凯发国际 鐵路貨車車體拋丸臺車的設計

摘    要：根據拋丸工序對車體拋丸臺車的設計要求, 對設計方案的選擇、要解決的問題、結構設計進行了分析和總結, 并介紹了構架強度有限元分析的方法。通過采取有效措施, 使車體拋丸臺車完全滿足使用要求, 并達到了優化的效果。

 問題的提出

中車貴陽車輛有限公司鐵路貨車廠修的品種有敞車、棚車、平車、罐車、漏斗車、長大貨物車等。廠修的工序為:入廠檢查→車體、轉向架、車鉤緩沖裝置、制動裝置的分解→車體拋丸除銹→分別檢修和組裝車體、轉向架、車鉤緩沖裝置、制動裝置→整車油漆→用油漆噴車輛標記→制動試驗→整車檢查。其中車體拋丸除銹工序是將車體 (已與轉向架等部件分離) 送入拋丸室, 用拋丸機對車體各面拋打鋼丸, 起到車體表面除銹的作用, 這道工序必須使用專用臺車進行車體轉運, 專用臺車是根據拋丸工序的要求設計制造的, 也稱為車體拋丸臺車, 現對該臺車的設計進行分析。

此前, 用于拋丸工序的臺車是采用報廢的轉8A型或轉K2型轉向架 (見圖1) 因拋丸臺車不需要基礎制動裝置, 故在使用前已將其拆除。

圖1 報廢的轉K2型轉向架 (已拆除基礎制動裝置)

在使用過程中, 發現了以下問題: (1) 為了改善拋丸效果, 對拋丸室進行了技術改造, 改造后的情況是車體移至拋丸室的固定位置時, 在車體側面、底部安排了拋頭, 從各方向對車體拋丸。為了拋到車體底部, 要將車體抬高; (2) 臺車的移動除了靠卷揚機牽引外, 有的場合是用人工推動, 而報廢的臺車質量較重, 比較費力; (3) 由于報廢的轉8A型或轉K2型轉向架輪軸及承載鞍等零件外面沒有設防護罩, 歷經長時間的拋丸后, 鐵砂會打進這些精密部位, 造成這些零件的損壞, 日積月累, 推動臺車很費勁; (4) 臺車軸距較長, 為1 750 mm, 總長為2 650 mm, 臺車所占軌道長度較長; (5) 轉8A型轉向架長度方向的最外端是車輪, 造成臺車之間車輪的碰撞, 為了解決這一問題, 在側架外側加焊了防撞型鋼板, 但增加了臺車的長度尺寸, 使存車位置更加緊張。

分析上述問題, 認為直接采用報廢的轉向架效果不理想, 決定重新設計制造車體拋丸臺車。在設計時, 要滿足以下要求: (1) 車體落在臺車上時定位可靠、方便; (2) 解決將車體抬高的問題; (3) 用人工推動時省力、方便; (4) 方便用卷揚機牽引; (5) 盡量減少占軌道的長度; (6) 防止鋼丸擊打軸承等部位; (7) 防止在使用過程中構架相關部位被鋼丸長期擊打造成壁厚減薄; (8) 制造簡便、節省費用。

2 方案設計

2.1 支撐方式的選擇

分析鐵路貨車車體結構參考類似的車體檢修制造裝備的定位方式, 車體拋丸臺車可以采取以下幾種支撐方式:支撐側梁、上旁承、中梁和上心盤, 對這幾種方式做了方案設計, 并進行分析和比較。

(1) 支撐側梁方案 (見圖2) 。按此方案設計后做出的臺車, 用廠修車做了試驗, 效果不理想。主要問題是:在車輛縱向沒有定位裝置, 不易固定;不同車型2個側梁間的距離不一致;有的車型沒有側梁, 如部分罐車、漏斗車等。

圖2 支撐側梁方案

(2) 支撐上旁承方案 (見圖3) 。此前有車體檢修工藝裝備中的移動臺車采用此方式。這種方式的主要問題是如果橫向和縱向的定位距離過大, 在移車時車體固定不好, 如果距離過小, 車體落臺車時比較費勁。

 圖3 支撐上旁承方案

(3) 支撐中梁方案 (見圖4) 。采用這種方式, 用中梁內側面的定位過于精確, 且縱向擋板與中梁內部結構的關系不易觀察, 所以, 車體落臺車時比較費勁。

圖4 支撐中梁方案

(4) 支撐上心盤方案 (見圖5) 。這種方式與標準轉向架相同, 為了簡化結構, 將下心盤改為平板, 如在廠內慢速運行, 沒有問題。落車時將中心銷插入上心盤的孔中, 定位可靠。在車體墊高鑄件兩側有輔助支撐, 支撐在枕梁下部、上旁承內側, 起到旁承的作用。

圖5 支撐上心盤方案

比較以上4種方式, 采用標準轉向架的方式為最優, 故決定采用支撐上心盤方案。

2.2 輪軸的選擇

在設計時, 考慮過2種方案, 一是采用小直徑車輪, 重新設計車軸、軸承座和選用軸承, ;二是采用報廢的轉向架輪軸和承載鞍。經分析認為:用人力推臺車時, 推大車輪更方便, 且采用報廢件比重新設計制作新零件更節省, 所以決定采用報廢的轉向架輪軸和承載鞍。

2.3 構架方式的選擇

構架方式有2種方案可選擇, 一是采用報廢的搖枕、側架, 另一種是重新設計焊接構架。采用報廢的搖枕、側架方案, 臺車的質量太大, 造成人推臺車時費力, 比較后, 決定重新設計制造焊接構架

2.4 確定設計方案

綜合以上的分析結論, 對各部結構進行了完善, 確定了設計方案 , 與圖5的初步方案相比, 做了以下改進: (1) 改用報廢的轉向架輪軸和承載鞍; (2) 改進了構架的結構; (3) 改進了車體墊高鑄件的結構:延長枕梁下部的2個輔助支撐的距離; (4) 在構架外側增加了耐磨鋼板; (5) 增加了用于卷揚機牽引的牽引鉤。

3 設計中解決的幾個問題

3.1 解決外側板遭受鋼丸擊打的問題

在進行車體拋丸時, 受鋼丸擊打最嚴重的是構架外側板。隨著使用時間的延長, 外側板不斷減薄, 構架承載能力下降, 對安全造成隱患。為此, 查找了耐磨鋼板的牌號, 決定采用厚度為6 mm的NM450鋼板安裝在構架外側板的外側, 采用從上往下插入的方式, 用擋板及螺栓擋住, 可方便更換。

3.2 解決軸承遭受鋼丸擊打的問題

標準轉向架的承載鞍及軸端結構是開放的, 如果用于拋丸工序, 是不能防止鋼丸進入軸承等零件的。重新設計的車體拋丸臺車在承載鞍及軸端結構外增加了防護罩, 防護罩下部采用開放結構, 使得罩內的異物不會存留。

3.3 牽引方式

在構架兩側各焊接1個牽引鉤 (采用報廢的貨車零件) , 可通過卷揚機實現臺車的牽引。

3.4 解決臺車之間的碰撞問題

車體拋丸臺車存放時都是在軌道上串聯排列的, 為了避免臺車之間的碰撞, 將構架的長度尺寸延長至超過車輪外徑, 并在構架的端部焊上擋板, 對車輪起到了保護作用,

4 構架強度分析

車體拋丸臺車的主要部件為報廢的輪軸組件 (包括承載鞍) 和焊接構架, 由于要拋丸的車體均為空車, 載荷遠小于投入運行的鐵路貨車, 所以, 報廢輪軸組件的強度沒有問題, 構架為重新設計制造, 需要對其進行強度分析。

應用NX軟件 (10.0中文版) 的設計仿真模塊對構架進行靜力學分析, 過程如下:

(1) 在NX軟件 (10.0中文版) 的建模模塊中設計構架各零件后進行裝配;

(2) 進入設計仿真模塊, 用NX NASTRAN DE-SIGN求解器進行結構分析, 選擇“單元迭代求解器”, 新建算例:Solution 1;

(3) 確定構架各零件的材質為Steel-Rolled (卷板, 軟件中的可選材質, 與Q235A相當) ;

(4) 采用3D四面體網格對構架各零件進行網格劃分, 勾選“嘗試自由映射網格劃分”, 單元大小的選擇與零部件復雜程度和計算機性能有關, 數字越小, 計算越精確, 但運算時間越長, 數字過小, 就會運行不通或得不出結果;

(5) 選擇“仿真對象類型”為“面對面粘連”, 指定“面對”的公差為0.2 mm;

(6) 確定“約束類型”為“固定約束”, 指定4個導框頂面;

(7) 確定“載荷類型”為“力”, 力的作用面為車體墊高鑄件安裝面, 力的幅值為100 000 N, 力的方向為指向車體墊高鑄件安裝面。力的大小在空車質量的基礎上加一定的富余量, 按2個車體拋丸臺車共承載20 t計算, 1個車體拋丸臺車承載10 t。構架約束與載荷示意圖如圖10所示;

(8) 求解, 計算后得到的應力云圖如圖11所示, 最大應力為93.71 MPa, 沒有超過材料的屈服應力。最大變形為0.8 mm。計算結果說明有足夠的安全裕量。

5 結語

根據最終確定的最佳方案, 設計制造了樣車, 試用后效果良好, 隨后進行了批量制造, 共制造了120輛, 全部替換此前使用的報廢轉向架制作的臺車。

使用后反映較好, 具有以下優點: (1) 每個臺車占軌道的長度由原來的2 650 mm縮小為2 150mm, 減少了500 mm。120輛臺車共少占軌道60 m, 緩解了軌道緊張的矛盾; (2) 每個臺車的質量由原來的4 200 kg減少為3 200 kg, 減少了1 000 kg, 推動臺車較為省力; (3) 對報廢輪軸進行檢修、重新組裝后, 保證每個輪軸都能靈活推動; (4) 用防護裝置將軸承及承載鞍等部件保護起來, 杜絕了拋丸鐵砂打入軸承, 造成推動臺車費勁的情況; (5) 在構架側板外增加了可更換的耐磨鋼板, 解決了構架側板被鋼丸長期擊打造成的壁厚減薄問題, 避免了安全隱患; (6) 設計時, 將構架長度方向的最外端超出車輪, 對車輪起到了保護作用; (7) 新制構架質量僅為730 kg, 節省了制造費用。