淺談馱背運(yùn)輸半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

周炯1 張超德1 江明星1 林武2

1.中車眉山車輛有限公司 四川眉山 620032

2.眉山物流裝備有限公司 四川眉山 620032

1 前言

馱背運(yùn)輸是甩掛運(yùn)輸?shù)幕驹響?yīng)用于集裝箱或掛車的換載作業(yè)形式，是一種公路和鐵路聯(lián)合的運(yùn)輸方式，能夠?qū)崿F(xiàn)門對(duì)門運(yùn)輸，加速車輛周轉(zhuǎn)，擴(kuò)大貨物單元，節(jié)約裝卸或換載作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。

掛車馱背運(yùn)輸通常采用掛車直接開入（滾裝）或由吊裝設(shè)備將掛車整體吊入（吊裝）鐵路馱背運(yùn)輸車的方式。與掛車純公路運(yùn)輸相比，掛車馱背運(yùn)輸具有安全、準(zhǔn)時(shí)、大運(yùn)量、全天候、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[1]。

2016年國內(nèi)鐵路貨車企業(yè)研制了STX1、STX2馱背運(yùn)輸車[2]。該型馱背運(yùn)輸車通過自身機(jī)構(gòu)即可旋轉(zhuǎn)升降，合適的公路貨車可自行上下鐵路車輛實(shí)現(xiàn)裝卸，如圖1所示。

圖1 滾裝式馱背運(yùn)輸車

同年，國內(nèi)鐵路貨車企業(yè)又研制了STX3、STX4馱背運(yùn)輸車。該型馱背運(yùn)輸車采用凹底架結(jié)構(gòu)，可裝運(yùn)吊裝式半掛車和集裝箱，如圖2所示。

圖2 吊裝式馱背運(yùn)輸車

為適應(yīng)上述各型馱背運(yùn)輸車使用需要，開展適應(yīng)滾裝和吊裝馱背運(yùn)輸?shù)男滦桶霋燔囓嚰荜P(guān)鍵結(jié)構(gòu)技術(shù)研究，筆者提出適用于國內(nèi)即有鐵路馱背運(yùn)輸車的馱背運(yùn)輸半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)出一款符合國內(nèi)即有各型鐵路馱背運(yùn)輸車使用要求的馱背運(yùn)輸半掛車具有重要的意義。

2 馱背運(yùn)輸半掛車車架主要結(jié)構(gòu)簡介

馱背運(yùn)輸半掛車車架為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，主要型鋼、板材均采用T700高強(qiáng)度鋼。車架主要由縱梁、下側(cè)梁、貫通式橫梁、前端梁、后端梁、牽引銷板組成、吊裝橫梁、吊裝連接連梁、附屬縱梁及加強(qiáng)橫梁等組成，如圖3所示。該車架結(jié)構(gòu)適當(dāng)調(diào)整后適用于承載馱背運(yùn)輸半掛車。

圖3 馱背運(yùn)輸半掛車底架三維主要結(jié)構(gòu)模型

3 馱背運(yùn)輸半掛車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 主要標(biāo)準(zhǔn)符合要點(diǎn)

馱背運(yùn)輸半掛車車架的長、寬、載重等參數(shù)及安全性能均符合GB 1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》、GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》及GB/T 23336-2009《半掛車通用技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。馱背運(yùn)輸半掛車在鐵路馱背運(yùn)輸模式時(shí)放置在鐵路馱背運(yùn)輸車上僅被當(dāng)作貨物進(jìn)行運(yùn)輸，無鐵路貨運(yùn)列車縱向力和垂向力作用，自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不必按照TB/T 3550.2-2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 車體 第2部分：貨車車體》的要求進(jìn)行校核。

3.2 吊裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

a.車架吊裝位置的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)符合多式聯(lián)運(yùn)正面吊使用要求，該正面吊實(shí)物如圖4所示。

圖4 正面吊實(shí)物圖

客戶提供的多式聯(lián)運(yùn)正面吊吊臂縱向中心間距有5 735 mm、10 338 mm、11 867 mm三種距離可選，吊臂橫向打開間距為3 637 mm，抱緊時(shí)最小間距為1 950 mm，如圖5所示。半掛車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其總長不超13 750 mm、寬度不超2 550 mm（冷藏廂式半掛車不超2 600 mm），因此，車架上的兩對(duì)起吊橫梁縱向間距選取5 735 mm較為合適，車架寬度選取在2 500～2 550 mm（冷藏廂式半掛車在2 550～2 600 mm）之間較為合適。

圖5 正面吊吊臂工作范圍示意圖

b.為保證吊裝平穩(wěn)，車架吊裝位置盡量選在滿載車輛質(zhì)心所在垂面兩側(cè)的對(duì)稱位置，由于半掛車前后端為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此半掛車車輛中心和重車質(zhì)心一般不會(huì)在同一個(gè)垂面。可采用三維建模法測(cè)算出車輛質(zhì)心位置，根據(jù)車輛質(zhì)心位置確定吊裝橫梁位置，如圖6所示。

圖6 吊裝位置與質(zhì)心垂面位置示意圖

c.車架上的普通橫梁結(jié)構(gòu)無法滿足吊裝重車要求，須在車架的兩大梁和兩側(cè)梁之間設(shè)置箱型吊裝橫梁作為吊裝位置，兩箱型橫梁之間用兩個(gè)工字型橫梁連接，如圖7所示。

圖7 吊裝橫梁處俯視三維模型圖

該箱型吊裝橫梁上蓋板為一段折彎鋼板，下蓋板為兩段折彎鋼板，腹板為變截面鋼板，在下蓋板外端下方焊接有起吊墊板，起吊墊板兩側(cè)的側(cè)梁上焊接有擋塊，用于限制正面吊吊臂的位置，吊裝橫梁與縱梁、側(cè)梁采用焊接方式連接，如圖8所示。

圖8 吊裝橫梁處仰視三維模型圖

3.3 接口設(shè)計(jì)要點(diǎn)

a.車架后防護(hù)須采用可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，避免與鐵路馱背運(yùn)輸車底架（如圖9所示）尾部干涉；

圖9 滾裝式馱背運(yùn)輸車底架三維圖

b.車輛長度為13 750 mm時(shí)，半掛車后懸不得小于2 100 mm，避免與鐵路馱背運(yùn)輸車底架尾部發(fā)生干涉；當(dāng)半掛車長度縮短時(shí)，后懸可以適當(dāng)調(diào)整；

c.車架吊裝位置和鐵路馱背運(yùn)輸車之間的垂向距離不小于150 mm，避免裝上鐵路馱背運(yùn)輸車后吊具與鐵路馱背運(yùn)輸車側(cè)梁發(fā)生干涉，吊臂下方的吊板無法取出；

d.半掛車除車輪、支承裝置、側(cè)防護(hù)、后防護(hù)外，重載的半掛車車架及其安裝的其他走行部件和制動(dòng)部件最低點(diǎn)到半掛車輪胎底部最小垂向距離不能低于220 mm，避免與鐵路馱背運(yùn)輸車底部突起的縱梁干涉；

e.車架牽引銷距支承裝置縱向水平間距應(yīng)大于2 500 mm，避免支承裝置與吊裝式鐵路馱背運(yùn)輸車（如圖10所示）前部平臺(tái)干涉（部分鐵路馱背運(yùn)輸車的鞍座不可以縱向平移）；

圖10 吊裝式馱背運(yùn)輸車實(shí)物照片

f.車架寬度不大于2 600 mm，避免半掛車車架與鐵路馱背運(yùn)輸車側(cè)梁發(fā)生干涉。

3.4 使用要點(diǎn)

車輛不僅能在公路上正常行駛，還能采用吊裝方式將均勻滿載的半掛車裝入馱背運(yùn)輸車，吊起狀態(tài)至少保持5 min，且不能造成車體任何永久變形或損壞。

3.5 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該車架結(jié)構(gòu)與既有通用半掛車車架結(jié)構(gòu)相比，主要特點(diǎn)如下：

a.增設(shè)了吊裝橫梁和吊裝連接梁實(shí)現(xiàn)整車吊裝功能；

b.優(yōu)化車架縱梁鵝頸段結(jié)構(gòu)，采用貫通橫梁和分段橫梁組合排布方式，增大車架彎曲剛度。縱梁鵝頸段外側(cè)增加隨形補(bǔ)強(qiáng)板，該補(bǔ)強(qiáng)板從牽引銷板前端起，到起吊橫梁附近停止。如圖11所示。

圖11 車架縱梁鵝頸段三維結(jié)構(gòu)模型

4 仿真分析

馱背運(yùn)輸半掛車車架鋼結(jié)構(gòu)為三維空間結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其在各載荷工況作用下應(yīng)力分布，本次計(jì)算采用有限元法，委托高校應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析。

4.1 有限元分析模型

馱背運(yùn)輸半掛車車架有限元模型除部分區(qū)域?yàn)楹癜寤蜩T造件外，其余區(qū)域?yàn)殇摪逭w焊接結(jié)構(gòu)，故采用4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell181對(duì)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，而牽引銷采用20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid95進(jìn)行離散。離散時(shí)盡可能采用四邊形或六面體單元，個(gè)別過渡區(qū)域采用了三角形或四面體單元。馱背運(yùn)輸半掛車車架有限元離散模型如圖12所示。

圖12 馱背運(yùn)輸半掛車車架有限元模型圖

4.2 載荷和約束

4.2.1 載荷分類

有限元分析計(jì)算時(shí)，車架承受的質(zhì)量和載荷為靜態(tài)滿載情況。

車輛設(shè)計(jì)總重40 t，吊裝工況按總重45 t計(jì)算校核。

4.2.2 剛度分析

在靜載和勻速行駛狀態(tài)下，零部件均依照安裝位置進(jìn)行加載，并根據(jù)具體結(jié)構(gòu)選擇以集中載荷或均布載荷方式加載，在此情況下考核車架縱向梁和下側(cè)梁彎曲變形。

4.2.3 強(qiáng)度分析

汽車行駛的典型工況是在高速道路、強(qiáng)扭轉(zhuǎn)道路、一般道路和彎曲道路上的彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)和急轉(zhuǎn)彎4種工況。

對(duì)于車架有限元靜態(tài)分析來說，通常情況下只分析彎曲、扭轉(zhuǎn)兩種工況[3]。該車架適用于鐵路馱背運(yùn)輸，因此還應(yīng)考慮吊裝工況。

4.2.3.1 彎曲工況

在靜載和勻速行駛狀態(tài)下，零部件均依照安裝位置進(jìn)行加載，并根據(jù)具體結(jié)構(gòu)選擇以集中載荷或均布載荷方式加載。

4.2.3.2 扭轉(zhuǎn)工況

在滿載、崎嶇道路上低速行駛狀態(tài)下，由于道路凹凸不平，可能會(huì)出現(xiàn)在瞬間個(gè)別車輪懸空現(xiàn)象，這種工況是造成整個(gè)車架扭曲最不利的工況，這里面又以左（右）前輪懸空為最苛刻工況。通常模擬左前輪懸空造成車架扭曲的工況。

4.2.3.3 吊裝工況

根據(jù)客戶需求，該馱背運(yùn)輸半掛車采用機(jī)械吊裝作業(yè)，車架的4個(gè)吊裝位置承受垂向總載荷。

4.2.4 各計(jì)算載荷匯總

在各載荷及載荷組合的作用下，該車架剛度和靜強(qiáng)度有限元仿真分析的計(jì)算載荷工況如表1所示。

表1 計(jì)算載荷匯總說明

4.3 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)強(qiáng)度理論，當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限（或屈服極限）時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生斷裂破壞（或塑性變形）。車架在各種工況下，各部位的應(yīng)力值不能超過材料的許用應(yīng)力極限。根據(jù)強(qiáng)度要求和材料特性，可選擇單元結(jié)點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或綜合應(yīng)力作為強(qiáng)度校核基準(zhǔn)。

4.3.1 剛度校核

最大撓度f校核公式：

f≤2L/1 000

式中，f為最大撓度；L為半掛車軸距，mm。

4.3.2 強(qiáng)度校核

材料許用應(yīng)力[σ]公式為：

[σ]= σs/n

式中，σ為屈服強(qiáng)度，MPa；n為安全系數(shù)[4][5]。

s

4.3.2.1 彎曲工況

n彎= n1× n2

式中，n1為疲勞系數(shù)，取n1=1.3；n2為動(dòng)載系數(shù)，取n2=2.5。在彎曲工況下，安全系數(shù)按照n彎=1.3×2.5=3.2進(jìn)行材料許用應(yīng)力取值。

4.3.2.2 扭轉(zhuǎn)工況

n扭= n1× n2

式中，n1為疲勞系數(shù)，取n1=1.3；n2為動(dòng)載系數(shù)，取n2=1.7。

在扭轉(zhuǎn)工況下，按照n扭=1.3×1.7=2.21進(jìn)行材料許用應(yīng)力取值。

強(qiáng)度校核時(shí)，σr必須滿足：

σr≤[σ]

式中，σr為最大當(dāng)量應(yīng)力，MPa。

4.3.2.3 吊裝工況

吊裝工況下，客戶要求采用比設(shè)計(jì)載荷大5 t的載荷加載計(jì)算以保證吊裝安全性，該工況下的車架零部件計(jì)算強(qiáng)度須小于材料的屈服強(qiáng)度，換算安全系數(shù)約為1.13。

4.3.2.4 許用應(yīng)力

T700高強(qiáng)度耐候鋼各工況的許用應(yīng)力如表2所示。

表2 制造材料力學(xué)性能及各工況下校核標(biāo)準(zhǔn)

4.4 計(jì)算結(jié)果

4.4.1 車架剛度

馱背運(yùn)輸半掛車車架在均布載荷作用下，車架的最大垂向變形為10.3 mm，如圖13所示，小于半掛車軸距的2‰（8 110×0.002=16.2 mm）。計(jì)算結(jié)果表明，該車架剛度滿足評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 車架結(jié)構(gòu)變形圖（放大50倍）

4.4.2 車架強(qiáng)度

4.4.2.1 彎曲工況

該工況最大當(dāng)量應(yīng)力為213.16 MPa，出現(xiàn)在車架右前輪空氣彈簧安裝座處的縱向梁腹板處，小于該處材質(zhì)（T700）在彎曲工況下的許用應(yīng)力值（218 MPa），如圖14所示。計(jì)算結(jié)果表明，該車架在彎曲工況的靜強(qiáng)度滿足評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖14 彎曲工況車架最大應(yīng)力處云圖

4.4.2.2 扭轉(zhuǎn)工況

該工況最大當(dāng)量應(yīng)力為287.7 MPa，出現(xiàn)在車架左輪第二個(gè)空氣彈簧安裝座上方的橫梁上平面與縱梁腹板交匯處，小于該處材質(zhì)（T700）在扭轉(zhuǎn)工況下的許用應(yīng)力值（316 MPa），如圖15所示。計(jì)算結(jié)果表明，該車架在扭轉(zhuǎn)工況的靜強(qiáng)度滿足評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4.2.3 吊裝工況

該工況下各節(jié)點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力的等應(yīng)力圖如圖16所示，最大當(dāng)量應(yīng)力為633.176 MPa。

圖15 扭轉(zhuǎn)工況車架最大應(yīng)力處云圖

圖16 吊裝工況車架當(dāng)量應(yīng)力的等應(yīng)力圖

該工況最大當(dāng)量應(yīng)力為633.176 MPa，出現(xiàn)在靠近車架前端箱型吊裝橫梁附近的大梁下蓋板圓弧處，小于該處材質(zhì)（T700)的屈服強(qiáng)度（700 MPa），如圖17所示。計(jì)算結(jié)果表明，該車架在吊裝工況的靜強(qiáng)度滿足評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖17 吊裝工況車架最大應(yīng)力云圖

同時(shí)，從現(xiàn)場(chǎng)多次吊裝的使用情況看，運(yùn)用該車架的馱背運(yùn)輸廂式半掛車在吊裝后，車輛未出現(xiàn)兩端搭頭，零部件未出現(xiàn)永久變形和損壞現(xiàn)象，如圖18所示，實(shí)際運(yùn)用情況與有限元計(jì)算結(jié)果吻合。

圖18 機(jī)械吊裝滿載馱背廂式半掛車照片

仿真分析結(jié)果表明，該車各強(qiáng)度計(jì)算工況的最大當(dāng)量應(yīng)力均小于該處所用材料在相應(yīng)工況下的許用應(yīng)力或者屈服強(qiáng)度，該馱背運(yùn)輸半掛車車架的強(qiáng)度、剛度滿足要求。

5 結(jié)語

通過研究適應(yīng)滾裝和吊裝馱背運(yùn)輸?shù)陌霋燔囓嚰芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適應(yīng)滾裝和吊裝馱背運(yùn)輸?shù)鸟W背運(yùn)輸半掛車車架，并參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶使用要求完成了有限元仿真分析，結(jié)果表明該車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和用戶使用功能要求，可以運(yùn)用于馱背運(yùn)輸半掛車。以該車架為基礎(chǔ)研制的馱背運(yùn)輸廂式半掛車為我國馱背運(yùn)輸提供了重要的技術(shù)和裝備支撐，對(duì)我國多式聯(lián)運(yùn)現(xiàn)代物流的發(fā)展具有重要的意義。