組合站臺鋁合金道面防滑條設計理論和方法

王美麗，曾運清，申雪靜，辛 昕，張瑞鵬

(1.軍事交通學院 基礎部，天津300161;2.軍事交通學院聯合投送系，天津300161)

組合站臺具有結構簡單、作業人員少、架設速度快等特點，對于提高鐵路輸送快速裝卸載能力具有十分重要的意義。但是，在通載履帶車輛時，其道面防滑條存在著磨損破壞、斷裂，甚至脫落的現象，這在一定程度上影響和制約了履帶裝備的通行安全和快速裝卸載。因此，需對鋁合金站臺道面(以下簡稱“鋁合金道面”)的防滑耐磨技術進行研究。本文在調研鋁合金道面通載履帶裝備打滑、嚴重磨損現象的基礎上，運用有關力學理論對防滑條受力進行分析計算，提出提高鋁合金道面通載履帶裝備防滑耐磨性能的方法和措施。這對提高鋁合金道面通載履帶裝備時的防滑耐磨性能、降低維護費用、實現履帶裝備的通載安全和快速機動具有一定的參考作用。

1 鋁合金道面防滑條結構

目前制式運輸保障裝備器材通行道面材質以鋼質和鋁合金材質為主，防滑耐磨措施主要是采用防滑條。防滑條就是在道面上采用焊接、黏接或由道面材料擠壓成型的方法形成的，具有防滑和防護作用的條塊結構，其中以焊接(有的為點焊，有的為滿焊;防滑條有的為分段式結構，有的為整體式結構)方法較為常用。這種防滑條結構通過履帶與防滑條的“咬合”力來達到防滑目的。

本文研究的某型組合站臺，其道面材質為鋁合金材質，在站臺道面上設計了“V”字形分段式防滑條(如圖1所示)，礎板、搭板上分別設計了“一”字形、“W”字形防滑條(如圖2所示)。所有防滑條均采取間斷焊接形式。

圖1 組合站臺鋁合金道面防滑條

圖2 組合站臺搭板與礎板防滑條

2 履帶裝備對鋁合金道面防滑條作用力分析

通載狀態下，鋁合金站臺與鐵路平車間既有一定的搭設坡度，又有一定的水平夾角。履帶車輛在站臺上勻速行駛時需要轉向，轉向時履帶凸肋對站臺道面的作用力最大，即對防滑條的磨損破壞最為嚴重。這與實車通載時站臺道面防滑條的磨損破壞情況相一致。因此，選取履帶車輛轉向工況時對防滑條的磨損進行計算分析。以鋁合金站臺實施通載某型坦克為例，進行相關數據的計算與分析。

2.1 履帶裝備轉向時對防滑條的作用力

履帶裝備在站臺上轉向時一般采用制動轉向，即一側履帶轉動，另一側原地不動。在分析轉向過程中履帶對站臺道面的切向力時，不能將兩側履帶看作一個質點，可以根據質點系的達朗貝爾原理，構建動力學方程來求解。履帶車輛的轉向平面如圖3所示，O為轉向中心，O'為履帶的幾何接地中心，以O'為原點建立與車身固接的直角坐標系x'y'z'，x'O'y'平面與路面重合，z'軸垂直于坡道面向上。

圖3 履帶式車輛轉向平面

運用力的簡化原理，將路面對履帶式車輛的作用力都標于相應側履帶的接地中心位置，Flx'、Fly'、Flz'、Mlx'、Mlz'分別為簡化到車輛左側履帶接地中心的力和力矩，Frx'、Fry'、Frz'、Mrx'、Mrz'分別為簡化到車輛右側履帶接地中心的力和力矩，此處暫不細分來自地面的阻力和牽引力，并假定它們都簡化到相應側履帶的接地中心(如圖4所示)。圖中，慣性力 Fgy'= － macy'，Fgz'= －macz'，慣性力矩式中:m為整車質量;Jz'為整車繞通過O'點的 z'軸的轉動慣量;acy'、acz'分別為車輛質心沿y'、z'軸的絕對加速度;z'是車輛繞z'軸轉動的角加速度。

圖4 履帶受力分析

對于斜坡上轉向的履帶式車輛來說，實際運動為空間復合運動，選擇動系x'y'z'為參考坐標系，建立包括3個移動和3個轉動在內的6個動力學方程，其目的是根據履帶式車輛的運動求需要施加的力或力矩。

式中:Gx'、Gy'、Gz'分別為整車質量沿 x'、y'、z'軸分量;x'c、y'c、z'c分別為質心 C 在 x'y'z'坐標系的坐標;B為坦克履帶中心距。

作以下3個假設:

(1)履帶車輛在幾何上關于其縱向、橫向平面對稱，質心在x'O'y'平面上的投影和車輛平面幾何中心重合;

(2)由于站臺搭設坡度僅為7°，可以忽略壓力中心和轉向極的縱向偏移，而把法向負荷分布及橫向阻力分布仍然按矩形分布考慮;

(3)轉向時忽略高速履帶的滑轉、低速履帶的滑移。

根據該型組合站臺通載的履帶式車輛主要技術參數，及其在站臺上的行駛速度、轉彎半徑、加速度，可求出計算結果［1－2］:

此處Fry'為負，表示站臺對坦克的作用力與所建立的坐標系相反，即:站臺板對右側履帶的作用力方向向下，大小110.65 kN;站臺板對左側履帶的作用力方向向上，大小58.15 kN。履帶對防滑條的作用力是履帶受力的反作用力，其大小與履帶受力相等，方向相反。

2.2 坦克轉向時對防滑條的壓應力

坦克在站臺上行駛時，履帶凸肋一部分與站臺道面接觸，還有一部分要與防滑條接觸。在計算防滑條頂面的實際壓應力時，首先要計算出防滑條占站臺道面的比例，即防滑條的面積系數f1。

某型組合站臺防滑條布置［3］如圖5所示，防滑條厚度為12 mm;采用端部包角、兩側錯開、間斷焊接方式，焊縫長50 mm，焊縫橫截面為3 mm×3 mm的等腰三角形。選取站臺板200 mm單位長度進行計算，站臺板寬1 080 mm，其上有3根防滑條，每根防滑條長280 mm、寬20mm，站臺道面 V字形防護條的面積系數為

式中:F1為按200 mm為單元長度時，站臺道面防滑條面積;F0為按200 mm為單元長度時，站臺道面面積。

由文獻［4］可知，鋁合金站臺通載ZTZ88式坦克的峰值接地壓力0.803 MPa。防滑條所承受履帶凸肋的壓應力σmax值可按下式計算:

圖5 鋁合金道面防滑條布置(mm)

式中ξ為防滑條有效系數，取為1。

則 σmax=0.803/0.078=10.29 MPa。

宋文祥［5］根據橋面由于瘦馬效應引起的防滑條失效，確定了防滑條有效系數ξ的值為19%，該數值也與其樣橋實際試驗情況相符?？紤]防滑條失效的因素后，防滑條頂面所承受的實際壓應力為

該組合站臺道面材質為7A05鋁合金，其許用應力值見表1。

表1 7A05鋁合金道面許用應力值 MPa

從計算結果可知，鋁合金站臺σmax小于材料的許用軸向拉壓正應力364 MPa，即使考慮防滑條的失效因素，其站臺道面防滑條頂面實際壓應力也達不到其材質的屈服強度。

2.3 履帶車輛轉向時防滑條焊縫的強度分析

站臺道面的附著力主要是由防滑條與凸肋“咬住”所提供的。但是坦克轉向時高速履帶凸肋到底有多少與防滑條“咬住”是無法確定的，這是履帶隨機作用的結果。本文在分析時按最不利情況考慮［6］，即假設僅有一個負重輪下的一根防滑條端部與履帶“凸肋”咬住，也即Fry'完全作用在一根防滑條上。

焊縫的連接強度能否承受履帶車輛帶來的巨大應力，焊縫強度是否能夠達到履帶車輛轉向所需的強度標準也需要驗算。假定外力N與鉛垂面(xOy面)的夾角為α(如圖6所示)，投射到xOy面的分力為Νxy，垂直于xOy面分力為Nz，其中Nxy產生分力 Nx、Ny，則焊縫強度的計算公式［7］為

式中:lw為焊縫長度;he為直角角焊縫的有效厚度，he=0.7 hf，hf為焊腳尺寸;ffw為規定的角焊縫強度設計值，根據抗剪條件確定為相當于角焊縫的抗拉強度設計值。

圖6 直角角焊縫的空間受力計算

履帶車輛原地轉向時凸肋受到的作用力前文已經計算出來，根據作用力與反作用力原理，相應的防滑條也會受到履帶凸肋傳遞的作用力。按照最不利情況，假設履帶凸肋與防滑條僅有一根咬住。

由于右側履帶受力較大，將與右側履帶咬住的防滑條作為研究對象，將履帶凸肋所受作用力等效給防滑條，且“咬住”方式假設為最危險情況，即履帶凸肋作用力沿防滑條法線方向，則Nx=Frz'=187 kN，Ny=Frx'=0 kN，Nz=Fry'=110 kN。

鋁合金站臺防滑條為V字形，防滑條寬度20 mm，厚度10 mm，焊腳尺寸hf=3 mm，焊縫為間斷焊接，直角角焊縫的有效厚度 he=0.7hf=2.1 mm。假設坦克轉向時整個防滑條全部受力，則焊縫長度取等效焊縫長度lw=280/(50×2)×50≈150 mm，由式(1)得到履帶車輛原地轉向時防滑條焊縫承受的最大應力為σb=731 MPa。

計算時采用的焊縫長度為整根防滑條的等效焊縫長度，實際坦克轉向時，實際受力的焊縫長度要小于整個防滑條的長度，而且當履帶凸肋與防滑條端部咬住時，存在應力集中效應，焊縫的實際應力要比計算值大得多。因此，焊縫的設計強度在現實情況下容易產生焊縫失效而導致防滑條端部脫落的現象。

3 技術改進措施

綜合運用以上分析結果和其他相關研究成果，防滑條的抗沖擊咬合性能具體通過防滑條的形狀、尺寸和焊接形式及尺寸等要素來體現。

基于鋁合金道面的強度考慮，無論是直線行駛，還是制動、加減速，特別是轉向運動時，防滑條形狀都設計為V字形。通過前文計算可知，鋁合金站臺防滑條受履帶車輛作用的壓應力極限值54.2 MPa，防滑條寬度20 mm，滿足壓應力強度條件，焊縫強度與防滑條寬度無關，增加寬度對提高焊縫強度無明顯作用。因此，鋁合金防滑條的寬度方案不作改動。

履帶裝備在站臺道面上作轉向動作時，防滑條與其道面間的焊縫強度必須能夠承受巨大的切向力。履帶車輛轉向時防滑條焊縫的強度分析結果顯示，鋁合金防滑條受履帶車輛作用時防滑條焊縫所受最大應力為731 MPa。因此，需要通過改變焊縫形式、焊縫長度和焊材強度來提高防滑條焊縫強度。

本文將鋁合金站臺防滑條從原來的兩段更改為整體，將焊接形式由間斷焊改為連續焊。因此，計算焊縫強度時采用的焊縫長度為lw=280 mm，由式(1)可以得出防滑條上最大應力值σb=392 MPa。防滑條焊縫承受的應力會減少將近一半。因此，改間斷焊縫為連續焊縫可以大幅提高焊接強度。鋁合金站臺防滑條改進前后防滑性能對比見表2。實際通載過程中，與履帶凸肋“咬住”的防滑條根數是隨機的，本文考慮的防滑條只有一根與履帶凸肋“咬住”，屬于最不利情況。

表2 鋁合金站臺防滑條改進前后防滑性能對比

4 結論

(1)不同于通常的鋁合金橋面防滑耐磨設計，鋁合金站臺與鐵路平車之間，既有一定的坡度，又有一定的轉角，坦克在上面通載涉及到爬坡轉向的問題。本文系統地論述了鋁合金站臺防滑耐磨設計的基本問題，提出了相應的設計理論和方法。

(2)基于鋁合金道面的強度考慮，無論是直線行駛，還是制動、加減速，特別是轉向運動時，防滑條形狀都設計為V字形。防滑條現有尺寸滿足壓應力強度條件，鋁合金道面防滑條的寬度方案不作改動。將鋁合金道面防滑條由原來的分段式改為整體式，將焊接形式由間斷焊改為連續焊。通過計算，改間斷焊縫為連續焊縫可以大幅提高焊接強度。

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