论文部分内容阅读
【摘要】：主要介绍出口澳大利亚平渣车的技术参数、结构、计算校核等。
【关键词】：平渣车；技术参数；结构；计算
1.概述
为满足澳大利亚铁路施工的需要，2009年7月，国内某公司根据与澳大利亚某公司的要求，为其研制生产了用于澳大利亚1435mm标准轨距铁路线路上进行平碴作业的平碴车。该车具有双向作业，即进行推进和倒退均可将道碴由中心迅速均匀向轨道两边推送功能。同时，作业时可以直接与机车联挂作业，非作业状态可以与其它车编组运行（编挂于车辆末端）。该项目于2010年1月完成方案设计并投入试生产，2010年9月完成样机制造。
2.主要技术参数
2.1 基本尺寸
两车钩中心线距离 14000mm
车辆定距 9840mm
车辆最大高度 3400mm
车辆最大宽度 3200mm
钩中心线距轨面高度（空车） 876mm±10m
2.2 主要性能参数
自重 31.6t
轴重 7.9t
作业速度 5-10km/h
最大平碴宽度 3070mm
插入道碴最大深度 150mm
限界： 满足TPI SK4图纸中的限界要求
2.3 主要运行条件
主线上最小曲线半径 800m
最小道岔曲线半径 287 m
最高运行速度（空车） 100km/h
空车运行最大坡度 1.5%
道碴的密度 1.5t/m3
环境温度 0°C～+50°C
轨距 1435mm
牵引方式 前拉后推
3.主要结构
该车主要由平碴车用车辆、平碴机构、钢轨清扫器、气动液压装置、配重箱、防雨棚等组成（见图1）。
图1 平砸车总图
1-车辆；2-气动液压装置；3-钢轨清扫器（1）；4-平渣机构；5-栏杆组成；6-钢轨清扫器（2）；7-吊座组成；8-配重箱；9-防雨棚
3.1 车辆
车辆主要由底架、ECP制动装置、手制动装置、底架附属件、车钩缓冲装置、转向架和安全门等部件组成。
3.1.1 底架
底架为无中梁全钢焊接结构，由牵引梁、侧梁、枕梁、大横梁、小横梁、端梁及地板等组成。牵引梁采用Q345高强度耐候钢组焊成箱形变截面的鱼腹形组焊结构，并采用C级铸钢心盘座、压入式上心盘及整体式冲击座；枕梁为上、下盖板、腹板组焊成的箱型结构；大横梁由上、下盖板、腹板焊接而成；小横梁由钢板压型为U型结构；端梁为10mm 钢板压型成倒L形结构；地板分为花纹钢板和钢板网两种结构，钢板网置于平碴机构上方，花纹钢板分别在配重箱两端。
3.1.2 ECP制动系统
ECP制动装置由空气和电气两部分组成，空气部分主要由EP60控制阀、风缸、组合式集成器、球芯端塞门、制动软管、三通和管路等组成；电气部分主要由端部接线盒、连接电缆和电路等组成。制动主管工作压力为620kPa。
3.1.3手制动装置
手制动装置主要由 BSW型手制动机、手制动拉杆组成、拉杆吊组成、滑轮、换向接头等组成。安装在车辆1位B端，作用于该端转向架上。BSW型手制动机具有制动、阶段缓解和快速缓解功能。
3.1.4车钩缓冲装置
车钩缓冲装置主要由“F”型固定车钩、SL-76型缓冲器、Y46AE型从板、Y47型尾销、Y45AE型铸造钩尾框和下作用式双钩提杆等组成。
3.1.5转向架
采用40t轴重变摩擦力减振装置铸钢三大件式转向架，主要由轮对组成、侧架组成、中央悬挂及减振装置、摇枕组成、TMX单元制动装置、轴承装置、承载鞍、轴箱悬挂系统、柔性对角连接装置、弹性旁承等组成。
3.1.6安全门
安全门主要由折叠梯、门插销、门、门柱、扶手、脚踏杆等组成。折叠梯采用调整插销位置更换不同使用状态，挂运时为折叠状态。
3.2平碴机构
平碴机构由犁片装置、安装座、三角架、导向装置、机械锁定装置、油缸等组成。平碴机构按车体中心对称的分为两部分，按照车行的方向选择相对应的平碴机构进行作业，每部分犁片的角度可以通过摆动油缸进行调节，从而实现轻松插入道碴。每片犁的犁头均由耐磨材料组成。
3.3钢轨清扫器
钢轨清扫器由导向座、导向销、锁定插销、限位板、导向板、清扫板、筋板、卡板、链环等组成。四组钢轨清扫器分别装于每台转向架前方小横梁处。
3.4气动液压装置
风动液压装置由风泵、液压油泵 、液压油箱及油箱附件 、控制阀组 、液压锁、工作油缸 、管路，软管及接头 、阀连接底板等组成。其中工作油缸分别由多路阀、单向节流阀控制。其液压系统由气动马达驱动液压泵做为整个液压系统动力源，通过各执行机构控制回路，实现各机构运转。
3.5配重箱
由盖板、立柱、侧板、加强筋等组成。
3.6防雨棚
由座板、棚顶、筋板等组成，整体为可拆卸结构。
4.计算校核
4.1车体静强度计算[1]
依照AAR M1001《货车设计制造规范》的要求，利用ANSYS 11.0有限元分析软件建立整车有限元模型，对平碴车车体进行了静强度计算分析。
在所考虑的基本、顶车、抬车和屈曲分析工况计算中，所得车体最大应力值为273.9MPa，出现边梁下盖板处，小于材料许用应力；在冲击工况下所得强度应力为349.4 MPa，出现枕梁处，小于材料强度极限。因此，该结果表明该车车体静强度满足车辆安全运行的要求，符合AAR M1001的规定要求。 4.2疲劳寿命分析计算[2]
依照AAR M-1001-97的要求，采用有限元软件对该车体进行有限元应力计算，估算平渣车车体在心盘载荷谱﹑车钩载荷谱及扭转载荷条件下的疲劳寿命。计算结果见表1。
表1 疲劳损伤及寿命计算结果，寿命单位：万公里
部位及S-N曲线构件号 500万公里（重空车里程各半）的损伤 疲劳寿命
垂直载荷谱D1 纵向载荷谱D2 扭转载谱D3
边梁上盖板与腹板连接处 0.01 0 0 17026
牵引梁下盖板拼接处焊缝 0 0.01 0 14408
前后从板座间牵引梁腹板与下盖板连接处 0 0.02 0 7746
边梁下盖板与腹板连接处 0 0.07 0 2291
横梁与地板连接处 0 0 0.03 6139
以上数据表明：边梁下盖板与腹板连接处在纵向载荷下的疲劳损伤较大，按T型接头接头估算出的疲劳寿命为2291万公里，满足160万公里设计寿命的要求。
4.3动力学计算[3]
该车动力学性能是按照澳大利亚铁路行业标准ROA MANUAL-VOLUME 1-3规定，对该车在直线上的蛇行运行稳定性、线路扭曲条件下的车轮增、减载情况及轮轨间的相互动作用力进行计算与分析。
4.3.1蛇行运动分析仅考虑车辆的空载工况。在试验和计算机仿真中，线路条件采用AAR 5级，车辆仿真分析速度从40km/h开始，速度最高为车辆设计速度的110%。从仿真结果可知：在110km/h速度时，车体横向加速度最大值为0.4733g，横向加速度均值为0.3162g；车体垂向加速度最大值为0.7832g，垂向加速度均值为0.3895g。车体加速度均在ROA标准的限度之内，表明该平碴车的抗蛇行运动稳定性满足运用要求。
4.3.2采用所建立的动力学模型，对空车工况下车轮的减载率进行分析计算。按ROA标准要求
在一般扭曲线路和组合扭曲线路工况条件下，计算所得第四轮对外侧车轮最小轮重的减载率分别为0.356和0.459，均小于车轮的减载率许用值0.6，表明该车在缓和曲线上的运行安全性符合ROA标准的要求。
4.3.3 轮轨垂向相互作用力主要有高频作用力P1和中低频作用力P2。在此，对该车进行P2力分析时，轨道参数采用wos01_100中线路等级下的相关数值进行；并采用JenKins简化算法对其进行计算，所采用的公式如下：
式中：
—车轮的静载荷（kN）；
—轨道低接头角度（rad）；
—车辆运行速度（m/s）；
—簧下质量（kg）；
—等效轨道质量（kg）；
—等效轨道刚度（MN/m）；
—等效轨道阻尼（kN.s/m）。
在线路等级1XC、1X和1C的条件下，车辆速度为80km/h时，出现最大轮轨低频作用力值为111.04 kN，符合标准ROA的要求。
综上所述，该车在100km/h速度范围内动力学性能完全满足标准ROA的相应要求。
5. 结束语
2010年11月，该平碴车在澳大利亚铁路新线建设中投入运用试验。经过3年的运行，证明该平渣车设计结构合理，运行情况良好，达到了产品设计要求。
【参考文献】：
[1] 南车长江车辆有限公司 FMG平碴车车体静强度分析[R] 2009
[2] 南车长江车辆有限公司 FMG平碴车车体结构疲劳寿命分析报告[R] 2009
[3] 南车长江车辆有限公司 FMG平碴车动力学性能计算分析报告[R] 2010
【关键词】：平渣车；技术参数；结构；计算
1.概述
为满足澳大利亚铁路施工的需要，2009年7月，国内某公司根据与澳大利亚某公司的要求，为其研制生产了用于澳大利亚1435mm标准轨距铁路线路上进行平碴作业的平碴车。该车具有双向作业，即进行推进和倒退均可将道碴由中心迅速均匀向轨道两边推送功能。同时，作业时可以直接与机车联挂作业，非作业状态可以与其它车编组运行（编挂于车辆末端）。该项目于2010年1月完成方案设计并投入试生产，2010年9月完成样机制造。
2.主要技术参数
2.1 基本尺寸
两车钩中心线距离 14000mm
车辆定距 9840mm
车辆最大高度 3400mm
车辆最大宽度 3200mm
钩中心线距轨面高度（空车） 876mm±10m
2.2 主要性能参数
自重 31.6t
轴重 7.9t
作业速度 5-10km/h
最大平碴宽度 3070mm
插入道碴最大深度 150mm
限界： 满足TPI SK4图纸中的限界要求
2.3 主要运行条件
主线上最小曲线半径 800m
最小道岔曲线半径 287 m
最高运行速度（空车） 100km/h
空车运行最大坡度 1.5%
道碴的密度 1.5t/m3
环境温度 0°C～+50°C
轨距 1435mm
牵引方式 前拉后推
3.主要结构
该车主要由平碴车用车辆、平碴机构、钢轨清扫器、气动液压装置、配重箱、防雨棚等组成（见图1）。
图1 平砸车总图
1-车辆；2-气动液压装置；3-钢轨清扫器（1）；4-平渣机构；5-栏杆组成；6-钢轨清扫器（2）；7-吊座组成；8-配重箱；9-防雨棚
3.1 车辆
车辆主要由底架、ECP制动装置、手制动装置、底架附属件、车钩缓冲装置、转向架和安全门等部件组成。
3.1.1 底架
底架为无中梁全钢焊接结构，由牵引梁、侧梁、枕梁、大横梁、小横梁、端梁及地板等组成。牵引梁采用Q345高强度耐候钢组焊成箱形变截面的鱼腹形组焊结构，并采用C级铸钢心盘座、压入式上心盘及整体式冲击座；枕梁为上、下盖板、腹板组焊成的箱型结构；大横梁由上、下盖板、腹板焊接而成；小横梁由钢板压型为U型结构；端梁为10mm 钢板压型成倒L形结构；地板分为花纹钢板和钢板网两种结构，钢板网置于平碴机构上方，花纹钢板分别在配重箱两端。
3.1.2 ECP制动系统
ECP制动装置由空气和电气两部分组成，空气部分主要由EP60控制阀、风缸、组合式集成器、球芯端塞门、制动软管、三通和管路等组成；电气部分主要由端部接线盒、连接电缆和电路等组成。制动主管工作压力为620kPa。
3.1.3手制动装置
手制动装置主要由 BSW型手制动机、手制动拉杆组成、拉杆吊组成、滑轮、换向接头等组成。安装在车辆1位B端，作用于该端转向架上。BSW型手制动机具有制动、阶段缓解和快速缓解功能。
3.1.4车钩缓冲装置
车钩缓冲装置主要由“F”型固定车钩、SL-76型缓冲器、Y46AE型从板、Y47型尾销、Y45AE型铸造钩尾框和下作用式双钩提杆等组成。
3.1.5转向架
采用40t轴重变摩擦力减振装置铸钢三大件式转向架，主要由轮对组成、侧架组成、中央悬挂及减振装置、摇枕组成、TMX单元制动装置、轴承装置、承载鞍、轴箱悬挂系统、柔性对角连接装置、弹性旁承等组成。
3.1.6安全门
安全门主要由折叠梯、门插销、门、门柱、扶手、脚踏杆等组成。折叠梯采用调整插销位置更换不同使用状态，挂运时为折叠状态。
3.2平碴机构
平碴机构由犁片装置、安装座、三角架、导向装置、机械锁定装置、油缸等组成。平碴机构按车体中心对称的分为两部分，按照车行的方向选择相对应的平碴机构进行作业，每部分犁片的角度可以通过摆动油缸进行调节，从而实现轻松插入道碴。每片犁的犁头均由耐磨材料组成。
3.3钢轨清扫器
钢轨清扫器由导向座、导向销、锁定插销、限位板、导向板、清扫板、筋板、卡板、链环等组成。四组钢轨清扫器分别装于每台转向架前方小横梁处。
3.4气动液压装置
风动液压装置由风泵、液压油泵 、液压油箱及油箱附件 、控制阀组 、液压锁、工作油缸 、管路，软管及接头 、阀连接底板等组成。其中工作油缸分别由多路阀、单向节流阀控制。其液压系统由气动马达驱动液压泵做为整个液压系统动力源，通过各执行机构控制回路，实现各机构运转。
3.5配重箱
由盖板、立柱、侧板、加强筋等组成。
3.6防雨棚
由座板、棚顶、筋板等组成，整体为可拆卸结构。
4.计算校核
4.1车体静强度计算[1]
依照AAR M1001《货车设计制造规范》的要求，利用ANSYS 11.0有限元分析软件建立整车有限元模型，对平碴车车体进行了静强度计算分析。
在所考虑的基本、顶车、抬车和屈曲分析工况计算中，所得车体最大应力值为273.9MPa，出现边梁下盖板处，小于材料许用应力；在冲击工况下所得强度应力为349.4 MPa，出现枕梁处，小于材料强度极限。因此，该结果表明该车车体静强度满足车辆安全运行的要求，符合AAR M1001的规定要求。 4.2疲劳寿命分析计算[2]
依照AAR M-1001-97的要求，采用有限元软件对该车体进行有限元应力计算，估算平渣车车体在心盘载荷谱﹑车钩载荷谱及扭转载荷条件下的疲劳寿命。计算结果见表1。
表1 疲劳损伤及寿命计算结果，寿命单位：万公里
部位及S-N曲线构件号 500万公里（重空车里程各半）的损伤 疲劳寿命
垂直载荷谱D1 纵向载荷谱D2 扭转载谱D3
边梁上盖板与腹板连接处 0.01 0 0 17026
牵引梁下盖板拼接处焊缝 0 0.01 0 14408
前后从板座间牵引梁腹板与下盖板连接处 0 0.02 0 7746
边梁下盖板与腹板连接处 0 0.07 0 2291
横梁与地板连接处 0 0 0.03 6139
以上数据表明：边梁下盖板与腹板连接处在纵向载荷下的疲劳损伤较大，按T型接头接头估算出的疲劳寿命为2291万公里，满足160万公里设计寿命的要求。
4.3动力学计算[3]
该车动力学性能是按照澳大利亚铁路行业标准ROA MANUAL-VOLUME 1-3规定，对该车在直线上的蛇行运行稳定性、线路扭曲条件下的车轮增、减载情况及轮轨间的相互动作用力进行计算与分析。
4.3.1蛇行运动分析仅考虑车辆的空载工况。在试验和计算机仿真中，线路条件采用AAR 5级，车辆仿真分析速度从40km/h开始，速度最高为车辆设计速度的110%。从仿真结果可知：在110km/h速度时，车体横向加速度最大值为0.4733g，横向加速度均值为0.3162g；车体垂向加速度最大值为0.7832g，垂向加速度均值为0.3895g。车体加速度均在ROA标准的限度之内，表明该平碴车的抗蛇行运动稳定性满足运用要求。
4.3.2采用所建立的动力学模型，对空车工况下车轮的减载率进行分析计算。按ROA标准要求
在一般扭曲线路和组合扭曲线路工况条件下，计算所得第四轮对外侧车轮最小轮重的减载率分别为0.356和0.459，均小于车轮的减载率许用值0.6，表明该车在缓和曲线上的运行安全性符合ROA标准的要求。
4.3.3 轮轨垂向相互作用力主要有高频作用力P1和中低频作用力P2。在此，对该车进行P2力分析时，轨道参数采用wos01_100中线路等级下的相关数值进行；并采用JenKins简化算法对其进行计算，所采用的公式如下：
式中：
—车轮的静载荷（kN）；
—轨道低接头角度（rad）；
—车辆运行速度（m/s）；
—簧下质量（kg）；
—等效轨道质量（kg）；
—等效轨道刚度（MN/m）；
—等效轨道阻尼（kN.s/m）。
在线路等级1XC、1X和1C的条件下，车辆速度为80km/h时，出现最大轮轨低频作用力值为111.04 kN，符合标准ROA的要求。
综上所述，该车在100km/h速度范围内动力学性能完全满足标准ROA的相应要求。
5. 结束语
2010年11月，该平碴车在澳大利亚铁路新线建设中投入运用试验。经过3年的运行，证明该平渣车设计结构合理，运行情况良好，达到了产品设计要求。
【参考文献】：
[1] 南车长江车辆有限公司 FMG平碴车车体静强度分析[R] 2009
[2] 南车长江车辆有限公司 FMG平碴车车体结构疲劳寿命分析报告[R] 2009
[3] 南车长江车辆有限公司 FMG平碴车动力学性能计算分析报告[R] 2010