梁为钢板组焊结构，侧梁由 1 6 0 x 6 0 x 6 矩形冷弯型钢及异型钢组焊而成。采用符合运装货车 2 0 0 2 2 8 号文要求的直径为3 3 8 珊的锻造上心盘，并装心盘磨耗盘。 2 2 2 2 侧墙组成 侧墙采用大圆弧板结构，由上侧梁、侧板、筋板等组焊而成。上侧梁采 用1 0 0 x 1 6 0 x 5 的冷弯型钢，上侧梁、圆弧形侧板及筋板均采用材质为 0 9 c u p c r n i a 的5 唧厚高耐候性结构钢。 2 2 2 3 端墙组成 端墙由上端梁、端梁、端板、端柱、斜撑组焊而成。上端梁为1 2 0 x 8 0 x 5 的矩形钢管，上端梁、端板均采用材质为0 9 c u p c r n i a 的5 m 厚高耐候性结 构钢，端梁、端柱为1 2 0 x 5 3 x 5 5 槽钢，斜撑为1 8 号工字钢。 2 2 2 4 漏斗组成 漏斗由中漏斗板、侧漏斗板、中、端隔板、分碴梁、导流板等组焊而成。 根据运装货车 2 0 0 0 3 4 号文及运装货车电 2 0 0 2 1 0 4 号电报要求在中隔 板上安装货车车号自动识别系统的车辆标签。 2 2 2 5 操纵室钢结构 操纵室采用内外全钢结构，内壁衬装6 0 m m 厚阻燃型隔热材料，操纵室两 侧都设有侧门，活动式侧窗，侧门外装有防护链。其中，标准车端部仍设有 端门，供作业人员同时操作前、后连挂车辆，设有两个边凳，方便作业人员 休息及了望；b 型车取消端门，操纵室加长4 4 6 i i l 1 ，内部设有上、下铺，水箱、 洗面池、简易下水道等基本生活设施，还可根据具体用户的要求，增设其它 设施，提供较好的生活环境。 2 2 2 6 卸碴系统 卸碴系统采用以风动为主、手动为辅的机械传动装置。风手动操纵能各 自单独操纵。共有六个卸碴门，每侧各两个、中间两个。风动操纵通过三个 1 0 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 5 4 x 2 2 0 双向风缸，由三个操纵阀分别开关两侧和中间底门。手动操纵只能 分别控制两侧底门，中门无手动。通过采用减速箱机构等达到手动灵活省力。 风控管路系统采用符合g b 2 1 0 0 标准的材质为1 c r l 8 n i 9 t i 的不锈钢管及符合 g b t 1 4 9 7 6 标准的材质为z g o c r l 8 n i 9 的不锈钢配件，法兰连接。 2 2 2 7 除尘系统 除尘系统由上水管、水箱、风源、减压阀、喷水管路、控制塞门等组成。 在卸碴前，通过储风筒中的压力空气使水箱中的水通过喷水管路的喷嘴喷出， 以抑制卸碴尘。除尘管路系统采用材质为符合g b 2 1 0 0 标准要求的1 c r l 8 n i 9 t i 的不锈钢管及材质为符合g b t m 9 7 6 标准要求的z g o c r l 8 n i 9 的不锈钢配件， 法兰连接。 2 2 2 8 制动装置 制动装置：采用主管压力满足5 0 0 k p a 和6 0 0 k p a 的空气制动装黉，主要 由1 2 0 型控制阀、直径为3 5 6 唧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、 高磷铸铁闸瓦、法兰接头、奥一贝球铁衬套及配套4 5 号钢圆销等组成；其中， 制动管采用材质为符合g b 2 l o o 标准及运装货车 2 0 0 1 8 4 号文件要求的 1 c r l 8 n i 9 t i 的不锈钢管，法兰等配件采用材质为符合g b t 1 4 9 7 6 标准及运装 货车 2 0 0 1 8 4 号文件要求的z g o c r l 8 n i 9 的不锈钢铸钢。采用符合运装货 车 2 0 0 1 2 号文件要求的n s w 型手制动机，手制动轮直径为4 0 0 m 。 2 2 2 9 车钩缓冲装置 车钩缓冲装置采用c 级钢材质的1 3 号下作用车钩，符合运装货车 2 0 0 1 2 8 6 号文件要求的c 级钢材质的1 3 a 型钩尾框：符合运装货车电 2 0 0 1 1 0 4 号电报要求的合金钢钩尾销；s t 型缓冲器；钩尾框托板、钩托梁采用按辆技 函 1 9 9 6 6 6 号文件批准生产的f s 型防松螺母和强度符合g b t 3 0 9 8 卜2 0 0 0 标准8 8 级、精度符合g b 9 1 4 5 8 8 标准、头部有“8 8 ”标记的螺栓紧固。 2 2 2 1 0 转向架 转向架采用符合运装货车 2 0 0 2 2 8 号文件要求的转k 2 型转向架，其 中摇枕、侧架的材质为符合运装货车 1 9 9 9 3 9 号文规定的b 级铸钢；采用 5 0 钢车轴；车轮采用符合t b t 2 8 1 7 标准的h b s a 型辗钢车轮；采用s k f l 9 7 7 2 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 型滚动轴承；采用针状马氏体铸铁斜楔、4 7 m n 2 s i 2 t i b 磨耗板、锻造支撑座； 基础制动装置采用结构符合辆技 1 9 9 6 9 6 号文件要求的防脱式制动梁、符 合运装货车 2 0 0 2 2 8 号文件要求的奥一贝球铁衬套及配套4 5 号钢圆销。下 心盘采用按辆技函 1 9 9 6 6 6 号文件批准生产的f s 型防松螺母，8 8 级螺栓 紧固。 2 2 3 产品的主要技术经济指标与国内同类产品的比较 2 2 3 1 主要尺寸的比较 序 主要尺寸 新型石碴车新型石碴车k 1 3 n a 型 号名称 ( a 型)( b 型)石碴车 1 车辆长度( i i l 1 ) 1 2 0 4 61 2 4 9 21 2 0 4 6 2 车辆定距( 岫) 8 0 0 08 0 0 08 0 0 0 3 最大宽度( 唧) 3 1 0 03 1 0 03 1 7 0 4 最大高度( 胁) 3 4 1 03 4 1 03 3 9 0 5 漏斗内长( i i 1 1 ) 8 2 2 88 2 2 88 2 2 8 6 j 氐lj 长度( 唧) 2 2 3 5 2 2 3 52 2 3 5 7 底门开启度( 姗) 1 9 0 1 9 0 1 9 0 8 车体端部斜度( 。 c )3 6 53 6 53 6 5 9 车钩中心线高( 空 车) ( m m ) 8 8 08 8 08 8 0 1 0 固定轴距( 姗) 1 7 5 0 1 7 5 0 1 7 5 0 1 1 车轮直径( 硼) 8 4 08 4 08 4 0 2 2 3 2 钢结构比较 北京交通大学工程硕士专业学位论文 新型石碴漏斗车车体改变了传统的板柱式结构，采用大圆弧薄板形，同 时，端、侧墙的连接采用圆弧过渡，彻底改善了车体的外观质量：操纵室端、 侧门在结构上做了重大改进，门折页结构改变、门轴加粗、门锁结构改进， 采用七方形钥匙，使其仅通用与石碴车，取消门窗，提高整车的防盗性能； 加长型操纵室取消端门，内设有床铺、水箱、脸盆架等基本生活设施，设有 足够的空间，可应不同用户的需要增设其它生活设施，提高了车辆的适用性 能。 2 2 3 3 除尘系统的比较 新型石碴漏斗车除尘管路设置于漏斗内分碴梁下，在卸碴前先将除尘系 统打开，将石碴打湿，提高除尘效果。 2 2 3 4 转向架的比较 新型石碴漏斗车采用提速转向架，提高了抗菱刚度，提高了车辆的技术 性能。 2 3 本章小结 本章研究了新型石碴漏斗车的总体方案，完成了以下工作： 1 确定了新型石碴漏斗车的设计思想，并根据所确定的总体设计思想， 对原石碴漏斗车进行了改造。 2 在国内，首次在石碴漏斗车中确定采用大圆弧包板结构，提高了新 型石碴漏斗车的结构特性。 3 对新型石碴漏斗车的技术性能及主要参数进行了说明。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第3 章新型石碴漏斗车车体结构有限元分析 车体结构有限元法，就是把弹性连续介质离散化为只在有限个结点上相 互连接的有限个单元，用这样一组有限个单元的集合体来代替原来的连续体。 由于这样一组单元只在有限个结点上相互连结，因而只包含有限个自由度。 作为基本位置量的可以是位移，也可以是应力，也可以既有位移又有应力。 应用有限元法分析的基本步骤为离散化、单元分析和系统分析。结构离散化 是把给定的结构按适当的方式划分为有限个小区域，每个小区域成为一个单 元。在每个单元的边界面( 线) 上选定若干个点，称为结点。相邻单元之间 只在结点处相互连结。单元分析的基本任务是建立单元结点力与单元结点位 移之间的关系。系统分析的任务是按照静力平衡与变形协调条件把作为分离 体的各个单元重新组集为一个完整的结构进行求解。 新型石碴漏斗车的车体承载结构属于侧壁与底架共同承载，在进行车体 静强度计算时，如果采用手工计算，必须把车体承载结构简化为能够利用现 代结构力学方法计算其应力和变形的计算筒图的形式，由于现代计算机技术 的迅猛发展，电算法取代了繁琐的手工计算，本次计算采用了电算法，采用 国际上知名的大型有限元软件i d e a s 的c a e 模块。该软件前后处理器丰富， 在铁道部内被广泛使用。 新型石碴漏斗车的设计为改型设计，在调研阶段，我们充分借鉴了国外 圆弧包板漏斗车的结构及齐车集团为大连北良集团生产的粮食漏斗车的经 验，但这些车皆为有盖漏斗车，不仅在结构上存在差异，而且装载的介质亦 不同，不能简单的照搬照抄。由于石碴漏斗车具备机械化卸碴的特点，经过 四十余年运用和试验的不断更新完善，其机械化卸碴性能良好，具有单辆卸、 分组卸、整列卸及边走边卸的功能，为了不影响其良好的机械性能，改型设 计中，保留了其原有的风、手动卸碴的特点，也就是说对原车的传动机构进 行了保留，这样对钢结构部分进行的改动仅停留在底架结构的优化和圆弧板 侧墙上。从整体上看改型设计的新型石碴漏斗车虽然取消了板柱式侧墙结构 的侧柱，圆弧包板侧墙代替了原来的直板结构，但其车体结构仍属侧壁与底 架共同承载结构，两圆弧侧板之间需贯通的筋板加以连接以增加其侧壁承载 1 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 能力。因此，在侧墙组成设计中要充分考虑其承载，否则，会对整车的强度 和刚度造成影响。在前期方案设计阶段，由于对此认识不足，也有过不成熟 的经验，经静强度计算后，验证了两圆弧侧板间筋板位置对侧壁与底架共同 承载车体结构的影响。在最初的方案设计中，两圆弧侧板问共增加了三块筋 板，其中车体中心位置一块，与漏斗中隔板及圆弧侧板焊接为一体，端板处， 漏斗端隔板上方一、二位各一块，仅与圆弧侧板焊接为一体，经i d e a s 计算 后，牵引梁、枕梁、大横梁、漏斗、侧墙、端墙等各部位的大应力点均超出 了相应材料的许用应力值，经局部补强，应力值仍居高不下，说明不是局部 的问题，应该是结构的问题。由于该车为2 l t 轴重，载重6 0 t ，与原k 1 3 的 自重、载重一致，即垂向静载荷具有与原k 1 3 相同的数值和方向，纵向力按 照t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 的规定施加在前、后从板座上，纵向力的数值和方向也是 不变的，唯一改变的是圆弧板侧墙承受了一定的垂向载荷，以及散粒货物侧 压力，侧墙承受的载荷加大了。根据初次计算，分析问题在于侧墙组成的承 载能力下降了，改变端隔板处筋板的连接方式，使其不仅与侧板焊接为一体， 更与漏斗分碴梁焊接为一体，以增强其与漏斗、底架的连接。此外由于漏斗 车二位端墙以外的侧墙为自由边，变形较大，在其端部增加了相应的筋板， 改善了其受力，增强了其刚度。改进设计后莺新应用i d e a s 软件进行了计算， 结果较初次计算大为改善。 新型石碴漏斗车车体有限元分析包括：车体结构模型的简化、车体结构 有限元模型的建立、计算工况的确立、施加边界条件、求解及计算结果分析 等。 3 1 车体结构模型的简化 3 1 1 整车结构简介 新型石碴漏斗车车体为无中梁全钢焊接结构，牵引粱由两根3 1 0 乙字型 钢组焊而成，枕梁、端梁为钢板组焊结构，侧梁由1 6 0 x 6 0 x 6 矩形冷弯型钢及 异型钢组焊而成。侧墙采用大圆弧板结构，上侧梁采用1 0 0 x 1 6 0 x 5 的冷弯型 钢，上端梁为1 2 0 x 8 0 x 5 的矩形钢管，材质除牵引梁为0 9 v 钢、圆弧形侧板及 上端梁、端板采用0 9 c u p c 州i a 高耐候性结构钢外，其余均为0 9 c u p t i r e a 北京交通大学工程硕士专业学位论文 耐候钢。整车结构除1 位端梁及2 位小横梁外，其结构均对称于纵向中心线。 3 1 2 车体结构模型的简化 由于有限元理论是通过对连续介质的离散化，用相邻单元之间只在有限 个结点处相互连结的离散化模型代替实际的连续体，所以有限元分析的关键 是建立合理的有限元离散网格。本次计算的有限元模型由几何模型生成，故 几何模型的简化极为重要。如前所述，新型石碴漏斗车车体结构具有对称性， 且各部件之间的连接采用焊接方式。为此，从简化计算而又不影响计算精度 的角度出发，取二分之一车体建立几何模型。基于板壳单元的思想，考虑车 体实际受力结构、受力部件，按照整车的实际尺寸构建几何模型。 3 2 车体结构有限元模型的建立 新型石碴漏斗车车体结构的有限元模型由几何模型生成。建立有限元模 型的关键是确定单元类型、单元大小及单元种类。由于新型石碴漏斗车为全 钢焊接结构，除牵引梁为型钢外，包括上侧梁、上端梁、侧粱及端梁均为板 材结构，根据其结构及材质特点，将所有零部件均离散成板单元( 1 1 1 i n - s h e l l ) ， 由于各部分采用焊接连接，故连接处采用同节点处理。图1 为该车车体网格 图，共划分了4 8 1 1 个节点，5 3 5 5 个单元。计算中弹性模量取2 1 x 1 0 5 m p 如 泊松比为o 3 ，质量密度取7 8 k 分米3 。 3 3 载荷及边界条件的确定 新型石碴漏斗车的有限元网格划分好后，关键的问题就是合理地确定载 荷及边界条件。 3 3 1 载荷处理 根据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计和试验鉴定规范( 以下简称“规 范”) 规定，新型石碴漏斗车主要承受以下几种载荷的作用： 3 _ 3 1 1 垂向载荷 垂向载荷包括垂向静载荷和垂向动载荷，垂向静载荷包括车体自重、载 重，本车为8 1 3 4 k n 。垂向动载荷为垂向静载荷乘以动荷系数，垂向动荷系 1 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图l车体网格图 数为0 2 8 。在计算中自重可用程序旋加于每个单元的形心上，由于该车结构 形式比较复杂，车体承受垂向载荷的承载面都不是水平的，因此，垂向载荷 按照i d e a s 软件提供的施加液体压力的方式进行施加，液体压力的参考面选 在车体装载货物的上表面。 d + 占v d c 一； k d v _ 石+ 渤 其中：k 。，一动荷系数 a 2 1 5b = 0 0 5c = 0 4 2 7d = 1 6 5 “= 3 9 m 得：k 。，= 0 2 8 3 3 1 2 纵向载荷 纵向载荷分两种工况，第一工况为1 1 2 5 k n 纵向拉伸力和1 4 0 0 k n 纵向 压缩力，第二工况为2 2 5 ( n 纵向压缩力。分别施加于前后从板座上。 3 3 1 t 3 应力的合成 按“规范”规定，在鉴定强度时，将上述几种载荷作用下的应力按“最 大可能组合”原则予以合成，计算时采用载荷组合的方法，在组合载荷作用 下的计算结果等同于应力合成的结果。主要有以下三种载荷组合情况： 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第一种组合载荷：纵向1 1 2 5 k n 拉伸力，垂向静载荷，垂向动载荷； 第二种组合载荷：纵向1 4 0 ( n 压缩力，垂向静载荷，垂向动载荷； 第三种组合载荷：纵向2 2 5 0 k n 压缩力，垂向静载荷。 第一、二种组合载荷的计算结果按第一工况许用应力评定，第三种组合 载荷的计算结果按第二工况许用应力评定。 3 3 2 约束处理 根据结构力学对称性原理，在对称载荷作用时，结构对称面的节点上施 加相应的对称约束，在车体心盘处施加垂直方向的约束。 3 3 3 计算许用应力 根据“规范”，各种材料的许用应力如下：( 单位m d a ) 材料第一工况第二工况 0 9 c u p t i r e a 18 4 2 5 0 0 9