一種鋼軌銑磨車車架的優化設計

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

鐵路是國民經濟大動脈、關鍵基礎設施和重大民生工程，是綜合交通運輸體系的骨干和主要運輸方式之一[1]。作為鐵路系統中的核心部件，鋼軌在對機車車輛提供導向作用的同時，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、橫向以及縱向的復雜多變的載荷和沖擊作用，其表面和內部容易出現各種損傷和缺陷，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、處理病害較重的鋼軌方面具有優勢，作業效率較高，作業過程環保，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的一種鋼軌銑磨車，于2014年1月完成樣車的生產和調試，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累計超過500 km，包括開“開窗”進行正線集中修復。

樣車按質按量按時完成線路修復工作，它的施工效果和施工效率贏得了用戶單位的認可。同時，它還節省了人力，通過車上集成的集塵減排、節能環保設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境。

但是隨著使用年限的增加，樣車一些設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，整車外觀造型不協調，功能間分布不合理等。特別是隨著車齡的增加，維修保養難度大已成為困擾用戶的主要問題，直接制約了該產品的推廣應用。

3 解決思路

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

為適應新布局，在保持原關鍵技術參數不變的基礎上，對A、B兩車的車架進行了優化設計。在保證車架強度的同時，精簡結構，控制重量，盡可能減重，控制軸重，考慮工藝性，降低生產難度，方便修理和養護。

優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，方便檢修和養護。

（3）在相應位置開槽、挖孔，作用：預留拆卸空間，方便檢修和養護，控制重量。

（4）在相應位置增加補強筋板，作用：優化應力分布，減少應力集中。

（5）優化焊縫和焊接坡口設計，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計，作用：精簡結構，方便生產，方便管線代布置。

4 方案對比

經過反復的討論、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指導進行優化。在優化完成后進行了靜強度校核。校核采用的標準是TB/T3550.2-2019《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》以及GB/T25337-2018《鐵路大型養路機械通用技術條件》。根據標準的要求，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準[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。

車架結構為焊接的復雜鋼結構，對于韌性材料應計算Von Mises應力[5]，Von Mises應力按公式（2）計算。

式中：σe為當量應力，單位為MPa；

σi（i=1，2，3）為主應力，單位為MPa。

計算得到的當量應力σe不應超過材料的許用用力。車架所用各種材料的許用應力見表2。

為了更直觀地對比新舊方案的優劣，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，優化后A、B兩個車架不管是撓度還是應力，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，作為整機的承載結構，因此車架+車體的情況更貼合實際情況，其計算結果更具參考價值。

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果。對于部分應力集中的區域，選用Q420D材料，其許用應力值為262 MPa，兩車的撓度、最大應力均在許用值以內，強度滿足相關標準的要求。

表3 校核結果對比

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 結語

得益于有限元分析軟件的使用，優化過程中少走了很多彎路，這與部門同事在設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。相信優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。