（交通运输工程专业论文）120kmh机械冷板冷藏车车体钢结构研究.pdf

摘要 随着国民经济的发展和易腐货物运量的不断增加，为满足铁路货 运提速的需要，将舆有诸多优点的冷板蓄冷技术应用予铁路载运王 具，开发研制1 2 0 k m h 祝械冷板冷藏车成淹现实需求。 # 为这种新壅 冷藏车的承载结构，其车体钢结构是研制该产品的关键所在。 主要的研究工作包括：按照总体方案进行结构设计，车体采用整 体承载式全镊焊接练拳鼋，蔽耪选耀纛重候钢，乡 形轮寒符合车辆隈券； 运用有限元分析方法，建立车体钢结构计算模型，进彳亍了强度与刚度 计算，骏证了结构设计符合车辆强度规范；通过工艺技术准备和制作 的工艺装备，确保了嚣辆样车钢结构的试制质量，实物检测数据基本 符合该窜的技术要求；进行了攀体静强度试验，试验数据表明，祥车 钢结构强度和刚度均满足车辆强度规范要求；经过运用考验，样率钢 结构的技术状态保持良好。 分褥了车体锈维掏密缝越其强度鲶影瞒，提凄7 三耱分析方法， 估算了这种新型冷藏车在运用过程中，不闷腐蚀年数的钢结构强度、 刚度状况，定量分析了随着年数增加腐蚀对强度、刚度的影响程度和 变化趋势。 对这种车体翱结构进行了迸一步盼优化探讨，提漱了基于灵敏度 分析的钢结构轻量化方法和原则。对车体钢结构多个设计变量的应力 灵敏度、位移灵敏度和质量灵敏度进行了计算，这样可以准确把攥备 设计交量对车镩镅绐构强度、戳度和质量酌影璃程度。逶蓬对其举体 钢结构进行结构优化、灵敏度分析和参数优化，为车体承载结构辍量 化提供了一种科学的分析计算方法。 实践涯瞬，职制戆这秘新燮冷藏车鲶零体镶结构，符合该车的技 术性能指标和参数的要求，可以满足1 2 0 1 a n h 运行速度的铁路快捷冷 藏运输的需要，达到了研发的预期目标。通过试验和遴用考验，证明 了这种额型冷藏车冷藏效果好，运行速度快，装载容积大，有运用灵 活、经漭、可靠、节麓、环保等特点，吴存缀磐的经济效益霹柱会效 益。 关键词；冷板冷藏车，车俸镶结构，研制，有限单嚣法 a 嚣s 善r a c 誓 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei n c r e a s i n g p e r i s h a b l ec a r g o e s ，a n dt om e e tt h en e e d so fr a i l w a ys p e e di n c r e a s i n g , i t i su r g e n tt od e v e l o p1 2 0 k m hm e c h a n i c a lc o o lp l a t er e f r i g e r a t o rc a r s ， w h i c ha p p l yt h ec o o lp l a t et or a i l w a yv e h i c l e s a st h el o a d - b e a r i n g s t r u c t u r e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ec a r - b o d ys t e e ls t r u c t u r ei so n eo ft h e m a i nt a s k s m l em a i nt a s k so fd e v e l o p m e n ta n dm e t h o d su t i l i z e di n c l u d e ：t h e s t r u c t u r ei sd e s i g n e di na c c o r d a n c ew i t ht h eo v e r a l ls c h e m e n ec a rb o d y i sw i t h i n t e g r a l - l o a d - b e a r i n g w h o l e - s t e e l w e l d i n gs t r u c t u r e ， w e a t h e r - r e s i s t a t a n ts t e e li ss e l e c t e d 鳃t h ep l a t em a t e r i a l t h ep r o f i l eo f c a rm e e t st h en e e d so ft h ec a rd e l i m i t a t i o n u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o d ，ac a l c u l a t i o nm o d e lf o rt h ec a r - b o d ys t e e ls t r u c t u r ei s b u i l t ，t h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo ft h ec a r sa r ec a l c u l a t e d ，a n dt h es t r u c t u r e d e s i g ni sv e r i f i e dt os a t i s f yt h ec a rs t r e n g t hc r i t e r i o n t h em a n u f a c t u r i n g q u a l i t y o ft h em o d e lc a r si se n s u r e d b yt e c h n i c a lp r e p a r a t i o n a n d e q u i p m e n t 强ed a t af r o mt h et e s t0 nt h em o d e lc a rb a s i c a l l ym e e t st h e t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t 口地s t a t i cs t r e n g t ht e s ti sc a r r i e do nt h em o ( i e lc a r s ， a n dt h er e s u r i n gd a t ai n d i c a t e st h a tt h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo fm o d e lc a r s t e e ls t r u c t u r em e e tt h ec r i t e r i o n 曩稽t e c h n i c a lp e r f o r m a n c e so ft h e m o d e lc a r sr e m a i ng o o da f a rt h ea p p l i c a t i o nt e s t e f f e c to fc o r r o s i o no nt h es t r e n g t ho ft h ec a r - b o d ys t e e ls t r u c t u r ei s a l s oa n a l y z e d ，a n dt h r e ea n a l y s i sm e t h o d sa r ep u tf o r w a r d t h es t r e n g t h a n dr i g i d i t yo ft h es t e e ls t r u c t u l a f t e rd i f f e r e n ty e a r so fc o r r o s i o na r e a s t i m a t e da n dp r e d i c t e d t h ee x t e n ta n dt e n d e n c yo fe f f e c to fc o r r o s i o n 0 1 1t h es t r e n g t ha n dr i g i d i t ya r ca n a l y z e dw i t hi n c r e a s i n gy e a r so f a p p l i c a t i o no f c a r s 。 o p t i m i z a t i o nd e s i g n o nt h ea b o v ec a r - b o d ys t e e ls t r u c t u r ei s d i s c u s s e d aw e i g h tl i g h t e n i n gm e t h o da n dp r i n c i p l eo fs t e e ls t r u c t u r ei s p u t f o r w a r db a s e do ns e n s i t i v i t ya r i a l y s i s 。t h es t r e s s s e n s i t i v i t y , d i s p l a c e m e n ts e n s i t i v i t y , a n dm a s ss e n s i t i v i t yo fs e v e r a lv a r i a b l e so f c a r - b o d ys t e e ls t r u c t u r ea r ec a l c u l a t e dt op r e c i s e l yc o n t r o lt h ee f f e c to f e a c hv a r i a b l eo nt h es t r e n g t h , r i g i d i t ya n dm a s so fc a r - b o d ys t e e ls t r u c t u r e as c i e n t i f i ca n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o di s p r o v i d e df o rw e i g h t l i g h t e n i n g o ft h e c a r - b o d yl o a d b e a r i n g s t r u c t u r ev i as t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no ft h e c a r - b o d ys t e e ls t r u c t u r e i ti sp r o v e dt h a tt h ec a r - b o d ys t e e ls t r u c t u r eo ft h en e wr e f r i g e r a t o r c a r sm e e tt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sr e q u i r e m e n t s ，i tc a nm e e tt h en e e d so f r a i l w a yr e f r i g e r a t i o nt r a n s p o r ta tt h es p e e do f1 2 0 k m h ，a n da l s ot h e d e v e l o p m e n ta i m sa r ea c h i e v e d e x p e r i m e n t sa n da p p l i c a t i o nt e s t sp r o v e t l l a tt h en e w r e f r i g e r a t o rc a r sw i t hg o o dr e f r i g e r a t i o ne f f e c t ，h i g h e rs p e e d ， a n dl a r g ev o l u m e a n dt h ec a r sa r ef l e x i b l ef o ru s a g e ，e c o n o m i c a l ， r e l i a b l e ，e n e r g y - s a v i n g ，a n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y , s oi t w i l lc r e a t e e x c e l l e n te c o n o m i cb e n e f j ta n ds o c i a lb e n e f i l k e yw o r d s ：c o o lp l a t er e f r i g e r a t o rc a r , c a r - b o d ys t e e ls t r u c t u r e ， d e v e l o p m e n t ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 原刨性声明 本人声明，所量交的学位论文是本人在导师摆寄下进行的研究 工作及敬得的研究成采。尽我所知，除了论文中特剐绷以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单键的学位或证书而使用过的材料。髟我 共圃工掺魏霹恚对本研究所器豹贡献均已在论文孛掺? 明确麓说唆。 作者签名： 日期；兰竺互年二月丝日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关像留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位 论文的全部或部分晦容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或潮鬻省有关部门规定送交学位论文。 镪峭名缉隅丑蛙月兰嚣 工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 112 0 k m l h 机械冷板冷藏窜研究背景及意义 随着阑民经济的发展，易腐货物运输量的不断增加以及公路冷藏运输的大力 发曩，铗赣凌舂夔冷藏运辕车辆已苓簸漾是要求爱参每竞争。爨夔，铁爨懿冷藏 运输车辆燕要是成组机械冷藏车、单节机械冷藏翠和加冰冷藏率，由于自身的缺 点制约了佬们的发展和使用：成组机械冷藏车需成组使用，而目前市场的冷藏货 物运输趋势建少量、多菇静、多方潮，使或组极械冷藏车的镬耀攀大大降低；瑟 单节税械冷藏车由于裁缝成本高、筏糟费用高、敬障多两没有侠速发震起来；加 冰冷藏车由于使用冰盐制冷，盐水的排放严重腐蚀车辆及线路，铁道部已予技术 政策中将其列为淘汰产品，生产厂家1 9 9 9 年已停皮生产；因此，开发研制遥合 我藿霉壤豹、抉捷、霹纛、苇戆、残本低、使霜炙活豹藜鍪冷藏车毅渍是铗鼹冷 藏运输的需要及参与竞争是非常必要的。 国外黹遍认为，将冷板蓄冷技术应用于载运具的优点，除了有良好的冷藏 效能终，疑突是的还楚露靠、苇戆、经济，瑟虽爨兹无干耗h l 。 为满怒铁路冷藏货邂提速盼需鼗，将具有诸多优点的冷板蓄冷技术应掰于铁 路载运工具，开发研制1 2 0 k m h 机械冷板冷藏车成为现实需求。作为这种新溅冷 藏车的承载结构，其车体钢结构的研制是主要研究连容之一。 霹予“1 2 0 k m h 飘槭冷叛冷藏攀”，文中戳下麓称“1 2 0 k m h 冷叛车气 2 国内外研究综述 攀健渡嚣，嚣强发震7 藏簸辘嚣专。霉兖冷设施透嚣蓄冷豹冷鬏汽攀帮冷 板集装箱，因其充冷受制约，使用不灵活，未得到发展，6 0 年代以后，国外又 发展了带制冷机组的冷板汽车和冷板集装箱，其使用方便可靠飘经济，使得冷板 剿冷技术农冷藏汽车中褥以兖分利用。 从美麓、欧澜共潮体、日本等濒冷藏运输镳 2 | t 3 1 1 4 1 i s l 酌情况来看，冷教冷藏 车的一次蚀投资费用和使用过程中的营运费用较其它制冷方式的车船要低得雾， 因而，目前很多发达国家如美国、日本、德国、意犬利等国已经普遍采用冷扳冷 藏车( 簸 来运送易疯食晶溺。 我国铁路冷藏运输工具主要有机械冷藏车弼芹玎加冰冷藏车t t 。冷板冷藏攀处 于研发试制阶段，其中有靠地面充冷站充冷的第一代、自带制冷机组的第二代。 工程硕士学位论文第一章绪论 我国8 0 年代初研制了不带机组依赖地面冷库进行充冷的第一代铁路上运用 的冷板车。由于路网中无相应的充冷站而无法使用，1 9 9 0 年至1 9 9 4 年，铁道部 科技司组织上海铁路局、广州铁道车辆厂等单位利用b 1 7 型机械冷藏车的车体 改造，研制了铁路第二代b 1 5 b 型带制冷机组的冷板冷藏车，该车于1 9 9 7 年4 月通过了铁道部部级技术成果鉴定。鉴定认为，将机组配置在车上的机械冷板冷 藏车制冷系统在理论上是正确的，技术上是可行的。 冷板车有其独特的优点： ( 1 ) 车辆运行期间不存在机械和电器故障，不存在人为因素的影响，在规定 的放冷期间可连续制冷，货物的品质有可靠的保证。 ( 2 ) 制冷成本低、恒温性能好。 ( 3 ) 可单辆或小编组使用，方便快捷，这是机械冷藏车组所不具备的。 ( 4 ) 解决了冰冷车盐水腐蚀车辆、线路和污染环境的老大难问题。 广州铁道车辆厂这十几年来一直努力把冷板制冷技术应用于载运工具的研 究，取得了一定的进展。在冷板冷藏车的研制过程中，车辆结构、强度、动力学， 制冷系统、冷板、蓄冷剂、温度场始终是主要研究内容和技术关键，在研究和设 计中采用了玻璃钢夹层发泡结构、多唇整体密封胶条车门、大容量机组、新型共 晶液和新式温度调节装置等一系列新材料、新技术、新结构、新工艺，使车辆的 强度、动力学性能，隔热性、气密性及冷藏效能达到先进水平，具有装载能力大、 放冷时间长、货物品质好等特点。 广州铁道车辆厂9 7 年、9 8 年陆续研制出厂的第二代b s y 型机械冷板冷藏 车投入运用后，多次装货考验，都证明它性能、货物质量优良，深受货主欢迎， 广东省冷冻公司在亲眼目睹冷板车的运货质量后，主动来电帮货主联系租用冷板 车。兰州局、湛江站等路局、站段听了冷板车的介绍后，也纷纷打报告申请使用 冷板车【田。 在b s y 型冷板车( 运行速度9 0 k m h ) 研制的基础上，研制新型1 2 0 k m h 冷 板车将为用户提供一种快速、直达、安全、可与行包快运专列连挂的新车种，它 的研制成功将更加展现冷板车独有魅力，会给客户和货主带来良好的经济效益。 1 312 0 k m h 冷板车方案简介 按设计要求该车可编挂普通货运列车、“五定”班列和行包快运专列等列车， 适用于一般冻结货物、冷却货物、未冷却货物的快速保鲜运输。 1 3 1 总体 1 2 0 k m h 冷板车，其车型为二节式车组，由一辆设乘务室的乘务货物车和一 辆不设乘务室的货物车组成( 见图1 1 ) ；二辆既可成组使用，又可单节使用，该 2 工程硕士学位论文 第一章绪论 车禁止通过机械化驼峰调车场编组。 乘务货物车 1 一束务室2 一给水装王3 一蓄电池葙4 一空气制动装王5 一货物问6 一克电葙 7 一冷板8 一制冷机组9 - 手制动机l o 一转向架1 1 一车体钢结构1 2 一丰钩缓冲裘王 图1 11 2 0 k m h 冷板车组的乘务货物车与货物车 ( 1 ) 选用转k 2 型转向架，可以满足最高运行速度1 2 0 k m h 的运用要求。 ( 2 ) 车体隔热壁采用夹层结构和现场发泡工艺，车体k 值不大于0 3 w m 2 k 。 ( 3 ) 采用冷板蓄冷剂蓄冷，一次充冷，可连续放冷1 2 0 小时以上，货物间温 度波动小于2 ，无盐水腐蚀，车辆厂修期达到8 年。 ( 4 ) 自带制冷机组，充冷需地面电源，不受冷库的限制。 ( 5 ) 适应一般易腐货物( 冻结货物，冷却货物和未冷却货物) 的冷藏运输要 求。 ( 6 ) 车体钢结构为全钢焊接结构，钢板为耐候钢板。乘务货物车一位端设乘 务室，二位端设机器间，中间为货物间。货物车二位端设机器问。货物间隔热壁 采用高强度玻璃钢一聚氨脂夹层结构。货物间车门采用方角、双锁杆、多唇整体 密封胶条、夹层板结构。 1 3 2 制冷系统 制冷机组功率在2 0 k w 以内，采用减振元件安装。 冷板安装在货物问内顶。 温度调节装置采用夹层板、温度调节窗结构，安装在冷板下面。 3 工程硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 电气系统 ( 1 ) 乘务货物车电气系统 乘务室设电灯、风扇、测温仪，采用2 2 0 v5 0 h z 供电。 货物间设循环风机两台，采用三相3 8 0 v5 0 h z 供电：设测温点六点。 制冷机组设控制与配电设施，采用三相3 8 0 v5 0 h z 供电。 车下设免维护蓄电池、充电逆变箱、外接电源电缆箱。 ( 2 ) 货物车电气系统 货物间设循环风机两台，采用三相3 8 0 v5 0 h z 供电；设测温点六点。 机器间设测温仪，采用2 2 0 v5 0 h z 供电。 车下设外接电源电缆箱。 1 3 4 乘务室 乘务室设置卧铺、衣物柜、水箱、便器、电器等生活设施。 1 3 5 转向架 转向架选用齐车公司研制的2 d 轴下交叉支撑三大件式转向架( 转k 2 型) ， 该转向架采用直径t h 3 5 5 m m 大心盘、弹性常接触旁承、侧架下交叉支撑装置( 提 高转向架抗菱刚度) 、耐摩斜楔、高摩合成闸瓦。 1 3 6 空气制动装置 空气制动装置采用1 2 0 型货车空气控制阀，2 5 4 x 2 5 4 旋压密封式制动缸， s 1 2 2 5 0 型双向闸瓦间隙自动调整器，二级空重车调整装置。 1 3 7 车钩缓冲装置 车钩缓冲装置采用1 3 号车钩( i - 作用式，c 级钢) ，c 级钢钩尾框，m t - 3 型缓冲器。 1 3 8 结构强度与刚度、动力学性能及其它要求 ( 1 ) 车辆强度与刚度应符合t b t 1 3 3 5 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规 范的要求。 ( 2 ) 车辆动力学性能应符合g b 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能评定及试验鉴 定规范的要求。 ( 3 ) 隔热性能应符合t b t 1 5 3 7 1 9 9 7 保温车隔热性能试验评定方法的要 求。 ( 4 ) 气密性应符合g b l 8 8 6 8 7 保温车气密性试验方法的要求。 4 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 4t2 0 k m l h 冷扳鬻主要技术性麓指标翱参数 1 4 1 繁务货物车 自羹( 含共晶液) 载爨 容积 比容 携逸速度 平稳性指标w 通过晟小曲线半径 车体平均传热系数 货物间温度 充冷时间 藏冷辩溺 机组产冷量 电源功辜 底絮( 长宽) 车辆长度 车辆商度 车辚定巨 车钩中心线高 车门洞尺寸( 宽x 高) 转是榘 空气制动阀 制动缸 制动率 1 8t ( 遮行速度1 2 0 k i n h ) 2 1t ( 运孬速度l o o k m h ) 4 0 t 3 2t ( 邋行速度1 2 0 k i n h ) 3 8t ( 运行速度l o o k m h ) 1 8 2 岔 2 5m 3 t ( 载重3 2 t ) 2 2 m 3 t ( 载重3 8 t ) 1 2 0l 【玎德( 最毫运移速度 “ 1 4 5 m ( 车辆连挂) 1 0 0 m ( 犟车调行) 氆2 7w m 2 k 6 一+ 8 ( 平均外温+ 3 0 ) 0 1 6 6 m ，因此，两辆相邻的1 2 0 k m h 冷板车连挂，在线路曲线半径为 1 4 5 m 时，两车辆端部不会相碰，并有一定的安全裕量。 2 3 5 车钩在冲击座内的摆动角度 当车辆运行于具有最小曲线半径的s 形曲线上时，车钩中心线相对于车体 中心线发生最大位移，此时，两车钩中心线偏离车体中心线的角度o f l 、口，为【1 5 】： 工程硕士学位论文第二章1 2 0 k m h 冷板车车体钢结构的结构设计 q = 嗷半产m 等 ：arctg丝等坐+arcsinor2 a r c t g尝式( 2 9 ) 2 2 1 i _ 。! 互 式( 2 。功 式中：、， 一两连挂车辆的定距 啊、刀，一由心盘至车钩尾部销结中心之间的距离 2 m 一相邻两车钩铰接点中心之间的距离 r l 、r 2 一s 形曲线的两个半径 b l 、b 2 一两个钩尾销中心的横向位移 其中，横向位移由下式确定： b ：= 1 ( i i + n 1 ) n l - ( s 1 2 ) 2 - m 2 2 置 b 2 ：= ( 1 2 + n 2 ) n 2 - ( s 2 2 ) 2 - m 2 2 马 s l 、s 2 为两车辆转向架的轴距，对于k 2 型转向架取s 1 = s 2 = 1 7 5 m 取线路曲线半径r l = r 2 = 1 4 5 m ，当1 2 0 k m h 冷板车与“计算车辆”连挂时 b l =鱼堡! 堡= ! 墨! 望：二竺：；f ! 兰圣：! ! 尘兰兰：! 丝二! ! ：z ! ! 垄：= 旦：! 箜：o 0 9 9 2 r l 2 1 4 5 6：(12+n2)n2-(s22)2-m2；(935+1559)x1559-(1752)2-08452：0054 2 r 2 2 1 4 5 对于1 2 0 k m h 冷板车，采用1 3 号车钩，其车钩摆动角度： 铲嘴学+ 黜如警 ：嗷! 丝型丝竺：堕+ a r c s m 0 0 9 9 + 0 0 5 4 ：8 7 0 2 舢r g 1 万一+ a r c 8 m 丽f ：i 矿2 - 。 车钩在冲击座内最大容许摆动角度口一按下式计算1 6 1 ： 口。a 咖要晏 式一l o ) ( z - l u ) 口。a r c t 趾百 氏 式中：d 一冲击座e l 的宽度 d 一同一部位钩身的宽度 k 一车钩销接中心与冲击座之间的距离 对于1 2 0 k m h 冷板车，采用1 3 号车钩： 1 4 工程硕士学位论文第二章1 2 0 1 m e n 冷板车率体铜结构的结构 受计 掰一：嬲嫩皇兰：a l c t 缀璺：! 兰二壁：! 竺。i i 。5 0 2 辩嫩丐矿2 粼鼬1 丽。 1 2 0 k m h 冷板车与“计算车辆”连挂，在线路曲线半径为1 4 5 m 时，其率钩 摆动角度搿= 8 7 0 ，可见搿 口。，即车钩摆动角度小于车钩谯冲击座内最大容 许摆动角度，因此，钩赛不会与；孛爨座内壁相碰攮。 2 412 0 k m l h 冷板率车体钢结构设计 2 4 1 结构方案 1 2 0 k m h 冷板车攀俸钢结构采耀整体承载式：鑫锈焊接结构，这释车体豹车 顶、侧墙、端墙和底架涟接成一个整体，共同承爨着作用在军体上的一切载荷。 整体承载妓钢结构具有很大的强度和冈度，侧墙、端墙和车顶能够承受由底絮传 来瓣穗骜夭豹一部分载蘅，霾踅其疯絮霉毅院蒺| | 繁承载式车髂徽 霉还要轻巧蹙。 为了使1 2 0 k m h 冷板车的结构肖较好的通用性，同时又具肖较好的工艺性， 1 2 0 k m h 冷板车车体钢结构的设计，参照b 6 型加冰冷藏车的结构并进行改进， 采用这榉熬结稳方案，一方嚣冷叛攀镶结橡零配镑瓣制遥，可潋充分聿l 用广髑铁 道车辆厂现有b 6 型嬲冰冷藏车检修豹工艺条件，缩短生产爝麓，降低研制戚本； 另一方面，由于钢结构大致相同，便于将来把制冷性能较差的b 6 型加冰冷藏率， 舞级改造成冷扳冷藏擎。 2 4 。2 络褥设睾 乘务货物车车体宽度为3 0 1 0m m ，车体长度为1 7 0 0 0m l t t ，率辆高度为4 5 8 6 m m ，钢结构自重i i 8 5 3 t ( 计算质鬃) 、重心高9 1 6 。5 m m ( 距底架上平面) 。钢结 梅一位壤设乘务室，蠢攀俸长1 4 8 0 r a m , 牵霾为赞耪阕，长1 4 8 1 4 m m ，乘务室 与货物间用隔墙分开；二位端设机器间，占车体长7 0 6 m m 。桊务货物车钢结构 三维模型( 半车) 见圈2 - l 。 赞携攀攀髂竟度免3 0 1 0n a l n ，攀体长度失1 7 0 0 0 越m ，车辆麓度为铤6 7 5 矬飘， 镅结构自黧i i 3 3 7 t ( 计算质量) 、鬟心高9 0 0 5 m m ( 距底架上平面) 。铺结构二 位端设机器间，占车体长7 0 6 m m ，熊余为货物阃，长1 6 2 9 4 m m 。货物车钢结构 三维模型( 半车) 见圈2 - 2 。 工程硕士学位论文 第二章1 2 0 k m h 冷板车车体钢结构的结构设计 l 一底架2 一翻墙3 一端墙4 一隔墙5 一车嘎 图2 - 1乘务货物车铜结构三维模型( 半车) 图 i - - 底榘2 一侧墙3 一端墙4 一事顶 图2 - 2货物车铜结构三维模型( 半车) 图 乘务货物车、货物车的车体钢结构均主要由底架、侧墙、端墙、车顶等部件 组成，两车各大部件的构成基本相同。 1 底架 底架由中梁、侧梁、枕梁、端梁、大横梁、小横梁等组焊而成。底架尺寸( 长 宽) 为1 7 0 0 0m m x 3 0 1 0i e t n l 。 ( 1 ) 中梁由2 根1 7 m 长的3 1 0 乙型钢组焊而成，上翼板、腹板厚1 2 m m ，下 翼板厚1 8 r a m ： 1 6 工程硕士学位论文 第二章1 2 0 k m h 冷板车车体铜结构的结构设计 ( 2 ) 枕梁为双腹板箱形变截面钢板组焊结构，每车4 件，腹板厚l o m m ，上、 下盖板厚1 4 r a m ： ( 3 ) 大横梁为工字形变截面钢板组焊结构，每车8 件，腹板厚8 m m ，上、下 盖板厚l o m m ； ( 4 ) 端梁为槽形变截面钢板组焊结构，每车2 件，腹板厚8 m m ，上、下盖板 厚8 m m ： ( 5 ) 侧梁为l 1 6 0 x 1 0 0 x 1 0 不等边角钢，侧梁补强梁为l 7 5 x 5 0 x 8 不等边角钢， 每车各2 件：小横梁为8 0 x 4 3 x 5 槽钢，每车2 6 件。 2 侧墙 每面侧墙分别有一个货物间门和机器间门( 乘务货物车的侧墙另开乘务室 门) ，侧墙由上侧梁、侧柱、压筋侧板及门柱等组焊而成。上侧梁为l l o o x 6 3 x 8 不等边角钢，门柱为l 1 0 0 1 0 0 1 0 等边角钢，侧柱为6 3 x 4 0 x 4 8 槽钢，侧板为 2 5 m m 厚钢板压筋制成。 3 端墙 端墙由角柱、上端梁、端柱、压筋端墙板等组焊而成。角柱为l l o o 1 0 0 l o 等边角钢，上端梁为l 1 0 0 x 6 3 x 8 不等边角钢，端柱为【1 0 0 x 4 8 5 3 槽钢，端板为 2 5 m m 厚钢板压筋制成。 4 隔墙 仅乘务货物车设置隔墙，隔墙由角柱、上端梁、隔柱、横梁、隔墙板等组焊 而成。角柱为l 1 0 0 x 1 0 0 x 1 0 等边角钢，上端梁为l 1 0 0 x 6 3 x 8 不等边角钢，隔柱 为2 根【8 0 x 4 3 x 5 槽钢拼成，横梁为l 6 3 x 4 0 6 不等边角钢，隔墙板为2 5 m m 厚 钢板拼焊而成。 5 车顶 车顶由车顶端侧梁、车顶弯梁、车顶纵梁以及顶板、端顶板、小端柱等构件 组焊而成。车顶端侧梁、车顶弯梁为l 6 3 4 0 6 不等边角钢，车顶纵梁为6 0 6 扁钢制成，顶板为2 m m 钢板制成。其中，乘务货物车的乘务室车顶开设水箱安 装孔，加焊水箱托梁。 2 5 车体钢结构材料的选用及防腐措施 2 5 1 材料的选用 为了提高车体的强度和抗腐蚀能力，车体钢结构的中梁采用低合金0 9 v 乙 型钢，枕粱、大横梁、端梁采用耐候钢板组焊结构，墙板、顶板为耐候钢板。板 材均采用耐候钢，牌号为0 9 c u p t l r e ，其他型材采用q 2 3 5 - a 钢。 1 7 工程硕士学位论文第二章1 2 0 k m h 冷板车车体钢结构的结构设计 2 5 2 防腐措施 车体钢结构所用的各金属型材应进行抛丸除锈预处理，清洁度达到 g b 8 9 2 3 - 8 8 中s a 21 2 级及以上标准，抛丸处理后喷涂可焊性防锈底漆，干膜厚 度为l o - - 2 0 1 m a 。板材应进行磷化除锈预处理，磷化膜厚度为5 - 1 5 p r o 。 车体钢结构外表面采用环氧沥青重防腐涂料，底架及车顶外表面干膜厚度不 小于1 2 0 1 t i n ；侧端墙外表面干膜厚度不小于6 0 p r o 。车体钢结构内表面采用磁化 铁酚醛防锈漆，干膜厚度不小于5 0 1 m a 。车体钢结构面漆采用银色丙烯酸改性面 漆，干膜厚度不小于6 0 1 a n ；底架面漆采用黑色调和漆，干膜厚度不小于4 0 1 a n 。 通过板材选用耐候钢，同时钢材采用预处理工艺和喷涂环氧重防腐涂料，以 提高车体的耐腐蚀性能，使车辆满足厂修期8 年和使用寿命2 8 年的要求。 1 8 工程硕士掌位论文第三章1 2 0 k m h 冷板车车体钢结构强度与月b 度计算 第三章1 2 0 k m l h 冷板车车体钢结构强度与剐度计算 为校核1 2 0 k m h 冷叛车车体钢缀构强度与秘日度，依据髑孵1 3 3 5 1 9 9 6 铁道 车辆强度设计及试验鉴定规范( 以下简称强度规范) ，对策务货物车、赞物 车车体钢结构强度和刚度进行计算分析工作。计冀运用有限嚣分析方法【1 那射， 采蔫嚣鼯童公试懿、珐麓强大豹a n s y s 大鍪逶惩窍藏元分爨袈 孛驻9 1 。 3 1 计算对象 3 1 。i 缕耩楚套 车体钢结构特点详见章节2 4 2 。 ( 1 ) 乘务货物车 车体漆缴自分成豢务室、货携翅及爨器霹。豢务室整各耋鬈( 包撂求餐获农、 固定设施与乘务员) 1 1 0 0 k g ，占车体长1 4 8 0 r a m ；货物同车顶布置若干冷投，共 重6 6 0 0 k g ( 含蓄冷剂) ，货物间长1 4 8 1 4 m m ：机器间安装制冷机组，重缀约 1 3 0 0 k g ，机器闯长7 0 6 m m 。 f 筠货物车 车体沿纵向分成货物间及机器问。货物闻擎顶布置若干冷檄，共重6 6 0 0 k g ( 含蓄冷剂) ，货物问长1 6 2 9 4 m m ；机器间安装制冷机组，重墩约1 3 0 0 k g ，机器 阕长7 0 6 r a m 。 3 1 2 主要计算参数 主要率辆技术参数为： 车辆载重 车辆巍重 车辆定距 车鬃宽度 两台转向架计算攒嚣 乘务货物车3 2 t 1 2 0 k m h ) 乘务货物车3 8 t ( 1 0 0 k m h ) 货物车3 4 t ( 1 2 0 k m h ) 赞物车3 5 t ( 1 0 0 k m h ) 乘务赞物车4 0 t 货物车3 8 t 1 2 0 0 0 m m 3 0 1 0 m m 8 4 t 工程硕士学位论文第三章1 2 0 k m h 冷板车车体钢结构强度与刚度计算 3 2 计算模型 在a n s y s 软件的前处理器f 2 1 1 2 2 1 ( p r e p 7 ) 建立有限元分析的计算模型嘲， 由于车体左右对称，利用结构( 包括支承) 与载荷的对称性，计算中沿纵向对称 面取车体钢结构的一半作为分析对象，这样可大大减少建模和计算的工作量、节 约机时而保持原有的精度。 3 2 1 材抖的力学参数 密度：1 r = 7 8 5t m 3 弹性模量：e = 2 0 6 1 0 3m p a ( 轧制钢材) 泊松比：= o 3 3 2 2 结构离散 车体钢结构主要使用不同厚度的钢板、型材焊接而成，由于钢板、型材的厚 度均远小于钢板、型材的结构尺寸，因此满足有限元的薄板理论州阅。 在a n s y s 软件中提供了弹性壳单元s h e l l 6 3 2 s l ，该单元既具有弯曲能力 又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载，因此能够求解工程实际中的平面 应力和薄板弯曲问题，可以满足车体钢结构强度、刚度计算的工程要求。s h e l l 6 3 为任意四边形壳单元，每个单元具有4 个节点，每个节点具有6 个自由度：沿着 x 、y 、z 轴方向平移和绕x 、y 、z 轴转动。可以用s h e l l 6 3 离散成三角形单元， 此时k 、l 节点重合。s h e l l 6 3 单元见图3 - l 。 图3 - 1s h e l l 6 3 单元示意图 根据结构与载荷的对称性，取车体钢结构的一半进行离散和计算。 车体钢结构模型全部离散为弹性壳单元s 眦l l 6 3 ，对于应力集中区域或者 应力梯度较大的区域，网格划分得密_ 此1 2 7 1 ，如在1 2 0 k m h 冷板车的中梁、枕 梁、枕梁附近的侧梁；次之，在底架其余部位，网格划分大小适中；反之，在侧 墙、车顶部位，网格划分得疏一些。 工程硕士学位论文第三章1 2 0 k m h 冷板车车体钢结构强度与刚度计算 乘务货物车1 2 车体钢结构离散模型见图3 - 2 ，模型局部放大见图3 - 3 ，其单 元总数为4 4 1 5 0 ，节点总数为4 4 6 1 1 ；货物车1 2 车体钢结构离散模型见图3 - 4 ， 模型局部放大见图3 5 ，其单元总数为4 3 6 9 3 ，其节点总数为4 4 2 0 9 。 经过离散后的车体钢结构有限元模型的单元和节点数量见表3 1 。 表3 - 1车体钢结构有限元模型离散情况表 车体钢结构种类 单元类型 单元数量节点数量 1 2 乘务货物车 s h e 【工石34 4 1 5 04 4 6 1 l l 2 货物车 s h e l l 6 34 3 6 9 34 4 2 0 9 图3 - 2乘务货物车1 陀钢结构离散模型图 2 l 工程硕士学位论文 第三章1 2 0 k n 曲冷板车车体钢结构强度与刚度计算 图3 - 3乘务货物丰l 2 铜结构离散模型局部放大图 图3 - 4货物车l ，2 钢结构离散模型图 工程硕士学位论文 第三章1 2 0 1 m v h 冷板车车体钢结构强度与刚度计算 图3 - 5货物车l 尼钢结构离散模型局部放大图 3 2 3 约束处理 在a n s y s 软件的求解处理器脚l ( s o l u t i o n ) 中对有关节点添加约束，根 据载荷的对称性，在模型的结构对称面上施加相应约束，支承处施加弹簧元嗍。 模型在计算垂向载荷、纵向载荷时，在纵向对称面的节点施加对称约束；计算扭 转载荷时，在纵向对称面的节点施加反对称约束。 3 3 载荷处理 在a n s y s 软件的求解处理器圆( s o l u t i o n ) 中施加作用于不同方向、 不同部位的载荷。 3 3 1 垂向载荷 垂向总载荷包括垂向静载荷与垂向动载荷。 垂向静载荷包括自重、载重和整备重量。垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向 动荷系数k d y 而定。自重按体积力考虑，其他的垂向载荷作用于底架的上平面。 ( 1 ) 乘务货物车的垂向静载荷 当构造速度v = 1 2 0 k m h 时： 垂向静载荷= 4 0 - - 8 4 + 3 2 = 6 3 6 t 当构造速度v = l o o k m h 时： 垂向静载荷= 4 0 - - 8 4 + 3 8 = 6 9 6 t 为安全起见，垂向静载荷取6 9 6 t ( 2 ) 乘务货物车的垂向总载荷 工程硕士学位论文第三章1 2 0 k m h 冷板车车体钢结构强度与刚度计算 根据强度规范，垂向动荷系数k d v 的计算式【2 0 】： = o + m + 鲁 式( 3 - 1 ) o i ji 式中：毛一车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度，m m v 一车辆的构造速度，k m h a 一系数，簧上部分( 包括摇枕) 取值为1 5 0 ，簧下部分( 轮对除外) 取值为3 5 0 b 一系数，取值为0 0 5 c 一系数，簧上部分( 包括摇枕) 取值为0 4 2 7 ，簧下部分( 轮对除外) 取值为0 5 6 9 d 一系数，货车取值为1 6 5 ，客车取值为3 0 对于1 2 0 k m h 冷板车车体强度的计算，上式中各系数取值为： a = 1 5 0 ，b = 0 0 5 ，c = 0 4 2 7 ，d = 1 6 5 当构造速度v = 1 2 0 k m h 时： 2 扣b y ) + 赤。击( 1 5 + 0 0 5 x 1 2 0 ) + 笋地，o o 其中，枕簧垂直静挠度f ；= 3 9 8 m m 垂向总载荷= ( 4 0 - 8 4 + 3 2 ) ( 1 + 0 3 ) = 8 2 7 t 当构造速度v = l o o k m h 时： 如= 扣啪贵