（光学工程专业论文）马达加斯加米轨漏斗车车体设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 近年来随着全球经济的发展，国外对铁路货车的需求量大幅度上升，这也刺激了 中国出口车的增长。但由于国外铁道车辆运行条件及其考核标准等不同于我国，这就 必须根据国外条件及设计要求等，在满足结构可靠性和运行安全性的基础上，结合车 辆设计理论和铁路货车制造行业技术标准文件等，研制出口车辆。本文针对出口马达 加斯加的米轨漏斗车车体，进行了方案设计、工程图设计、方案相关计算、样车相关 试验等研究工作。 本文首先概述了国内外漏斗车的发展状况，在此基础上，根据马达加斯加铁路公 司提出的设计要求以及设计建议书，进行了米轨漏斗车的方案设计，并确定了主要的 技术参数。通过车辆宽度、曲线通过、卸货速度以及制动等计算分析，所设计的马达 加斯加米轨漏斗车的机构及主要技术参数，均符合马达加斯加铁路公司提出的设计要 求以及设计建议书的要求。 本文基于t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范，确定了车体的计 算载荷工况，根据马达加斯加米轨漏斗车的结构和承载特点，建立了车体适当简化的 有限元分析模型，对车体进行了静强度分析，并按照第四强度理论进行评定。计算结 果表明，车体在标准规定的载荷工况下，其静强度性能满足使用要求。通过对车体进 行模态分析，计算其固有频率。计算结果表明，车体固有频率远离线路对货车车体的 激扰频率，因此车体不会发生共振，从而避免了车体结构的破坏。 本文根据t b 厂r 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范以及马达加斯加 米轨漏斗车设计任务书对制造的马达加斯加漏斗车样车车体进行了静强度试验，根 据评价标准，对实验数据进行整理和分析。静强度试验结果表明，车体静强度和垂向 弯曲刚度均满足使用要求；根据马达加斯加米轨漏斗车设计任务书的要求，对米 轨漏斗车进行卸货试验，并计算卸货时间。试验结果表明，出口马达加斯加的米轨漏 斗车完全满足用户要求的卸货速度。 关键词米轨漏斗车车体；方案设计；静强度分析；卸货试验：静强度试验 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m yi nr e c e n ty e a r s ，t h ef r e i g h tc a r sa r ei n 舀e a t d e m a i l di nf o r e i g nc o u n t r y , a n di tp r o m o t et h eg r o w t ho f t h ee x p o r to fc h i n e s ef r e i g h tc a r s t h e o p e r a t i n gc o n d i t i o na n da s s e s s m e n tc r i t e r i ao fa b r o a da r ed i f f e r e n tt oc h i n a s ot h ec a r m u s tb er e s e a r c h e db yt h ef o r e i g n c o n d i t i o n ，d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，d e s i g nt h e o r ya n dn l e 珊1 w a yc r i t e r i amo r d e rt oe n s u r et h es t r u c t u r er e l i a b i l i t ya n do p e r a t i n gs a f e t y t h i st h e s i s c a r r i e d0 nt h ep r o j e c td e s i g n ，e n g i n e e r i n gd r a w i n g d e s i g n ，c a l c u l a t i o na n ds a m p l ec a rt e s to f m a d a g a s c a rm e t e rg a u g eh o p p e rc a r t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h es t a t eo f d e v e l o p m e n t ，d i dt h ep r o j e c td e s i g n ，a n dd e t e n n i n e t h em a mt e c h n i q u ep a r a m e t e r so ft h em e t e rg a u g eh o p p e rc a l a c c o r d i n gt o t h ed e s i g n 嘲u l r e m e n ta n dd e s i g np r o p o s a l t h em a i n t e c h n i q u ep a r a m e t e r so fm e t e rg a u g eh o p p e rc a r m e e tt h em a d a r a i lb yt h ec a l c u l a t i o no fv e h i c l ew i d t h ，c l l n ，e n e g o t i a t i n g ，u r i l o a d i n gs p e e d a n dt h eb r a k e t h ep a p e re n s u r e dt h el o a dc o n d i t i o n a c c o r d i n gt b t 1 3 3 5 9 6a n db u i l tt h ef em o d e lo f t h ev e h i c l eb o d yt oa n a l y z et h es t r e n g t ha c c o r d i n gt h es t r u c t u r ec h a r a c t 硎s t i c 锄dt l l ef o u r t h t h e o r yo fs t r e n g t h t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h es t a t i cs t r e n g t hm e e t sm ed 锄a n do fs e r 哳c e i nt h el o a dc o n d i t i o n t h ep a p e r a n a l y z e dt h em o d a lo ft h ev e h i c l eb o d y 觚dc a l c u l a t e dt l l e n a t u r a lf r e q u e n c y t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h en a t u r a lf r e q u e n c yi sf a rf r o mt h ee x c i t e d f r e q u e n c yo ft h er a i l w a yt of r e i g h tc a rb o d y t h ec a rw i l ln o tr e s o n a t et oa v o i dn l ed e s 仃o vo f t h ev e h i c l es t r u c t u r e t h ep a p e rd i dt h es t a t i cs t r e n g t ht e s to f m a d a g a s c a rm e t e rg a u g eh o p p e rc a ra c c o r d i n g t h ec r i t e r i ao f r a i l w a yv e h i c l es t r e n g t hd e s i g na n dt e s ta n dt h ed e s i g np r o j e c td e s c r i p t i o nr e q u e s t o fm a d a g a s c a rm e t e rg a u g e h o p p e rc a r , a n da n a l y z e dt h et e s td a t a t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h es t a t i c s t r e n g t ha n db e n d i n gs t i f f n e s sm e e tt h es e r v i c ed e m a n d t h ep i p e rd i dt h e u n l o a d i n gt e s ta n dc a l c u l a t e dt h eu n l o a d i n gt i m e t h er e s u l t si n d i c a t et l l a tm eu n l o a d i n g s p e e d i n gm e e tt h ed e m a n d k e yw o r d s ：m e t e rg a u g e h o p p e rc a rb o d y ；p r o j e c td e s i g n ；s t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i s ；u n l o a d i n g t e s t ：s t a t i cs t r e n g t ht e s t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 世界经济的快速发展，也推动了货物运输量的大幅度增长。据统计，目前在全国 货物运输中，有大约5 5 的货运量是由铁路运输完成，而铁路货物运输总量的7 7 左 右为散装货物。可见，铁路货物运输在国民经济中占有着重要的地位。国外多年的成 功经验来看，对于装卸地点较固定并且货流量较大的散装活物，采用漏斗车能够明显 的加速车辆周转、提高装卸效率，从而获得可观的经济效益。我国生产的代表性漏斗 车如图1 1 和图1 2 所示。 图1 1k m 7 0 煤炭漏斗车 图1 - 2k z 7 0 石砟漏斗午 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 - _ _ _ _ _ _ 一i i - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ l _ _ _ - _ _ l - _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - 2 0 0 7 年底，中国北车集团济南轨道交通装备有限责任公司受马达加斯加铁路公司 ( m a d a r a i l ) 邀请，为其主持设计米轨漏斗车，主要装载石灰石、硫磺矿石、煤炭等货 物。马达加斯加共和国是非洲东南部岛国，是联合国认定的最不发达国家之。交通 不发达，铁路总长8 8 3 千米，铁路行业发展水平相当于我国6 0 年代。各型铁路货车技 术较为落后，尤其是漏斗车系列。客户要求全部货物向轨道内侧倾斜，目前国内除粮 食漏斗车具备此功能以外，其他各型漏斗车均不满足客户要求，图1 3 为我国生产的 l 1 8 粮食漏斗车。而粮食漏斗车的结构主要用于运送货物密度小，且自息角较小的粮食 颗粒，很难满足运送矿石、硫磺、煤炭等货物。同时，客户要求此漏斗车运行于米轨 之上，这就必须要大胆创新，仔细计算，制作切实可行的漏斗车方案，以确保产品满 足客户提出的设计任务书要求。 图1 - 3l i b 粮食漏斗车 由于客户提出了设计任务书，济南轨道交通装备有限责任公司在漏斗车设计上不 仅要满足客户的设计任务书要求，而且要考虑结构安全可靠性以及动力学性能。这就 需要及时按马达加斯加铁路公司提出的设计文件进行整车方案设计，并进行多次技术 交流和实地考察，以完成整车开发、试制、试验和批量生产，最后在满足使用要求的 基础上，交付车辆。 1 2 漏斗车国内外发展现状 漏斗车属于铁路货车中特种专用车辆的一种，主要用于装运粮食、石砟、煤炭、 矿石等装卸地点较为固定的散装货物，可应用于固定编组、循环使用、定点装卸的粮 食专用码头、现代化粮库、电站、港口、选煤、钢铁等企业以及新、旧线路铺设石砟 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 等，适用于中、短途区间的固定运输【2 1 。而本次为马达加斯加铁路公司设计研制的漏斗 车主要装载石灰石、硫磺矿石、煤炭等货物，属于煤炭漏斗车的范畴。 1 2 1 煤炭漏斗车国内发展概况 二十世纪六十年代，我国的煤炭运输处于较低的水平。为了提高煤炭的运输量及 效率，铁道部于1 9 6 6 年，联合冶金部以及水电部，成立调查组，对煤炭的装车、运输 以及卸载进行了深入而广泛的调查。随后，齐齐哈尔车辆厂联合四方车辆研究所进行 合作，设计了k 1 8 型煤炭漏斗车。齐齐哈尔车辆厂于1 9 6 7 年4 月试制完成了载重为6 0 t 的煤炭漏斗车的样车，这也是我国第一辆煤炭漏斗车。该车车体材质为普碳钢，以人 力和风力作为动力源，底门开闭采用双抱大刀式偏心锁闭机构，具有整列卸、分组卸、 单辆卸以及边走边卸的功能。样车试制完成之后，该车分别在大连、唐山、富拉尔基、 抚顺等地对不同的煤种进行了装卸试验。在试验的基础上，对其进行了小批量的生产， 并于准南地区进行了单辆卸、分组卸、整列卸等性能试验p j 【4 】。 在1 9 7 1 年、1 9 7 4 年以及1 9 7 6 年，针对于该车的漏斗、传动机构以及底门进行了 三次改进。该型车累计生产该型车8 8 8 辆，通过大量的运用考验，该车具有较高的装 卸效率以及卸净度，得到了用户一致肯定，极大地改善了卸煤工人的作业环境，并减 轻了劳动强度。与此同时，该车运用过程中也出现了部分问题，如在阜新地区装载运 用中，使用部门曾反映底门会自开，而自开原因不明。因此，铁道部、煤炭部以及水 电部于1 9 7 9 年8 月，在阜新发电厂召开试验总结会，总结了k 1 8 型煤炭漏斗车运用情 况。根据阜新会议，齐齐哈尔车辆厂与四方车辆研究所再次合作，于1 9 7 9 年底开发了 只有手传动装置的k 1 8 s 型煤炭漏斗车以及具有风手两种传动装置、两级锁闭机构以及 偏心式锁铁的k 1 8 f 型煤炭漏斗车。 在k 1 8 f 型漏斗车基础上，齐齐哈尔于1 9 8 0 年与四方所合作研制开发了k 1 8 d 、k i s d 3 型煤炭漏斗车，将大刀式开闭机构改为项锁式底门开闭机构。该机构采用两级锁闭， 圆弧摩擦锁闭为第一级，传动轴连杆偏心锁闭为第二级，安全可靠。车门开关时，仅 仅需要克服一个偏心距，阻力小，并且不压缩货物，操作灵活，用户反映较好。随后， 车体材料也由进普通碳素钢改进为耐候钢。为了进一步改进车辆的性能，相继开发了 k 1 8 a t 、k 1 8 a l ( 、k 1 8 b k 型煤炭漏斗车，他们是在k 1 s d 、g l a d 型车的基础上，分别采用了 转8 g 、转k 2 型转向架，底门开闭机构仍然采用项锁式。 为了提高铁路既有线条件下的运输能力，满足货运的发展需求，适应货车提速和 重载的形势，从而缓解运煤的紧张程度，这就要求加快新型的煤炭运输车辆的研制。 2 0 0 5 年，我国设计研制了k m 7 0 型煤炭漏斗车，其采用转k 6 或转k 5 型转向架，从而 明显的降低了轮轨作用力，使得商业运营速度达到了1 2 0 k i n h ：车体采用了4 5 0 m p a 的高强度耐大气腐蚀钢，具有较高的结构可靠性，能满足载重7 0 t 的要求。k m 7 0 型煤 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 - - i 炭漏斗车的成功研制，较好的满足了电站、港口、选煤、钢铁等企业的运煤需求。 1 2 2 煤炭漏斗车国外发展概况 煤炭漏斗车，作为一种重要的铁路运输的特种车辆，在国外的重载运输发达的国 家中，有着广泛的应用。 从车型上来看，世界上几个主要产煤国如美国、南非、加拿大等国家的固定编组 煤炭运输列车，大部分由无盖漏斗车和专用敞车组成。国外铁路运煤专用车辆的主要 特点为轻量化水平高、卸货效率高、轴重和载重大、列车牵引吨位大、运用安全可靠p 】。 煤炭运输在澳大利亚的货运中，占据着重要的地位。澳大利亚的煤炭运输，主要 采用轴重3 0 t 、载重9 0 - - , l o o t 的煤炭漏斗车。为了减轻自重，并增大容积，漏斗车大多 都采用圆弧包板式侧墙结构；同时，车辆大部分设置横向底门，车体材料采用不锈钢 或高强度耐候钢，在地面设置碰头，用来控制底门开闭，从而实现车辆的边走边卸。 美国铁路也是煤炭运输较为发达的国家，其新造货车有两种：一种是铝合金煤漏 斗车，利用底开门实现快速卸货：二是铝合金双浴盆敞车，利用翻车机卸货，并装有 旋转车钩和固定车钩。这两种车型的数量基本相等。随着重载需求的增大，美国铁路 载重7 0 t 、轴重2 5 t 的2 2 0 型煤炭漏斗车远不能满足需求，现在已经淘汰。现在已经基 本不生产轴重2 9 8 t 、载重9 0 - - l o o t 的2 6 3 型煤炭漏斗车，但其在役量很大；目前生产 的主型车是载重轴重3 2 4 3 t 、1 l o t 的煤炭漏斗车。其底门为横向开闭，漏仓数量可设为 3 5 个。美国部分重载运输列车，其主要技术参数见表1 1 。 表1 1 美国重载运输列车部分技术参数 1 3 本文主要工作 本文针对一种出口马达加斯加米轨漏斗车，从方案设计、工程图设计、方案相关 西南交通大学硕士研究生学证论文 第5 页 计算、样车试制、样车相关试验等方面都进行了漏斗车研制过程的全面阐述，重点在 方案设计、相关计算、样车试验方面进行详细分析。将车辆设计理论和铁路货车制造 行业技术标准文件进行有机结合，最终完成马达加斯加米轨漏斗车研制工作。主要内 容包括： 1 根据马达加斯加铁路公司提出的设计要求以及设计建议书，进行了米轨漏斗车 的方案设计，并确定了主要的技术参数。对车辆的基本结构进行了较为详实的叙述， 并绘制了车辆各个部分的三维图。就车辆宽度、曲线通过、卸货速度以及制动等进行 了计算分析。 2 根据马达加斯加米轨漏斗车的结构和承载特点，建立了车体的有限元应力分析 模型，根据标准中提供的作用载荷和加载工况，对车体进行了静强度分析，并按照第 四强度理论进行评定。结果表明，车体静强度满足要求。进而对车体进行模态分析， 计算其固有频率。计算结果表明，车体固有频率远离线路对货车车体的激扰频率，因 此车体不会发生共振，从而避免了车体结构的破坏。 3 根据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范以及马达加斯加 米轨漏斗车设计任务书对制造的马达加斯加漏斗车样车车体进行了静强度试验，根 据评价标准，对实验数据进行分析，静强度试验结果表明，车体静强度和垂向弯曲刚 度均满足。根据设计任务书的要求，对米轨漏斗车进行卸货试验，试验结果表明，出 口马达加斯加的米轨漏斗车完全满足用户要求的卸货速度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 l - - - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ l 一 第2 章米轨漏斗车方案设计 2 1 马达加斯加铁路公司设计要求 漏斗车是利用货物自身重力作用将货物从卸货门自流卸除的车辆【l j ，具有装卸效率 高、劳动强度低等特点。 马达加斯加米轨漏斗车是中国北车集团济南轨道交通装备有限责任公司为马达加 斯加铁路公司( m a d a r a i l ) 设计制造的米轨漏斗车，主要装载石灰石、硫磺矿石、煤炭 等货物。其中，马达加斯加铁路公司提出了如下设计要求，而这些要求是设计车辆的 重要参考和依据之一： ( 1 ) 技术参数：轴重1 8 t ，载重5 2 t ，容积4 4 5 m 3 ，速度8 0 k m h ，正线上通过最 小曲线半径为8 0 m ，铁路调车场上4 5 m ，车辆长度1 3 0 9 m 。 ( 2 ) 装车方式：货车装货从顶部、用传统装货装置( 可移动前端装载机，筒仓等) 进行装载。 ( 3 ) 卸车方式：卸货通过打开带有可锁定控制杆的舱口盖、靠重力进行，此过程 须迅捷。制造商应简要说明卸完整车货物所需要的时间。舱盖无论是在关闭状态还是 打开状态，都始终在铁路限界之内，以免影响列车编组。舱盖在关闭时必须有足够的 密封性，以防货物泄漏。 ( 4 ) 列车在卸货站不停，其以0 5 k m h 的速度行驶。漏斗门打开卸货在两轨之间， 车辆两侧各有一人开车门。漏斗门可风动或手动操作。漏斗角度为4 5 度；漏斗车在两 轨间卸货，两侧无卸货能力。 ( 5 ) 只能采用k n o r r 的制动系统。使用法国产的车钩：车钩将在马达加斯加由马 铁安装。 2 2 马达加斯加米轨漏斗车设计方案 根据马达加斯加铁路公司提出的车辆设计要求以及设计建议书，进行米轨漏斗车 的方案设计。 2 2 1 产品用途及使用范围 该车适用于在马达加斯加1 0 0 0 m m 轨距线路上运行，供装运铁矿石( 石灰石、硫 磺及煤炭) 等散装货物之用。该车设手动卸货装置，保证货物卸在两轨道之间。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 2 2 2 主要技术参数 车辆长度 底架长度 车辆定距 车辆最大宽度 车辆最大高度( 扶手处) 车体高度 车钩中心线高( 空车) 漏斗板水平倾角 固定轴距 车轮直径 载重 自重 自重系数 容积 轴重 每延米重 速度 通过最小曲线半径 限界 2 2 3 主要结构和要求 1 3 0 9 0 m m 11 9 6 0m m 87 5 0m m 27 0 0n l m 33 9 5m m 33 0 5m m 7 6 0m m 4 5 。 16 8 0m m 7 5 0n l m 5 2t 2 0t 0 3 9 4 4 5m 3 1 8t 5 5t m 8 0 k m h 正线8 0 m ，铁路调车场4 5 m 符合c f m 1 0 0 6 8 限界 该车为无盖、底开门漏斗车，由车体、底门开闭机构、风手制动装置、车钩缓冲 装置和转向架等部件组成。 ( 1 ) 车体 该车车体为全钢焊接结构，由底架、侧墙、端墙、漏斗、扶梯、底门及拉杆等组 成。主要型钢和板材采用屈服极限为4 5 0 m p a 的高强度耐候钢，其总体结构设计图如 图2 1 所示。 ( 2 ) 底架组成 底架为无中梁结构。由牵引梁、侧梁、漏斗托梁、枕梁、端梁、漏斗端板等组成。 牵引梁采用热轧3 1 0 乙字型钢，侧梁采用2 4 0 8 0 8 r a m 的冷弯槽钢，漏斗托梁采用 2 0 0 7 5 7 m m 的冷弯槽钢。采用直径为2 9 5 m m 的2 0 m n 上心盘。底架设计如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 ( 3 ) 侧墙组成 侧墙为板柱式结构，由侧板、侧柱和上侧梁等组焊而成。侧柱采用u 形双曲面冷 弯型钢，上侧梁采用1 2 0 6 0 6 m m 的冷弯矩形空心型钢。侧墙设计如图2 3 所示。 ( 4 ) 端墙组成 端墙由端板、上端梁、端柱、角柱、横带和斜撑等组焊而成。上端梁采用专用异 形冷弯型钢，端柱、横带和斜撑等采用u 形冷弯型钢，角柱采用冷弯角钢。端板与水 平面的夹角为4 5 。端墙设计如图2 4 所示。 ( 5 ) 漏斗组成 在车体中心设一个横向的中央漏斗组成，将全车划分成两个漏斗区。每个漏斗区 设两个侧漏斗板和一个分载梁；侧漏斗板与水平面的夹角为4 5 。漏斗组成如图2 5 所示。 ( 6 ) 扶梯组成 在端墙的外端设有扶梯组成。 ( 7 ) 底门组成 底门由门板、大横梁、横梁、立柱、上下门框和立门框等组焊而成。 ( 8 ) 拉杆组成 在中央漏斗脊设有拉杆装置，拉杆通过支座和螺栓与侧墙连接。 ( 9 ) 底门开闭机构 底门开闭机构采用一级传动、顶锁式锁闭机构，由手轮、减速箱、侧部传动轴、 双联杠杆、长短顶杆、左右锁体、传动轴支撑等组成。 ( 1 0 ) 风手制动装置 风制动装置采用k n o t t 制动系统，主要包括控制阀、折角塞门、副风缸、空重车 自动调整装置、制动软管、转换装置、+ 制动缸、闸瓦间隙自动调整器等。采用符合中 国标准的制动管件、底架附属及部分配件。采用符合t b t 2 4 0 3 1 9 9 3 货车高摩擦系数 合成闸瓦的闸瓦，按速度8 0 k m h 、制动距离8 0 0 m 设计【1 0 l 。 车辆一端装有符合中国标准的n s w 型手制动机。 ( 1 1 ) 车钩缓冲装置 采用法国制造的符合o f1 2 4 0 0 7 3 5 7 0 吨车钩缓冲装置的车钩缓冲装置。车钩 缓冲装置在马达加斯加由马铁安装】。 ( 1 2 ) 转向架 马达加斯加米轨漏斗车采用米轨转向架，适用于1 0 0 0 m m 轨距、轴重1 8 t 、最高运 行速度8 0 k m h 的马达加斯加矿石漏斗车。转向架总体设计如图2 - 6 所示。 转向架为铸钢三大件式转向架。由轮对组成、滚动轴承装置、侧架组成、摇枕组 成、减振装置、基础制动装置、旁承、测重机构等部分组成。基础制动装置制动倍率 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 一i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - i l i _ _ _ l - _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l l _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - - _ _ 一 为6 。中央摇枕弹簧悬挂系统采用内外不等高的两级刚度弹簧。为保证车辆运用后的性 能稳定采用耐磨材料的立柱磨耗板、八字面磨耗板和整体式斜楔。采用双列圆锥滚子 轴承装置。车轮采用锥形踏面整体辗钢车轮。基础制动装置采用下拉杆式单侧闸瓦制 动系统，制动梁采用可靠性高的组合式制动梁。为减少上下心盘面间的磨损增设了尼 龙心盘磨耗盘。其主要技术参数如下： 轨距 1 0 0 0 m m 轴重 1 8 t 自重 3 i t 最高设计速度80kmh 通过4 5 m 8 0 m 曲线半径时，限速5 k m h ，通过8 0 m - 1 0 0 m 曲线半径时，限速1 0 k m h 。 限界符合c e m 1 0 0 6 8 马达加斯加机车车辆限界的要求 转向架弹簧静挠度 空车： 1 0 5 4 m m 重车(当量)：4073ram 转向架制动倍率 6 固定轴距 1 6 8 0 m m 轴颈中心距 1 5 18 m m 旁承中心距 1 1 0 0 m m 下心盘面到轨面距离( 不包括心盘磨耗盘) 心盘载荷6 6 7 l 【n 时：5 6 0 m m 自由状态： 5 8 7 m m 下心盘直径 咖3 0 8 m m 下心盘面到下旁承上平面距离 6 5 m m 侧架上平面到轨面距离 6 8 5 m m 侧架下平面到轨面距离 1 2 3 m m 车轮直径 巾7 5 0 m m ( 1 3 ) 涂装及标记 涂装采用高防腐环氧云铁底漆、车体外表面采用高耐候聚氨脂面漆、车体内表面 采用高耐磨聚氨脂面漆。标记按照马达加斯加铁路提供的标记进行设计、涂打。 图2 1 车体设计总图 潞 。 潮 剜球褂商汁惦崮降窜龉忤惦1立黟汁 图2 - 2 车体底架图 翻酣斟商汁昧崩件窜凇阡婚1立黟n 图2 - 3 车体侧墙图 潞 n 涮 捌哥褂氤汁帐裔件窜龉阡帐1立黔碍 图2 - 4 车体端墙图 剜醋斟商汁帐崮降窜斟阡帐1立黪冲 淞_ u 潮 图2 - 6 转向架结构 潞 厶 列 酬哥斟酶汁帐萄件窜龄忭帐高高抖 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 2 2 4 标准化要求 设计中在保证产品主要技术性能的前提下，尽量采用国内各级现行标准，并积极 向国际标准靠拢，最大限度地采用标准件、通用件以及其它车辆的成熟结构和配件， 以简化设计和制造工艺，缩短设计、试制和试验周期。 2 2 5 引用标准 c f m 1 0 0 6 8马达加斯加铁路机车车辆限界 g b t 5 5 9 9 1 9 8 5铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范 t b t 1 3 3 5 1 9 9 6铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 2 2 6 技术要求 ( 1 ) 材料要求 主要型钢和板材均采用运装货车( 2 0 0 3 ) 3 8 7 号关于公布 的通知文件要求的屈服强度为4 5 0 m p a 的热轧3 1 0 乙字型钢，保证4 0 。c 时的低 温冲击功a k v 不小于2 4 j 。 ( 2 ) 车辆强度和动力学性能要求 客户未提供强度、动力学性能考核标准。参照t b t 1 3 3 5 、a a r 、u i c 中有关纵向 力与车钩强度、缓冲器最大作用力的关系，其第一工况纵向拉伸力均小于等于车钩强 度、第一工况纵向压缩力均小于缓冲器最大作用力，故第一工况纵向拉伸力、压缩力 的取值7 0 t ( 6 9 0 k n ) 。第二工况压缩力第一工况纵向压缩力= 1 3 - - 1 6 7 ，本车取 1 0 0 t ( 9 8 0 k n ) ，相当于第一工况纵向压缩力( 7 0 t ) 的1 4 3 倍。q 4 5 0 n q r l 高强度耐候钢 的许用应力取值为：第一工况 s r = 2 8 1 m p a ，第- - - _ t _ 况i s 】n = 3 8 2 m p a 。车辆动力学性能 应符合g b t 5 5 9 9 1 9 8 5 的规定【引。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 2 4 设计方案相关计算 2 4 1 部分尺寸参数设计计算 ( 1 ) 车辆宽度计算 因马方未提供标准，所以计算时按国内标准计算【6 】【7 】。 车辆中、端部偏移量、w e ( r a m ) 阿二= ( ，+ s ) 1 0 0 0 8 r = ( 8 7 5 2 + 1 6 8 2 ) 1 0 0 0 ( 8 3 0 0 ) = 3 3 1 m m 呒= - i - s ) 1 0 0 0 8 r = ( 1 1 9 6 2 8 7 5 2 - 1 6 8 2 ) 1 0 0 0 ( 8 x 3 0 0 ) = 2 6 5 m m 式中p 一车体长度，其值为1 1 9 6 m - - 车辆定距，其值为8 7 5 m 争一转向架轴距，其值为1 6 8 m r - 计算曲线半径，其值为3 0 0 m 车辆中、端部理论缩减量c m 、c e ( m m ) c m = 既- d m = 3 3 1 3 6 ，不缩减 c e = 睨- d , = 2 6 5 3 6 ，不缩减 式中驴短计算车辆中部最大偏移量，其值为3 6 m m d 广短计算车辆端部最大偏移量，其值为3 6 m m 车辆中、端部实际缩减量g 、c e ( m m ) 车辆中、端部实际缩减量均为0 。 ( 2 ) 曲线通过计算 根据t b 厂r 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范第5 1 条的规定，按车 辆几何曲线通过的校核方法进行几何曲线通过校核计算。水平曲线的计算判定原则 应按车辆结构允许的最大偏移角y l n m 、y 2 m a x 判定，即应满足y t 弋y l n 瞰、妮此n 瞰。y l m a x 、 y 2 。嫩的值按车钩钩身与钩门接触时确定。竖曲线通过计算校核车钩高差不大于7 5 m m 。 水平曲线的计算 在4 5 米曲线时，端部摆动为： w e = - 1 s ) 1 0 0 0 8 r = ( 11 9 6 2 - 8 7 5 2 - 1 6 8 2 ) 1 0 0 0 ( 8 4 5 ) = 1 7 7 m m 。 对于马车主要是影响链子钩( 在端粱上) 孔的大小，设计中按马方提供图纸执行。 竖曲线通过计算一垂向尺寸计算 a 车辆各主要部位垂向磨耗量： 车轮轮辋最大磨耗量为1 5 + 2 m m ： 承载鞍顶面最大磨耗为5 m m 侧架承载鞍支承面最大磨耗为3 r a m 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 上下心盘、心盘磨耗盘磨耗及制造误差总共为6 m m ： 合计1 7 + 5 + 3 + 6 - - 3 1 m m b 车辆通过驼峰时车体中部( 相对心盘) 最大下沉量： 车辆通过驼峰( 含机械化、自动化、简易) 时，其最不利位置为两转向架中心均 位于r = 3 5 0 m 的竖曲线内，车体中部下沉量： h = r 一尺2 一( 2 ) 2 = 3 5 0 3 5 0 2 - ( 8 7 5 2 ) 2 = 2 7 m m 式中r = 3 5 0 m - 驼峰竖曲线半径： l = 8 7 5 m 一车辆定距 c 空车，最不利时车体中部下沉3 1 + 2 7 = 5 8 m m d 空车，车辆在漏斗底门开启状态距下最低点( 底门板下边) 距下部限界：设计 名义尺寸为8 8 m m ，技术条件定为7 5 r a m ，安全间隙为1 7 r a m e 重车，弹簧压死后与空车的挠度差= 空车弹簧高度1 9 4 m m 弹簧压死后高度 12 4 m m = 7 0 m m f 重车，车辆在漏斗底门关闭状态下最低点( 漏斗端板) 距轨面2 6 5 m m ，距下部 限界为2 6 5 m m 9 0 m m = 1 7 5 m m 。 g 重车，最不利时车体中部下沉量3 1 + 2 7 + 7 0 = 1 2 8 m m 。此时，车辆与下部限界的 间隙裕量为4 7 r a m ，能保证运行安全。 ( 3 ) 车辆端部( 脚蹬) 垂向尺寸 车辆各主要部位最大垂向磨耗量：3 1 m m ： 车辆通过凹曲线时车体端部( 相对心盘) 最大下沉量：与约2 7 m m ： 重车弹簧压死后与空车的挠度差= 空车弹簧高度1 9 4 m m 弹簧压死后高度 1 2 4 = 7 0 m m ； 车体侧滚= s x l 6 2 6 11 3 0 = - 7 2 。8 m m ： 因此，在重车最不利的条件下为3 1 + 2 7 + 7 0 + 8 = 1 3 6 m m 。而脚蹬最大高度= 9 5 5 ( 下边 梁上面) - 2 4 0 ( 下边梁) 1 3 6 3 3 0 ( 限界拐点) = 2 4 9 m m ，取2 4 0 r a m 。 2 4 2 卸货速度计算 ( 1 ) 马方卸车线 停车轨道长度1 2 x 1 2 = 1 4 4 m 1lx 1 3 0 9 0 m ； 卸车时运行速度= o 5 k m h - 8 3 3 m m i n ： 车辆在卸车线的运行时间= 1 4 4 8 3 3 = 1 7 3 m i n ： ( 2 ) 马车计算 容积4 4 5 ，比重0 8 0 吨立方米，载重= 3 5 6 吨； 卸货面积- 2 3 8 0 x 0 4 6 0 x 2 = 2 2 平方米； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 转动手轮时间 2 3 分钟，取2 5 分钟： 参照k 1 8 车卸货流量取1 1 1 吨平方米分钟。卸货时间= 3 5 6 吨( 1 1 1 吨平方 米分钟) = 3 2 分钟： 总卸货时间= 2 5 + 3 2 = 5 7 分钟，石灰石、硫磺的比重大，其卸车时间不会大于 5 7 分钟； 由以上计算可知，本车最大卸车时间5 7 分钟，远小于最大允许时间1 7 分钟。 2 4 3 制动计算 ( 1 ) 空气制动计算 按最高速度8 0 k m h 时，对应制动距离8 0 0 r e ；采用符合t b t 2 4 0 3 9 3 货车高 摩擦系数合成闸瓦的闸瓦计算，闸瓦摩擦系数= 0 2 9 2 ： k n o r r 计算结果：空车总闸瓦压力= 6 9 3 5 5 k n ，重车总闸瓦压力= 1 4 9 1 4 8 k n ： 空车有效制动力= 2 0 2 5 k n ，重车有效制动力= 4 3 5 5 k n ： 本车自重2 0 t ，重车重7 2 t ： 空车制动率= 6 9 3 5 5 ( 2 0 x 9 8 1 ) x 1 0 0 = 3 5 3 重车制动率= 1 4 9 3 5 5 ( 7 2 9 8 1 ) 1 0 0 = 2 1 1 空车有效制动力与自重比= 2 0 2 5 ( 2 0 9 8 1 ) x1 0 0 0 = 1 0 3 ； 重车有效制动力与自重比= 4 3 5 5 ( 2 0 9 8 1 ) 1 0 0 = 2 2 2 ； ( 2 ) 手制动计算 本车采用中国大量使用的n s w 型手制动机，其本身倍率为2 7 ： r , n o r r 计算结果：全车制动倍率为8 ： 本车手制动装置制动倍率= 2 7 8 = 2 1 6 ： 人工手制动力按5 0 k g 计，总闸瓦压力= 5 0 x 2 1 6 o 8 3 = 8 9 6 4 k g ，有效制动力= 8 9 6 4 0 2 9 2 = 2 6 17 k g 空车制动率= 8 9 6 4 ( 2 0x1 0 0 0 ) x1 0 0 = 4 4 8 重车制动率= 8 9 6 4 ( 7 2 1 0 0 0 ) 1 0 0 = 1 2 4 5 有效制动力与自重比= 2 6 1 7 ( 2 0 1 0 0 0 ) 1 0 0 = 1 3 1 ： 2 5 本章小结 本章根据马达加斯加铁路公司提出的设计要求以及设计建议书，进行了米轨漏斗 车的方案设计，并确定了主要的技术参数。对车辆的基本结构进行了较为详实的叙述， 并绘制了车辆各个部分的三维图。就车辆宽度、曲线通过、卸货速度以及制动等进行 了计算分析，为车体的进一步结构分析提供了基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 第3 章车体有限元计算分析 3 1 车体有限元计算模型 米轨漏斗车车体为三维空间复杂结构，为分析其静强度和刚度，本次分析采用有 限单元法，应用大型通用有限元分析软件a n s y s ，在微机上进行计算、分析。 对结构进行有限元分析时，首先要使用分析软件建立结构的力学几何模型并进行 分网( 即几何模型有限元网格划分) ，然后在有关规定的位置施加一定的约束条件和 载荷，最后进行求解计算。计算完成后对仿真计算结果进行分析处理。 车体钢结构力学模型的坐标系采用以下直角坐标系：x 为纵向( 车辆前进方向) ， y 为横向( 车轴方向) ，z 为垂向。其中坐标原点取在车体底架纵向和横向对称面处， z 坐标的0 点与底架端部牵引梁地板的中性面的高度一致。 图3 - 1 车体钢结构几何模型 米轨漏斗车车体的结构主要由薄板和冷弯型材组成( 冷弯件可视为钢板组焊而 成) ，为一空间结构，承受空间载荷，结构既承受拉压载荷又承受弯曲扭转载荷，所 以在离散时所有部件均采用空间弯曲板壳单元进行离散。建立有限元几何模型时，使 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 用薄板和冷弯件的中性面进行建模，应用a n s y s 提供的s h e l l 6 3 四节点线性等参元 进行网格离散，大部分区域采用规则的四边矩形单元离散，个别地方使用不规则四边 形或三角形单元过渡。整个漏斗车车体钢结构共划分为1 2 9 8 5 1 个板壳单元，共1 2 5 7 6 2 个节点。在上心盘处施加边界条件，边界条件采用弹簧单元处理，其刚度参照转向架 的悬挂刚度，整车共有4 8 个c o m b i n l 4 线性弹簧单元。车体钢结构的几何模型如图 3 1 所示，1 4 车体钢结构的有限元离散网格模型如图3 2 所示。 图3 21 4 车体钢结构的有限元网格离散模型 3 2 计算载荷工况及有限元分析评定标准 3 2 1 作用在米轨漏斗车车体上的载荷 根据t b t 1 3 3 5 9 6 的规定，作用在米轨漏斗车车体上的载荷应有以下几部分【8 】： ( 1 ) 垂向载荷 垂向载荷由垂向静载荷和垂向动载荷两部分构成。 垂向静载荷 垂向静载荷是由自重和载重引起的。在计算过程中，米轨漏斗车车体的自重按体 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 积力考虑，由程序自动计算。载重取该米轨漏斗车的标记载重即5 2 t 的1 1 5 倍( 考虑 雨雪增载) ，作用在车体端墙、漏斗承载区及漏斗托梁底门折页座等部位上。则有： ，腑= 5 2 1 1 5 1 0 = 5 9 8k n 垂向动载荷 根据t b l 3 3 5 第6 2 条规定，垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数而定。 即： 只加棚缸= 触。k ：咖蜘缸 ( 3 1 ) 其中垂向动载荷系数k 确一把按公式( 2 ) 计算： t 咖删缸= ( 口+ 6 矿) + 鲁 ( 3 2 ) jl 吣jl 式中厂，一车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度( 对于变刚度弹簧，静挠度值为垂向载 荷与相应载荷下的弹簧刚度之比) ，取 = 3 9 m m ： y 一车辆的构造速度，取8 0 k m h ： a 一系数，簧上部分取值为1 5 0 ： b 一系数，取值为0 0 5 ； d 一系数，货车取值为1 6 5 ： c 一系数，簧上部分取值为0 4 2 7 ： 计算得垂向动载荷系数k ：加佣缸为：0 2 5 2 。 把垂向静载荷乘以垂向动载荷系数即可得垂向动载荷。其作用方式与垂直静载荷 的作用方式一样。即有： 棚缸= 5 9 8 0 2 5 2 = 1 5 0 6 9 6l 水 垂向静载荷与垂向动载荷之和称为垂向总载荷。 ( 2 ) 侧向载荷( 包括离心惯性力和风力) 根据t b l 3 3 5 中第6 3 条规定，侧向力只，按以增加垂向静载荷的1 0 考虑，其作用 方式与垂向静载荷的作用方式相同。 ( 3 ) 扭转载荷 根据t b l 3 3 5 中