朱 麗，張 忠

（中車齊齊哈爾車輛有限公司 北京科技分公司，北京100072）

SQ6 型凹底雙層運(yùn)輸汽車專用車是適應(yīng)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路運(yùn)行的專用貨車，在2008 年研制完成并投入運(yùn)營(yíng)，運(yùn)用效果良好，主要用于輕型客車、SUV、MPV、皮卡車等較高汽車的鐵路運(yùn)輸，同時(shí)也可用于國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口各種微型、小型汽車的鐵路運(yùn)輸。SQ6 型車的上層渡板組成采用一體式結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，主要由渡板、拉桿、銷軸、固定裝置等部分組成。其安裝在上層活動(dòng)底架的端部，非工作位時(shí)，可豎直收起于端門內(nèi)側(cè)，隨上層活動(dòng)底架一起升降；工作位時(shí)，通過拉桿組成來(lái)實(shí)現(xiàn)開合并保證其打開時(shí)處于水平位置，以便小汽車通過。

圖1 上層端渡板結(jié)構(gòu)示意圖

1 運(yùn)用中存在的問題

2017 年收到用戶反饋，影響裝車安全性的關(guān)鍵件上層渡板拉桿在裝車過程中偶爾有折斷現(xiàn)象，其折斷處位于雙桿的銷軸孔處。為此二七公司專門對(duì)此問題作了調(diào)查研究，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生斷裂的拉桿均是孔位置不對(duì)中，偏向一側(cè)。分析認(rèn)為，近年來(lái)商品汽車趨于大型化，SQ6 型車的使用頻率、汽車的裝卸速度均有所提高，孔的位置稍有偏差，其上層渡板拉桿就可能出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。為了確保使用中不出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。拉桿組成示意圖如圖2 所示。

圖2 拉桿組成示意圖

2 裝卸車試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)情況簡(jiǎn)介

為了確保裝卸車時(shí)渡板拉桿不發(fā)生斷裂，二七公司專門對(duì)該車的渡板拉桿裝卸工況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。以確定渡板拉桿在使用時(shí)的受力情況。試驗(yàn)于2017 年10 月—2017 年11 月在柳州機(jī)保段進(jìn)行。

試驗(yàn)選取3 種汽車各一輛作為試驗(yàn)用車，其中配重作為載重均勻放置于車內(nèi)，SQ6 允許裝載汽車最大質(zhì)量2.2 t。具體參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用汽車參數(shù)表 單位：t

試驗(yàn)分別對(duì)A、B、C 等3 輛汽車不同速度級(jí)裝、卸載時(shí)拉桿動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。其中A、B 汽車進(jìn)行10、20、30、40、50 km/h 等5 個(gè)速度級(jí)測(cè)試，C汽車進(jìn)行10、20、30、40 km/h 等4 個(gè)速度級(jí)測(cè)試。每個(gè)速度級(jí)裝車、卸車各進(jìn)行2 次測(cè)試。在兩渡板上分別布置加速度傳感器。在3、4 號(hào)拉桿的雙桿孔周布置了應(yīng)變片，在單桿孔外側(cè)布置了應(yīng)變片。由于孔周圍很難保證測(cè)出實(shí)際應(yīng)力，在1、2、3、4號(hào)拉桿的易貼片且無(wú)應(yīng)力集中部位布置了應(yīng)變片，以此來(lái)獲得拉桿上受到力的大小，然后通過有限元法計(jì)算出孔周圍應(yīng)力。貼片位置如圖3 所示。DG 表 示 單 桿，SG 表 示 雙 桿。

圖3 拉桿貼片位置示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，后接觸渡板的拉桿應(yīng)力大于先接觸渡板的拉桿應(yīng)力，因此按后接觸渡板拉桿應(yīng)力計(jì)算拉桿上力，根據(jù)測(cè)得的應(yīng)力計(jì)算出拉桿上受力，拉桿直徑42 mm，因此拉桿上的沖擊力為3.14×r2×σ（N），其中r為拉桿半徑；σ為測(cè)得的應(yīng)力。小汽車正向行駛和倒車時(shí)對(duì)渡板拉桿產(chǎn)生的力見表2、表3 及表4。其中，1、2 號(hào)拉桿上的力是卸車時(shí)的力，3、4 號(hào)拉桿上的力是裝車時(shí)的力，拉桿號(hào)如圖4 所示。并得出如下結(jié)論：

圖4 端部渡板組成示意圖

表2 A 汽車裝卸車時(shí)拉桿1-4 受力情況表[1] 單位：t

表3 B 汽車裝卸車時(shí)拉桿1-4 受力情況表[1] 單位：t

表4 C 汽車裝卸車時(shí)拉桿1-4 受力情況表[1] 單位：t

（1）各測(cè)點(diǎn)測(cè)試應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于拉桿的屈服極限260 MPa。

（2）SQ6 型車上層渡板拉桿應(yīng)力與汽車通過速度具有一定的線性關(guān)系，拉桿應(yīng)力隨通過速度的增大而增大。

（3）拉桿應(yīng)力隨著裝載汽車質(zhì)量增加而增大。

（4）汽車在通過相鄰渡板時(shí)，后接觸渡板的拉桿應(yīng)力大于先接觸渡板的拉桿應(yīng)力，比值在1.3 倍～1.7 倍。

（5）試驗(yàn)中，為測(cè)試銷孔附近應(yīng)力，防跳環(huán)被固定，未起到保持SG 拉桿和DG 拉桿均處于拉緊狀態(tài)的作用，則同一拉桿組成中的SG 拉桿、DG 拉桿力差距很大，因此實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)注意使防跳環(huán)處于工作位，避免汽車通過時(shí)渡板跳動(dòng)，使SG 拉桿、DG 拉桿受力更均勻。

（6）渡板上的加速度與小汽車速度強(qiáng)相關(guān)。

2.3 有限元計(jì)算結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，用有限元法計(jì)算得到拉桿孔處應(yīng)力值見表5～表7。

表5 A 汽車裝、卸車?yán)瓧U銷孔處計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)表 單位：MPa

表6 B 汽車裝、卸車?yán)瓧U銷孔處計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)表 單位：MPa

表7 C 汽車裝、卸車?yán)瓧U銷孔處計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)表 單位MPa

從計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)裝車速度小于30 km/h 時(shí)，拉桿孔上的應(yīng)力小于材料屈服極限260 MPa，速度大于30 km/h 時(shí)，孔周圍應(yīng)力超過了材料屈服極限。拉桿應(yīng)力如圖5 所示。

圖5 4 號(hào)拉桿改進(jìn)前后應(yīng)力圖

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

鑒于以上計(jì)算分析，對(duì)拉桿結(jié)構(gòu)及材質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將材質(zhì)改為E 級(jí)鋼，E 級(jí)鋼屈服強(qiáng)度689 MPa，拉桿直徑改為47 mm，銷孔直徑由21 mm減小到19 mm，銷孔處受力面積由203 mm2增大到403 mm2。因此，改進(jìn)后，結(jié)構(gòu)上承載能力是原來(lái)的403/203=1.99 倍，材料上承載能力是原來(lái)的689/260=2.65 倍。因此承載能力是原來(lái)的5.27（1.99×2.65）倍。即使裝車速度達(dá)到50 km/h，根據(jù)表5，原結(jié)構(gòu)孔周圍最大應(yīng)力為285.6 MPa，改進(jìn)后孔周圍最大應(yīng)力為285.6÷1.99=143.5（MPa），安全余量為689/143.5=4.8，充分滿足使用要求。

4 現(xiàn)運(yùn)用情況

從2018 年6 月開始新造車采用新拉桿，廠、段修時(shí)對(duì)有裂紋的舊拉桿進(jìn)行更換，到2020 年6 月約有2 000 輛車裝用了新拉桿結(jié)構(gòu)，用戶反映新拉桿結(jié)構(gòu)未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

5 總 結(jié)

（1）由于不能通過試驗(yàn)的方法直接得到結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力，此次采用了試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)合的方法獲得危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力，結(jié)果與實(shí)際運(yùn)用反映出的情況相符。

（2）通過試驗(yàn)，得到了SQ6 型車裝卸車用的關(guān)鍵件的受力情況，為今后的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。