关于凹底双层集装箱平车技术问题的探讨

2016-02-16谷美娜林结良刘映安

轨道交通装备与技术 2016年5期

关键词：平车眉山车体

谷美娜林结良刘映安

(中车眉山车辆有限公司产品开发部四川眉山 620032)

关于凹底双层集装箱平车技术问题的探讨

谷美娜林结良刘映安

(中车眉山车辆有限公司产品开发部四川眉山 620032)

从凹底双层集装箱平车的结构选取、计算分析、装箱模式等方面进行分析改进，达到了最终研发目标。

凹底；集装箱；计算；疲劳；模态

1 研发背景

2014年7月，中车眉山车辆有限公司(以下简称眉山公司)与某客户成功签订了《凹底平车供货合同》，根据合同要求，眉山公司为其研制完成双层集装箱平车，确定此次研发的主要目标如下：(1)安全配载，实现多模式组合装载；(2)优化车体结构，提升关键部位承载能力；(3)探索计算方法，理论与实际相吻合。

2 主要技术问题和解决措施

2.1 集装箱的配载计算

凹底双层集装箱平车采用在同一车辆装载上、下2层集装箱的运输方式，为了确保运输安全，对运输车辆的中心、高度和最大轴重等都有严格的限制，因此集装箱装载时必须进行配载。一般意义下的集装箱配载是指为有效利用集装箱的容积和载重进行的货物搭配和装载工作[1]，此外还要考虑集装箱的配载组合应满足运输安全条件的要求。

此次合同中涉及的双层配载的集装箱主要有3 种尺寸:48 ft(英尺)、40 ft和20 ft。配载时重点考虑重箱的装载,且上、下箱均为满箱装载(为了配载成功，个别情况下也允许使用空箱)。双层配载时,必须遵循以下条件：(1)装载工况主要有2种模式：①上层必须是40(或45、48)ft箱,下层可以是2个20 ft或1个40(或45、48) ft箱；②上、下2层均为2个20 ft箱；(2)上层总重必须小于下层总重，车辆的总载重要小于规定值(该车总载重规定值为78 t)；(3)重心高度依据AS7520.2—2012《铁道车辆-车身结构要求-第2部分：货车》标准(以下简称AS7520.2标准)中关于标准轨距车辆重心高度不高于2 650 mm的规定。在满足上述配载条件下，利用Excel表格对该车型进行配载方案计算，具体结果如表1所示。

表1 配载后的凹底双层集装箱平车装箱工况

从表1可以看出，双层集装箱在满足配载条件下，并不是所有工况都可以满足装运78 t的要求。

2.2 提高关键部位的承载结构

2.2.1 选择合适的部件连接方式减少应力集中

在货车车辆的产品设计时，侧墙与底架的连接方式主要有铆接和焊接2种。在本次研发中设计了铆接和焊接2种方案分别对其进行有限元分析，并对结果进行了比较。方案1：底架横梁与下侧梁之间采用铆接方式，底架与侧墙之间在外侧设置有强大的铸钢支撑座进行连接；方案2：底架横梁与下侧梁之间采用焊接的连接方式，底架与侧墙之间在内侧通过锻钢弯角连接，2种方案的三维示意图分别如图1所示。

对2种方案分别进行了有限元强度分析，分析评定主要依据AS7520.2标准以及《凹底平车供货合同》的要求。

有限元分析结果表明：方案1中车体最大应力出现在铸钢支撑座与横梁接触部位，为806 MPa，如图2所示；方案2中车体最大应力出现在下侧梁端部圆弧边缘，为382 MPa，如图3所示。

图1 2种方案三维示意图

图2 方案1有限元高应力云图分布图

图3 方案2有限元高应力云图分布图

通过2种方案的有限元分析结果可以得出，方案1由于铸钢支撑座局部过于强大，从而导致该部位产生应力集中；而方案2通过对该部位进行了柔性化设计，能够较好地释放应力，可以达到大幅降低车辆静应力的目的，满足AS7520.2标准的规定。

2.2.2 选择恰当的焊缝接头位置远离疲劳应力源

凹底双层集装箱平车由于承受着较为复杂的交变载荷，在前期与客户的交流中，客户多次强调既有车辆出现过疲劳裂纹，为了解该车车体关键部位的抗疲劳能力，对方案2中车体结构进行了疲劳强度评估，计算主要依据BS EN12663:2010《铁路运用-铁路车辆车体结构要求》标准(以下简称BS EN12663：2010标准)，主要疲劳应力分布云图如图4所示。

从图4中的分析结果可以看出，下侧梁与横梁上盖板之间的对接焊缝为车辆运行中出现疲劳裂纹的问题源，而该区域与前期客户指出的既有车辆焊缝裂纹区域恰好吻合。为此对方案2又进行了优化，将原有的角型下侧梁改为带有圆弧型翅膀的角型梁，从而使下侧梁与横梁上盖板之间的焊缝远离受力区域，延长了车辆的使用寿命。通过此种优化改进，可以将焊缝易发生疲劳的区域转化为母材区域(根据标准规定，母材的疲劳许用应力要远大于焊缝接头的许用应力)，优化前、后三维示意图如图5所示。利用BS EN12663：2010标准对车体的疲劳强度评估后得出：在各疲劳载荷工况下车体的安全系数均大于1。

图4 方案2疲劳高应力云图分布图

图5 下侧梁与横梁上盖板对接焊缝位置优化前后示意图

2.3 探索模拟车辆实际运行状态的计算新方法

集装箱平车在用传统的计算模态分析时，仅将装载质量分配到集装箱锁座上，并未详细考虑集装箱自身的扭转刚度对车辆系统频率的影响，这样的计算结果是偏于危险的。凹底平车作为一种特种车辆，无中梁结构，由底架与侧墙共同承载，中间横梁仅起横向连接作用，传递横向位移。由于其受自身承台面高及凹底最低点距轨面高的限制，横梁截面较小。同时，为避免横梁与侧墙连接部位易产生应力集中，横梁不易过强，需要存在一定的柔性。因此，导致了该车车体扭转刚度比其他车型低，车体自振的固有频率过低。按传统方法计算的该车车体自振频率与悬挂系统频率之比如表2所示。