（光学工程专业论文）载重100t运煤专用敞车车体结构选型研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第t 页 摘要 本论文以国际上广泛应用和大力发展的重载铁路运输为主线，结合中国资 源、需求、运能等方面的实际情况进行综合考虑，立足大轴重和低自重的重载货 车发展方向，着眼重载车辆技术中的车体结构，进行载重l o o t 运煤专用敝车车体 选型研究。 首先，对载重1o o t 的运煤专用敞车车体进行结构设计。 在拟定的主要设计任务的前提下，制定了车体结构的选型研究方法。再结合 我国现有车型，提出了本文研究对象的三种结构方案：方案一为平底运煤专用敝 车；方案二为双浴盆运煤专用敞车；方案三为单浴盆运煤专用敞车。然后主要围 绕三种方案的整体尺寸、材料及结构形式进行设计工作，结合三维软件u g 对方 案进行建模。并在设计中着眼细节对质量进行控制，尽量在满足轴重的前提下降 低自重。 其次，验证所设计的研究对象的合理性。 在验证研究对象的合理性时，主要利用有限元分析软件a n s y s 分别对三种 车体结构方案进行了强度、刚度校核，验证了结构设计的合理性。在前述模型的 基础上进行优化设计，并进行模态分析，得到了设计方案的固有频率并输出了其 前六阶低阶振型。从而验证了刚度匹配及车体结构动态性能的合理性。 再次，对以上设计数据及验证数据进行处理，并对比分析进行方案选型。 结合部分设计数据计算了三种方案的浴盆容积、总容积、总质量、距轨面的 重心高度及相关的经济性能等主要参数。再结合验证数据，对三种方案结构性能 进行了分析。根据以上数据进行对比和选型研究，做到有据可依，有数据可查。 最后，对第一步设计研究对象遗留下的撑杆部分进行位置优化研究。在研究 中主要拟定了四个课题，着重针对设置撑杆的必要性、撑杆的作用、撑杆的数目 布置及高度对车体的影响进行研究。 通过研究，本文认为载重l o o t 运煤专用敞车车体采用双浴盆底架结构具有纵 向力传递合理、重心较低、容积较大、制作工艺简单等优点，是我国重载运煤专 用敞车的理想车型。 关键词：有限元分析；车体结构设计；单浴盆；双浴盆；撑杆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l ym a k e so v e r l o a d e dr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nw h i c hi si n t e r n a t i o n a l l yw i d ea p p l i c a t i n ga n dd e v e l o p i n g 硒m a i nl i n e c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r e do ft h e c h i n a sr e s o u r c e s ，n e e d s ，t r a n s p o r tc a p a c i t ya n do t h e ro ft h ea c t u a ls i t u a t i o n ，a n db a s e d o nt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fb i ga x l el o a da n dl o ws e l f - r e s p e c to fr a i lw a g o n ， f o c u s i n go no v e r l o a d e dv e h i c l et e c h n o l o g yo fc a rb o d y , t oc a r r yo nt h er e s e a r c h o f s e l e c t i o nt h e10 0t o nc o a lg o n d o l ac a r b o ys t r u c t u r e f i r s to fa l l ，d e s i g n i n gt h er e s e a r c ho b j e c t sw h i c hi ss e l e c t e d w h e nt h em a i nd e s i g nt a s ki sp l a n e d ，w es h o u l dc l e a ri d e ao fm a k i n gp l a n sa b o u t t h er e s e a r c hm e t h o d ，c o m b i n e dw i t ho u rc o u n t r y se x i s t i n gm o d e l s ，i ts h o u l dw o r ko u t s t r u c t u r es c h e m e sf o rt h er e s e a r c ho b j e c t ：s c h e m e1i sf o rc o a lg o n d o l aw a g o ns t r u c t u r e w i t haf l a tb a s e ；s c h e m e2i sf o rc o a lg o n d o l aw a g o ns t r u c t u r ew i t hd o u b l et u b ；s c h e m e 3i sf o rc o a lg o n d o l aw a g o ns t r u c t u r ew i t hs i n g l et u b t h e nm a i n l yf o c u s i n go nt h e o v e r a l ls i z e ，m a t e r i a la n ds t r u c t u r ea b o u tt h et h r e es c h e m et od od e s i g nw o r k i t r e s p e c t i v e l yu s e d3 - ds o f t w a r eu gt om a k em o d e l sa b o u tt h e t h r e es c h e m e i nt h e d e s i g nw o r kw e c o n t r e l e dt h eq u a l i t yi nd e t a i l s 勰f a ra sp o s s i b l ei ng u a r a n t e e i n gt h e a x l el o a d ，a n dt r yt h eb e s tt or e d u c ew e i g h t s e c o n d l y , t e s t i n ga n dv e r i f i n gr a t i o n a l i t yo f t h ed e s i g nw h i c hi sa b o u tt h er e s e a r c h o b j e c t s i nt h ev a l i d a t i o ns t u d i e sa b o u tt h er a t i o n a l i t yo ft h eo b je c t ，w ec h e c k e dt h e i n t e r f e r e n c eo ft h em o d e lt om a k es u r et h er a t i o n a l i t yo f i t ss i z ea n dr e l a t i o n s h i pa b o u t t h er e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e np a r t s ；u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t o c h e c ks t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h et h r e ec a rb o d y , t h e nv e r i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h e s t r u c t u r ed e s i g n ；o nt h eb a s i so fc e r t a i ni m p r o v e m e n ta b o u tt h ef o r e g o i n gm o d e l ，w e d i dam o d a la n a l y s i st og e tt h en a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h ed e s i g np l a n s ，o u t p u tt h ef i r s t s i xo r d e rm o d e sw h i c hi sl o wo r d e ra n dv e r i f yt h er a t i o n a l i t yo fs t i f f n e s sm a t c h i n ga n d d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h eb o d y t h i r d l y , p r o c e s s i n gt h ed a t aa b o u tt h ed e s i g na n dv e r i f yr e s u l t s ，c o m p a r e dt h e d a t aa n ds e l e c t i n gt h eb e s tp r o j e c t c a l c u l a t i n gt h et u bv o l u m e ，t o t a lv o l u m e ，t o t a lq u a l i t y , t h eh e i g h to ft h ef o c u s f r o mt h er a i la n dr e l a t e de c o n o m i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h et h r e ed e s i g np r o j c o t s a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nd a t a s e x t r a c t e da n dc l a s s i f i e dt h ed a t aw h i c hc a nr e s p o n dt o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i t 页 t h es t r u c t u r ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e ep r o j e t sc o m b i n e dw i t ht h ev a l i d a t i o nd a t a a c c o r d i n gt ot h ea b o v ec a l c u l a t i o na n de x t r a c t i o nd a t at od oc o m p a r i s o na n a l y s i sa n d s e l e c t i o nr e s e a r c h ，t h e nm a k es u r et h a tt h e o r e t i c a lb a s i si sr i g h ta n dt h ed a t ac a nb e c h e c k e d f i n a l l y , r e s e a r c h i n go nt h es t a yp o l e sl e f t e db yt h ef i r s ts t e pt om a k es u r ew h i c h p o s i t i o ni st h eb e s tp r o j e c t i nt h es t u d yt h i st h e s i sm a i n l yd r a w su pf o u rs u b j e c tt o r e s e a r c ht h en e c e s s i t yo fs e t t i n go ns t a yp o l e s ，t h er o l eo fi n c l i n e dp o l e s ，t h ei n f l u e n c e o ft h es t a yp o l e si nn u m b e r ，a r r a n g e m e n ta n dt h eh e i g h to nt h ec a rb o d y t h r o u g ht h es t u d y ，t h i st h e s i sh o l d st h a t10 0t o nc o a lg o n d o l ac a r b o d ys t r u c t u r e w i t hd o u b l et u bc o u l dm a k et h el o n g i t u d i n a lf o r c et ot r a n s f e rr e a s o n a b l y , a n dh a st h e l o w e rc e n t e ro fg r a v i t y ，b i g g e rc a p a c i t y , s i m p l em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n do t h e ra d v a 。 n t a g e s i t sa ni d e a lm o d e lf o ro v e d o a d e d c o a lg o n d o l a w a g o n k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；c a r b o ys t r u c t u r ed e s i g n ；d o u b l et u b ；s i n g l et u b ； s t a yp o l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 本论文的选题背景和意义 首先，重载铁路运输是铁路货运发展的主要方向。 铁路运输不但经济、方便、运量大，且其能耗也比公路、航空运输低，因此 在很多国家运输业的竞争中，铁路货运占很大优势。铁路货物运输量的不断增加， 促进了各国铁路车辆事业的发展。提高轴重、增加货物列车重量，开行重载列车 是提高铁路运能的一项重要措施。而重载铁路运输因其特殊优势，被世界各国铁 路广泛应用，其运能大、效率高、成本低、低碳和环保等特点为重载铁路快速发 展起到了重要的推动作用，尤其是在美国、澳大利亚、巴西、加拿大、南非等一 些疆域宽广，矿产资源运量占比重较大，煤炭资源运能需求较紧张的国家，重载 运输成为主要铁路运输方式。目前，重载铁路运输在世界范围内迅速发展，已被 国际公认为铁路货运发展的方向，成为世界铁路发展的重要趋势。 其次，结合我国资源、需求、运能的实际情况，发展重载运输迫切。 针对我国幅员辽阔，资源分布广泛但分布不均、铁路货物运输需求量大，运 输局面紧张的情况，顺应世界铁路发展趋势，发展重载运输具有重要意义。而资 源不均，运输需求量大又以煤炭资源为主，中国煤炭生产和消费的结构决定了北 煤南运、西煤东运的基本格局。在我国，煤炭资源主要分布在西部和北部，山西、 内蒙、陕西三省的煤炭储量约占全国总储量6 0 ，煤炭净调出量约占全国的6 7 。 而主要消费却在东南部沿海地区，如各大电网、发电厂、钢铁厂、部分企业的生 产用煤和民用煤。我国铁路货物运输在全国货物运输中所占的比例较大，其运输 能力和质量严重影响资源利用效率和我国经济的可持续发展。因此扩大运能、提 高运输效率和降低运输成本对国民经济的发展有着重要意义。 再次，大轴重、低自重系数、低动力作用是重载货车发展方向。 在轴重方面，美国、加拿大、澳大利亚等为3 2 5 - 4 0 t ，巴西、瑞典为3 0 t ， 南非为2 8 t ( 旧车2 6 t ) ，俄罗斯计划提高到2 7 t ，均高于中国货车水平。为了实现 低自重，少不了引入一些新材料与结构设计方案。而在低动力作用方面，转向架 及车钩缓冲装置的改进、研发和运用也同时发挥着巨大的作用。随着铁路重载运 输技术及装备水平的提高，重载机车技术、重载货车技术、同步操纵和电空制动 技术、线路技术等方面的新突破，更大地促进了重载运输的发展。 综上所述，本论文以国际公认的重载铁路运输为方向，结合中国资源、需求、 运能等方面的实际情况，立足大轴重和低自重的重载货车发展方向，着眼重载车 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 辆技术中的车体结构，进行载重1 0 0 t 运煤专用敝车车体结构的选型研究具有重要 意义和工程实用价值。 1 2 国外重载运输现状 重载运输已有近5 0 年的历史，美国、加拿大、巴西、南非、澳大利亚、俄 罗斯等1 0 多个国家开展了重载运输，列车牵引重量不断提高，目前一般为1 3 万吨。结合本论文的主要内容，分别从轴重、材料和结构等方面来介绍国外重载 货车的现状。 首先，在轴重方面，美国铁路采用的新造货车轴重都在3 0 t 以上，铝合金敞 车、高边敝车等大型专用货车轴重高达3 2 5 t 以上。俄罗斯也计划将轴重提高到 2 7 t ，并进行相应的实验。加拿大已制造轴重为3 5 4 t 的车辆，澳大利亚已成功运 用4 0 t 轴重的矿石敞车。而俄罗斯则是通过增加车辆轴数，研制多轴车来提高车 辆载重量。为了发挥线路潜力，希望不增加轴重而又能提高运能，前苏联一直试 图发展多轴货车。他们的八轴敞车及八轴油罐车每延米轨道载重量较大，而轴重 却并不太大。并通过实验证明在列车长度相同的情况下，使用八轴车比使用四轴 车能提高列车重量2 5 - 一4 0 ，而八轴车在列车中的动力性能和脱轨稳定性都比 四轴车好。 其次，在车体材质方面，国外普遍采用了低合金钢及铝合金、不锈钢，美国 9 0 的重载货车采用了铝合金车体，由于铝合金运煤专用敞车所具有的独特优势， 从2 0 世纪9 0 年代开始，美国就已经停止生产钢制的运煤车辆，全部改为生产铝 合金车辆。其铝合金高边敝车自重仅为1 9 9 6 t ，比钢制货车自重2 7 2 2 t 减轻了 7 2 6 t 。 美国e l k x 型双浴盆铝合金运煤敝车载重1 1 0 6 t 、自重1 9 1 t 、总重1 2 9 7 t 、 轴重3 2 4 3 t 、容积为1 2 4 7 m 3 ；转向架采用s 2 h d 型转向架，制动系统采用a b d w 型空气控制阀、1 0 旋压制动缸、两级空重车自动调整装置、高摩合成闸瓦，车 钩缓冲装置采用f 型固定车钩和旋转车钩、m a r k 5 0 型缓冲器，美国的铝合金车 体如图1 1 。 最后，在改进车辆结构方面，加拿大和南非都采用“浴瓮式 敞车，充分 利用每辆车两台转向架之间的车辆下部限界，将底架制成下凹形以增加车辆载重 量。美国用以单元列车的敝车，只在每车组的两端设立端墙，敝车车体之间取消 端墙，以充分利用端部空间增加载重。 澳大利亚双浴盆铝合金煤车如图1 2 ，4 0 t 轴重矿石专用敝车见图1 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 1 美国的铝合金车体 图1 2 澳大利亚双浴盆铝合金煤车 图1 3 澳大利亚f m g 4 0 t 轴重矿石专用敞车 1 3 国内重载运输现状 在相当长的一段时间里，我国铁路运力不足，技术装备总体水平不高，运能 与运量持续增长不相适应的矛盾十分突出，严重制约了国民经济的发展。从2 0 世纪8 0 年代起，我国铁路为扭转运输紧张和滞后的被动局面，瞄准世界铁路科 技发展前沿，在充分学习和借鉴国外先进经验的基础上，结合我国铁路运营的实 际需要，资源分布等情况，在货物运输方面主攻重载运输的发展。而开行不同类 型的重载列车运输方式是铁路扩能、效率提高的重要手段，给予了特别的关注和 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 研究。经过2 0 多年的努力，我国铁路重载技术水平得到很大提高，已跻身世界 先进重载运输国家行列。回顾我国铁路重载运输的发展，大致经历了四个阶段， 并相应开行了三种模式的重载列车。结合本论文的主要内容，现对我国的重载线 路及重载技术在车体结构材料等方面的内容进行简要介绍。 为了促进山西煤炭能源基地的开发和建设，增加煤炭的外运通道，扩大“三 北”地区煤炭运输的能力，2 0 世纪8 0 年代中期至9 0 年代初，我国自行设计和修 建了第一条大( 同) 一秦( 皇岛) 双线电气化重载运煤专线。其全长6 5 3 k m ，是 借鉴北美、加拿大、澳大利亚等国开行重载单元列车的经验而修建的。 在2 0 0 5 年国际重载协会理事会上，对新申请加入国际重载协会的重载铁路， 要求至少满足以下三条标准中的两条： 列车重量不小于8 0 0 0 t ： 列车中车辆轴重达2 7 t 以上： 在长度不小于15 0 k m 线路上年运量不低于4 0 0 0 万t 。 目前，我国的大秦线满足国际重载协会2 0 0 5 年的重载铁路新标准。 自2 0 世纪8 0 年代改革开放以来，我国铁路货车得到了快速发展，各项技术 均有改进和提升，货车轴重由建国初期的l l t 普遍发展到通用货车2 3 t 、专用运煤 敞车2 5 t ，新型货车目前正在向2 7 t 、3 1 5 t 轴重发展。载重由3 0 t 发展到5 0 t 、6 0 t ， 进而发展到7 0 t ，大秦线运煤专用的c 8 0 型系列敞车载重已经达到了8 0 t ，正朝通 用货车载重8 0 t 、专用货车载重l o o t 方向发展。货车运营速度也从7 0 年代的7 0 - 8 0 k m h 提高到现在的1 0 0 - - 1 2 0 k m h 。 而新型结构形式车体的研制和新材料的加入应用，也使我国铁路货车迈向了 新的台阶。以c 8 0 系列敞车为例，其包括c 8 0 型铝合金运煤专用敞车( 如图1 4 ) 、 c 8 0 a 型全钢运煤专用敞车( 如图1 5 ) 、c s o b 型不锈钢运煤专用敞车和c s o c 型运煤 专用敞车( 如图1 6 ) 。c 8 0 a 和c 8 0 b 的结构一样，只是车体的材质不同，其整体系 列的材质和结构对比如下表1 1 所示。 图i - 4c 加型铝合金运煤专用敞车 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图l - 5c a o a 型铝合金运煤专用敞车 。r 每j 。、 ! 、 图1 6c g o c 型全钢运煤专用敞车 表1 - 1c 8 0 系列的材质和结构对比 1 4 本文主要工作 首先，拟定主要的设计任务并选用合理的设计方法及方案，在此基础上进行 运煤专用敞车车体结构设计；其次，对所设计的结构方案的合理性进行验证，进 行了强度、刚度校核及模态分析；再次，根据以上数据及分析结果结合设计任务 及相关标准对各方案进行对比分析和选型研究；最后，对撑杆的布置方案进行了 优化研究。具体内容如下： 1 ) 结合我国现有货车的结构特点，拟定主要的设计任务并选用合理的方法 对载重1 0 0 t 运煤专用敞车车体结构进行设计。对设计过程中出现的主要问题进行 分析，解决各种实际现状同设计要求之间的矛盾，并选择较合理的结构外型方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 设计时采用了三维建模软件u g 进行辅助设计，为方案的建立和修改提供了一个 可靠的保证，使进一步的研究更具有直观性和可视化性。 在敞车车体结构的设计中需要解决很多的矛盾，如：车辆长度与站场条件和 地面装卸设备之间的矛盾；重心高度和机车车辆限界与车辆外形尺寸之间的矛 盾、外形尺寸和结构方案同自重系数及比容系数之间的矛盾；自重系数和轻量化 设计同强度、刚度之间的矛盾。以上矛盾为设计工作带来了巨大的阻力和挑战， 但同时又对结构及材料方案的应用提出了制约，使其更加规范化、合理化。而如 何调和这些矛盾，尽量使方案在限制的范围内最优，将是设计任务的重点，同时 也是本论文的亮点所在。为了能够定性、定量的分析各种方案的优劣，要尽量控 制上述矛盾中的变量参数，使所制定的方案具有可比性，因此选型研究方法的拟 定就成了势所必然。 2 ) 对本次设计的敞车车体结构进行强度分析，由u g 建立的三维模型，经 简化处理建立了有限元分析模型。再根据专用敞车的实际运行需要及相关标准对 车体结构进行受力分析及工况组合。由软件a n s y s 进行计算后，提取有用的相 关结果对敞车车体的强度、刚度进行考核。同时根据考核结果对上述方案进行改 进，使其满足强度要求。 3 ) 对本次设计的敞车车体结构进行模态分析，在上文中提到的有限元分析 模型基础上进行修改，使其满足模态计算的要求，应用a n s y s 软件进行计算， 并输出了三种方案的前六阶模态频率及振型。对模态频率进行分析，得出结构刚 度匹配合理的结论。 4 ) 结合以上数据，对车体的容积、重量、重心高度及相关经济性能指标等 进行计算，并从经济性能及结构性能等方面对三种方案进行了对比分析，得出方 案二( 即双浴盆方案) 为本次选型研究最优方案的结论。 5 ) 对撑杆的布置及优化进行独立的研究，首先设计了四个研究课题，明确 了每个课题的目的，并围绕设置撑杆的必要性、撑杆的作用、撑杆的数目及高度 布置方案对车体结构的影响等内容进行对比分析。最后验证了撑杆布置对整个车 体模态的影响，证明了撑杆对车体的横向刚度起着重要作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章车体结构设计及三维建模 本章主要围绕重载车辆车体结构的基本设计任务，结合现有敞车车型的结构 特点，拟定合理的分析方法及方案，并借助三维建模软件u g 对车体结构及各部 件的结构形式、尺寸及质量进行详细阐述。在车辆及其零部件进行设计时，应当 保证承受运用载荷的各构件均具有必要的承载能力，在此条件下尽可能减轻车辆 及其部件的自重，并充分发挥结构整体承载能力。在本章中将对车体结构设计中 的各部件质量进行严格控制，争取在确保载重及容积的前提下，尽量减轻白重。 2 1 主要设计任务 在对车体结构进行设计之初，还要清楚整个车辆中其余的组成部分，尤其是 转向架，它与车体的连接会影响底架各部件的分布。此外，车辆的技术性能和用 途及一些参数要求，也对车体的设计起到一定的限制作用。在本节中将明确此次 设计的主要任务。 2 1 1 车辆主要结构 该车主要由车体、转向架、制动装置及车钩缓冲装置等组成。根据我国新 型货车主要技术要求的相关内容，对本车其他主要结构做以下要求。首先，限 界符合g b l 4 6 1 1 9 8 3 。车钩钩舌、钩体、牵引杆及从板应符合t b t 2 9 4 2 1 9 9 9 规 定的e 级钢。钩尾框应符合运装货车( 2 0 0 5 ) 7 8 号文件要求的e 级锻钢。采用 符合t b t 1 9 6 1 2 0 0 6 规定的重载专用货车大容量缓冲器。制动装置与国际先进水 平接轨，释放部分安装制动装置的空间，增加载重，特采用单元基础制动装置。 转向架采用轴重3 2 t 的低动力作用转向架。关于车体的材料及要求将在后面章节 详细介绍，在此不做赘述。 2 1 2 技术性能和用途 本论文参与选型的载重1 0 0 t 运煤专用敝车为重载列车运输煤炭的专用敞车。 使用环境温度为一4 0 + 5 0 。并能与煤码头的翻车机及附属设备相匹配，实 现不摘钩连续翻卸作业，并能适应环形装车、直迸直出装车和解体装车作业及运 行时动力分散牵引要求。 2 1 3 主要设计要求 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在主要设计要求中，对各方案的轴重、轮径、经济性能参数( 如比容系数、 自重系数) 、运行速度、各接口尺寸等做了如下限制，如表2 1 所示。 表2 1 主要设计要求 类刑数值 轴重( t ) 车轮直径( m m ) 自重系数 比容系数 每延米轨道载重( t m ) 车辆通过最小曲线半径( m ) 构造速度( k m h ) 商业运营速度( k m h ) 轴颈中心距( m m ) 旁承中心距( m m ) 空车心盘面距轨面高( m m ，心盘载荷7 2 k n ) 上心盘直径( m m ) 心盘磨耗盘内径( m m ) 下心盘直径( m m ) 上旁承磨耗板下平面距上心盘下面( m n l ) 侧架上平面距轨面高( 上悬杆范围内) ( m m ) 空乍状态下侧架上平面距车体枕梁下部间隙( m m ) 2 2 选型方案的拟定 在本论文第1 章中沿着重载货车发展的三个方向：大轴重、低自重和低动力 作用，简要介绍了国内外重载运输现状。结合目前国内现有货车以及实际运输情 况拟定本次选型研究的方法、方案。 2 2 1 选型方法的拟定 各个国家对载重的提高及敝车车体结构的改进与创新都做出了努力，且方案 也层出不穷，有的采用了无侧梁和端梁底架结构；有的采用无端墙结构，只在每 车组的两端设立端墙以充分利用端部空间增加载重；有的采用了浴瓮结构，充分 利用了下部空间。学习和借鉴国外的方案是可取的，但必须立足在本国的实际国 情、现有技术条件和车辆结构上。这样不仅可以提高更新换代速度，同时能节约 研发新技术、新工艺的时间和成本，提高产品的经济效益。 因此本论文在结构设计方面主要立足国内现有重载货车c 8 0 系列，根据表1 1 6 ) n 6 ， ) ) 5 5 2 i0 0 0白砌州。咒墨守b吼“ 那哪一；|m m m一蚴删删删删埘一；| 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的总结，特将本次选型方案列为三种，分别参照了国内现有货车c 舳、c s o a 、c s o c 的结构特点设计了前两个方案的车体结构( 双浴盆方案如图2 1 所示) ，但在设计 过程中发现虽然拟定的设计任务是相同的，但由于采用了不同的结构和材料就改 变了各种需要调和的关系和矛盾。如材料改变了，在调和减小自重系数，解决轻 量化与强度、刚度要求之间的矛盾中出现了多个变量；又如结构的变化，在调和 比容和载重要求同重心高度及机车车辆限界间的矛盾时出现了多个变量。不仅如 此，在车辆内长、内宽与内高这三个基本尺寸中都因设计任务和结构方案的不同 没有办法统一，出现了不同的组合。这些变量和不同的组合使三种方案没有办法 进行定性或定量的分析，即使能够分析也增加了分析的难度和耗费的工时。再者 通过观测他们的实际运营情况来判断三种方案的优劣不仅耗时，也丧失了产品设 计的即时性，极不可取。 图2 1 双浴盆敞车方案 因此在进行选型研究时，必须调整思路，重新拟定新的方法及方案，尽量控 制变量个数，增强三种方案和结构的可比性，从而为本研究的可行性、可靠性和 研究意义的实现提供强有力的保证。 从前一次失败的经验中，发现三种结构方案中最不相同、最有可比性的是底 架结构，因为它是主要的承载结构，相比端墙与侧墙来说结构更加繁多和复杂。 同时控制了端墙与侧墙的结构形式，在内宽与内长尺寸方面的控制也显得更加容 易。因此本论文在选型的方法上将端墙与侧墙结构形式、内宽、内长尺寸设定为 固定量，底架结构形式设定为变化量。当内长和内宽一定时，内高、底架结构与 机车车辆限界、比容、重心高度发生关系。因此在这组矛盾中内高与底架结构两 个变量中必须还要固定一个。 我国的车钩连挂后为了安全可靠，列车中各车辆的车钩高应基本一致。各国 因其历史原因形成不同的车钩高( 或盘形缓冲器中心高) ，我国车辆在新造或修 竣工时空车状态的钩高标准值为8 8 0 1 0 m m 。因此当车钩高为固定值时，不管底 架结构如何变化，三种方案的内高都可以控制为定值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 车体的结构主要由底架、侧墙、端墙和撑杆组成。在设定好底架、侧墙及端 墙后，撑杆或斜撑的布置也会对整个车体的受力、变形起到一定影响。为了减少 变量的控制，且考虑到撑杆和斜撑与车体并不是永久固定这一特点，可将斜撑的 布置单独列为一个研究项目，并对其优化。具体内容详见本论文第6 章，在此不 再赘述。 至于材料的运用，应在不影响结构和尺寸的条件下尽量相同。 通过各方面的综合考虑，现将选型研究的方法列表2 1 。 表2 - 2 研究方法 综上分析，本选型研究方法可以总结如下：在满足载重1 0 0 t 运煤专用敞车车 体设计任务的前提下，首先，选取合理的侧墙、端墙形式及材料种类，确定内高、 内宽和内长尺寸。其次，拟定不同的底架方案对整个车体进行设计和组合。再次， 借助大型有限元软件a n s y s 对各个方案进行强度、刚度校核及模态分析。最后， 通过参照相关标准对容积、载重、重心高度及经济性能指标等进行计算，整理以 上计算数据作为方案评价指标，并对比选型。 2 2 2 结构方案的拟定 根据上一节的描述，侧墙、端墙的结构形式固定，只有底架形式改变较大。 且撑杆的布置研讨和优化将在第6 章详细说明。那么本节将为侧墙、端墙和底架 的结构形式拟定初步方案。 1 ) 确定侧墙的初步方案 载重1 0 0 t 运煤专用敞车车体较c 8 0 系列增加了近2 0 t 的载重，为了达到一定 的比容要求，相应的容积也需要提高，这样才能使设计的载重同实际的载重相符 合。但是容积的提高受到重心高与机车车辆限界的制约。从c 8 0 系列的设计和实 际情况来看对限界的利用已经达到了饱和且重心偏高。侧墙板的外置比内置方案 更能够在宽度方向上增加尺寸、提高容积，当然选用侧墙板外置的方案并不是必 须的，但却能够提供更多的富裕空间，宽度的充足利用对降低重心高度，提高车 辆动力学性能有益。在我国，侧墙板在外侧的方案和传统敞车相比较为新颖，但 国外早已有类似的产品。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 美国最大的铝合金货车生产厂家之一的j o h n s t o w n 公司生产的铝合金敞车 中大量采用了此类结构。据国外有关资料表明，由于侧墙板在外侧车体表面比较 光滑，有利于车辆的空气动力学性能，可以减小运行阻力，节省机车燃料消耗。 经过粗略计算，在相同条件下，采用侧墙板置于侧柱外侧的方案较侧墙板置于侧 柱内侧的方案全车容积增加约4 8 m 3 ，可以相应的降低重车时的车辆重心约为1 0 0 m m 2 】。 侧墙板外置的方案在秦阜岛煤码头与翻车机的匹配试验表明：在四期翻车机 上的翻卸效果较好，车内积存煤炭较少；在三期翻车机上的翻卸后，车内有少量 煤炭积存。经分析，适当优化侧墙局部结构，将有效改善车内煤炭积存现象。 为解决积煤问题需改进结构，因此参照c 8 0 a 的设计，在侧墙、端墙与底架间 加一块圆弧板，能有效地解决积煤问题，同时对部分死角的腐蚀起到了一定的防 范作用。另外对侧墙板与上侧梁连结处的斜板斜率进行改进，减小斜率，使过度 更加平缓，让煤炭的惯性力充分发挥作用，减少积煤现象。 从侧墙与三种底架方案的连结来看为了统一，侧墙外置也较内置更好。 2 ) 确定端墙的初步方案 端墙有上端梁、角柱、横带及端板等结构。其中横带结构为端板外置提供了 阻力，会加剧积煤现象，即使能够采取措施解决好，不仅代价太大，带来的经济 效益也不明显。而横带外置的时候，与侧横带相扣，连成一个整体，结构上更加 可靠。因此端墙采用墙板内置方案，且侧墙板与端墙板通过角柱相连；侧横带与 端横带相扣，均置于角柱外侧，形成一半环型整体；这样侧横带及端横带，两侧 角柱及枕柱就形成了一简单的横纵交错的钢架网络结构。 3 ) 确定底架的参选方案 底架的参选类型需要具有代表性，并且能与侧墙和端墙完美结合。经过上一 节的分析，仍然参照国内的c 8 0 系列运煤重载敞车的底架形式，并且用编号一、 二、三进行区别。 方案一，为载重l o o t 平底运煤专用敞车： 方案二，为载重1 0 m 双浴盆运煤专用敝车； 方案三，为载重l o o t 单浴盆运煤专用敞车。 为简便起见，在后面章节的论述中以上简称方案一、方案二和方案三。 2 2 3 材料的拟定 根据新型货车主要技术要求的相关内容，车体主要材料应采用高强度耐 大气腐蚀钢、不锈钢、铝合金、b + 钢或满足3 0 t 轴重专用货车使用要求的其它新 型材料。高强度耐大气腐蚀钢、不锈钢、铝合金、b + 钢应符合有关规定，许用应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 力按表2 2 执行。 从表中可以看出铝合金板材材质5 0 8 3 h 3 2 1 与铝合金型材材质6 0 6 1 t 6 的屈 服强度较低，均在2 5 0 m p a 以下。不锈钢的屈服强度适中，相比之下高强度耐大 气腐蚀钢的屈服强度最高。且铝合金材料弹性模量仅为钢材的三分之一，导致其 支撑的结构刚度较小。而车体主要的承载结构所受应力较大，结合屈服强度及减 重等因素综合考虑，主要承载件应使用高强度耐大气腐蚀钢。同时参照c 8 0 系列 敞车的材料使用情况，初步拟定主要承载件为屈服强度4 5 0 m p a 的q 4 5 0 n q r l 材 料。 表2 3 材料明细表 铝合金虽然有一定的耐腐蚀性能，但它也会发生腐蚀，尤其在潮湿和带盐份 的空气中。如果侧墙及端墙等板材型材采用铝合金虽然能够减轻自重，但是为了 防止钢材与铝合金材料之间发生电腐蚀现象，在钢材与铝合金材料之间必须安装 防电化腐蚀专用胶带【l l 。其次由于铝合金的使用，底架、侧墙、端墙之间的连结 将采用铆接结构。而侧墙采用的是外置墙板结构并且在侧墙与地板之间加了圆弧 板。在这样的前提下很难再和铆接结构并存。所以铝合金材料的使用是不可取的。 而不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，因此采用不锈钢制造车体钢结构可以不需 要涂装防腐蚀的防锈油漆等，同时考虑钢材腐蚀对钢结构的影响而增加的结构强 度裕量也可以适当缩小。它还有使用寿命长、加工和焊接性能优异、对能量的吸 收优于铝或碳钢等特点。因此采用不锈钢不仅可以达到减轻自重的效果，还能够 有较强的防腐蚀性能，降低维护成本1 3 l 。因此在强度、刚度满足条件的情况下侧 墙与端墙可尽量使用不锈钢。而强度刚度计算将在本论文的第3 章进行，为了体 现行文的逻辑性，侧墙与端墙及地板的材料使用情况可以进行保留，待设计工作 进一步明朗化了再结合设计任务中对自重系数的要求进行确定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 总体尺寸 由于各种车辆运输的对象不尽相同，他们各自对运输环境、运输空间有不同 的要求；另一方面，铁路限界、车钩高度、每延米轨道载重的允许值、轴重、现 有站台高度、装卸设备以及地磅衡等称重设备的特点等，也都对车辆总体尺寸设 计起制约作用。此外，车辆长、宽、高三个尺寸相互之间是有一定内在联系的。 车辆总体尺寸设计就是要在解决这些矛盾、协调各种关系的基础上得出一个良好 结果。 2 3 1 长度尺寸 由于本次设计的车体主要用于大秦线煤炭的运输，按照前面第一节的内容可 知要适应机械化作业要求，因此车体尺寸要受到翻车机和拨车臂的影响。 1 ) 车辆全长 根据资料显示，秦皇岛三、四期为三车翻车机，采用三车双环整体平台形式， 总长为3 6 m ，且不可调。在使用过程中带动固定于其上的3 辆敞车车体进行翻转， 以完成卸载作业。在最大限度的利用资源节约卸货成本的前提下，每辆敞车的全 长应不超过1 2 m 。在考虑不摘钩作业的实际情况，翻车机全长应为车辆全长的整 数倍，因此车辆全长定为1 2 m 。 2 ) 车体外长 全长确定后，只要确定牵引缓冲装置及跟拨车臂的匹配关系就能确定车体外 长了。车辆不摘钩牵引时，应保证拨车臂与车体不发生干涉，为牵车机拨车留出 足够的工作空间。本论文设计敞车使用加强f 型车钩，钩舌内侧面距车体外缘约 5 0 0 m m ，即用车辆全长减去1 0 0 0 m m 就得到车体外长，由此计算知车体外长为 1 1 0 0 0 m m 。 3 ) 车辆内长 只要确定上端梁的宽度与端墙板的厚度就可以确定车体的内长，因此暂定上 端梁的宽度尺寸为1 2 0 m m ，端墙板的厚度定为5 m m ，则内长为1 0 7 5 0 m m 。 4 ) 转向架中心距 在车辆过曲线时，其端部偏向曲线外侧而中部偏向曲线内侧，为使这两个偏 移量尽量相等，车体外长l 与两转向架中心距l 之比最好等于2 。当参照c 8 0 系列敞车时取车辆定距为8 2 0 0 m m 。则l l = 1 4 6 2 。 2 3 2 宽度尺寸 车辆宽度方向上的尺寸主要受限界的严格控制，原则上，在设计时只要在限 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 界的允许范围内，都应想办法把车体设计得尽可能宽些。 我国标准轨距的机车车辆限界中部的最大宽度虽然达到3 4 0 0 m m ，但在轨面 3 5 0 1 2 5 0 m m 高度范围内，宽度只有3 2 0 0 m m ，而货车地板面最下部( 除去浴盆) 距轨面的高度均在此范围内。故限界下部的宽度3 2 0 0 m m 成了车辆可能达到的最 大外宽。在g b1 4 6 1 1 9 8 3 车限1 a 的图中规定：电力机车在距轨面高3 5 0 1 2 5 0 m m 范围内限界允许增加到1 6 7 5 m m ，同时顶部的两条折线可改为由虚线表示的四条 折线，因此在电力机车牵引区段中运行的专用车辆有可能把车宽加大到3 3 5 0 m m ， 同时车顶部的宽度也可能加大一些。而大秦线就属于电气化铁路，车辆最大宽度 可以按3 3 5 0 进行设计。但是考虑到一定的制造和装配误差以及安全裕量，本次 设计车体的外宽定为3 3 3 2 m m 。由于侧墙板为外置，当厚度取为5 m m 时，内宽就 为3 3 2 2 m m 。 2 3 3 高度尺寸 1 ) 车钩高 首先在高度方向的尺寸必须满足我国对车钩高的要求。车钩高是指车钩钩舌 外侧面的中心线至轨面的高度。列车中机车与车辆的车钩高基本一致，是保证正 常传递牵引力及列车运行时不会发生脱钩事故所必需的。我国规定新造或修竣后 的空车标准车钩高为8 8 0 m m m 。 2 ) 地板面距轨面高度 车钩缓冲装置装在底架中梁前端的牵引梁内，同时底架又放置在两台转向架 上，故车钩高及转向架心盘面高度都将成为控制地板面高度的一个因素。转向架 心盘面距轨面高度并非标准值，它既与轮径有关，更与结构有关。根据新型货 车主要技术要求中相关数据的显示，空车心盘面距轨面高为6 8 2 ；1 0 m m ，若中梁 均采用3 1 0 乙字型钢，地