出口阿根廷寬軌石灰石漏斗車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周 睿 欒鴻斌 周 炯 馮文倩 韓金剛

(1 .中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司 北京 100055；2 .中車眉山車輛有限公司 四川 眉山 620032)

漏斗車依靠貨物重力作用自動(dòng)卸貨，對(duì)于貨流量大且裝卸地點(diǎn)較固定的散裝貨物，采用漏斗車可以加速車輛周轉(zhuǎn)，提高卸貨效率，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，在各國電站、港口、選煤、鋼鐵等企業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1]。阿根廷是巴西、智利、玻利維亞等國石灰石的主要輸出國，但受鐵路運(yùn)輸能力的影響，目前僅有30%的石灰石通過鐵路運(yùn)輸，為提高阿根廷鐵路運(yùn)輸石灰石的能力，開展新一代寬軌石灰石漏斗車研究，設(shè)計(jì)出符合阿根廷鐵路運(yùn)輸現(xiàn)狀的石灰石運(yùn)輸車具有重要的意義。

1 阿根廷鐵路現(xiàn)狀

阿根廷既有線路有3種軌距，分別為1 000 mm、1 435 mm和1 676 mm。

寬軌線以國內(nèi)運(yùn)輸為主(見圖1線條加粗部分)，連接布宜諾斯艾利斯(以下簡稱布市)、羅薩里奧、門多薩和圣胡安省，橫貫潘帕斯草原，主要用于運(yùn)輸糧食和石灰石等貨物。布市區(qū)間夜里1點(diǎn)至6點(diǎn)進(jìn)行貨運(yùn)，其余時(shí)間開行客運(yùn)?？瓦\(yùn)類似城際鐵路，約3 km一個(gè)車站，布市區(qū)間線路狀況良好，介于美國4級(jí)和5級(jí)線路譜之間，支線和站場線狀況較差。正線和支線最小曲線半徑為200 m，站場線為90 m，線路上沒有巡視。

米軌鐵路共有7 340 km，其中主線約有3 900 km、支線約有990 km，未使用的線路約有2 450 km。米軌線路連接智利、玻利維亞以及巴西等相鄰國家，正線、支線最小曲線半徑為120 m，站線為90 m。

準(zhǔn)軌線最少，僅在東、北部。正線和支線最小曲線半徑為200 m，站線為90 m。

圖1 阿根廷國內(nèi)鐵路線路圖

2 阿根廷既有石灰石漏斗車現(xiàn)狀

既有礦石漏斗車(見圖2)底架長13 200 mm、寬2 460 mm、高3 680 mm，單個(gè)卸貨口長1 570 mm，漏斗口寬890 mm。主要裝載石灰石，有時(shí)裝載粉末狀燒結(jié)石和混凝土石渣，其中裝載燒結(jié)石時(shí)板結(jié)嚴(yán)重，卸載時(shí)需要使用振動(dòng)器、錘子和高壓風(fēng)等手段。

圖2 既有礦石漏斗車

據(jù)調(diào)研，阿根廷礦山所產(chǎn)的石灰石顆粒度約為20～100 mm，靜態(tài)安息角約為37°～38°，堆密度為1.6 t/m3。阿根廷國內(nèi)存在雙側(cè)卸貨和單側(cè)卸貨2種地坑，其中兩側(cè)卸貨時(shí)地坑長度大約為8 500 mm、寬度約為4 880 mm；單側(cè)卸貨時(shí)地坑長度約為8 500 mm，地坑邊緣距鋼軌內(nèi)側(cè)約200 mm。

3 出口阿根廷石灰石漏斗車總體結(jié)構(gòu)選取

3.1 漏斗選取

漏斗結(jié)構(gòu)與卸貨站場的條件有關(guān)，該車需滿足單側(cè)或雙側(cè)均能使貨物卸盡，因此漏斗的橫向截面需設(shè)計(jì)為一個(gè)倒V和一個(gè)正V疊加結(jié)構(gòu)。打開底門后，貨物可從正V結(jié)構(gòu)的漏斗通過倒V結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板卸往車輛一側(cè)或兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)車輛使用功能，原理如圖3所示。根據(jù)該原理，設(shè)計(jì)出圖4所示的漏斗車，漏斗通過橫向脊背、隔墻組成、端墻板和兩側(cè)漏斗板將其分為3個(gè)漏斗口，6個(gè)卸貨口。

圖3 卸貨原理示意圖

圖4 漏斗形狀三維示意圖

3.2 端墻

端墻作為重要的承載部件，其結(jié)構(gòu)是整車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。初步設(shè)計(jì)時(shí)采用國內(nèi)常用板梁、斜撐組合式結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，但斜撐數(shù)量過多，整體外觀不協(xié)調(diào)，且考慮涂打標(biāo)記的需要，將端墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖5(b)所示。

圖5 端墻三維示意圖

3.3 側(cè)墻

側(cè)墻作為整車側(cè)向力的主要承載部件，初期方案準(zhǔn)備采用矩形管上側(cè)梁或冷彎異形多邊形型鋼。該結(jié)構(gòu)存在如下缺陷：(1)上側(cè)梁結(jié)構(gòu)與側(cè)墻搭接量大，自重較大；(2)側(cè)墻形狀的限制，使得矩形管上平面為非水平面，上端梁與矩形管不便于組對(duì)、焊接，采用冷彎異形多邊形空心管需要重新開模，成本增加；(3)空心管內(nèi)無筋板支撐，整體剛度差，裝貨時(shí)，易被鏟車碰變形。鑒于此，上側(cè)梁采用了帶筋板的冷彎L型鋼，與側(cè)墻形成封閉箱型截面(見圖6)，以規(guī)避上述缺陷。

圖6 上側(cè)梁三維示意圖

3.4 隔墻

由于限界和使用功能的原因，該車側(cè)墻板、側(cè)漏斗板存在多處折彎，因此側(cè)墻采用了無側(cè)柱設(shè)計(jì)，設(shè)置2組隔墻，拉住側(cè)墻，減小側(cè)墻外脹。為加強(qiáng)隔墻底部的連接強(qiáng)度，初步設(shè)計(jì)采用隔墻插入橫向脊背的結(jié)構(gòu)，但考慮到生產(chǎn)制造的簡單化，最終采用隔墻坐在橫向脊背上方的結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 隔墻設(shè)計(jì)方案

3.5 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于單個(gè)減速箱控制的底門數(shù)量多，底門開度大，貨物載重大，因此開門扭矩大，傳動(dòng)軸直徑大，為了減小開門扭矩便于操作、省力，減小傳動(dòng)軸直徑降低自重，優(yōu)化機(jī)構(gòu)連桿位置減小初始開門輸入扭矩，最終設(shè)計(jì)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布置圖

通過對(duì)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)選取，最終設(shè)計(jì)出新一代出口阿根廷的石灰石漏斗車(見圖9)。

圖9 出口阿根廷石灰石漏斗車三維示意圖

目前，采用此結(jié)構(gòu)的漏斗車已完成樣機(jī)試制，整車如圖10所示。

圖10 出口阿根廷石灰石漏斗車樣機(jī)

4 仿真分析

4.1 車輛強(qiáng)度計(jì)算分析

為分析石灰石漏斗車車體鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，參照TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》對(duì)車體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元分析計(jì)算，計(jì)算工況載荷如表1所示。

表1 計(jì)算載荷工況說明

結(jié)果表明，該車各強(qiáng)度計(jì)算工況的最大當(dāng)量應(yīng)力均小于該處所用材料在相應(yīng)工況下的許用應(yīng)力或其屈服強(qiáng)度，車輛強(qiáng)度、剛度滿足要求。

4.2 疲勞計(jì)算分析

參照AAR M—1001(2011)《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》的要求對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞計(jì)算分析，結(jié)果顯示，該車車體各部位的疲勞壽命均大于500萬km的設(shè)計(jì)壽命要求，疲勞壽命最小處的計(jì)算壽命約為685萬km，滿足AAR標(biāo)準(zhǔn)AAR M—1001(2011)《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》的要求。

4.3 動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

參照GB/T 5599—1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》 、《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》的要求和阿根廷寬軌線路基本參數(shù)對(duì)該車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算分析。結(jié)果表明，該車在AAR V級(jí)和Ⅳ級(jí)線路上、空車和重車工況、100 km/h運(yùn)行速度范圍內(nèi)，其橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均達(dá)到良好標(biāo)準(zhǔn)，橫向及垂向最大加速度、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、直線運(yùn)行安全性、曲線運(yùn)行安全性均符合GB/T 5599—1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的規(guī)定，該車動(dòng)力學(xué)性能滿足運(yùn)行要求。

5 結(jié)論

通過分析阿根廷現(xiàn)有石灰石漏斗車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合我國多年的漏斗車研發(fā)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了新一代出口阿根廷寬軌石灰石漏斗車總體結(jié)構(gòu)，并參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析，結(jié)果表明該車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1] 嚴(yán)雋耄．車輛工程[M]．北京：中國鐵道出版社，2004．□