KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手改造方案

史洪斌 劉文勝 李旭英 李 鵬 吳勝財

(中車太原機車車輛有限公司 山西 太原 030009)

KZ70型石砟漏斗車為中車太原機車車輛有限公司于2005年研制的載重70 t石砟漏斗車，操縱室側門扶手采用圖號為KT207-200-91的B型客車通用件側門扶手，扶手套管材質為Q235A普通碳素結構鋼(以下簡稱“普碳鋼”)，套管外包塑了塑料管。由于石砟漏斗車運用工況惡劣，塑料管在長期使用后容易老化破裂。KZ70型石砟漏斗車自2013年開始陸續進行廠修，經入廠檢查，操縱室側門扶手包塑塑料管普遍存在因老化或磕碰導致的破裂，且破裂處的鋼管產生了一定腐蝕，故目前在廠修時側門扶手解體后全部更換為新品。為提高KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手耐腐蝕性能，保證車輛運行安全，消除作業人員人身傷害隱患，中車太原機車車輛有限公司于2021年4月提出了操縱室側門扶手改造方案，且該改造方案通過了國鐵集團貨車事業部組織的方案評審。

1 既有石砟漏斗車操縱室側門扶手結構型式

1.1 K13系列石砟漏斗車側門扶手結構

K13、K13T、K13K、K13N、K13NT、K13AK、K13NK等K13系列車型的操縱室兩側側門扶手均采用?16 mm圓鋼制成的鍛件結構，在其兩端鍛扁處配鉆?17 mm孔，采用鉚釘將其與側門框兩側熱鉚緊固。

1.2 KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手結構

KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手由扶手座、扶手桿和緊固螺釘等組成，扶手座為鑄件，扶手桿由套管及端頭組成，套管采用材質為Q235A的DN15鋼管制成，端頭采用材質為Q235A、直徑為24 mm的圓鋼機加工而成，套裝在套管一端，安裝時通過螺栓、螺母將扶手座緊固在門框兩側，為確保安全，安裝后將螺栓和螺母點固焊。解決扶手夏天燙手、冬天凍手的問題，在扶手套管外包塑塑料管。

入廠檢修時發現既有KZ70型石砟漏斗車操縱室側門兩側扶手包塑的塑料管存在裂紋破損和扶手套管腐蝕等問題(見圖1)。

圖1 側門扶手裂紋破損和腐蝕

2 側門扶手折損風險分析

既有KZ70型石砟漏斗車操縱室扶手桿為流體輸送用普碳鋼焊接鋼管，規格為21.3 mm(外徑)×2.9 mm(壁厚)，外覆聚乙烯塑料(PE)或掛膠(硬質橡膠)，運用中發現因覆塑或掛膠質量不良導致扶手套管腐蝕等問題，分析原因為：KZ70型石砟漏斗車在長期使用后，扶手桿套管外包塑的塑料管產生老化、裂紋及破損等問題，如果包塑塑料管與鋼管的結合不緊密，會使雨水進入塑料管內部對包裹的套管造成腐蝕；由于外部塑料管遮蓋，不利于段修檢修作業和列檢技檢作業時對扶手套管的腐蝕狀態進行檢查，不能及時發現腐蝕情況；加之石砟漏斗車運用工況比較惡劣，在南方頻繁雨水浸潤作用下，導致扶手套管管壁逐步腐蝕。此外，據調研，價格較低的側門扶手(B型)鋼管壁厚達不到圖紙要求，加上覆塑的塑料管與鋼管的黏接力達不到30 kN的要求，與鋼管結合不緊密，會使扶手的耐腐蝕性顯著下降。

3 既有KZ70型石砟漏斗車側門扶手改造方案

為徹底解決既有KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手腐蝕折損故障，保證運用安全，并降低檢修和改造成本，同時考慮既有KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手改造后與新造KZ70型石砟漏斗車的通用性和互換性，針對2005年～2019年間生產的裝用覆塑或掛膠的KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手，提出了改造方案。

KZ70型石砟漏斗車廠修時，將原車裝用的B型客車通用件側門扶手(Q235A普碳鋼材質)全部改為不銹鋼材質側門扶手；KZ70型石砟漏斗車段修時，原車裝用的B型客車通用件側門扶手(Q235A普碳鋼材質)須拆除橡膠套，全面檢查扶手套管狀態。扶手套管狀態不良的整體改造為不銹鋼材質側門扶手；扶手套管狀態良好的可繼續使用，涂刷防銹底漆和面漆(面漆漆種與車體相同)，不再包裹橡膠套；KZ70型石砟漏斗車臨修處理操縱室側門扶手故障時，比照段修要求執行。同時對遮蓋側門扶手連接螺栓的操縱室側墻局部內裝飾進行拆卸和恢復。

不銹鋼側門扶手套管采用規格為26.9 mm×3 mm的流體輸送用不銹鋼焊接鋼管，增加了扶手套管截面積，提高了扶手強度和剛度。不銹鋼側門扶手與既有碳鋼側門扶手接口尺寸相同，方便更換；在檢修時僅對外表面進行拋光處理，不需要油漆，提高了綜合經濟效益。

4 側門扶手靜強度對比分析

為評估KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手改進后結構強度是否滿足使用要求，采用ANSYS有限元分析程序對其靜強度進行了對比分析計算。

側門扶手的套管規格由21.3 mm×2.9 mm更改為26.9 mm×3 mm，截面積由167 mm2增大到225 mm2，增加幅度為35%；慣性矩IZ由0.465×106 mm4增大到1.045×106 mm4，增加幅度為125%；套管和端頭材質由Q235A普碳鋼變成06Cr19Ni10不銹鋼，扶手座材質由ZG230-450鑄鋼改為ZG06Cr19Ni10鑄造不銹鋼，增加了耐腐蝕性能，抗拉強度由370～500 MPa增大到不小于520 MPa。

在進行側門扶手靜強度分析中，所有零部件均離散成實體單元(solid195)，原側門扶手共離散成11 872個節點，38 910個單元。改進后的側門扶手共離散成14 843 個節點，48 650個單元。

改進前后，側門扶手通過螺栓固結在操縱室上，分析時認為螺栓孔處固定約束，扶手的受力考慮兩種載荷工況：第一種載荷工況為100 kg的人將全部重力沿垂直車門方向作用于扶手套管中央；第二種載荷工況為100 kg的人將全部重力作用于沿著車體方向的扶手套管中央。

改進前、后對比分析結果如下：

在第一種載荷工況下，原側門扶手與改進后的側門扶手應力云圖如圖2所示，原側門扶手的最大應力為175.9 MPa，發生在扶手套管中央位置；改進后的最大應力為113.1 MPa，發生在扶手套管中央位置；改進后扶手套管中央的最大應力減小了62.8 MPa，僅為原側門扶手的64%；原側門扶手最大變形為4.784 mm，改進后側門扶手最大變形為2.59 mm，減小了2.194 mm，約占46%，改進前后側門扶手均在彈性范圍內，未發生塑性變形；改進效果明顯。

在第二種載荷工況下，原側門扶手與改進后的側門扶手應力云圖如圖3所示，原側門扶手的最大應力為178.4 MPa，發生在扶手套管中央位置；改進后的最大應力為113.0 MPa，發生在扶手套管中央；經過改進，扶手套管中央的最大應力減小了65.4 MPa，僅為原側門扶手的63%；原側門扶手最大變形為4.23 mm，改進后側門扶手最大變形為2.278 mm，減小了1.952 mm，約占46%，改進前后側門扶手均在彈性范圍內，未發生塑性變形；改進效果明顯。

以上對比分析結果表明，在相同的載荷工況下，側門扶手組成改進后扶手套管的應力明顯減小，能夠明顯改善扶手的應力狀態，滿足使用要求。

5 具體改造內容

5.1 KZ70型石砟漏斗車廠修

圖2 在第一種載荷工況下側門扶手應力云圖

圖3 在第二種載荷工況下側門扶手應力云圖

(1)拆除操縱室內部側門扶手安裝座安裝螺栓、螺母處的鋁壓條、內飾板和防寒板，露出側門扶手安裝座安裝螺栓、螺母。如圖4所示。

(2)割除側門扶手安裝座安裝螺栓、螺母，拆除原車側門扶手。

(3)按圖樣TYH148A-40AJX-01-000(既有KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手改造圖)組裝不銹鋼材質的A型客車通用件側門扶手，扶手安裝座組裝螺栓、螺母緊固后采用點固焊以防止螺栓、螺母松動。

(4)對操縱室內部扶手座安裝螺栓、螺母點固處及其附近車體鋼結構外露表面油漆損壞處補涂底漆、面漆。

圖4 KZ70型車端部側門門框三維結構示意圖

(5)重新組裝操縱室內部側門扶手安裝座安裝螺栓、螺母處的防寒板、內飾板和鋁壓條。

5.2 KZ70型石砟漏斗車段修、臨修

(1)原車裝用Q235A普碳鋼材質的B型客車通用件側門扶手須拆除橡膠套，全面檢查扶手套管技術狀態。

(2)扶手套管狀態不良的按照廠修改造內容整體改造為不銹鋼材質的A 型客車通用件側門扶手。

(3)扶手套管狀態良好的可繼續使用，涂刷底漆和面漆(漆種、顏色及漆膜厚度與原車體相同)，不再包裹橡膠套。

6 改造效果

KZ70型石砟漏斗車操縱室側門扶手經過改進后，未再出現腐蝕等情況，使用情況良好。□