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铁路货车车体抛丸台车的设计

文章出处:www.sdpaowanji.com人气:737发表时间:2018-07-11

  摘要:根据抛丸工序对车体抛丸台车的设计要求, 对设计方案的选择、要解决的问题、结构设计进行了分析和总结, 并介绍了构架强度有限元分析的方法。通过采取有效措施, 使车体抛丸台车完全满足使用要求, 并达到了优化的效果。

  1 问题的提出

  中车贵阳车辆有限公司铁路货车厂修的品种有敞车、棚车、平车、罐车、漏斗车、长大货物车等。厂修的工序为:入厂检查→车体、转向架、车钩缓冲装置、制动装置的分解→车体抛丸除锈→分别检修和组装车体、转向架、车钩缓冲装置、制动装置→整车油漆→用油漆喷车辆标记→制动试验→整车检查。其中车体抛丸除锈工序是将车体 (已与转向架等部件分离) 送入抛丸室, 用抛丸机对车体各面抛打钢丸, 起到车体表面除锈的作用, 这道工序必须使用专用台车进行车体转运, 专用台车是根据抛丸工序的要求设计制造的, 也称为车体抛丸台车, 现对该台车的设计进行分析。

  此前, 用于抛丸工序的台车是采用报废的转8A型或转K2型转向架 (见图1) [1], 因抛丸台车不需要基础制动装置, 故在使用前已将其拆除。

图1 报废的转K2型转向架 (已拆除基础制动装置)

  图1 报废的转K2型转向架 (已拆除基础制动装置)

  在使用过程中, 发现了以下问题: (1) 为了改善抛丸效果, 对抛丸室进行了技术改造, 改造后的情况是车体移至抛丸室的固定位置时, 在车体侧面、底部安排了抛头, 从各方向对车体抛丸。为了抛到车体底部, 要将车体抬高; (2) 台车的移动除了靠卷扬机牵引外, 有的场合是用人工推动, 而报废的台车质量较重, 比较费力; (3) 由于报废的转8A型或转K2型转向架轮轴及承载鞍等零件外面没有设防护罩, 历经长时间的抛丸后, 铁砂会打进这些精密部位, 造成这些零件的损坏, 日积月累, 推动台车很费劲; (4) 台车轴距较长, 为1 750 mm, 总长为2 650 mm, 台车所占轨道长度较长; (5) 转8A型转向架长度方向的最外端是车轮, 造成台车之间车轮的碰撞, 为了解决这一问题, 在侧架外侧加焊了防撞型钢板, 但增加了台车的长度尺寸, 使存车位置更加紧张。

  分析上述问题, 认为直接采用报废的转向架效果不理想, 决定重新设计制造车体抛丸台车。在设计时, 要满足以下要求: (1) 车体落在台车上时定位可靠、方便; (2) 解决将车体抬高的问题; (3) 用人工推动时省力、方便; (4) 方便用卷扬机牵引; (5) 尽量减少占轨道的长度; (6) 防止钢丸击打轴承等部位; (7) 防止在使用过程中构架相关部位被钢丸长期击打造成壁厚减薄; (8) 制造简便、节省费用。

  2 方案设计

  2.1 支撑方式的选择

  分析铁路货车车体结构[2], 参考类似的车体检修制造装备的定位方式, 车体抛丸台车可以采取以下几种支撑方式:支撑侧梁、上旁承、中梁和上心盘, 对这几种方式做了方案设计, 并进行分析和比较。

  (1) 支撑侧梁方案 (见图2) 。按此方案设计后做出的台车, 用厂修车做了试验, 效果不理想。主要问题是:在车辆纵向没有定位装置, 不易固定;不同车型2个侧梁间的距离不一致;有的车型没有侧梁, 如部分罐车、漏斗车等。

图2 支撑侧梁方案

  图2 支撑侧梁方案

  (2) 支撑上旁承方案 (见图3) 。此前有车体检修工艺装备中的移动台车采用此方式。这种方式的主要问题是如果横向和纵向的定位距离过大, 在移车时车体固定不好, 如果距离过小, 车体落台车时比较费劲。

  (3) 支撑中梁方案 (见图4) 。采用这种方式, 用中梁内侧面的定位过于精确, 且纵向挡板与中梁内部结构的关系不易观察, 所以, 车体落台车时比较费劲。

图3 支撑上旁承方案

  图3 支撑上旁承方案

  (4) 支撑上心盘方案 (见图5) 。这种方式与标准转向架相同, 为了简化结构, 将下心盘改为平板, 如在厂内慢速运行, 没有问题。落车时将中心销插入上心盘的孔中, 定位可靠。在车体垫高铸件两侧有辅助支撑, 支撑在枕梁下部、上旁承内侧, 起到旁承的作用。

图4 支撑中梁方案  图5 支撑上心盘方案

  图4 支撑中梁方案  图5 支撑上心盘方案

  比较以上4种方式, 采用标准转向架的方式为最优, 故决定采用支撑上心盘方案。

  2.2 轮轴的选择

  在设计时, 考虑过2种方案, 一是采用小直径车轮, 重新设计车轴、轴承座和选用轴承, ;二是采用报废的转向架轮轴和承载鞍。经分析认为:用人力推台车时, 推大车轮更方便, 且采用报废件比重新设计制作新零件更节省, 所以决定采用报废的转向架轮轴和承载鞍。

  2.3 构架方式的选择

  构架方式有2种方案可选择, 一是采用报废的摇枕、侧架, 另一种是重新设计焊接构架。采用报废的摇枕、侧架方案, 台车的质量太大, 造成人推台车时费力, 比较后, 决定重新设计制造焊接构架, 如图6所示。

图6 构架

  图6 构架

  2.4 确定设计方案

  综合以上的分析结论, 对各部结构进行了完善, 确定了设计方案 (见图7) , 与图5的初步方案相比, 做了以下改进: (1) 改用报废的转向架轮轴和承载鞍; (2) 改进了构架的结构; (3) 改进了车体垫高铸件的结构:延长枕梁下部的2个辅助支撑的距离; (4) 在构架外侧增加了耐磨钢板; (5) 增加了用于卷扬机牵引的牵引钩。

  铝粉罐车车体落在车体抛丸台车上的情况如图8所示。

图7 确定的设计方案  图8 铝粉罐车车体落在车体抛丸台车上

  图7 确定的设计方案  图8 铝粉罐车车体落在车体抛丸台车上

  3 设计中解决的几个问题

  3.1 解决外侧板遭受钢丸击打的问题

  在进行车体抛丸时, 受钢丸击打最严重的是构架外侧板。随着使用时间的延长, 外侧板不断减薄, 构架承载能力下降, 对安全造成隐患。为此, 查找了耐磨钢板的牌号, 决定采用厚度为6 mm的NM450钢板安装在构架外侧板的外侧, 采用从上往下插入的方式, 用挡板及螺栓挡住, 可方便更换。

  3.2 解决轴承遭受钢丸击打的问题

  标准转向架的承载鞍及轴端结构是开放的, 如果用于抛丸工序, 是不能防止钢丸进入轴承等零件的。重新设计的车体抛丸台车在承载鞍及轴端结构外增加了防护罩, 防护罩下部采用开放结构, 使得罩内的异物不会存留。

  3.3 牵引方式

  在构架两侧各焊接1个牵引钩 (采用报废的货车零件) , 可通过卷扬机实现台车的牵引。

  3.4 解决台车之间的碰撞问题

  车体抛丸台车存放时都是在轨道上串联排列的, 为了避免台车之间的碰撞, 将构架的长度尺寸延长至超过车轮外径, 并在构架的端部焊上挡板, 对车轮起到了保护作用, 车体抛丸台车在轨道上的存放状态如图9所示。

图9 车体抛丸台车在轨道上的存放状态

  图9 车体抛丸台车在轨道上的存放状态

  4 构架强度分析

  车体抛丸台车的主要部件为报废的轮轴组件 (包括承载鞍) 和焊接构架, 由于要抛丸的车体均为空车, 载荷远小于投入运行的铁路货车, 所以, 报废轮轴组件的强度没有问题, 构架为重新设计制造, 需要对其进行强度分析。

  应用NX软件 (10.0中文版) 的设计仿真模块对构架进行静力学分析[3], 过程如下:

  (1) 在NX软件 (10.0中文版) 的建模模块中设计构架各零件后进行装配;

  (2) 进入设计仿真模块, 用NX NASTRAN DE-SIGN求解器进行结构分析, 选择“单元迭代求解器”, 新建算例:Solution 1;

  (3) 确定构架各零件的材质为Steel-Rolled (卷板, 软件中的可选材质, 与Q235A相当) ;

  (4) 采用3D四面体网格对构架各零件进行网格划分, 勾选“尝试自由映射网格划分”, 单元大小的选择与零部件复杂程度和计算机性能有关, 数字越小, 计算越精确, 但运算时间越长, 数字过小, 就会运行不通或得不出结果;

  (5) 选择“仿真对象类型”为“面对面粘连”, 指定“面对”的公差为0.2 mm;

  (6) 确定“约束类型”为“固定约束”, 指定4个导框顶面;

  (7) 确定“载荷类型”为“力”, 力的作用面为车体垫高铸件安装面, 力的幅值为100 000 N, 力的方向为指向车体垫高铸件安装面。力的大小在空车质量的基础上加一定的富余量, 按2个车体抛丸台车共承载20 t计算, 1个车体抛丸台车承载10 t。构架约束与载荷示意图如图10所示;

  (8) 求解, 计算后得到的应力云图如图11所示, 最大应力为93.71 MPa, 没有超过材料的屈服应力。最大变形为0.8 mm。计算结果说明有足够的安全裕量。

图1 0 构架约束与载荷  图1 1 构架应力云图

  图1 0 构架约束与载荷  图1 1 构架应力云图

  5 结语

  根据最终确定的最佳方案, 设计制造了样车, 试用后效果良好, 随后进行了批量制造, 共制造了120辆, 全部替换此前使用的报废转向架制作的台车。

  使用后反映较好, 具有以下优点: (1) 每个台车占轨道的长度由原来的2 650 mm缩小为2 150mm, 减少了500 mm。120辆台车共少占轨道60 m, 缓解了轨道紧张的矛盾; (2) 每个台车的质量由原来的4 200 kg减少为3 200 kg, 减少了1 000 kg, 推动台车较为省力; (3) 对报废轮轴进行检修、重新组装后, 保证每个轮轴都能灵活推动; (4) 用防护装置将轴承及承载鞍等部件保护起来, 杜绝了抛丸铁砂打入轴承, 造成推动台车费劲的情况; (5) 在构架侧板外增加了可更换的耐磨钢板, 解决了构架侧板被钢丸长期击打造成的壁厚减薄问题, 避免了安全隐患; (6) 设计时, 将构架长度方向的最外端超出车轮, 对车轮起到了保护作用; (7) 新制构架质量仅为730 kg, 节省了制造费用。

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