（车辆工程专业论文）3×20ft集装箱专用平车的研制.pdf

摘要 摘要 本文基于铁路跨越式发展及我国集装箱运输的需要，从 集装箱运输的先进性及我国铁路集装箱运输及集装箱专用车 辆现状，阐述了研制3 x 2 0 f t 集装箱专用平车的必要性。 研制3 x 2 0 f t 集装箱专用平车，涉及到车辆选型、技术方案 的确定、车辆关键技术的解决、计算机有限元模拟仿真、车辆 技术经济分析等一系列内容。本论文的主要工作为： 1 通过借鉴国外集装箱车的先进经验、结合我国铁路的实 际情况，确定适合我国铁路的3 x 2 0 f t 集装箱车的车辆型式。 2 按照我国铁路主要技术政策，提高该车的主要技术参数 指标及主要结构。 3 对关键技术问题进行研究，并对车体结构进行优化设计。 4 通过对车体进行有限元计算，从理论上为产品设计及样 机试制提供技术基础。 5 对该车的技术经济性进行分析，对推广前景进行预测。 关键词：3 x 2 0 f t 集装箱车辆研制 a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i 芏1 9t ot h en e e do ft h ec h i n e s er a i l w a y1 e a pd e v e l o p m e n t a n dt h ec h i n e s ec o n t a i n e r 七m n s p o n 撕o n ，丘o mm ea d v a n c e dv a l u eo f t h ec o n t a i n e r 皿a n s p o r t a t i o nt ot h er e c e n ts i t u a d o n sb o t l lf b rc 1 1 i n e s e r a i l w a yc o n t a i n e r 仃a n s p o r t a t i o na n df b rc o n t a i t l e rw a g o n ，1 ym e s i s e x p l a i n s 1 e n e c e s s j t yo f d e v e l 叩i n g3 x 2 0 f tc o n t a i l l e r w a g o n d e v e l o p 血g3 x 20 ft c o n t a j nc o n c l u d e sm a n yc o n t c n t ：s e l e c t i n g w a g o n呻e，t e c h n i c a l s c h e m e d e s i g n，s 0 1 v i n gk e y t e c h n 0 1 0 9 y ，c o m p u t e ri m i t a t i o no fd e n n i t ee l e m e n ta i l de c o 埘谢c a l a n a l y s i s t h em a i nc o n t e n to f m yt h e s i si s 船t h ef 0 1 1 0 w i n g ： 1 b yu s i n g 也ea d v a n c e de x p e r i e n c eo fm ef o r e i g hc o n t a j n e r w a g o n，a n d c o m b i l l i n g w i 1 c l j n e s ea c t i l “ s j t i l a d o n ，d e c i d et h ew a g o nt y p et h a ti s s u i ta b l ef b f c h i n e s er a i l w a y 2 a c c o r d i l l g t oc h i n e s e m i l w a ym a i n t c c h n i c a l p o l i c y ，i i n p r o v et h em a i nt e c 晰c a lp 黜e t e r s 缸dm e m a i nc o n s t r | i l c 矗o n 3 s t u d ym ek e yt e c h n i c a lq u e s t i o n 趾dm a k e 叩t i m u m d e s i g hf o rt 1 1 ec o n s 姐】c t i o no f w a g o nb o d y 4 b yc o i n p u t i n go fd e f i n i c ee l e t n 肌to fw a g o nb o d y ，i n t h e 唧，s u p p l yt e c h n i c a lb a s i s o ip r o d u c td e s i 曲a i l d n 5 m a k i n gs a m p l e 血r o u g ht h ee c o n o i i l i c a la 工l a l y s i so ft h i sw a g o n ，f o r c a s tm e f u t u r eo f 印p l y i n gm i sw a g o n k e yw o r d s ：3 x 2 0 f t ，c o m a i l l e r ， w a g o n ， t e c h n i c a l 北京交通大学_ ：= 程硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1 集装箱运输的先进性及我国铁路集装箱运输现状 集装箱运输是利用具有标准规格尺寸和便于装卸、拴固的特 殊容器集装箱装载货物，通过一种或几种交通工具，进行货 物运输的一种先进的运输方式，具有运输效率高、运输成本低、 联运方便、货损少、能实现门到门，是运输史上的一次革命。 集装箱运输自二十世纪出现以来，发展迅猛。集装箱箱型、 运输工具均为标准化、系列化，集装箱运输已成为西方发达国家 运输的主要方式，集装箱运量占全部运输的8 0 以上。 我国铁路集装箱运输起源于二十世纪5 0 年代。经过5 0 多年 的发展，我国铁路集装箱运输取得了长足的发展，2 0 0 5 年集装箱 运量达到3 5 0 万t e u 。但与国外发达国家相比，还是有很大差距， 主要表现在：一是适箱货物低，大部分货物均走敞车；二是专用 车辆少，全路集装箱专用平车不足l 万辆，且车年限较长；三是 箱型小，除了2 0 f t 、4 0 代国际标准箱外，还有铁标l t 、5 t 、l o t 集装箱等小型集装箱，难以与国际接轨。 北京变通大学工程硕士学位论文 12 我国铁路集装箱专用车辆的发展及现状 我国铁路集装箱专用平车一直是伴随着集装箱箱型的发展而 发展的。1 9 8 0 年我厂研制了我国第一代n j 4 a 型集装箱专用平车， 用于运输5 d 型5 t 集装箱、1 0 d 型1 0 t 集装箱和2 0 f t 、4 0 f t 围际 标准箱。2 0 世纪8 0 年代中后期到g o 年代，我国铁路集装箱运输 专用车辆得到快速发展，我厂先后研制出x 6 a 、x 6 b 、x 6 c 和x 1 k 等多种型号车辆，其装载功能也是根据当时铁路集装箱运输的箱 型而确定的，主要运输1 0 t 铁路标准集装箱和额定总重为2 0 t 、 2 4 t 的2 0 f t 国际标准箱以及额定总重为3 0 4 8 t 的4 0 f t 国际标准 箱。2 0 0 3 年我厂成功研制出x 2 h ( x 2 k ) 型双层集装箱运输车辆， 其总载重7 8 t ，主要用于运输2 0 f t 和4 0 f t 国际标准箱，同时还 可装载4 5 f t 、4 8 f t 、5 0 f t 及5 3 f t 非国际标准长大集装箱，是铁 路跨越式发展的成果之一。 现有的单层集装箱专用平车由于设计、制造年代较早，车辆 技术标准较低，装载功能难以满足集装箱运输的需要。主要存在 以下问题：一是装箱工况以铁路5 t 、1 0 t 为主，对国际标准的2 0 f t 、 北京交通大学t 程硕十学位论文 4 0 f t 箱适应性较差；二是车辆载重小，在装载2 0 f t 国际标准集 装箱时，其车辆载重仅为4 0 t 4 8 t ，远小于集装箱额定重量。三 是车辆速度低，难以满足铁路提速的要求。 1 3 研制3 x 2 0 f t 集装箱专用平车的必要性 随着我国铁路集装箱运输事业的蓬勃发展，铁路集装箱在运 输箱型、数量、载重等方面发生了很大变化，采用单一车型已很 难满足市场多元化的需求。据调查，2 0 0 4 年以来，5 t 集装箱己完 成其历史使命，铁标1 0 t 箱仅剩约8 万只，根据中铁集装箱公司 的规划，2 0 0 8 年以后我国将全部淘汰1 0 t 箱。本着与国际接轨的 目标，目前中铁集装箱公司正大力发展以2 0 f t 为主的国际标准集 装箱。从统计数据看，“十五”末期我国2 0 f t 箱已发展到约1 4 万 只，是“九五”末期的2 8 倍。大部分的2 0 f t 集装箱在装载粮食、 化肥、工业原料、机械配件、建材等重质货物时其额定总重向 3 0 4 8 t 发展同时，也有些专线运输2 0 f t 集装箱在装载家用电 器、牛奶、服装等轻质货物时其额定重量在2 4 t 以下。 鉴于集装箱运输的特殊性及经济性，采，e | j | 单一车型已很难满 北京变通大学工程硕士学位论文 足巾场多元化的需求。根据中长期铁路网发展规划及中铁集 装箱公司在全国范围内对集装箱运输的整体运营策划和作业站场 布局的调整，在开发全国通用的装载额定总重为3 0 4 8 t 的2 0 f t 集装箱的专用平车的同时，研制一种用于专线运输额定重量为2 4 t 的2 0 f t 集装箱的专用车是很有必要的。 1 4 研制3 x 2 0 f t 集装箱专用平车的意义 对于额定重量在2 4 t 以卜2 0 f t 集装箱的运输，国外普遍的做 法是采用一车三个2 0 f t 箱或一车四个2 0 f t 箱的长大型集装箱车， 对于大轴重的国家，则采用三联或五联超长型关节式集装箱车。 这样做的优点是：运输同样的集装箱可用较少的车辆，单箱的车 辆采购成本、使用维护成本较低；在列车编组长度可以较长时， 可增加装箱数。 随着铁路跨越式发展，我国铁路货车己突破2 1 t 轴重，正向 轴重2 3 t 、载重7 0 t 、速度1 2 0 k h 的方向升级。通过采用铁道车 辆的先进成熟技术，研制开发载重7 2 t 、单箱重量2 4 t 的一车装 载3 个2 0 f t 集装箱的3 x 2 0 f t 新型集装箱平车，为提高集装箱运 北京交通大学工程硕士学位论文 输能力、降低集装箱运输成本、提高我国铁路运输装备水平具有 重要意义。 1 5 本论文的研究工作 研制3 x 2 0 f t 集装箱专用平车，涉及到车辆选型、技术方案的 确定、车辆关键技术的解决、计算机有限元模拟仿真、车辆技术 经济分析等一系列程序，因此，本论文的工作为： 1 通过借鉴国外集装箱车的先进经验、结合我国铁路的实际 隋况，确定适合我国铁路的3 x 2 0 f t 集装箱车的车辆型式。 2 按照我国铁路主要技术政策，提高该车的丰要技术参数指 标及主要结构。 2 对关键技术问题进行研究，并对车体结构进行优化设计。 3 通过对车体进行有限元计算，从理论上为产品设计及样机 试制提供技术基础。 4 对该车的技术经济性进行分柝，对推广前景进行预测。 北京交通大学工程硕士学位论文 第二章车辆技术方案简介 2 1 车辆主要用途 3 x 2 0 f t 新型集装箱专用平车是在中国标准轨距线路上运 行、可装运i s 0 6 6 8 ：1 9 9 5 系列1 集装箱一分类、尺寸和额定重 量所规定的1 从a 、l a u a 、l a 、l a ( 、1 c c 、l c 、1 c x 型国际标准集 装箱及4 5 f t 、4 8 f t 、5 0 f t 、5 3 f t 等长大集装箱的专用车辆。 2 2 主要性能参数及基本尺寸 载重 装箱工况 3 只1 c c 或1 c 或1 c x 国际标准集装箱 1 只1 a a a 或1 a a 或1 a 或l a x 国际标准集装箱 1 只4 5 f t 或4 8 f t 或5 0 f t 或5 3 f t 氏大集装箱 1 只4 0 f t 十1 只2 0 f t 集装箱 白重 轴重 换眨 7 2 t 3 2 4 t 3 0 4 8 t 3 0 4 8 t ( 3 0 4 8 + 2 7 ) t 2 1 t 2 3 豫 1 8 北京交通大学工程硕士学位论文 空车重心高 6 8 2 皿 自重系数 0 3 4 每延米重 4 8 t m 通过最小曲线半径 1 4 5 m 商业运营速度1 2 0 k m h 限界：符合g b l 4 6 卜8 3 标准轨距铁路机车车辆限界的规定 车辆长度 1 9 3 6 6 m 车辆定距1 4 2 0 0 m m 底架长度 1 8 4 0 0 m 底架宽度2 7 5 0 胁 集装箱装载面距轨面高( 空车)1 1 3 0 珂i r i 车钩中心线距轨面高( 空车)8 8 0 m 车轮直径 8 4 0 n l l n 2 3 主要结构 本车由底架、集装箱锁闭装置、车钩缓冲装置、制动装置及 转向架等部分组成。 北京交通大学工程硕士学位论文 2 _ 3 1 底架 底架为全钢焊接的鱼骨刺结构，由端梁、中梁、端侧梁、枕 梁、双横粱、单横粱等组焊而成。底架主要板材为q 4 5 0 n q r l 高强 度耐候钢，巾梁为钢板拼焊成鱼腹形箱型结构，端侧梁为3 0 0 x 8 7 x 7 冷弯槽钢，端部设有纵向辅助梁，中部设有大横梁及端横梁，枕 梁、大横梁为箱形结构，端横粱为工字形结构。采用直径为3 5 8 m 锻钢上心盘及材质为c 级铸钢的前、后从板座。前、后从板座与 中梁问采用符合运装货车 2 0 0 5 3 9 7 号文件要求的专用拉铆钉连 接，装用铁路货车车号自动识别系统车辆标签。 2 3 2 集装箱锁闭装置 底架上设有集装箱锁闭装置，两端为固定式锁头，中部为原 位翻转式锁头，锁头集装箱具有防倾覆和跳起功能。 2 33 车钩缓冲装置 采用符合运装货车( 2 0 0 4 ) 2 1 5 号文件要求的e 级钢1 7 号联 锁式车钩或铁道部批准的新型车钩、配套采用1 7 号铸造钩尾框或 符合运装货车( 2 0 0 5 ) 7 8 号文件要求的1 7 号锻造钩尾框、合金 北京交通大学1 。程硕士学位论文 钢钩尾销、m t 一2 型或铁道部批准的新型缓冲器、符合运装货车 2 0 0 4 3 7 l 号文件要求的含油尼龙钩尾框托板磨耗板。 2 34 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 的空气制动装置。主要 由1 2 0 型控制阀、直径为2 5 4 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、符合运装货车( 2 0 0 5 ) 8 0 号文件要 求的k z w a 型窄重牟自动调整装置、符合运装货车( 2 0 0 5 3 3 3 号文件要求的货车脱轨自动制动装置等组成。采用编织制动软管 总成、奥一贝球铁衬套、符合运装货车( 2 0 0 2 1 l 号文件要求的 高摩擦系数合成闸瓦、符号运装货车( 2 0 0 1 ) 8 4 号文件和运装货 车( 2 0 0 2 ) 2 4 8 号文件要求的不锈钢制动配件和管系。 采用n s w 型手制动机。 2 3 5 转向架 转k 6 型转向架为铸钢三大件式货车转向架。摇枕、侧架材质 为b 级铸钢，侧架采用宽导框式结构；两侧架之间加装下交叉支 撑装置；一系悬挂采用轴箱橡胶垫；二系悬挂采用带变摩擦减振 北京交通大学工程硕十学位论文 装置的中央枕簧悬挂系统，摇枕弹簧为两级刚度，组合式斜楔的 主磨擦板采用高分子复合材料，斜楔体为贝氏体球墨铸铁；侧架 立柱磨耗板材质采用4 5 号钢，滑槽磨耗板采用t 1 0 或 4 7 m n 2 s i 2 t i b ，采用锻造支撑座；采用直径为3 7 5 1 1 l i n 的下心盘，下 心盘内设有含油尼龙心盘磨耗盘；装用符合科技装函( 2 0 0 5 7 7 号文件和运装货车( 2 0 0 5 ) 2 7 4 号文件批准的3 5 31 3 0 a 型或铁道 部批准的其他紧凑型双列圆锥滚子轴承及配套前盖、后挡、r e 2 b 型5 0 钢车轴及l m 磨耗型踏面的h e z b 型铸钢或h e s a 型辗钢车轮； 采用j c 型双作用常接触弹性旁承；基础制动装置采用符合运装货 车( 2 0 0 4 ) 2 6 5 号文件要求的组合式制动梁( l a 、l _ b 型制动梁 同时应符合运装货车电( 2 0 0 5 ) 1 3 9 1 号电报要求) 、奥一贝球铁 衬套。 2 3 6 车辆使用寿命和检修周期 车辆使用寿命：2 5 年。 车辆检修周期：厂修为8 年，段修为2 年，取消铺修。 北京交通大学工程硬士学位沦文 第三章解决的主要关键技术 3 1 车型选取 根据研究，装载总重2 4 t 的2 0 f t 集装箱的车辆方案有一车三 箱和一车四箱两种车型。一车三箱车型需要2 3 t 轴重的二轴转向 架，而一车四箱车型则需要2 l t 轴重的三轴转向架或三个二轴转 向架的关节式车辆。如图3 1 、3 2 、3 3 所示： 图3l 一车三箱轴重2 3 t 二轴转向架 图3 2 一车三箱轴重2 l t 三轴转向架 图3 _ 3 一车四箱轴重2 l t 二轴转向架 北京交通大学工程硕士学位论文 各型车辆技术参数、装载能力见表3 1 表3 1 各型集装箱车技术参数、装载能力表 车辆技术参数 8；0 m 站线长( 7 0 计长) 车型每箱重轴重转向架车辆编组装箱总总载重总轴数 量( t )( t )型式 总数( 辆)数( t e u ) ( t )( 根) 一车三箱2 3k 5 k 64 01 2 02 8 8 01 6 0 一车三箱 2 4 2 l三轴4 01 2 02 8 8 02 4 0 一车四箱 2 l 二轴 3 01 2 02 8 8 01 8 0 从上表可以看出，2 3 t 轴重的一车三箱方案在列车装载能力相 同的情况下，列车总轴数最少，经济性最好，且该车结构简单， 运用维护方便。 故该车车型采用了2 3 t 轴重、一车三箱方案。 3 2 主要参数的选取 3 2 1 车辆长度 2 0 f t 集装箱外长6 0 5 8 咖，两相邻集装箱的箱间距离为7 4 m m ， 三个2 0 f t 集装箱装载后的总外睦为1 8 3 2 2 1 1 】，底架长度取 1 8 4 0 0 m ，箱项外表距底架端距离还有：( 1 8 4 0 0 1 8 3 2 2 ) 2 = 3 9 。 北京交通大学工程硕士学位论文 底架长度足够容纳3 个2 0 f t 集装箱，且还有少量的安全距离。 这样，车辆长度：1 2 3 0 0 + 4 8 3 x 2 = 1 9 3 6 6 衄。 3 2 2 车辆定距 车辆定距是车辆中的一个关键参数。车辆定距过大，将加大 车体中部的垂向挠度；车辆定距过小，牵引梁悬臂过长，会增加 牵引梁部分受力。在兼顾车体中部挠度和牵引梁受力两方面的情 况下，车辆定距选取为1 4 2 0 0 m ，牵引梁长度为2 1 0 0 胁。 3 2 3 轴重 目前我国铁路货车7 0 t 级轴重为2 3 t 黛，即：2 2 7 7 t 至 2 3 4 6 t 。采用先进结构和设计手段，将车辆自重控制在2 l t 左右， 加上载重7 2 t ，则车辆运用轴重为( 2 1 _ 7 2 ) 4 = 2 3 2 5 t ，在2 3 t 轴重公差范围内，且尚有一定的安全裕量。 3 2 4 速度 按铁路土要技术政策的要求，普通货物列车的运行速度 是1 2 0 k m h ，因此，该车的商业运行速度确定为1 2 0 k m h ，以适应 北京交通大学工程硕士学位论文 铁路提速的要求。 3 3 车体主要结构的设计 3 3 1 底架结构 美国、加拿大、澳大利亚等集装箱运输发达国家的集装箱平 车多为鱼骨刺结构，其特点是有一个强大的中梁，无侧粱，集装 箱载荷作用在横梁上。横梁具有较大的平面抗剪刚度。鱼骨刺结 构的优点是可减轻车体自重，缺点是削弱了车体的扭转刚度。 经过充分研究，该车采用了无侧梁的鱼骨刺底架结构。为增 大车体的扭转刚度，在枕梁前、后设置了强大的端侧梁，分别与 端梁、枕梁、端横梁连成一刚性整体，有效地提高了车体的扭转 刚度。 底架结构如图3 - 4 、图3 5 所示。 3 3 2 中梁结构 北京变通大学工程硕士学位论殳 图34 底架结构图 图3 5 底架结构 中梁是铁路货车的关键部件，承担着车辆纵向、垂向、扭转 等各种载荷。由于该车底架长、载荷大、无侧梁，因此，中梁采 用了q 4 5 0 m p a 的高强度耐候钢板组焊成的等强度鱼腹箱型结构， 北京交通大学工程硕士学位论文 中部高8 5 0 m m ，中部腹板厚1 2 m m ，牵引梁商3 5 0 m ，牵引梁腹板 厚1 8 m m ，中梁上盖板厚1 6 m ，下盖板厚1 8 m 。 牵引梁高3 5 0 i n l l l ，一是可以提高牵引梁承载能力，二是可以 缩短车辆定距，减小车体中部的弯矩，提高车体刚发。 为防止无侧梁时中梁失稳的可能，中梁上、下盖板进行了加 宽，且用大横梁、小横梁等进行了强化。 巾梁结构如图3 6 、图3 7 所示。 图3 6 中梁结构图 图3 7 中梁结构 北京交通大学工程硕士学位论文 3 32 大横梁结构 大横粱是集装箱垂向载荷及纵向惯性力的承载部件。为此， 采用了双腹板、大圆弧上盖板结构。大横梁上、下盖板分别与中 梁上、下翼面相连接，大圆弧上盖板能提高其平面刚度，减小应 力集中，增加对纵向惯性力的抵抗能力。 为使大横梁更加美观，采用了工业美学设计，大横梁外形类 似“倒钟”形，端部盖板采用弧形断面，美观大方。 大横梁结构如图38 、图3 9 所示。 图3 8 大横梁结构幽 j 匕京交通大学 程硕士学位论文 3 3 3 集装箱锁闭装置 图3 9 大横梁结构 随着我国铁路运输进一步提速，集装箱运输的安全性日益受 到铁道部门的关注。集装箱锁闭装置对集装箱运输安全性起重要 作用。 针对平面锁、手动旋锁、全自动锁等国内运用中存在锁固力 不强、易被盗丢失等问题，借鉴u i c 标准锁头的经验，结合国内 n x l 7 b k 车锁闭装置的使用情况，设计了一套新型锁闭装置。该锁 闭装置采用无需人工开闭锁、有一定锁固力的凸台锁头，锁座对 锁头向上限位，锁头转动方向与集装箱倾覆方向相反，防止集装 箱跳起和倾翻。 北京交通大学工程硕士学位论文 为防止该锁装置丢失，采用了7 x 3 0 扁钢制成的u 型安全吊、 用两个直径1 6 m 的铆钉销与锁头焊接牢固，提高了锁头防盗性。 锁头结构如图3 1 0 、图3 一儿所示。 图3 1 0 锁头结构图 图3 一1 1 锁头结构 1 9 。i ! 塞奎望查兰三型堡主兰垡堡塞 轨距： 1 4 3 5 唧 轴重： 载重： 自重： 每延米重： 商业运行速度： 装载工况见表4 1 。 表d 一1装载工况表 7 2 t 2 l t 约4 8 5 t 1 2 0 k m h 装箱方案装箱重量( t ) 装箱总重( t ) 3 只2 0 f l 方案l 3 04 8 + 儿0 40 3 0 4 87 2 3 只2 0 f t 方案22 07 6 + 3 0 4 8 + 2 0 7 67 2 3 只2 0 n 方案3 2 4 + 2 4 + 2 47 2 1 只2 0 f t 3 0 4 8 + 2 75 7 4 8 1 只4 0 f t 1 只4 0 f t3 0 4 83 0 4 8 4 2 底架结构的计算分析方法 计算标准为t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定 计算标准为t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定 规范。 北京交通大学工程硕士学位论文 轴重： 载重： 自重： 每延米重： 商业运行速度： 装载工况见表4 1 。 表4 一l装载t 况表 1 4 3 5 2 3 ：绺 7 2 t 2 1 t 约4 8 5 t m 1 2 0 k m h i装箱方案装箱重量( t )装箱总重( t ) 3 只2 0 f t 方案1 3 04 8 + 1 1 0 4 + 3 0 4 87 2 3 只2 0 f t 方案2 2 0 7 6 + 3 04 8 + 2 07 67 2 3 只2 0 f t 方案3 2 4 + 2 4 + 2 47 2 1 只2 0 f l 3 0 4 8 + 2 75 74 8 1 只4 0 f t 1 只4 0 n 3 0 4 83 04 8 42 底架结构的计算分析方法 计算标准为t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定 规范。 北京交通大学工程硕十学位论文 本次结构有限元分析计算是在计算机工作站上应用i d e a s m a s t e rs e r i e s l o 软件系统完成的。该软件系统具有功能强大的 前后处理器及求解器，建模效率高，求解速度快。 考虑到底架结构对称性及其特点，在建立有限元模型对，采 用了1 4 结构造型并对其进行了薄壳单元的结构离散。由系统自 动生成三角形自由刚格，单元边长为5 0 m m 。 因不同计算载荷，根据力学上的对称原则需将计算模型分为 横向l 2 车体、纵向l 2 车体，通过映射网格实现由l 4 模型向 1 2 模型的生成。1 4 模型共分为2 0 4 1 5 个板壳单元，1 0 3 9 5 个结 点。在计算模型的对称面上施加相应的面对称约束。对于1 个2 0 f t 和1 个4 0 f t 的装载方案，因其载荷不对称，采用了全车模型进行 计算。 在上心盘处用结点的全约束模拟心盘支撑。 车体1 4 实体、1 2 有限元模型如同4 1 、图4 2 所示。 j ! 室銮望查堂三堡堡主堂堡堡苎 图4 1 车体底架1 4 实体模型 图4 2 车体底架1 2 有限元模型 北京交通大学工程硕二l 学位论文 4 3 载荷及计算工况 4 31 3 2 0 f 【集装箱专用平车车体的载荷 根据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 规定及铁道部有关万吨列车的纵向力的要求，作用在车体e 的载 荷应有以下几部分： 1 垂向总载荷 垂向总载荷由垂向静载荷和垂向动载荷两部分构成。 a 垂向静载荷 垂向静载荷是由自重和载重引起的。在计算过程中，平车底 架的自重通过施加重力加速度来实现：车体的载重根据不同的装 载方式，有不同的值。 b 垂向动载荷 垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数而定。即： p d = k d ，p 垂向动载荷系数k 。按如下公式计算： 北京交通大学工程硕士学位论文 k d y2 砉船) + 旁 式中：f j 一车辆在垂向静载荷f 的弹簧当量静挠度； v 一车辆的构造速度，v = 1 2 0 k m h ； b 一系数，取值为o 0 5 ； d 一系数，货车取值为1 6 5 ； a 一系数，簧上部分取值为1 5 0 ； c 一系数，簧卜部分取值为o 4 2 7 ； 此次计算的不同装载工况下的弹簧当量静挠度以及相应的k ， 值如表41 表所示： 表 2 各种裟载方式下垂向各参数列表 装载载荷 弹簧当量静挠 装载工况动荷系数 ( t )度( m ) 3 只2 0 f t 方案17 2 4 2 9 0 2 8 3 只2 0 r l 方案2 7 24 2 9o 2 8 3 只2 0 f t 方案37 24 290 2 8 l 只2 0 f t + 1 只4 0 n 5 7 4 83 590 3 3 】只4 0 f t3 0 4 82 2lo 4 9 2 侧向力( 包括离心惯性力和风力) 北京交通大学工程硕士学位论文 根据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 中规定，车辆所受侧向力应包括离心惯 性力和侧向风力，计算时车体的离心惯性力按垂向静载荷的7 5 取值，侧向风力按集装箱侧面积乘以5 4 0 p a 取值，离心惯性力 与侧向风力叠加后作为侧向总载荷施加车体上或锁座上，并考虑 由于侧向力的作用点相对于锁座的距离，计算侧向力引起的锁座 垂向载荷的附加增减载。底架所受侧向风力按均布5 4 0 p a 施加到 车体侧梁、中梁上。 3 扭转载荷 根据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 中规定，心盘支重式结构的车体不考虑 斜对称载荷，但必须在下面的第一工况中考虑4 0 k n m 的扭转载 荷。 m k = ( f 。+ f ：) b 。2 式中：f l ，f t 一分别为上旁承处的集中载荷，一般取f 1 = f 2 ； b ，一上旁承间距，b 。= 1 5 2 0 m 。 4 纵向力 纵向力是指列车在各种运动状态时，车辆问所产生的压缩和 拉仲的力。根据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 中规定，货车必须按第一工况和 第二工况的载荷组合方式进行。根据铁道部要求，万吨牵引的车 北京交通大学工程硕士学位论文 辆纵向力有所提高。 纵向拉伸力取1 7 8 0 k n ；压缩力取1 9 2 0 k n 。该力分别沿车钩中 心线作用于车辆两端的前、后从板座上。 这种力产生的应力与垂向总载荷、侧向力、扭转载荷等所产 生的应力相加，其和不得大于第一工况的许用应力。因第工况 的所有载荷及约束对称于车体横向中心线，计算时取横向1 2 车 体进行计算。 第二工况时 纵向压缩力取2 5 0 0 k n 沿车钩中心线作用于车辆两端的后从 板座上，或是沿车钩中心线作用于车辆一端的后从板座i ，而为 车辆及其所载货物的惯性力所平衡。 所载货物的惯性力平均等效到载荷作用处的节点上。因为此 作用方式的所有载荷及约束对称于车体纵向中心线，计算时取纵 向1 2 车体进行计算。 由这两种纵向压缩力作用方式产生的应力分别与垂向静载荷 所产生的应力相加，其和不得大于第二工况的许用应力。 北京交通大学工程硕士学位论文 4 3 2 载荷工况 每一种装载方式均需按以下几种工况进行计算： 1 刚度工况：垂向静载荷； 2 强度工况1 ：垂向总载荷+ 扭转载荷+ 侧向力+ 1 7 8 0 k n 纵 向拉力； 3 强度工况2 ：垂向总载荷+ 扭转载荷+ 侧向力+ 1 9 2 0 k n 纵 向压力； 4 强度工况3 ：垂向静载荷+ 2 5 0 0 k n 纵向压力。 5 强度工况4 ：垂向静载荷+ 压缩力引起的平衡惯性力。 4 3 3 强度和刚度评定标准 定： 1 刚度评定标准 根据i b ，r 1 3 3 5 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范规 集中载荷的平车，中侧梁挠跨比应小于l 9 0 0 。 2 强度评定标准 匕京交通人学工程硕士学位论文 3 2 0 f i 集装箱专用平车底架为型钢、板材拼组的全钢焊接结 构，承载件材质采用q 4 5 0 n q r l 高强度耐候钢。根据t b t 1 3 3 5 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范规定，平车车体应在 各个工况的载荷综合作用f = _ ，当量应力应不大于t b t 1 3 3 5 9 6 第9 5 1 节中表3 规定的许用应力。当量应力按如下公式计算： 。= j ：b 一呸) 2 + 慨一吒) 2 + 鸭一o i ) 2 式中：o 。当量应力，m p a5 o 。一主应力( i l ，2 ，3 ) ，m p a 。 其它材料的许用应力如表5 一l 所示。 表5 一l 材料许用应力表( m p a ) 材料及其牌号第一一。况第二工况 耐候钢高强度耐候钢( 。= 4 5 0 )2 8 13 8 0 4 3 4 底架刚度计算结果 在刚度计算 二况下，各种装载方式下底架的挠度及挠跨比见 表6 一l 所示。 北京交通大学工程硕士学位论文 表6 1 挠度列表( 单位：i 【1 ) 中梁 中粱 侧粱 装载工况挠跨比 中央挠度端部挠度端部挠度 3 只2 0 r 方案19 21 1 5 4 3一l _ 3_ 2 4 3 只2 0 r 方案21 2 9l ，1 1 0 01 1 0 4 3 只2 0 矗方案3 1 i 7l 1 2 1 403- 0 5 1 只2 0 r + 1 只4 0 r _ 67 1 ，2 1 1 9- 2 8- 4 2 1 1 只4 0 r一321 ，4 4 3 71 41 7 4 3 5 底架强度计算结果 1 强度工况1 ( 垂向静载+ 垂向动载+ 侧向力+ 扭转载荷+ 1 7 8 0 k n 拉力) ( 1 )3 只2 0 f t 方案1 a 前从板座后牵引梁后腹板 2 2 7 m p a b 枕梁内外侧中梁上盖板边缘1 1 8 m p a c 枕梁外侧侧梁内侧边缘l l o m d a ( 2 ) 3 只2 0 f t 方案2 a 前从板座后牵引梁后腹板2 3 埘p a b 枕梁内侧中梁上盖板边缘1 1 8 m d a c 前八字板与牵引梁连接处11 0 m d a 北京交通人学工程硕士学位论文 ( 3 )3 只2 0 f t 方案3 a 前从板座后牵引梁后腹板 2 3 0 m p a b 枕梁内侧中梁上盖板边缘1 1 5 m p a c 前八字板与牵引梁连接处1 2 2 m p a ( 4 )1 只2 0 f t + 1 只4 0 f t 方案 a 前从板座后牵引梁后腹板2 3 0 m p a b 枕梁外侧侧梁内侧边缘 1 2 1 m p a ( 5 ) 1 只4 0 f t 方案 a 前从板座后牵引梁后腹板 2 4 2 m p a b 前八字板与牵引粱连接处 1 7 8 m p a c 单横梁加强板边缘1 4 2 m d a 2 强度工况2 ( 垂向静载+ 垂向动载+ 侧向力+ 扭转载荷+ 1 9 2 0 k n 压缩力) ( 1 ) 3 只2 0 f t 方案l a 后从板座后牵引梁后腹板2 7 3 m p a b 前八字板与牵引梁连接处1 3 3 m d a c 枕梁外侧侧梁内侧边缘1 3 0 a d 枕中隔板孔边缘 1 2 3 m d a 北京交通大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 3 只2 0 n 方案2 a 后从板座后牵引梁后腹板 b 枕中隔板孔边缘 c 前八字板与牵引梁连接处 d 枕梁外侧侧梁内侧边缘 ( 3 ) 3 只2 0 f t 方案3 a 后从板座后牵引梁后腹板 b 枕中隔板孔边缘 c 前八宁板与牵引梁连接处 d 枕粱外侧侧梁内侧边缘 ( 4 ) 1 只2 0 f t + 1 只4 0 f t 方案 a 后从板座后牵引梁后腹板 b 前八字板与牵引粱连接处 c 枕梁外侧侧梁内侧边缘 ( 5 ) 1 只4 0 f t 方案 a 后从板座后牵引梁后腹板 b 枕中隔板孔边缘 c 单横梁加强板边缘 2 4 6 加) a 2 0 9 m p a 1 1 2 m p a 1 0 5 m d a 2 4 6 m p a 1 9 0 m p a 1 1 9 m d a 1 1 1 m d a 2 7 8 m p a 1 2 8 m p a 1 2 0 m d a 1 7 2 m p a 1 4 1 m d a 北京交通大学工程硕士学伉论文 3 强度丁况3 ( 垂向静载+ 2 5 0 0 k n 压缩力) ( 1 ) 3 只2 0 f t 方案l a 后从板座后牵引梁后腹板 2 8 3 m p a b 前八字板与牵引梁连接处 1 4 3 m p a ( 2 ) 3 只2 0 f t 方案2 a 后从板座后牵引梁后腹板 2 5 5 m p a b 前八字板与牵引梁连接处1 1 9 m p a ( 3 ) 3 只2 0 f t 方案3 a 后从板座后牵引梁后腹板 2 6 4 m p a b 前八字板与牵引梁连接处1 3 4 m p a ( 4 ) 1 只2 0 f t + 1 只4 0 f t 方案 a 后从板座后牵引梁后腹板 2 8 5 m p a ( 5 ) 1 只4 0 f t 方案 a 后从板座后牵引梁后腹板 2 0 6 m p a 4 强度工况4 ( 垂向静载+ 2 5 0 0 k n 压缩力引起的惯性力) ( 1 )3 只2 0 f t 方案1 a 枕中中梁腹板 3 3 3 m p a b 与中梁连接的双横梁上盖板外边缘 1 9 2 m p a 北京交通大学工程硕士学位论文 c 与中梁连接的端梁边缘 ( 2 ) 3 只2 0 f t 方案2 a 枕中中粱腹板 b 双横梁上盖板孔外边缘 c 与中梁连接的双横梁上盖板外边缘 ( 3 ) 3 只2 0 f t 方案3 a 枕中中梁腹板 b 双横梁上盖板孔外边缘 c 与中梁连接的双横梁上盖板外边缘 ( 4 ) 1 只2 0 f t + 1 只4 0 f t 方案 a 双横梁上盖板孔外边缘 b 与中梁连接的双横梁上盖板外边缘 ( 5 ) 1 只4 0 f t 方案 a 枕梁处枕后顺梁圆弧边缘 b 枕后顺梁靠近锁头的上翼边 c 单横梁上盖板圆弧边缘 d 后从板座后牵引梁后腹板 3 2 2 m p a 2 5 7 m d a 2 2 7 m p a 3 2 6 m p a 2 3 5 m d a 2 1 6 m p a 2 5 7 m p a 2 2 7 m p a 2 3 4 m p a 2 1 7 m p a 1 7 8 m p a 2 0 9 m d a 北京交通大学工程硕士学位论文 计算结果表明，在第一工况下，最人合成应力最大为2 7 8m d a ， 小于许用应力【a 1 = 2 8 l m p a ；在第二工况下，最人合成应力最大3 3 3 m p a ，小于许用应力【卅= 3 8 0 m p a ，其他应力均远远小于许用应力。 底架最大垂向变形值为1 2 9 m ，其挠跨比为l 1 0 7 0 ，小于规定的 l 9 0 0 。 因此，3 2 0 f t 集装箱专用平车底架整体受力均匀，整体结 构设计合理，底架刚度和强度满足t b t 1 3 3 5 1 9 9 6