李銀山

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215）

1 背景介紹

鐵路是國民經(jīng)濟大動脈、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重大民生工程，是綜合交通運輸體系的骨干和主要運輸方式之一[1]。作為鐵路系統(tǒng)中的核心部件，鋼軌在對機車車輛提供導(dǎo)向作用的同時，也將所承受的機車載荷傳遞給鐵路路基或橋隧，由于服役過程中時刻受到來自垂向、橫向以及縱向的復(fù)雜多變的載荷和沖擊作用，其表面和內(nèi)部容易出現(xiàn)各種損傷和缺陷，如波磨、裂紋、剝離、壓潰、點蝕和肥邊等。這些損傷和缺陷若得不到及時處理和有效控制，鋼軌將因不斷惡化而失效，帶來高額維護成本[2]。

目前，國內(nèi)主要的鋼軌在線維護方式有鋼軌打磨和鋼軌銑磨兩種。鋼軌銑磨機在鋼軌維護性輪廓修復(fù)、處理病害較重的鋼軌方面具有優(yōu)勢，作業(yè)效率較高，作業(yè)過程環(huán)保，火花飛濺少，利于防護[3]。

2 面臨的問題

中國鐵建高新裝備股份有限公司生產(chǎn)的一種鋼軌銑磨車，于2014年1月完成樣車的生產(chǎn)和調(diào)試，交付用戶單位使用。2014年1月至今，樣車在用戶單位施工作業(yè)累計超過500 km，包括開“開窗”進行正線集中修復(fù)。

樣車按質(zhì)按量按時完成線路修復(fù)工作，它的施工效果和施工效率贏得了用戶單位的認可。同時，它還節(jié)省了人力，通過車上集成的集塵減排、節(jié)能環(huán)保設(shè)施解決了用戶的一個痛點問題，為操作者提供了良好的工作環(huán)境。

但是隨著使用年限的增加，樣車一些設(shè)計方向的缺陷也逐漸暴露出來。比如說整車重心過高，軸重分布不均，整車外觀造型不協(xié)調(diào)，功能間分布不合理等。特別是隨著車齡的增加，維修保養(yǎng)難度大已成為困擾用戶的主要問題，直接制約了該產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

3 解決思路

為適應(yīng)市場的需求，擴大此車型的市場份額，該公司啟動了對該車的優(yōu)化工作。針對用戶反饋的問題，結(jié)合這幾年的維護和保養(yǎng)經(jīng)驗，對整車的功能和布局進行了重新梳理和布置。

為適應(yīng)新布局，在保持原關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，對A、B兩車的車架進行了優(yōu)化設(shè)計。在保證車架強度的同時，精簡結(jié)構(gòu)，控制重量，盡可能減重，控制軸重，考慮工藝性，降低生產(chǎn)難度，方便修理和養(yǎng)護。

優(yōu)化主要落實在以下幾個方面：

（1）更換槽鋼為矩形管，作用：增加截面面積大小，提高材料屈服強度。

（2）增加過線孔，作用：方便管線布置，減少安全隱患，方便檢修和養(yǎng)護。

（3）在相應(yīng)位置開槽、挖孔，作用：預(yù)留拆卸空間，方便檢修和養(yǎng)護，控制重量。

（4）在相應(yīng)位置增加補強筋板，作用：優(yōu)化應(yīng)力分布，減少應(yīng)力集中。

（5）優(yōu)化焊縫和焊接坡口設(shè)計，作用：增加焊縫可達性，方便施焊，保證焊接接頭強度。

（6）對各類支座進行重新設(shè)計，作用：精簡結(jié)構(gòu)，方便生產(chǎn)，方便管線代布置。

4 方案對比

經(jīng)過反復(fù)的討論、修改和論證，得到了較為滿意的新車方案。A、B兩車架優(yōu)化前后的三維模型對比如圖1、圖2所示。

圖1 A車車架新舊方案對比

圖2 B車車架新舊方案對比

在整個過程中，我們利用有限元分析軟件Ansys指導(dǎo)進行優(yōu)化。在優(yōu)化完成后進行了靜強度校核。校核采用的標(biāo)準(zhǔn)是TB/T3550.2-2019《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體 第2部分 貨車車體》以及GB/T25337-2018《鐵路大型養(yǎng)路機械通用技術(shù)條件》。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們針對以下幾種工況進行計算，具體如表1所示。

表1 計算工況

其中，車架的垂向剛度計算要滿足標(biāo)準(zhǔn)[4]中的公式：

式中：f為最大撓度，也即是車架的最大垂向變型；L為車輛的心盤定距。A車定距13 650 mm，得其最大撓度為15.167 mm；B車定距11 300 mm，得其最大撓度為12.56 mm。

車架結(jié)構(gòu)為焊接的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)，對于韌性材料應(yīng)計算Von Mises應(yīng)力[5]，Von Mises應(yīng)力按公式（2）計算。

式中：σe為當(dāng)量應(yīng)力，單位為MPa；

σi（i=1，2，3）為主應(yīng)力，單位為MPa。

計算得到的當(dāng)量應(yīng)力σe不應(yīng)超過材料的許用用力。車架所用各種材料的許用應(yīng)力見表2。

為了更直觀地對比新舊方案的優(yōu)劣，對每個車架進行了3種不同情況下的校核：

（1）樣機車架3個工況下的校核計算。

表2 許用應(yīng)力表

（2）新方案車架3個工況下的校核計算。

（3）新方案車架+車體3個工況下的校核計算。

校核結(jié)果整理如表3所示。

通過表3的對比，我們可以清楚地看到，優(yōu)化后A、B兩個車架不管是撓度還是應(yīng)力，都有明顯下降。特別是車架+車體的情況下，撓度下降特別明顯。

新方案為整體式承載車身，車體與車架拼焊為一體后，作為整機的承載結(jié)構(gòu)，因此車架+車體的情況更貼合實際情況，其計算結(jié)果更具參考價值。

圖3～圖8為A、B兩車在新方案下車架+車體在垂向靜載、拉伸和壓縮三個工況下的計算結(jié)果。對于部分應(yīng)力集中的區(qū)域，選用Q420D材料，其許用應(yīng)力值為262 MPa，兩車的撓度、最大應(yīng)力均在許用值以內(nèi)，強度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 校核結(jié)果對比

圖3 A車新方案車架+車體垂向靜載撓度

圖4 A車新方案車架+車體拉伸工況

圖5 A車新方案車架+車體壓縮工況

圖6 B車新方案車架+車體垂向靜載撓度

圖7 B車新方案車架+車體拉伸工況

圖8 B車新方案車架+車體壓縮工況

5 結(jié)語

得益于有限元分析軟件的使用，優(yōu)化過程中少走了很多彎路，這與部門同事在設(shè)計方面和有限元軟件使用方面多年的傳承和積累是密不可分的。

優(yōu)化后的車架新方案得到了專家組的一致肯定，順利通過評審。整車的其他項目評審也順利通過，新車目前已投入生產(chǎn)。相信優(yōu)化后的鋼軌銑磨車一定會讓用戶眼前一亮，讓我們拭目以待。