DK36A型落下孔車集載能力分析及試驗研究

陳 坤

(中鐵特貨大件運輸有限責任公司 安全裝備研發部，北京 100070)

我國國民經濟建設中大型設備的研制及運用都離不開運輸裝備的研發，提升運輸裝備的性能是大型設備能否安全送達到用戶的關鍵。我國鐵路落下孔車主要用于裝運電力、冶金行業等超限、超重的闊大貨物，如變壓器和軋機機架等[1]，如圖1所示。

圖1 變壓器裝車運輸照片

該車型屬于長大貨物車的一種，主要由側承梁、大小底架、轉向架、車鉤緩沖裝置、制動裝置及液壓電氣裝置等部分組成[2]。鐵路落下孔車運輸的大型變壓器為長方體結構，其兩側帶有4個以上的肩座，肩座伸出長方體結構外并搭在落下孔車側承梁上，變壓器整體落于兩側承梁內，將其橫向、縱向加固后進行鐵路運輸[3-4]。圖2為變壓器承載斷面結構。

圖2 變壓器承載斷面結構

按照落下孔車的承載方式以及變壓器的外形尺寸，貨物的垂向載荷相對于側承梁為垂向對稱集中載荷，車輛設計時需要確定其最小支承距離及最大垂向載荷。早期的落下孔車為保證滿載使用的經濟性，僅規定了車輛滿載時的最小支承距離，即車輛達到載重額定值時能夠滿足的變壓器肩座最小間距。隨著大件貨物運輸市場的發展，變壓器的類型日益增多，其質量不斷變化，肩座間距也隨之變化。因此，需要對現階段的落下孔車集載能力進行評估，以適應多種類型變壓器的運輸需求，提高落下孔車的運用效率，縮短落下孔車的閑置期。本文以DK36A型落下孔車為例，對落下孔車側承梁進行計算分析及試驗檢測，以評估其集載能力，擴大使用范圍，提高其在大件貨物運輸市場的競爭力。

1 DK36A型落下孔車集載要求

DK36A型落下孔車主要技術參數見表1[5]。

DK36A型落下孔車技術條件及使用說明書規定：貨物支承距離最小為7 000 mm，載重為滿載360 t。根據變壓器運輸市場的需求，該車可裝運支承距離小于7 000 mm、質量小于360 t的變壓器。因此，按照變壓器的結構尺寸及質量指標確定了其最小支承距離及相對應的載荷，并進行有限元分析計算，DK36A型落下孔車加載工況見表2。

表2 DK36A型落下孔車加載工況

2 計算

2.1 建模

進行有限元計算時按照表2所示的加載工況，依據TB/T 2553—2018《鐵路長大貨物車》中關于綜合動荷系數的要求[6]，選取該車樣車試制時動應力測試得到的側承梁綜合動荷系數(0.19)。

有限元計算對象為側承梁鋼結構，采用I-DEAS軟件對通過各拉桿整體連接的側承梁與導向梁結構進行建模。建模主要采用4節點四邊形薄殼單元，整體單元長度為30 mm,并通過多次計算對高應力區進行了網格細化。側承梁有限元模型如圖3所示，該計算模型有163 646個節點，165 164個單元；模型以剛性單元模擬導向梁，以梁單元模擬側承梁之間的拉桿、等分撐桿、端部拉桿[7]。

圖3 側承梁有限元模型

2.2 計算結果

各工況下材料強度評價標準見表3。剛度評價標準為：側承梁中央斷面相對于兩端部移動心盤處的撓跨比≤1/180。

表3 材料強度評價標準 MPa

圖4為有限元計算的側承梁應力取點位置，計算得到的應力輸出全部為Von-Mises應力，各集載工況最大合成應力均發生在圖4所示的斷面3上蓋板處，工況1～工況4的最大合成應力分別為332 MPa、352 MPa、371 MPa、391 MPa。

圖4 有限元計算的側承梁應力取點位置

各集載工況載荷作用下，側承梁結構上下蓋板折彎處斷面最大合成應力見表4。從表4可以看出，各工況下的合成應力均不超過其材料的許用應力，最大合成應力發生在工況4，其應力云圖和垂向位移云圖分別見圖5和圖6。

表4 各工況下側承梁結構斷面最大合成應力 MPa

圖5 工況4應力云圖

圖6 工況4垂向位移云圖

在各集載工況垂直靜載荷作用下，側承梁中央斷面相對于兩端部移動心盤處的垂向位移及撓跨比見表5。從表5可以看出，各工況下的撓跨比均滿足≤1/180的要求。

表5 各工況下側承梁中央斷面相對于兩端部移動心盤處的垂向位移及撓跨比

3 試驗

3.1 加載方式

側承梁采用吊掛進行試驗，吊掛上放置一鋼結構平臺，其上擺放軸坯鋼。兩吊掛間的距離與集載工況最小支承距離相對應，可調整為4 m、5 m、6 m、7 m。軸坯鋼質量即為載荷值，每根軸坯鋼規格為250 mm×250 mm×5 200 mm，重2.5 t。兩吊掛間距為4 m時在平臺上對稱裝載120根軸坯鋼，重300 t；間距為5 m時在平臺上對稱裝載128根軸坯鋼，重320 t；間距為6 m時在平臺上對稱裝載136根軸坯鋼，重340 t；間距為7 m時在平臺上對稱裝載144根軸坯鋼，重360 t。在側承梁中央處及兩端部移動心盤處放置位移傳感器，垂向加載時分別測量各位移傳感器位置的位移。

圖7為DK36A型落下孔車試驗載荷加載圖，圖8為試驗加載照片。

圖7 DK36A型落下孔車試驗載荷加載圖

3.2 試驗結果

參考TB/T 2553—2018及TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體 第2部分：貨車車體》[8]對試驗結果進行處理、分析及評定。

考慮自重影響，兩片側承梁的質量為48.6 t，上調裝裝置(拉壓桿)的質量為3.5 t，則側承梁靜應力σ側換算公式為：

式中：σ——試驗載荷下的應力值，MPa；

P——試驗載荷，t。

圖8 DK36A型落下孔車試驗加載照片

測定側承梁靜應力后，以該車樣車研制時中國鐵道科學研究院提出的《載重360 t落下孔車靜動強度試驗報告》中的側承梁最大綜合動荷系數(0.19)，求出合成應力[9]。

撓度取所測數據的平均值，考慮自重的影響換算出撓度和撓跨比。由中鐵檢驗認證(青島)車輛檢驗站有限公司對該車側承梁進行了靜強度、剛度試驗[10]。試驗結果顯示：

(1) 最大合成壓應力發生在工況4，位于上蓋板折彎處的上平面，最大值為-409.7 MPa，小于材料壓應力下的許用應力值(457 MPa)；最大合成拉應力發生在工況4，位于下蓋板端部折彎處下平面，最大值為370.6 MPa，小于材料拉應力下的許用應力值(430 MPa)。

(2) 4個工況下側承梁在各試驗載荷下考慮自重后的撓度分別為135.9 mm、141.8 mm、147.3 mm、155.2 mm；側承梁心盤距離為34 000 mm，撓跨比分別為0.72/180、0.75/180、0.78/180、0.82/180，均滿足設計技術條件規定的撓跨比≤1/180的要求。

通過計算分析及加載試驗研究，并與該車樣車制造時的靜強度試驗對比分析。在支承距離分別為4 m、5 m、6 m時相應的試驗載荷作用下，側承梁的應力值及撓跨比均在許用值范圍內，且小于支承距離為7 m時載重360 t的試驗值，完全滿足支承距離為4 m、5 m、6 m時的運用要求。因此，DK36A型落下孔車集載能力可按表6補充支承距離為4 m、5 m、6 m時的集載工況。

表6 DK36A型落下孔車集載能力