（机械设计及理论专业论文）铁路车辆钢卷运输座架设计与生产实施.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 为了适应经济发展的需要，攀钢( 集团) 公司对冷轧板厂、熟轧板，一进行了联合 技术改造。技术改造后，攀钢热轧板厂能够生产大规格的热轧板卷，即板卷直径 为2 0 0 0 m m 、板卷宽度为1 1 7 0 r a m 、重量达2 3 吨。板卷增大后，其装车运输方式 将由过去的立装运输改为卧装运输。因此，如何解决攀钢冷轧板厂用原料( 大直径 热轧板卷) 的铁路运输问题就成了当务之急。本论文针对以上问题，研究和开发了 卧式大直径热轧板卷的铁路运输装置钢卷运输座架。 本论文主要研究内容包括以下几方面： 1 根据铁路货物运输的有关规定和钢卷运输时的技术要求，对钢卷运输架的 设计方案进行了分析比较，最后确定方案是采用端立柱为“门”字形粱的构架结构。 2 将铁路运输热轧板卷的整个过程划分为匀速行驶、起动刹车和转弯三种工 况，分别计算了三种工况下运输架所承受的重力、惯性力和向心力。 3 采用有限元法分析了运输架的弹性变形和各受力构件的应力分布状况；根 据各构件承载能力的富余量，提出了运输架结构修改的基本方案。 4 对钢卷运输架进行y d , 批量试制和路况条件下的破坏性试验，试验结果表 明各项技术性能指标全部达到使用要求。从2 0 0 3 年1 1 月起进行了批量生产。 本研究为钢卷运输架的开发提供了一套具体完善的设计分析方法，该方法在 工厂的生产中得到应用，并为同类型的构架结构的设计提供了理论依据。 关键词：钢卷运输架，方案设计，结构分析，有限元 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i no r d e rt ok e 印u pe c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，p a n g a n gc o m p a n yc a r r i e do u tt h e t e c h n i c a li m p r o v e m e n tf o rh o t - r o l l i n gm i l la n dc o l d - r o l l i n gm i l l t h eh o t - r o l l i n gm i l l c a np r o d u c el a r g e - s p e c i f i c a t i o nr o l lo fs t e e lp l a t e sw i t hd i a m e t e r2 0 0 0 m m ，l e n g t h 1 1 7 0 m ma n dw e i g h t2 3 t o n b e c a u s e o ft h ei n c r e a s eo ft h er o l l ，t h em o d ef o r t r a n s p o r t i n gi tm u s tb ec h a n g e df r o mv e r t i c a ld i r e c t i o nt oh o r i z o n t a ld i r e c t i o n s o ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt os o l v et h i sp r o b l e mo fp r o v i d i n gl a wm a t e r i a l ( 1 a r g e s p e c i f i c a t i o nr o l l o fs t e e lp l a t e s ) f o rc o l d - r o l l i n gm i l l t h i st h e s i si sa i m e da ts t u d y i n ga n dd e v e l o p i n g h o r i z o n t a lt r a n s p o r t i n ge q u i p m e n tf o rl a r g e s p e c i f i c a t i o nr o l lo fs t e e lp l a t e s ，w h o s e n a l n ei st h ew a s sf o rt r a n s p o r t i n gt h er o l lo f s t e e lp l a t e s t h i st h e s i sc o n s i s t so f f o l l o w i n gp a r t s ： 1 i nt h el i g h to ft h er e g u l a t i o n so ft r a n s p o r t i n gt h eg o o d so nr a i la n dt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t ，d e s i g ns c e n a r i o so ft h e t r u s si sa n d y z e da n dc o m p a r e d ，f i n a l l yo n e s c e n a r i oi ss e l e c t e d t h a ti sab r a c k e tw i t h “d o o r s h a p e de n d p i l l a r 2 a f t e rt h et r a n s p o r t i n gp r o c e s si sd i v i d e di n t ot h r e ec a s e s ：c o n s t a n ts p e e d ， s t a r t i n g b r a k i n ga n dt u r n i n g ，t h ew e i g h t ，i n e r t i aa n dc e n t r i p e t a lf o r c e sa r ec a l c u l a t e d ， r e s p e c t i v e l y 3 f i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y z et h ed e f l e c t i o n so ft h et r u s sa n d s t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ec o m p o n e n t s b a s e do nt h em a r g i no fl o a d - c a p a c i t yo ft h e c o m p o n e n t s ，s o m em o d i f i c a t i o nm e a s u r e sa r ep r e s e n t e d 4 t h et r i a l - p r o d u c eo ft h et r u s si sd o n ea n dt h ed e s t r u c t i v et e s t so nr a i la r e c o m p l e t e d t h er e s u l t sf r o mt h et e s t ss h o wt h a tt h et r u s sc a ns a r i s f yt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s a b a t c ho f p r o d u c t i o no f t h ei i b s si sc a r r i e do u tf r o mn o v 2 0 0 3 t h i sr e s e a r c hp r o v i d e sad e s i g na n da n a l y s i sm e t h o df o rd e v e l o p i n gt h et r u s sf o r t r a n s p o r t i n gt h er o l lo fs t e e lp l a t e s , a n dc a nb ed k e c t ya p p l i e di n t ot h et h c t o r y a tt h e s a m et i m e ，i tg i v e st h e o r e t i c a ls t r a t e g yf o rd e s i g nt h es a m et y p eo f t r u s s k e y w o r d s ：t r u s sf o rt r a n s p o r t i n gr o l lo fs t e e lp l a t e s ，s c e n a r i oa n a l y s i s ， s t r u c t u r a la n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 攀枝花钢铁公司经过3 0 多年的建设和发展，已形成年产铁5 6 0 万吨、钢5 6 0 万吨、钢材5 3 0 万吨、钒制品( 以v 2 0 5 计) 1 5 万吨、钛精矿2 5 万吨、钛白粉6 万 吨的综合生产能力。2 0 0 3 年，攀枝花钢铁公司实现销售收入1 6 8 - 3 亿元，利税2 2 8 亿元，利润7 亿元，出口创汇1 3 8 亿美元。截止2 0 0 3 年底，攀枝花钢铁公司的资 产规模己达3 4 3 亿元，成为了我国具有较强国际市场竞争力和较高知名度的大型 企业集团。 为了适应经济发展的需要，攀枝花钢铁( 集团) 公司对冷轧板厂、热轧板厂进行 了联合技术改造，技术改造后，攀枝花钢铁公司热轧板厂将能生产大规格的热轧 板卷，即板卷直径为2 0 0 0 r a m 、板卷宽度为1 1 7 0 r a m 、重量达2 3 吨。板卷增大后， 其装车运输方式将由过去的立装运输改为卧装运输，因此，如何解决攀枝花钢铁 公司冷轧板厂用原料( 大直径热轧板卷) 的铁路运输问题就成了当务之急。本论文针 对以上问题，设计和开发了卧式运载大直径热轧板卷的铁路运输装置钢卷运 输座架。 1 2 国内钢铁业发展动态1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 表1 11 9 8 0 - 2 0 0 2 年世界钢产量增长表( 单位：万吨) 年份全世界合计美国 日本德国中国 1 9 8 07 1 6 3 01 0 1 4 5 71 1 1 3 9 54 3 8 3 ，83 7 1 2 1 9 8 l7 0 7 4 01 0 1 6 7 61 0 9 6 1 54 9 0 7 ，73 5 6 0 1 9 8 26 4 4 9 06 7 6 5 69 9 5 4 84 3 0 4 8 3 7 1 6 1 9 8 36 6 3 0 07 6 7 6 39 7 1 7 94 2 9 4 84 0 0 2 1 9 8 47 1 0 0 08 3 9 4 11 0 5 8 8 64 9 6 9 ，24 3 8 4 1 9 8 57 1 7 0 08 0 0 6 81 0 5 2 7 94 8 3 5 04 6 7 9 1 9 8 67 1 5 0 07 4 0 3 39 8 2 7 54 5 1 0 15 2 2 l 1 9 8 77 3 4 0 08 0 8 7 79 8 5 1 34 4 4 9 15 6 2 8 1 9 8 87 7 9 0 09 0 6 5 01 0 5 6 8 14 9 1 5 65 9 4 3 1 9 8 97 8 4 0 08 8 8 5 21 0 7 9 0 84 8 9 0 2 6 1 5 9 1 9 9 0 7 7 0 0 08 9 7 2 61 1 0 3 3 94 4 0 2 26 5 3 5 1 9 9 17 3 4 0 07 9 7 3 81 0 9 6 4 94 2 1 6 97 1 0 0 1 9 9 27 2 2 6 68 4 3 2 29 8 1 3 23 9 7 l ，l8 0 9 3 1 9 9 37 2 5 3 28 6 9 9 】9 9 6 1 73 7 6 2 08 9 5 4 重庆大学硕士学位论文 续上表 1 9 9 47 2 5 4 88 8 8 0 09 8 3 0 04 0 8 0 09 2 6 l 1 9 9 57 5 0 6 29 2 0 0 01 0 1 3 0 04 1 8 0 09 5 3 6 1 9 9 67 5 3 3 09 4 7 0 09 8 8 0 03 9 9 0 01 0 1 2 4 1 9 9 7 7 9 9 8 0 9 7 2 0 01 0 4 5 0 04 5 3 0 0 1 0 8 9 1 1 9 9 8 7 7 5 2 99 7 6 5 09 3 5 44 4 6 8 01 1 4 5 9 1 9 9 97 8 7 7 39 7 2 8 49 4 1 9 54 2 0 6 21 2 3 9 5 2 0 0 08 3 0 3 01 0 0 9 9 o1 0 6 4 4 24 6 3 7 21 2 8 5 0 2 0 0 l8 2 3 9 38 9 7 1 1 -1 0 2 8 6 3 4 4 8 0 1 1 5 0 8 7 2 0 0 28 8 6 7 s9 2 3 7 81 0 7 7 4 8 4 5 3 9 0 1 8 1 5 5 1 9 9 87 7 5 2 9 9 7 6 5 09 3 5 44 4 6 8 0“4 5 9 1 9 9 97 8 7 7 39 7 2 8 49 4 1 9 5 4 2 0 6 21 2 3 9 5 2 0 0 08 3 0 3 01 0 0 9 9 0 1 0 6 4 4 24 6 3 7 21 2 8 5 0 2 0 0 1 8 2 3 9 3 8 9 7 1 1 -1 0 2 8 6 34 4 8 0 11 5 0 8 7 2 0 0 28 8 6 7 5 9 2 3 7 81 0 7 7 4 84 5 3 9 01 8 1 5 5 我国钢铁工业经过多年建设，己形成包括矿山、烧结、焦化、炼铁、炼钢、 轧钢及相关的铁合金、耐火材料、碳素制品和地质勘探、工程设计、建筑施工、 科学研究等部门组成的完整工业体系。n 2 0 0 0 年底，全国年销售收入在5 0 0 万元以 上的冶金企业4 3 7 6 家，从业人员约2 6 1 万人。其中：钢铁企业2 6 0 6 家，总资产8 2 5 2 亿元，从业人员约1 2 7 万人；独立矿山5 3 7 家，铁合金企业5 1 5 家，碳素制品企业1 5 7 家，耐火材料企业6 6 1 家。 2 0 0 1 年，我国钢产量达n 1 5 0 8 亿吨、生铁l _ 4 5 4 吨、钢材1 5 7 4 吨。重点大中型 钢铁企业总产值2 6 8 7 亿元，同比增长8 6 2 9 6 2 实现利润1 6 5 亿元，同比增长6 6 9 6 。 我国钢铁工业经过5 0 多年的发展，进入八十年代结束了多年徘徊，开始快速 增长，到了1 9 9 6 年钢产量突破1 亿吨，现已连续七年产量在1 亿吨以上( 详见表1 1 ) ， 成为世界第一产钢大国，彻底告别了钢材供不应求的时代。 1 _ 3 国内钢铁生产面临若干严峻的挑战垆j _ 【1 o j 世界多极化和经济全球化趋势的发展，给中国钢铁工业发展带来了机遇和有 利条件。但是，不公正不合理的国际政治经济旧秩序没有根本改变我们必须清醒 地看到日趋激烈的国际竞争带来的严峻挑战，必须清醒地看到国内外经济发展仍 然有着诸多的不确定因素，以及我国钢铁工业仍然处于比较落后的实际情况。我 国钢铁工业发展仍然面临着严峻挑战： 挑战之一：全球钢铁产能过剩与巨大的进口冲击 加入w t o 后，我国钢铁产品进口关税的大幅度降低，数量限制等非关税堡垒 的取消，国外钢铁产品进口量迅猛增加，尤其是全球钢铁产能过剩的国家和地区 重庆大学硕士学位论文 恰好分布在我国周围，如日本、韩国、俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦以及我国台 湾省等，他们以较高的产品质量和较低的运输成本、价格进入我国，无疑将对我 国钢铁产业安全构成巨大的威胁，我们必须积极认真应对 挑战之二：高新技术的采用与高技术含量、高附加值产晶的生产 进入2 l 世纪，科学技术日新月异，同先进发达国家比，我们的工艺技术及装 备水平，企业组织结构，产品品种结构和产品质! 等还有很大差距。钢铁冶炼过程 中的铁水预处理和翎水炉外精炼比重还不高，还有一批较高技术含量和较高附加 值产品还不能完全满足国民经济发展需要，一批高档次产品品种还需要从国外进 口。为此用最先进的高新技术和先进适用技术武装、改造、提升传统的钢铁产业， 特别是在部分高难品种的工艺技术和产品品质上的新突破，已成为我国钢铁i _ q k 面临的重要课题。 挑战之三：资源短缺与生产高速发展的矛盾越来越突出 铁矿石与废钢资源短缺是我国发展钢铁工业的基本国情。2 0 0 2 年进口铁矿石 将超过1 1 亿吨，2 0 0 3 年有可能达n 1 3 吨，靠进口铁矿石的生铁产量很快将超过5 0 ： 进口废钢铁己达到1 0 0 0 万吨水平，2 0 0 3 年还将进一步增加。炼焦煤资源也日趋紧 张，从国家经济安全和保持我国钢铁工业持续稳定发展出发，必须从长远战略上 规划解决建立稳定的资源基地和港口铁路运输配套发展等问题。 挑战之四：环境保护和治理的要求 改革开放以来，随着我国钢铁工业的持续快速发展，工艺技术装备水平有了 较大提高，环境保护和环保治理已取得明显的进步和成就。宝钢、首钢、杭钢等 一批大中型钢铁企业环保工作已达到相当先进水平，但随着国民经济的持续快速 发展，人民生活水平的不断提高，与人们对生活质的高要求相比，国内钢铁工业 尤其是一批中小型钢铁厂，它们生产过程中的环保治理任务仍很繁重。我们必须 从根本上加快解决高能耗、高物耗、高污染的经济增长模式，真正走出一条科技 含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的 新型工业化路子。 挑战之五：巨大的钢铁产能规模与极低的生产集中度的矛盾最待解决 联合国人权事务高级专员玛丽鲁滨逊指出，目前全球5 0 0 家跨国公司操纵着全 球1 3 的国民生产总值、占全世界9 0 的外国直接投资及3 4 的全球贸易。欧美日等 一些大的钢铁公司都以联合重组或者战略加盟，形成大的跨国公司；最近俄罗斯的 几家大的钢铁公司目前正在筹划联合重组，而我国目前已具有2 亿吨钢的生产规 模，虽然已有了如上海宝钢、湖南华菱钢铁集团等成功的联合，但全国具有超千 万吨级规模的集团公司仅有上海宝钢、鞍钢两家：5 0 0 1 0 0 0 万吨级的也仅有武钢、 首钢、本钢、唐钢、马钢、包钢、济钢、华菱。全国钢铁企业约2 5 0 0 家，企业分 重庆大学硕士学位论文j 绪论 散，生产集中度与专业分工协作程度低，难以形成较强的国际竞争力。由于体制 与观念等原因，我国钢铁企业的联合重组进展缓慢。 1 4 课题的来源及意义 1 4 1 课题的概况 铁路设备修造厂( 全称攀枝花钢铁公司钢城企业总公司铁路设备修造厂，简称 铁修厂) 成立于1 9 9 2 年1 0 月，是攀枝花钢铁公司钢城企业总公司的全资公司，系 具有独立法人资格的集体企业。现拥有固定资产原值4 2 0 万元；拥有“运输金属板 卷的固定装置”、“一种金属平板运输的固定装置”、“一种防雨装置”和“钢铁运输座 架”等四项专利及产品；多年以来、铁修厂是攀枝花钢铁公司重型设备( 推土机、装 载机、挖掘机、抓斗、叉车等) 的定点修理厂。是本课题最好的技术依靠。 根据攀枝花钢铁公司现在和将来发展的需要，板卷参数如下： ( 1 ) 板卷宽度田一= 1 1 7 0 r a m 口。= 7 7 0 m m ； ( 2 ) 板卷外径d = 2 0 0 0 m md 。= 18 0 0 r a m ； ( 3 ) 板卷重量g 一= 2 3 0 k n g r a m = 1 4 0 k n 。 火车运行参数：火车在运行中，火车速度在4 0 4 5 k r n h ，火车提速与刹车最 短时间不大于3 s ，火车轨道转弯的最小半径1 2 0 m ，火车轨道坡度最大1 5 。 1 4 2 课题的目的、意义 企业存在发展的需要 热轧板作为攀枝花钢铁公司的主要产品，自从我国加入w t o 后，钢铁市场将 逐渐完全开放，国内热轧板面临增加出口的机遇，但国外高质量、低价格热轧板 对国内市场的冲击更大，随着国外热轧板的涌入，国内热轧板市场正面临严峻的 挑战。发展高精度、高平壹度、高强度热轧板，满足我国国民经济的发展需要， 是提高企业产品竞争能力的重要手段。同时，由于热轧板的铁路运输工况复杂， 对钢卷运输座架质量要求严格，在此期间出现任何问题，将直接产生重大质量影 响和各种事故危险。因此，设计和开发高质量的钢卷运输座架也是攀枝花钢铁公 司巩固、开拓市场，树立企业品牌形象的需要。 企业产品结构调整，推动技术进步的需要 近半个世纪来的经验证明，科技进步是攀枝花钢铁公司钢铁工业发展的决定 性因素。今后要把加速科技进步放在攀枝花钢铁公司发展的关键地位，使攀枝花 钢铁公司钢铁工业的发展真正转到依靠科技进步和提高劳动者素质的轨道上来， 增强自主创新的能力，集中力量解决面临的重大关键技术问题，实现技术进步的 跨越。 面对新世纪的挑战，我国钢铁工业产品数量不再是主要矛盾，结构性矛盾更 4 重庆大学硕士学位论文 绪论 加突出。市场竞争酲益激烈，集中反映在品种质量、产品成本和劳动生产率以及 可持续发展所构成的综合竞争力上。当前，我国钢铁工业已经进入加速结构调整、 提高经济运行质量和市场竞争力的新的历史时期，进入了由钢铁大国发展成为钢 铁强国的新的奋斗时期。攀枝花钢铁公司进行大规格的热轧板卷生产技术开发、 实施技术改造，将带动企业生产技术进步，同时带动相关技术的进步，例如铁路 运输及运输过程中支撑技术等的升级换代，增强产品质量竞争能力，适应市场变 化。 1 5 论文的主要研究内容 随着我国钢铁工业想快速化、重型化方向发展，攀枝花钢铁( 集团) 公司对冷轧 板厂、热轧板厂进行了联合技术改造，技术改造后，攀桂花钢铁公司热轧板厂将 能生产大规格的热轧板卷，即板卷直径为2 0 0 0 r a m 、板卷宽度为1 1 7 0 m m 、重量达 2 3 吨。因此，其铁路运输支架问题摆在我们面前，为了满足大规格的热轧板卷在 运输过程中仍旧保持其高质量。本课题主要研究对象是大规格的热轧板卷在运输 过程中的钢卷运输座架设计和丌发，主要目的是对钢卷运输座架设计方案进行分 析、技术要求计算和其结构的有限元麻力分析等。从而确定可行性的技术改造方 案。 本论文的主要研究内容： 1 在大规格的热轧板卷在运输过程中，钢卷运输座架设计方案的分析比较与 选择。 2 在大规格的热轧板卷在运输过程中，钢卷运输座架结构强度分析计算，以 及各单元应用材料分析选择。 3 在大规格的热轧板卷在运输过程中，钢卷运输座架结构有限元动态应刀分 析。 4 卧装式结构钢卷运输座架的改造实施。 4 卧装式结构钢卷运输座架的改造实施。 重庆大学硕士学位论文 2 钢卷运输座架设计方案的分析比较与选择 2 钢卷运输座架设计方案的分析比较与选择 2 1 概况 机械零件的设计大体要经过以下几个步骤【1 1 - 【1 5 】： 1 ) 根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构。为此，必须对各种零件的 不同类型、优缺点、特性与使用范围等，进行综合对比并正确选用。 2 ) 根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 3 ) 根据零件的工作条件及零件的特殊要求( 例如高温或在腐蚀性介质中工作 等) ，选择适当的材料。 4 ) 根据零件可能的失效形式确定计算准则，根据计算准则进行计算，确定出 零件的基本尺寸。 5 ) 根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。 6 ) 细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。 7 ) 画出零件的工作图，并写出计算说明书。 必须再度强调指出，结构设计( 即设计方案) 是机械零件的重要设计内容之 ， 在有些情况下，它占了设计工作量中一个较大的比例，一定要给予足够的重视。 本课题是火车运输热轧板卷的座架，座架放置于火车平板上，用于支撑大规格的 热轧板卷。 合理的设计方案，应能满足工作机的性能要求、工作可靠、结构简单、尺寸 紧凑、加工方便、成本低廉、效率高和使用维护方便等。要同时满足这些要求， 常常是困难的。因此，应统筹兼顾，保证重点要求。 2 1 1 设计参数 1 装载要求 根据攀枝花钢铁公司现在和将来发展的需要，板卷参数如下： ( 1 ) 板卷宽度b 一= 1 1 7 0 r a m ( 2 ) 板卷外径d = 2 0 0 0 r a m ( 3 ) 板卷重量g 岳= 2 3 0 k n 2 运行要求 占= 7 7 0 r a m ； d m = 1 8 0 0 r a m g ，。= 1 4 0 k n 。 火车运行参数： ( 1 ) 火车在运行中，火车速度在4 0 4 5 k m h ： ( 2 ) 火车提速与刹车最短时间不大于3 s ； ( 3 ) 火车轨道转弯的最小半径1 2 0 m ，火车轨道坡度最大1 5 ( 4 ) 火车平板车皮的长宽尺寸为1 3 0 0 0 m m x 2 9 0 0 m m 。 6 重庆大学硕士学位论文 2 钢卷运输座架设计方案的分析比较与选择 3 运输热轧板卷的座架设计要求 座架设计过程中除满足上述要求外，必须具备以下几个条件： ( 1 ) 热轧钢卷重心尽量降低，确保铁路运输安全； ( 2 ) 尽可能减轻钢卷运输座架的自重，提高火车的运载能力，且便于制作 降低成本； ( 3 ) 装载热轧钢卷时，其专用吊具必须进出方便。 2 2 钢卷运输座架工艺现状 为了适应经济发展的需要，攀枝花钢铁( 集团) 公司对冷轧板厂、热轧板厂进行 了联合技术改造，技术改造后，攀枝花钢铁公司热轧板厂将能生产大规格的热轧 板卷，即板卷直径为2 0 0 0 m m 、板卷宽度为1 1 7 0 m m 、重量达2 3 吨。板卷增大后， 其装车运输方式将由过去的立装运输改为卧装运输，因此，如何解决攀枝花钢铁 公司冷轧板厂用原料( 大直径热轧板卷) 的铁路运输问题就成了当务之急。本论文针 对咀上问题，设计和开发了卧式运载大直径热轧板卷的铁路运输装置钢卷运 输座架。 厂矿技术改造一般按以下步骤进行： 1 需求及现状分析； 2 改造方案可行性研究、论证； 3 改造实旌方案论证、确定； 4 改造设计、制造、实施。 2 3 钢卷运输座架设计方案分析与比较 根据铁路货物运输的有关规定，运载钢卷时的设计要求，对钢卷运输座架进 行结构设计，初拟方案如下： 1 热轧板卷放置方式 热轧板厂技术改造前，生产工艺要求铁路运输时热轧板卷在火车平板车皮上 的装载方式为立式放置，其数量以不超过平板车皮的额定载重量为宜；技术改造 后，为了满足工艺要求，铁路运输的装载方式随着发生改变，即卧式放置。 2 热轧板卷接触方式 热轧板卷的放置方式决定其接触方式，热轧板卷与座架的接触方式有两种： 一种为线接触方式，另一种为圆弧面接触方式。经比较，线接触方式具有简化座 架结构、工艺，易于制作等特点。 3 单车座架的数量及分布 标准平板车皮额定载重量为6 0 吨( 限载6 3 2 吨) ，热轧板卷单重1 4 2 3 吨，单 重庆大学硕士学位论文2 钢卷运输座架设计方案的分析比较与选择 车座架自重9 吨( 每个座架3 吨) ，按此计算，单个座架可装载热轧板卷1 个，单车 运载座架3 个，但运载热轧板卷总重以不超过6 3 2 吨为宜。根据标准平板车皮的 最佳受力状态，座架在标准平板车皮上的分布为：两端各1 个，中间1 个。 4 座架结构 ( 1 ) 座架轮廓尺寸的确定 为确保铁路运输的安全，根据热轧板卷对座架提出的设计要求及铁路运输的有 关规范，标准平板车皮的长宽高尺寸为1 3 0 0 0 x 2 9 0 0 1 2 0 0 m m ，则单个座架的长宽 高尺寸不大于4 0 0 0 x 2 7 0 0 x1 0 5 0 m m 。 一k 燕审一h 图2 1 座架示意图 f i g 2 1 s k e t c ho f t h et r u s s 为了便于座架在火车运行过程中，板卷的重心尽量下移，板卷采用卧式装载。 因此座架横向内侧宽度设计思想考虑到板卷以后的发展和保护板卷端头，满 足板卷最大运输板宽度1 1 7 0 m m ，并考虑板卷装卸时方便要求，、其宽度应为： a = 左侧+ 板宽+ 右侧= 1 6 5 + 1 1 7 0 + 1 6 5 = 1 5 0 0 ( r a m ) 左右侧间隙各取值：1 6 5 m m ； 座架横向外侧宽度：为了满足强度要求，宽度定为2 0 0 0 m m 。 座架纵向宽度和高度：根据使用单位对座架顶宽不小于2 0 0 0 m m 要求，火车 在运行过程中，板卷的重心尽量下移，而斜板的角度不要太小，经过比较，取座 架上部宽度b = 2 0 0 0 m m ，下部宽度b = 1 0 0 0 m m ，高度h = 1 0 0 0 m m ，如图2 1 所示。 根据几何关系，o a ：d 2 = 1 0 0 0 m m ，o 点为板卷中心( 也是板卷重心) 。 0 l = a r t g o5 = 2 6 6 。 h l = 8 8 2 m m 8 重庆大学硕士学位论文2 钢卷运输座架设计方案的分析比较与选择 h 2 = 2 3 6 m m ( 2 ) 座架结构 根据热轧板卷的放置方式和接触方式，座架内腔为“倒梯形状”，拟定的座架结 构方案如下： 方案一：座架四周均用槽钢( 叠a n ) 对焊而成，形成同一个铁箱，内腔斜面之下 为( 钢板) 筋板，如图2 2 所示。 图2 2 钢卷座架各支承板示意图 f i g2 2 s k e t c ho f t h es u p p o r t e dp l a t e so f t h el r u s s 优点：整体性好。 缺点：超重，结构不合理，工艺复杂，制作难度大，尤其是装载钢卷时需要 用铁链固定，热轧板卷装载操作时极为不便。 方案二：与方案一比较，不同之处在于将座架纵向两侧对焊槽钢改为钢板， 钢板外侧用槽钢加固，座架两端改为“门”字型梁。 优点：结构有了一定程度的改善。 缺点：自重未降到设计要求，纵向两侧无开口，钢卷吊具无法进出。 方案三：该方案与方案二比较，不同之处在于进一步简化结构，一是取掉纵 向两侧的钢板；二是将斜板之下的加强筋板改为用槽钢煨制并焊接成直角三角形 9 重庆大学硕士学位论文 2 钢卷运输座架设计方案的分析比较与选择 筋板，座架外侧四周也同样如此。 本方案可使结构大大优化，自重也满足要求。 2 4 受力分析与计算1 6 】。【1 9 各种力的计算： 1 、向惯性力 t = q ( k n ) 式中： q 货物重量( 单位：t ) ； 每吨货物的纵向惯性力( k n t ) 。 采用柔性加固时2 0 】： t o = 1 2 6 6 5 8 8 q 总1 1 3 0 = 9 5 8 4 ( k n l f ) q 总车总重，取卷重加座架重量加车辆自重。 t = 9 5 8 4x2 3 = 2 2 0 4 3 2 ( k n ) 2 、横向力 n = h o q ( k n ) 式中： q 货物重量( 单位：t ) ； 每吨货物的横向惯性力，k n t 。 = 2 9 4 + 3 3 4 t 2 l ( k n t ) 式中： a 货物重心偏离车辆横中心的距离( m m ) ； 三负熏车销距( 试i h ) ； 口= 上2 一架宽2 = 9 3 0 0 2 2 1 0 0 2 = 3 6 0 0 h 。= 2 9 4 + 3 3 4 3 6 0 0 9 3 0 0 = 4 2 3 ( k n t ) n = x q = 4 2 3 2 3 = 9 7 2 9 ( t ) 3 、垂直惯性力 使用敞车和普通平车时，由于每车装载3 个座架均在枕梁上， 向中心的两侧，重车重心落在车辆纵横中心线的交叉上，a 值为0 。 q 垂= g 垂x q 式中： ( 2 ，1 ) ( 2 2 ) 对称于车辆横 q 货物重量，t ； g 垂每吨货物垂壹惯性力，k n t 。 g 垂= 9 8 【0 5 0 6 0 0 0 2 6 x q + ( 0 0 9 6 0 0 0 0 6 9 ) a l l 】= 3 7 3 6 ( k n t ) 1 0 ( 2 3 ) 重庆大学硕士学位论文 2 钢卷运输座架设计方案的分析比较与选择 q 垂= g 垂q = 3 7 3 6 4 8 = 1 7 9 3 ( k n ) 4 、风力 w = q 。f 式中： g 侧向计算风压，圆柱体时，取0 2 4 5 k n t ； f 侧向迎风面积的投影面积按最大值计算， 1 3 米，f = 2 x 1 3 = 2 6 ( 米) w = q 。f = 0 6 3 7 ( k n ) 5 、摩擦力 纵向摩擦力： 如摩= 9 8 u q 式中： q 货物重量4 8 吨； 摩擦系数，钢与钢之间为0 3 f = 9 8 “q = 9 8 0 3 4 8 = 1 4 1 1 2 横向摩擦力： ，横摩= 卢( 9 8 q q 垂) 式中： q 货物重量4 8 吨； 摩擦系数，钢与钢之间为0 3 ； q 垂垂直惯性力，k n ： f = u ( 9 8 q q 垂) = 8 7 3 3 ( k n ) 2 5 计算货物的稳定系数 1 、座架水平移动的稳定性 在纵向方向上： v t = t 一，k 摩= 2 2 0 4 1 4 1 2 = 7 9 2 8 ( k n ) 式中： 丁纵向惯性力； 摩纵向摩擦力。 结论：v t ，0 ，则需要加固。 在横向方向上： v n = 1 2 5 ( + ) 一摩 式中： ( 2 4 ) 卷径：2 米，板宽 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 重庆大学硕士学位论文2 钢卷运输座架设计方案的分析比较与选择 风力； 磺向力； f 横摩d 向摩擦力。 v n = 1 2 5 ( + 矿) 一，k 摩= 1 2 5 ( 9 7 2 9 + o 6 3 7 ) 一8 7 3 3 = 6 8 4 ( k n ) 结论：v 0 ，则需要加固。 由于甲r 、v 均大于零座架在纵向、横向都有移动的可能，故需要对座架进 行加固。 加固方法：采用焊接方式将座架底边四周与车底板焊接在一起。 2 、计算货物倾覆的稳定系数 在纵向： r = 9 8 q a ( t )( 2 9 ) 式中： q 货物重量，t ； a 货物重心所在横向或纵向垂直平面至货物倾覆点之间距 离，单位：n l l t l ，即是板宽2 = 1 3 0 0 2 = 6 5 0 m m ； r 货物的纵向惯性力，k n ； 货物重心自倾覆点所在平面起算的高度。 r = 9 8 q a ( r ) = 9 8 2 3 x 6 5 0 ( 2 2 0 4 ( 1 0 0 0 5 4 0 ) ) = 1 4 4 5 1 4 4 5 1 2 5 当倾覆稳定系数小于1 2 5 时，需要采取加固措旖。因为r = 1 , 4 4 5 ，1 2 5 ，故不 需要采取加固措施。 3 、计算货物滚动的稳定系数 圆柱形、球形或带轮货物，使用三角挡或掩木加固后，滚动稳定系数按下列 公式计算，如果稳定系数小于1 2 5 表明所使用的掩木或三角挡高度不够，应采取 加固措施。 在横向上： r ；9 8 q x b ( ( n + 矽) ( r 一 掩) ) ( 2 1 0 ) 式中： r 货物或轮子的半径，n l l t l ； k 掩木或三角挡与货物接触点至货物或轮子最低点所在平面起算 的高度，r a m , 为座架高度5 4 0 m m ； 6 货物重心所在横向或纵向的垂直平面至三角挡或掩木与货物接 触点之间的距离，i n l t t ，b = 卷径。2 = 2 0 0 0 2 = 1 0 0 0 m m ； q 货物重量，t ： 1 2 重庆大学硕士学位论文2 钢卷运输座架设计方案的分析比较与选择 横向力； 风力： = 9 8 q b ( ( n + 矿) ( 只一h 掩) ) = 9 8 2 3 1 0 0 0 ( ( 9 7 2 9 + 0 6 3 7 ) ( 1 0 0 0 5 4 0 ) ) = 5 ，0 0 4 当货物滚动的稳定系数小于1 2 5 时，需要采取加固措旌。因为r = 5 0 0 4 ，1 2 5 ， 故不需要采取加固措施。 通过上述分析与计算，本论文设计的运输热轧扳卷的座架如图2 3 所示。 v 。+ 。- _ _ h 。- _ 。_ _ ，_ _ _ h _ _ 。1 。- 。 d _ - h - _ _ _ _ _ “- - 。- - 。“。1 。“1 。 么醐p 1 泐& l i 。j l 凰l 图2 3座架装配图 f i g2 3 a s s e m b l yo f t h en 1 】s s 2 6 本章小结 1 根据设计参数分析，通过设计方案比较得到了比较优化的设计方案，此方 案可使结构大大优化，自重也满足要求； 2 根据实际需求和设计方案，初步设计座架的基本尺寸； 3 在座架基本尺寸和结构设计确定的基础上，进行基本受力计算； 4 根据基本受力计算，计算货物稳定系数，并分析货物稳定性，确定是否需 要加强固定。 一彳皇d 一 | | 阿b 罾n 一；| 一 一蚓| | f 一 一笆营l p。吕茸一一 重庆大学硕士学位论文 3 钢卷运输座架结构强度分析计算 3 钢卷运输座架结构强度分析计算 3 1 概述 在铁路运输热轧板卷整个过程中，钢卷运输座架的受力情况各不相同，设计 时强度分析分三种典型情况分别进行讨论。 3 2 火车匀速行驶在轨道上时，钢卷运输座架的受力情况【2 0 【2 1 【3 1 径： 5 0 0 1 0 0 05 0 0 图3 1 火车匀行驶时速座架受力示意图 f i g3 1 s k e t c ho f t h ef o r c e so nt h et r u s si nc a s eo f c o n s t a n ts p e e d 火车匀速行驶在轨道上时，钢卷运输座架的受力情况如图3 1 所示。板卷外直 d = 2 0 0 0 m m 由图3 1 可以知道： q = 2 6 6 0 根据建筑结构载荷规范g b 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ，动态载荷系数取1 2 ，则板卷重力 g = 1 2 g 一= 2 6 4 k n 板卷置于座架上，板卷受座架两边的支承力l 、：，其受力方程： n 1 s i n 0 1 + n 2 s i n o l = g ( 3 1 ) n l c o s o l = 2 c o s o l ( 3 - 2 ) 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 钢卷运输座架结构强度分析计算 由式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 解得： n i = n 2 = g ( 2 s i n 0 1 ) = 2 6 4 ( 2 o 4 4 7 2 ) = 2 9 5 2 k n 由于座架设计有斜板、斜支承，当板卷作用与斜板上，力传递给斜板，再传 递给斜支承，如图3 2 所示：a 、b 点为斜支承两端点( i v 。、n ：为一对作用力与反 作用力) 。 6 n b 图3 2 火车匀行驶时座架斜板和斜支承受力示意图 f i g3 2 s k e t c ho f t h ef o r c e so ns l a n t i n gp l a t e si nc a s eo f c o n s t a n ts p e e d ( 1 ) 斜板受到：作用，将集中力化为均布载荷、弯矩等效后，分布于斜板上。 m = n _ o 一- l 。q 。l 2 ( 3 3 ) o 其中： m 一等效弯曲扭矩； 三为两斜支承之间的间距厶= o 3 1 5 m ，偏于安全； g 二一为按四跨连续连梁计算的弯矩，q = n ：( 1 1 8 1 4 5 ) = 1 7 2 5 k n m 2 。 为了计算方便，按简化支承计算( 偏于安全) ，取l = 0 3 1 5 m ，则等效弯曲扭矩 为： m ：! 。q “r ：! 1 7 2 5 0 3 1 5 2 ：2 1 4 k n 根据钢结构设计规范g b j l 7 8 8 可知，选取板宽k 厚q 2 3 5 钢板，进行应力校核： ，= m w = 2 1 4x 1 0 6 ( 6 3 1 5 2 0 2 ) = 4 0 8 ( n m m 2 ) i f = 2 1 5 ( n m m 2 ) 其中： f 一一煎力 o 3 1 5 m ，采用2 0 m m f 3 4 、 重庆大学硕士学位论文 3 钢卷运输座架结构强度分析计算 求。 ，】许用应力： 抗弯截面模量； 经过上述应力校核说明：斜板选取2 0 m m 厚的q 2 3 5 钢板能够满足设计要求。 ( 2 ) 斜支承：由三部分构成，共同承担斜板传来的载荷： m 2 = 了1 2 4 2 5 0 0 6 8 = 5 5 k n m 选用材料为：槽钢1 6 b a = 2 5 1 5 c m 2 帆= 4 7 6 c m 4q 2 3 5i f = 2