冷热工艺 文章编号：１００７４０３４（２０１４）０５－００１４－０３ 机车车辆工艺 第５期２０１４年１０月 ＤＯＩ：１０．１４０３２／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７４０３４．２０１４．０５．００６ ２００ ｔ专用平车大底架结构强度设计 程 畅 （常州轻工职业技术学院，江苏常州２１３１６４） 摘 要：２００ ｔ专用平车是企业为在内线运输大型宽厚钢板而设计制造的自备重型机械运输车辆， 大底架的结构设计是总体方案设计的关键。运用力学知识与间接经验对大底架的关键部件（侧 梁、中梁）的结构进行了初步的设计，并通过试算法计算车辆在运行极限工况下，侧、中梁的强度与 刚度．为后续运用现代设计方法进行强度校核及试验鉴定奠定基础。 关键词：２００ ｔ专用平车；大底架；结构强度 中图分类号：Ｕ２７２．３；Ｕ２７０．３２ 文献标识码：Ｂ １ 概述 ２００ ｔ专用平车是为矿山、钢铁等企业在内线运 输大型设备、机器、钢板、钢锭等而设计制造的企业 自用重型机械运输专用平车（图１）。该车为全钢焊 接结构，全车由１个大底架、２个小底架、４组ＳＬＺ０１ 型２Ｇ轴转向架、２套ＧＫ型制动装置以及车钩缓冲 分利用自身的设计经验和知识积累对关键零部件 （如大底架的中、侧梁）进行力学分析与强度设计， 粗略估算，设计基本结构，正确选择材料与型号，确 定总体方案，并行设计，然后通过相关软件进行强度 校核及完成后的试验运用考验。 装置组成。根据供货合同规定，车辆供标准铁路轨 距使用，载重为２００ ｔ，大底架长宽约２５ ０００ ｍｍ×３ ３００ ｍｉｔｔ＿，最大运行速度为４０ ｋｍ／ｈ，通过最小曲线半 径为１２０ ｍ。 图１ ２００ ｔ专用平车成品图 整体方案的设计将大底架的结构设计放在首 ２大底架的结构与强度估算 ２．１ 中、侧梁力学模型的建立 位。根据以往的设计经验及参考同类相近吨位产品 （如１００ ｔ、１８０ ｔ、２３０ ｔ专用平车的设计等）的设计思 路，采用４组成熟技术的ＳＬＺ０１型２Ｇ轴转向架，轴 重约３５ ｔ，Ｇ轴轮对重１４０７ ｋｇ，转向架弹簧总刚度 根据设计经验及材料采购渠道，大底架的关键 部件中梁与侧梁一般均采用２根Ｈ型钢、１块上盖 板以及１块下盖板组焊成封闭箱形鱼腹梁（如图２、 图３所示）。在２００ ｔ载重均布载荷的作用下，可将 大底架简化为双跨梁模型（如图３所示），其所受应 ２０．８１ ｋＮ／ｍｍ，这就要求车辆自重不得超过８０ ｔ。 大底架一般由中梁、侧梁、枕梁、端梁、主横梁、辅助 横梁、金属地板及方钢组成。对主要承载梁的中梁 与侧梁的结构与强度设计是总体设计的关键。现代 强度设计的方法很多，如应用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ自带的 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ或ｉｎｖｅｎｔｏｒ进行力学分析、应用ＡＮＳＹＳ软 件进行有限元分析、应用Ｉ—ＤＥＡＳ软件的Ｓｉｍｕｌａ． 力Ｒ、弯矩 及剪力Ｑ图如图４所示¨ ，其中侧梁 支座反力为： 。＝Ｒ ＝÷ Ｑ （１） ｔｉｏｎ模块进行强度分析等，但它们更多地用于整车 设计完成后对关键部件（如大底架、小底架）进行的 强度校核，找出薄弱环节，并进行整改。由于供货周 中梁支座反力为： Ｒ ＝÷ｑｚ 叶 （２） 公式（１）中：Ｒ。、 为两侧梁支座反力、集中载 期较短，设计时间不充裕，这就要求总体设计人员充 收稿日期：２０１３—０７—２１ 作者简介：程１４ 荷，Ｎ；ｑ为车辆垂向总载荷作用下的侧梁所受均布 载荷，Ｎ／ｍｍ。公式（２）中：Ｒ 为中梁支座反力、集 中载荷，Ｎ；ｑ为车辆垂向总载荷作用下的中梁所受 畅（１９７０一），男，副教授，本科。 程 畅２００ ｔ专用平车大底架结构强度设计 均布载荷，Ｎ／ｍｍ。公式（１）和公式（２）中的Ｚ为侧 梁与中梁间距，ｍｍ。 图２中、侧梁纵向示意图 图３中、侧梁端向截面示意图 ２．２ 中、侧梁支座反 力的计算 由于２００ ｔ专用平 车在实际装载中不进 行驼峰调车作业，因此 分析时仅参照ＴＢ／Ｔ １３３５—１９９６第一工况 进行。对于侧梁只考 虑垂向总载荷与侧向 力（一般取垂向静载荷 图４大底架受力图 的１０％）所产生的应力相加其和不得大于第一工况 的许用应力 。垂向总载荷ｑ 等于垂向静载荷 ｑ静与垂向动载荷ｑ动之和，垂向静载荷ｑ静包括自 重、载重和整备重量。对于大底架来说，垂向静载荷 由２００ ｔ载重与大底架自重组成（根据车辆最大自 重小于８０ ｔ估算，大底架最大自重不超过４５ ｔ）；垂 向动载荷Ｑ动由垂向静载荷ｑ静乘以垂向动载荷系 数而定，垂向动荷系数按式（３）计算 ： Ｋ卉＝（０＋ｂｙ） ＋ｄｃ似 （３） 式中：ｏ、ｂ、ｃ、ｄ为系数； 为车辆构造速度，ｋｍ／ ｈ；． 为车辆在垂向静载荷下的弹簧静挠度。 根据经验，０取１．５，ｂ取０．０５，Ｃ取０．４２７，ｄ取 １．６５， ＝４０ ｋｍ／ｈ， 等于ｑ簧上（车辆自重与载重之 和减去８个轮对重量）与４组转向架弹簧总刚度ｃ 之比，即： ： ． ４Ｃ （４）、 计算得出ｆｊ＝３１．６４ｍｍ，车辆垂向动荷系数ｋ ＝ ０．２３６；再根据式（１）、式（２）可算出，侧梁支座反力 Ｒｏ＝Ｒ口＝６１３７２５ Ｎ，中梁支座反力ＲＡ＝１８９２６２ Ｎ。 ２．３侧梁横截面结构的设计与估算 根据侧梁的受力情况，可将之视为垂直均布载 荷ｑ 作用下的外伸梁模型（如图２所示），力学分析 表明，侧梁中央截面上的弯矩Ｍ（Ｎ・ｍｍ）最大，可利 用公式（５）计算 ： ，７．Ｌ ， ＝ …‘ｔ （ 一÷）二 （５） 其中侧梁支座处（鱼腹短边） 口，己 …１＝ …２＝一二 （６） 厶 式中：ｑ。为侧梁支座反力尺。、 作用下的均布 载荷，Ｎ／ｍｍ；Ｌ为车辆大底架长度，ｍｍ；Ｌ 为大底纵 向端面与心盘间距，ｍｍ；Ｌ 为两心盘间距，ｍｍ。 结构尺寸的初步设计通常采用试算法。设计侧 梁组成由２根Ｈ型钢、１块上盖板以及１块下盖板 组焊而成，其中，上盖板厚１０ ｍｍ，宽５００ ｍｍ，下盖 板厚１２ ｍｍ，宽５００ ｍｍ，Ｈ型钢中心距为３５０ ｍｍ （如图３所示）。Ｈ型钢材料选用Ｑ３４５，ｏｒ ＝３４５ ＭＰａ，参照ＴＢ／Ｔ １３３５—１９９６第一工况进行，［ ］＝ Ｐａ。由式（７） （７） 可求得侧梁组成中央抗弯截面模数最少为 Ｗｘｍｉｎ＝３９０７ ｅｍ ，鱼腹短边处Ｗｘ。…＝６９６ ｅｍ 。在 暂不考虑上、下盖板的影响下，根据《马钢热轧Ｈ型 钢产品规格目录》可粗选Ｈ型钢规格为：ＨＮ４００ ｍｍ Ｘ ２００ ｍｍ×８ ｍｍ×１３ ｍｍ，其中Ｗｘ＝１１９０ ｅｍ 、， ＝ ２３７００ ｅｍ 。依照材料力学惯性矩平行移轴计算方 法求两盖板的截面模数 …： ，平移＝，＋０ Ａ，Ｗ＝ｌ／ｅ （８） Ｌ Ｌ３ 式中：，为实心矩形截面惯性矩 ，ｅｍ ；ｏ为盖 上 板中心至 轴的距离，ｅｍ；Ａ为盖板的面积，ｅｍ ；ｅ 为形心到边缘的距离，ｅｍ。 计算得到上、下盖板截面模数之和为２００１ ｃｍ ， 再加上２根Ｈ型钢的截面模数总数为４３８１ ｅｍ ，大 于Ｗｘ…＝３９０７ ｅｍ。，满足受载工况下中央截面的最 低抗弯截面模数要求。 利用同样的方法可设定鱼腹短边的高度Ｈ＝ ２０ｃｍ，其中ＨＮ型钢腹板切割压短后的Ｈ截面的截 面模数 （ｃｍ ）可利用参照式（９）计算¨Ｊ： １５ 冷热工艺 ＝ （９） 式中：日为型钢截面外高，ｃｍ；ｈ为型钢截面内 高，ｃｍ；Ｂ为型钢截面翼板宽，ｃｍ；ｂ为型钢截面翼板 宽度减去腹板的宽度，ｃｍ。 ２．４侧梁刚度校核 侧梁组成的截面结构及相关尺寸粗定后，在满 足强度条件的情况下，还必须满足刚度条件。即在 均布载荷的作用下，对于长大平车刚度条件为 ： 芒≤ｆ １ （ 对于标准长度的平车： ≤， １ ）（ １０） 其中 ＝一 （ 一篆） （１１） 式中 为侧梁组成在总垂直均布载荷作用下 的中央最大挠度（如图２所示）（ｍｍ），Ｌ，为大底架 纵向端面与心盘间距，ｍｍ；Ｌ 为车辆定距（ｍｍ）。 其中，侧梁钢材的弹性模量Ｅ＝２０６×１０ ＭＰａ，，为 侧梁组成截面总的惯性矩６４２１３×１０ ｍｍ ，Ｌ ＝ ３５００ ｍｍ，Ｌ２＝１８０００ ｍｍ，ｇ１＝Ｒ０／ 。 计算得出， ＝２０７．６ ｍｍ远大于７２ ｍｍ，表明侧 梁组成强度有余而刚度严重不足，需要重新设定各 结构的尺寸与型号。按照上述的方法与步骤，经重 新设计与计算，侧梁两ＨＮ钢选用ＨＮ６００ ｍｍ×２００ ｍｍ×１１ ｍｍ×１７ ｍｍ规格，Ｗｘ＝２６１０ ｃｍ 、Ｉ ＝ ７８２００ ｃｍ ，上、下盖板厚改为１２ ｍｍ与１８ ｍｍ，鱼腹 短边高度为２５０ ｍｍ，加上１０ ｍｍ地板，满足在车辆 最大运行载荷作用下侧梁的强度与刚度要求。 ２．５ 中梁横截面结构的设计与刚度校核 中梁横截面结构的设计与刚度校核可参照侧梁 执行，可估算出中梁的基本结构及尺寸为：两ＨＮ钢 选用ＨＮ７００ ｍｍ×３００ ｍｍ×１３ ｍｍ×２４ ｍｍ规格， 上、下盖板厚为１２ ｍｍ与１８ ｍｍ。特别说明的是应 用式（７）计算中梁的抗弯截面系数时，应参照公式 （１２）执行 ： ＰＭ＝ ＋ ≤［ ］，其中［ ］＝０．６２５ｔｒ ｓ （１２） 式中： 为作用在中梁上的应力，ＭＰａ；Ｐ为作 用在中梁上的垂向总载荷，Ｎ；Ａ为中梁横截面积， ｍｍ ；Ｍ为作用在中梁上的扭转载荷Ｎ・ｍｍ；Ｗ为中 梁横截面中性轴抗弯截面系数，ｍｍ。；ｏｒ。为中梁材料 屈服强度，ＭＰａ。 大底架的关键部件中侧梁的基本结构与尺寸设 计完成后，再根据已有方案确定其他梁如枕梁、端 ｌ６ 机车车辆工艺 第５期２０１４年１０月 梁、主横梁、辅助横梁等的结构与尺寸。为了确保设 计的正确性，还必须运用现代设计软件（如ＡＮＳＹＳ、 Ｉ—ＤＥＡＳ等）模拟在运用极限工况的条件下大底架 的强度与刚度能否满足使用要求。实际情况表明， 大底架各种计算工况的最大当量应力均小于其材料 的许用应力值。 ３ 试验 采用位移传感器测试位移，兼用拉线法作参照。 大底架在２００ ｔ均布载荷（２００ ｔ／２５ ｉｎ）和自重共同 作用下的刚度试验结果见表１。大底架均布加载 ２００ ｔ，静置４８ ｈ延时挠度测量中，未发现有明显的 随时间而增加的变形。由表１可知，底架刚度可以 满足运用要求 。 表１刚度试验 ４运用考验 该车自投入运营８年以来，至今没有收到用户 反馈的有关质量问题。车辆能安全通过Ｒ１２０ｍ的 最小曲线半径，大底架无重载、集载引起的永久变 形，车辆运用状态良好，深受用户的好评。 ５ 结束语 运用工程力学、材料力学知识及同类产品的间 接经验设计出类似大底架关键部件的总体结构及尺 寸是总体方案设计师必备的技能，也是一种选择。 在激烈的市场竞争中，新产品的单件小批量加上较 短的生产周期要求设计人员优化设计方法。在运用 现代设计方法（如运用ＡＮＳＹＳ软件对关键部件结构 进行有限元分析）之前尽量设计出合理的方案，避 免重复返工整改而耽误生产进度。 参考文献： ［１］闻邦椿．机械设计手册（第５版）第１卷［Ｍ］．北京：机械工业出 版社．２０１０．１． ［２］ＴＢ／Ｔ Ｉ３３５—１９９６，铁道车辆强度设计及试验鉴定规范［Ｓ］． ［３］张学飞，程畅．２００ｔ专用长大平车［Ｊ］．铁道车辆，２００５．４３（９）： ２８． ■ （编辑：施翠燕）
