基于铆接结构的模块化平车车体结构探讨

段元勇,刘寅华,翟鹏军,代鲁平,耿 平

(中车山东机车车辆有限公司 轨道车辆研究所,山东 济南 250022)

随着交通强国、蓝天保卫战、调整运输结构等政策的推进,发挥铁路货运的比较优势,保证全程物流的流畅度和时效性,是铁路提高白货运输占比的有效途径,也是我国推进物流业降本增效的重要举措。因此开展铁路平车加集装箱的多式联运,保证货运产品灵活、多样将是未来铁路货运发展的方向。

目前,铁路货车大多采用焊接结构,存在设计理念陈旧、环境污染重、缺少对新结构新工艺迭代等问题。模块化和铆接结构的设计理念可以有效解决这些难题。通过对功能和结构进行模块化设计,实现车辆模块化的设计、制造和运用维护,降低车辆全寿命周期成本,提高产品的市场竞争力。同时,也可以减少制造过程中焊接作业对环境的污染。

中车山东机车车辆有限公司采用铆接和模块化的设计理念研制了新型平车,不仅解决了车体结构轻量化、环保等问题,而且大大简化了车辆制造工艺,也可根据用户需求进行车辆结构的优化组合,缩短研发和制造周期,提高车辆对货物的适应性,具有显著的经济效益。

1 设计理念

1.1 铆接设计

1.1.1 铆接工艺的优势

铆接工艺在汽车、飞机等行业得到了广泛应用,近些年来拉铆工艺在铁路货车上应用广泛,相较于焊接工艺,铆接工艺的主要优势是:

(1) 减少了制造过程中对环境的污染和降低了对人员、环境及设备的要求;

(2) 减少了焊后矫正、飞溅清理等工序,提高了作业效率;

(3) 更好地控制自动化铆接质量,更易于实现生产自动化;

(4) 铆接结构具有更好的疲劳强度;

(5) 可实现母材无损重复性连接,提高了维修的方便性;

(6) 适应不同材料间的联接,提高了设计材料的选择范围。

相较于螺栓连接,铆接工艺的主要优势是:

(1) 避免了套环的旋转松动,提高了防松、防盗能力;

(2) 预紧力更易控制,避免了人为因素的影响;

(3) 套环变形咬合,提高了螺纹处的防腐能力。

1.1.2 铆接形式的选择

该平车设计采用拉铆结构,拉铆连接具有连接强度高、抗振性和抗疲劳性能优异、安装方便快捷、无需后期维护等优点。设计选型时需考虑以下几点:

(1) 连接强度满足底架承载结构强度要求,与高强度材料匹配;

(2) 铆接作业的成型速度快,铆接质量稳定、可靠性高;

(3) 对铆接作业人员、设备及作业环境的要求低;

(4) 可实现重复性连接,同时具有简易的破拆工艺。

设计选用铁路货车常用的拉断型LMY型铆钉,配套高拉脱力的LMTF型套环,保证铆接的预紧力和连接强度。需要拆解部位,采用可重复使用的LMDY型短尾铆钉,配套LMDTF型短尾法兰套环。在不同铆接厚度及连接强度部位采用不同规格的铆钉,对于无法满足拉铆操作空间部位,采用等强度螺栓,并通过力矩要求及必要的防松措施来替换拉铆钉。

1.2 模块化设计

1.2.1 模块化结构的优势

模块化设计与传统设计有很大不同,传统车辆的车体各部件间采用焊接结构,各部件间联系紧密,独立性较差。而模块化设计正是将整体分解,使设计有层次且易于实现,在车辆设计、生产和运维时具有诸多优点:

(1) 模块化技术可以满足用户对产品结构的多种选择,在最大程度上实现优化组合,满足不同用户的多种需求;

(2) 各模块的相对独立性保证了各模块可并行作业,实现模块并行开发和并行试验;

(3) 可采取分散化和专业化生产,提高劳动生产率,降低废品率;

(4) 模块的可重复使用率缩短了企业产品研发与制造周期,增强了企业对市场的快速反应能力,提高了企业市场竞争力;

(5) 模块接口的标准化使产品易于实现模块化维护,从而缩短了维修时间,部件受损或车辆大修时更换更加简单,车辆的技术改造和产品部件的升级换代容易实现。

1.2.2 模块化结构设计

车体底架作为集装箱平车的承载结构,其结构性能决定了整车性能。底架设计除考虑结构强度、轻量化、工艺性和可靠性外,还需要考虑制造过程的环保性、维修方便性和全生命周期成本,并兼顾车辆对货物的适应性和承载能力等综合因素。因此在设计时需考虑以下几点:

(1) 将车辆功能结构模块化,底架作为整车的承载模块,提高车辆功能灵活性;

(2) 按结构部件划分模块,提高部件的标准化和通用性,便于车体设计的优化组合;

(3) 采用拼接式底架结构,通过部分模块更换,满足不同车辆长度和装载工况需要;

(4) 结构设计考虑模块化的制造和维护理念,提高零部件的通用性、制造维护效率和车辆使用的灵活性;

(5) 采用板材成型零件,减少焊接及铸造件的使用,提高批量生产能力和尺寸精度,实现车辆轻量化。

2 平车车体结构

底架设计包括中梁、枕梁、横梁、大横梁和侧梁5种模块结构,如图 1 所示。考虑纵向力传递和轻量化,采用单中梁承载结构;采用三段式底架结构,满足不同车辆长度要求;大横梁模块位置、数量可调整,满足不同集装箱装置工况需求;零部件间采用全铆接结构以减少焊接;采用超高强度板材成型零部件,提高轻量化能力和铆接适应性。

1—横梁;2—中梁;3—大横梁;4—枕梁;5—侧梁。

2.1 中梁模块结构设计

中梁模块为车辆贯通承载件,为车辆承载提供支撑,将各模块联结成整体,传递车辆纵向冲动。因此在设计时需考虑以下几点:

(1) 三段式结构设计,满足底架的长度调整及模块化拼装;

(2) 提高中梁各段的截面模量,满足车辆的垂向和扭转刚度要求;

(3) 提高模块接口统一性,便于实现快速安装与拆卸;

(4) 采用板材成型零件,减少焊铸件数量,提高轻量化能力和铆接适应性。

中梁三段结构如图2所示,采用两端牵引梁段和中间鱼腹梁段的三段式铆接设计结构。调整中间鱼腹梁段尺寸,满足车辆20 ～ 80 ft长度要求。牵引梁段为2个冷弯槽钢外扣(背对),与上下盖板铆接成箱型结构。鱼腹梁段为2个冷弯槽钢内扣(相对),中间与多个上下盖板及隔板铆接组成,可根据鱼腹梁长度要求调整盖板及隔板数量。槽钢内扣(相对)有利于与牵引梁铆接连接,提高了鱼腹梁刚度,两侧平直便于与大横梁模块接口设计。

图2 中梁三段结构示意图

2.2 枕梁、横梁模块结构设计

枕梁模块、横梁模块两端与牵引梁模块、侧梁模块连接。枕梁模块、横梁模块主要传递中梁模块与上部集装载具间的垂向载荷及纵向冲动。因此在设计时需考虑以下几点:

(1) 提高2种模块结构及接口的一致性;

(2) 减少零部件的种类,提高2种模块零部件的通用性;

(3) 提高结构组装工艺性,便利车辆组装和检修维护;

(4) 采用板材成型零部件,减少焊铸件数量,提高轻量化能力和铆接适应性。

枕梁结构如图3所示,枕梁腹板采用板材成型,与枕梁上盖板及隔板等铆接形成箱型承载结构,中间设置与中梁模块连接的铆接接口。横梁与枕梁结构相似,横梁腹板与枕梁腹板零部件外形尺寸相同。

图3 枕梁结构示意图

2.3 大横梁模块结构设计

考虑不同车辆长度集装载具的装载方案会存在大横梁布置单个和双集装箱锁的结构方案,因此在设计时需考虑以下几点:

(1) 具备适应单个和双集装箱锁的灵活拼装结构方案;

(2) 降低单一零部件的复杂程度,提高零部件在线可更换能力;

(3) 简化与中梁模块接口,满足与鱼腹梁段的灵活组合;

(4) 采用板材成型零部件,减少焊铸件数量,提高轻量化能力和铆接适应性。

大横梁结构为双集装箱锁的双单元支撑结构,如图4所示。单集装箱锁时可调整为一个单元支撑结构。结构采用三角形支持结构,降低单一零部件的复杂程度及外形尺寸。采用板材成型件,通过铆接组装与中梁之间可实现模块化铆接组对。满足结构的标准化生产和自动化铆接组装要求。

3 整车设计优势

车辆可采用平车+结构模式,车体作为承载的通用模块,针对不同的货物形式,配套不同功能的集装箱实现不同车型的功能,实现整车层面的车辆功能模块化。模块化的设计结构,有利于底架的模块化制造和维护,同时通过对鱼腹梁模块的尺寸调整和大横梁模块的数量及结构调整,可实现车辆长度及装载工况的灵活转换。

冲压成型零部件减少了焊铸造件的使用,保证了零部件的尺寸精度、互换性和批量生产能力,提高了车辆的轻量化水平。

底架的铆接结构有以下优点:避免了焊接变形和焊后调修,提高了组装精度和组装效率;降低了组装对环境、设备和人员的要求;成型质量更易控制,有利于车辆的自动化生产;减少了焊接结构的组装夹具,降低了制造企业装备和设备的投入;适于零部件重复组装,为模块化的制造、维护提供了便利;避免了不同材料间无法组焊问题,提高了原材料的选择范围,更容易实现车体的轻量化。

4 车体强度

为了同时满足国内外市场的需求,分别采用TB/T 3550.2—2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体 第2部分 货车车体》和EN 12663-2:2010《铁路应用设施 铁路车辆车身的结构要求》对车体进行了强度仿真。

仿真计算遵循先整体后局部的方式进行分布计算:

(1) 整体仿真,首先采用整体壳单元模型对整车进行建模,铆接结构采用梁单元模拟,整体计算为了获取板材的大应力区域和铆钉的内力,以便对车体结构和铆接方式进行优化,经过多次优化获得较为合理的车体结构。

(2) 局部仿真,对应力较大的板材和内力较大的铆钉进行子模型仿真,采用实体单元、接触单元以及预紧力单元建立铆接结构的有限元模型,以便获得更精确的应力结果。

仿真结果表明,基于铆接结构的模块化平车可满足铁标和欧标的设计要求。

5 结束语

铆接结构给车辆制造及维护带来了诸多便利,但底架作为车辆承载结构,其受力情况复杂,铆钉的受力情况及铆接质量决定了车辆安全性。因此还需通过理论计算和试验数据对比,进一步优化铆钉布置及排列型式。另外在铆接处的密封、铆钉强度与板材强度匹配上还要进一步进行研究优化。

模块化的车辆有诸多优点,但在进行模块化设计时应充分考虑模块化的装配工艺要求,将模块化制造和维护的概念深入到设计中。处理好各模块间的接口关系,便于快速可靠连接,相信模块化概念在铁路货车的设计和制造中必将进一步得到推广应用。采用模块化、环保设计理念的集装箱专用平车将是铁路货运装备下一步研发的方向,板材成型零部件、铆接工艺和模块化结构的概念应用为下一代铁路货车提供了新的途径。