组合站台铝合金道面防滑条设计理论和方法

王美丽，曾运清，申雪静，辛 昕，张瑞鹏

(1.军事交通学院 基础部，天津300161;2.军事交通学院联合投送系，天津300161)

组合站台具有结构简单、作业人员少、架设速度快等特点，对于提高铁路输送快速装卸载能力具有十分重要的意义。但是，在通载履带车辆时，其道面防滑条存在着磨损破坏、断裂，甚至脱落的现象，这在一定程度上影响和制约了履带装备的通行安全和快速装卸载。因此，需对铝合金站台道面(以下简称“铝合金道面”)的防滑耐磨技术进行研究。本文在调研铝合金道面通载履带装备打滑、严重磨损现象的基础上，运用有关力学理论对防滑条受力进行分析计算，提出提高铝合金道面通载履带装备防滑耐磨性能的方法和措施。这对提高铝合金道面通载履带装备时的防滑耐磨性能、降低维护费用、实现履带装备的通载安全和快速机动具有一定的参考作用。

1 铝合金道面防滑条结构

目前制式运输保障装备器材通行道面材质以钢质和铝合金材质为主，防滑耐磨措施主要是采用防滑条。防滑条就是在道面上采用焊接、黏接或由道面材料挤压成型的方法形成的，具有防滑和防护作用的条块结构，其中以焊接(有的为点焊，有的为满焊;防滑条有的为分段式结构，有的为整体式结构)方法较为常用。这种防滑条结构通过履带与防滑条的“咬合”力来达到防滑目的。

本文研究的某型组合站台，其道面材质为铝合金材质，在站台道面上设计了“V”字形分段式防滑条(如图1所示)，础板、搭板上分别设计了“一”字形、“W”字形防滑条(如图2所示)。所有防滑条均采取间断焊接形式。

图1 组合站台铝合金道面防滑条

图2 组合站台搭板与础板防滑条

2 履带装备对铝合金道面防滑条作用力分析

通载状态下，铝合金站台与铁路平车间既有一定的搭设坡度，又有一定的水平夹角。履带车辆在站台上匀速行驶时需要转向，转向时履带凸肋对站台道面的作用力最大，即对防滑条的磨损破坏最为严重。这与实车通载时站台道面防滑条的磨损破坏情况相一致。因此，选取履带车辆转向工况时对防滑条的磨损进行计算分析。以铝合金站台实施通载某型坦克为例，进行相关数据的计算与分析。

2.1 履带装备转向时对防滑条的作用力

履带装备在站台上转向时一般采用制动转向，即一侧履带转动，另一侧原地不动。在分析转向过程中履带对站台道面的切向力时，不能将两侧履带看作一个质点，可以根据质点系的达朗贝尔原理，构建动力学方程来求解。履带车辆的转向平面如图3所示，O为转向中心，O'为履带的几何接地中心，以O'为原点建立与车身固接的直角坐标系x'y'z'，x'O'y'平面与路面重合，z'轴垂直于坡道面向上。

图3 履带式车辆转向平面

运用力的简化原理，将路面对履带式车辆的作用力都标于相应侧履带的接地中心位置，Flx'、Fly'、Flz'、Mlx'、Mlz'分别为简化到车辆左侧履带接地中心的力和力矩，Frx'、Fry'、Frz'、Mrx'、Mrz'分别为简化到车辆右侧履带接地中心的力和力矩，此处暂不细分来自地面的阻力和牵引力，并假定它们都简化到相应侧履带的接地中心(如图4所示)。图中，惯性力 Fgy'= － macy'，Fgz'= －macz'，惯性力矩式中:m为整车质量;Jz'为整车绕通过O'点的 z'轴的转动惯量;acy'、acz'分别为车辆质心沿y'、z'轴的绝对加速度;z'是车辆绕z'轴转动的角加速度。

图4 履带受力分析

对于斜坡上转向的履带式车辆来说，实际运动为空间复合运动，选择动系x'y'z'为参考坐标系，建立包括3个移动和3个转动在内的6个动力学方程，其目的是根据履带式车辆的运动求需要施加的力或力矩。

式中:Gx'、Gy'、Gz'分别为整车质量沿 x'、y'、z'轴分量;x'c、y'c、z'c分别为质心 C 在 x'y'z'坐标系的坐标;B为坦克履带中心距。

作以下3个假设:

(1)履带车辆在几何上关于其纵向、横向平面对称，质心在x'O'y'平面上的投影和车辆平面几何中心重合;

(2)由于站台搭设坡度仅为7°，可以忽略压力中心和转向极的纵向偏移，而把法向负荷分布及横向阻力分布仍然按矩形分布考虑;

(3)转向时忽略高速履带的滑转、低速履带的滑移。

根据该型组合站台通载的履带式车辆主要技术参数，及其在站台上的行驶速度、转弯半径、加速度，可求出计算结果［1－2］:

此处Fry'为负，表示站台对坦克的作用力与所建立的坐标系相反，即:站台板对右侧履带的作用力方向向下，大小110.65 kN;站台板对左侧履带的作用力方向向上，大小58.15 kN。履带对防滑条的作用力是履带受力的反作用力，其大小与履带受力相等，方向相反。

2.2 坦克转向时对防滑条的压应力

坦克在站台上行驶时，履带凸肋一部分与站台道面接触，还有一部分要与防滑条接触。在计算防滑条顶面的实际压应力时，首先要计算出防滑条占站台道面的比例，即防滑条的面积系数f1。

某型组合站台防滑条布置［3］如图5所示，防滑条厚度为12 mm;采用端部包角、两侧错开、间断焊接方式，焊缝长50 mm，焊缝横截面为3 mm×3 mm的等腰三角形。选取站台板200 mm单位长度进行计算，站台板宽1 080 mm，其上有3根防滑条，每根防滑条长280 mm、宽20mm，站台道面 V字形防护条的面积系数为

式中:F1为按200 mm为单元长度时，站台道面防滑条面积;F0为按200 mm为单元长度时，站台道面面积。

由文献［4］可知，铝合金站台通载ZTZ88式坦克的峰值接地压力0.803 MPa。防滑条所承受履带凸肋的压应力σmax值可按下式计算:

图5 铝合金道面防滑条布置(mm)

式中ξ为防滑条有效系数，取为1。

则 σmax=0.803/0.078=10.29 MPa。

宋文祥［5］根据桥面由于瘦马效应引起的防滑条失效，确定了防滑条有效系数ξ的值为19%，该数值也与其样桥实际试验情况相符。考虑防滑条失效的因素后，防滑条顶面所承受的实际压应力为

该组合站台道面材质为7A05铝合金，其许用应力值见表1。

表1 7A05铝合金道面许用应力值 MPa

从计算结果可知，铝合金站台σmax小于材料的许用轴向拉压正应力364 MPa，即使考虑防滑条的失效因素，其站台道面防滑条顶面实际压应力也达不到其材质的屈服强度。

2.3 履带车辆转向时防滑条焊缝的强度分析

站台道面的附着力主要是由防滑条与凸肋“咬住”所提供的。但是坦克转向时高速履带凸肋到底有多少与防滑条“咬住”是无法确定的，这是履带随机作用的结果。本文在分析时按最不利情况考虑［6］，即假设仅有一个负重轮下的一根防滑条端部与履带“凸肋”咬住，也即Fry'完全作用在一根防滑条上。

焊缝的连接强度能否承受履带车辆带来的巨大应力，焊缝强度是否能够达到履带车辆转向所需的强度标准也需要验算。假定外力N与铅垂面(xOy面)的夹角为α(如图6所示)，投射到xOy面的分力为Νxy，垂直于xOy面分力为Nz，其中Nxy产生分力 Nx、Ny，则焊缝强度的计算公式［7］为

式中:lw为焊缝长度;he为直角角焊缝的有效厚度，he=0.7 hf，hf为焊脚尺寸;ffw为规定的角焊缝强度设计值，根据抗剪条件确定为相当于角焊缝的抗拉强度设计值。

图6 直角角焊缝的空间受力计算

履带车辆原地转向时凸肋受到的作用力前文已经计算出来，根据作用力与反作用力原理，相应的防滑条也会受到履带凸肋传递的作用力。按照最不利情况，假设履带凸肋与防滑条仅有一根咬住。

由于右侧履带受力较大，将与右侧履带咬住的防滑条作为研究对象，将履带凸肋所受作用力等效给防滑条，且“咬住”方式假设为最危险情况，即履带凸肋作用力沿防滑条法线方向，则Nx=Frz'=187 kN，Ny=Frx'=0 kN，Nz=Fry'=110 kN。

铝合金站台防滑条为V字形，防滑条宽度20 mm，厚度10 mm，焊脚尺寸hf=3 mm，焊缝为间断焊接，直角角焊缝的有效厚度 he=0.7hf=2.1 mm。假设坦克转向时整个防滑条全部受力，则焊缝长度取等效焊缝长度lw=280/(50×2)×50≈150 mm，由式(1)得到履带车辆原地转向时防滑条焊缝承受的最大应力为σb=731 MPa。

计算时采用的焊缝长度为整根防滑条的等效焊缝长度，实际坦克转向时，实际受力的焊缝长度要小于整个防滑条的长度，而且当履带凸肋与防滑条端部咬住时，存在应力集中效应，焊缝的实际应力要比计算值大得多。因此，焊缝的设计强度在现实情况下容易产生焊缝失效而导致防滑条端部脱落的现象。

3 技术改进措施

综合运用以上分析结果和其他相关研究成果，防滑条的抗冲击咬合性能具体通过防滑条的形状、尺寸和焊接形式及尺寸等要素来体现。

基于铝合金道面的强度考虑，无论是直线行驶，还是制动、加减速，特别是转向运动时，防滑条形状都设计为V字形。通过前文计算可知，铝合金站台防滑条受履带车辆作用的压应力极限值54.2 MPa，防滑条宽度20 mm，满足压应力强度条件，焊缝强度与防滑条宽度无关，增加宽度对提高焊缝强度无明显作用。因此，铝合金防滑条的宽度方案不作改动。

履带装备在站台道面上作转向动作时，防滑条与其道面间的焊缝强度必须能够承受巨大的切向力。履带车辆转向时防滑条焊缝的强度分析结果显示，铝合金防滑条受履带车辆作用时防滑条焊缝所受最大应力为731 MPa。因此，需要通过改变焊缝形式、焊缝长度和焊材强度来提高防滑条焊缝强度。

本文将铝合金站台防滑条从原来的两段更改为整体，将焊接形式由间断焊改为连续焊。因此，计算焊缝强度时采用的焊缝长度为lw=280 mm，由式(1)可以得出防滑条上最大应力值σb=392 MPa。防滑条焊缝承受的应力会减少将近一半。因此，改间断焊缝为连续焊缝可以大幅提高焊接强度。铝合金站台防滑条改进前后防滑性能对比见表2。实际通载过程中，与履带凸肋“咬住”的防滑条根数是随机的，本文考虑的防滑条只有一根与履带凸肋“咬住”，属于最不利情况。

表2 铝合金站台防滑条改进前后防滑性能对比

4 结论

(1)不同于通常的铝合金桥面防滑耐磨设计，铝合金站台与铁路平车之间，既有一定的坡度，又有一定的转角，坦克在上面通载涉及到爬坡转向的问题。本文系统地论述了铝合金站台防滑耐磨设计的基本问题，提出了相应的设计理论和方法。

(2)基于铝合金道面的强度考虑，无论是直线行驶，还是制动、加减速，特别是转向运动时，防滑条形状都设计为V字形。防滑条现有尺寸满足压应力强度条件，铝合金道面防滑条的宽度方案不作改动。将铝合金道面防滑条由原来的分段式改为整体式，将焊接形式由间断焊改为连续焊。通过计算，改间断焊缝为连续焊缝可以大幅提高焊接强度。

［1］ 孙逢春，史青录，郭汾.履带式车辆斜坡转向时的动力学特征［J］.中国机械工程，2007，18(22):66-71.

［2］ 史青录，孙逢春.履带式车辆斜坡转向稳定性研究［J］.农业机械学报，2007，38(7):22-26.

［3］ 湖北华舟重工应急装备股份有限公司.轻型组合站台设计图纸［G］.天津:军事交通学院，2006:S05·121·008-S05·121·012.

［4］ 彭明辉.钢质和铝合金站台板面防滑耐磨技术研究［D］.天津:军事交通学院，2012:48-51.

［5］ 宋文祥.铝合金桥面防滑耐磨的试验分析［J］.工兵装备研究，1998(1):45-50.

［6］ 张文谨，刘连春.铝合金桥面防滑耐磨层的设计理论和方法［J］.工兵装备研究，1992(2):1-12.

［7］ 谢兆平，林晓东，黄丽娟.关于直角角焊缝焊强度计算基本公式的探讨［J］.三明学院学报，2007，24(2):193-195.