陳 坤
(中鐵特貨大件運輸有限責任公司 安全裝備研發(fā)部,北京 100070)
我國國民經(jīng)濟建設(shè)中大型設(shè)備的研制及運用都離不開運輸裝備的研發(fā),提升運輸裝備的性能是大型設(shè)備能否安全送達到用戶的關(guān)鍵。我國鐵路落下孔車主要用于裝運電力、冶金行業(yè)等超限、超重的闊大貨物,如變壓器和軋機機架等[1],如圖1所示。
圖1 變壓器裝車運輸照片
該車型屬于長大貨物車的一種,主要由側(cè)承梁、大小底架、轉(zhuǎn)向架、車鉤緩沖裝置、制動裝置及液壓電氣裝置等部分組成[2]。鐵路落下孔車運輸?shù)拇笮妥儔浩鳛殚L方體結(jié)構(gòu),其兩側(cè)帶有4個以上的肩座,肩座伸出長方體結(jié)構(gòu)外并搭在落下孔車側(cè)承梁上,變壓器整體落于兩側(cè)承梁內(nèi),將其橫向、縱向加固后進行鐵路運輸[3-4]。圖2為變壓器承載斷面結(jié)構(gòu)。
圖2 變壓器承載斷面結(jié)構(gòu)
按照落下孔車的承載方式以及變壓器的外形尺寸,貨物的垂向載荷相對于側(cè)承梁為垂向?qū)ΨQ集中載荷,車輛設(shè)計時需要確定其最小支承距離及最大垂向載荷。早期的落下孔車為保證滿載使用的經(jīng)濟性,僅規(guī)定了車輛滿載時的最小支承距離,即車輛達到載重額定值時能夠滿足的變壓器肩座最小間距。隨著大件貨物運輸市場的發(fā)展,變壓器的類型日益增多,其質(zhì)量不斷變化,肩座間距也隨之變化。因此,需要對現(xiàn)階段的落下孔車集載能力進行評估,以適應(yīng)多種類型變壓器的運輸需求,提高落下孔車的運用效率,縮短落下孔車的閑置期。本文以DK36A型落下孔車為例,對落下孔車側(cè)承梁進行計算分析及試驗檢測,以評估其集載能力,擴大使用范圍,提高其在大件貨物運輸市場的競爭力。
DK36A型落下孔車主要技術(shù)參數(shù)見表1[5]。
DK36A型落下孔車技術(shù)條件及使用說明書規(guī)定:貨物支承距離最小為7 000 mm,載重為滿載360 t。根據(jù)變壓器運輸市場的需求,該車可裝運支承距離小于7 000 mm、質(zhì)量小于360 t的變壓器。因此,按照變壓器的結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量指標確定了其最小支承距離及相對應(yīng)的載荷,并進行有限元分析計算,DK36A型落下孔車加載工況見表2。
表2 DK36A型落下孔車加載工況
進行有限元計算時按照表2所示的加載工況,依據(jù)TB/T 2553—2018《鐵路長大貨物車》中關(guān)于綜合動荷系數(shù)的要求[6],選取該車樣車試制時動應(yīng)力測試得到的側(cè)承梁綜合動荷系數(shù)(0.19)。
有限元計算對象為側(cè)承梁鋼結(jié)構(gòu),采用I-DEAS軟件對通過各拉桿整體連接的側(cè)承梁與導(dǎo)向梁結(jié)構(gòu)進行建模。建模主要采用4節(jié)點四邊形薄殼單元,整體單元長度為30 mm,并通過多次計算對高應(yīng)力區(qū)進行了網(wǎng)格細化。側(cè)承梁有限元模型如圖3所示,該計算模型有163 646個節(jié)點,165 164個單元;模型以剛性單元模擬導(dǎo)向梁,以梁單元模擬側(cè)承梁之間的拉桿、等分撐桿、端部拉桿[7]。
圖3 側(cè)承梁有限元模型
各工況下材料強度評價標準見表3。剛度評價標準為:側(cè)承梁中央斷面相對于兩端部移動心盤處的撓跨比≤1/180。
表3 材料強度評價標準 MPa
圖4為有限元計算的側(cè)承梁應(yīng)力取點位置,計算得到的應(yīng)力輸出全部為Von-Mises應(yīng)力,各集載工況最大合成應(yīng)力均發(fā)生在圖4所示的斷面3上蓋板處,工況1~工況4的最大合成應(yīng)力分別為332 MPa、352 MPa、371 MPa、391 MPa。
圖4 有限元計算的側(cè)承梁應(yīng)力取點位置
各集載工況載荷作用下,側(cè)承梁結(jié)構(gòu)上下蓋板折彎處斷面最大合成應(yīng)力見表4。從表4可以看出,各工況下的合成應(yīng)力均不超過其材料的許用應(yīng)力,最大合成應(yīng)力發(fā)生在工況4,其應(yīng)力云圖和垂向位移云圖分別見圖5和圖6。
表4 各工況下側(cè)承梁結(jié)構(gòu)斷面最大合成應(yīng)力 MPa
圖5 工況4應(yīng)力云圖
圖6 工況4垂向位移云圖
在各集載工況垂直靜載荷作用下,側(cè)承梁中央斷面相對于兩端部移動心盤處的垂向位移及撓跨比見表5。從表5可以看出,各工況下的撓跨比均滿足≤1/180的要求。
表5 各工況下側(cè)承梁中央斷面相對于兩端部移動心盤處的垂向位移及撓跨比
側(cè)承梁采用吊掛進行試驗,吊掛上放置一鋼結(jié)構(gòu)平臺,其上擺放軸坯鋼。兩吊掛間的距離與集載工況最小支承距離相對應(yīng),可調(diào)整為4 m、5 m、6 m、7 m。軸坯鋼質(zhì)量即為載荷值,每根軸坯鋼規(guī)格為250 mm×250 mm×5 200 mm,重2.5 t。兩吊掛間距為4 m時在平臺上對稱裝載120根軸坯鋼,重300 t;間距為5 m時在平臺上對稱裝載128根軸坯鋼,重320 t;間距為6 m時在平臺上對稱裝載136根軸坯鋼,重340 t;間距為7 m時在平臺上對稱裝載144根軸坯鋼,重360 t。在側(cè)承梁中央處及兩端部移動心盤處放置位移傳感器,垂向加載時分別測量各位移傳感器位置的位移。
圖7為DK36A型落下孔車試驗載荷加載圖,圖8為試驗加載照片。
圖7 DK36A型落下孔車試驗載荷加載圖
參考TB/T 2553—2018及TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體 第2部分:貨車車體》[8]對試驗結(jié)果進行處理、分析及評定。
考慮自重影響,兩片側(cè)承梁的質(zhì)量為48.6 t,上調(diào)裝裝置(拉壓桿)的質(zhì)量為3.5 t,則側(cè)承梁靜應(yīng)力σ側(cè)換算公式為:
式中:σ——試驗載荷下的應(yīng)力值,MPa;
P——試驗載荷,t。
圖8 DK36A型落下孔車試驗加載照片
測定側(cè)承梁靜應(yīng)力后,以該車樣車研制時中國鐵道科學(xué)研究院提出的《載重360 t落下孔車靜動強度試驗報告》中的側(cè)承梁最大綜合動荷系數(shù)(0.19),求出合成應(yīng)力[9]。
撓度取所測數(shù)據(jù)的平均值,考慮自重的影響換算出撓度和撓跨比。由中鐵檢驗認證(青島)車輛檢驗站有限公司對該車側(cè)承梁進行了靜強度、剛度試驗[10]。試驗結(jié)果顯示:
(1) 最大合成壓應(yīng)力發(fā)生在工況4,位于上蓋板折彎處的上平面,最大值為-409.7 MPa,小于材料壓應(yīng)力下的許用應(yīng)力值(457 MPa);最大合成拉應(yīng)力發(fā)生在工況4,位于下蓋板端部折彎處下平面,最大值為370.6 MPa,小于材料拉應(yīng)力下的許用應(yīng)力值(430 MPa)。
(2) 4個工況下側(cè)承梁在各試驗載荷下考慮自重后的撓度分別為135.9 mm、141.8 mm、147.3 mm、155.2 mm;側(cè)承梁心盤距離為34 000 mm,撓跨比分別為0.72/180、0.75/180、0.78/180、0.82/180,均滿足設(shè)計技術(shù)條件規(guī)定的撓跨比≤1/180的要求。
通過計算分析及加載試驗研究,并與該車樣車制造時的靜強度試驗對比分析。在支承距離分別為4 m、5 m、6 m時相應(yīng)的試驗載荷作用下,側(cè)承梁的應(yīng)力值及撓跨比均在許用值范圍內(nèi),且小于支承距離為7 m時載重360 t的試驗值,完全滿足支承距離為4 m、5 m、6 m時的運用要求。因此,DK36A型落下孔車集載能力可按表6補充支承距離為4 m、5 m、6 m時的集載工況。
表6 DK36A型落下孔車集載能力