TD_%2811%29型凹底平车用新型铸铝止轮器的研制.pdf

2023 年 6 月（总第 440 期）63研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS第 51 卷Vol.51第 6 期No.6铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2023-02-12作者简介：曹宝刚，高级工程师；武进雄，教授级高级工程师；万涛，高级工程师；王艳霞，高级工程师0引言铁路平车是运输轮式车辆的主要工具。在运输轮式车辆过程中，需用止轮器和紧固索将轮式车辆定位、固定在铁路平车上。常见止轮器结构形式有三角木加扒锔钉、铁塑三角挡加双帽钉、钢板焊接铁鞋加 T 型螺栓和其他复杂结构止轮器等。这些止轮器各具优点，但也存在不足。三角木加扒锔钉和铁塑三角挡加双帽钉结构只适用于木地板铁路平车，并且操作不当时易出现松动失效等问题；钢板焊接铁鞋虽能用于钢地板铁路平车，但其重量偏大，搬运操作不便，定位时还受钢地板上 T 型螺栓孔位置限制；复杂结构止轮器结构复杂，易出现结构失效问题，且成本高。同时，钢地板承载面的特种铁路平车不断涌现，如 TD11，TD6等型特种凹底平车。为满足钢地板铁路平车运输轮式车辆过程中快速定位、固定轮式车辆的需求，研制一种适用于 TD11型凹底平车用新型铸铝止轮器（以下简称“新型止轮器”）。1新型止轮器方案设计1.1结构设计为了实现可靠定位加固轮式车辆的功能，并且同时满足结构简单、使用便捷的要求，经过多种方案比选，确定新型止轮器采用铸铝整体浇铸薄壁新型结构形式。新型止轮器结构及安装如图 1 所示。鞋面 2鞋帮鞋面 1吊耳（a）外观图TD11型凹底平车用新型铸铝止轮器的研制曹宝刚，武进雄，万涛，王艳霞（中车石家庄车辆有限公司技术中心，河北 石家庄 051430）摘要：针对目前铁路平车运输轮式车辆用止轮器应用现状和存在的问题，设计新型铸铝止轮器，确定新型铸铝止轮器用材料。计算、分析新型铸铝止轮器静强度，并参考 TB/T 3162.32007铁道车辆停车防溜装置第 3 部分：防溜铁鞋（止轮器），开展验证试验，提出进一步优化新型铸铝止轮器结构措施。静强度计算和验证试验结果表明，优化后的新型铸铝止轮器结构强度满足相关标准要求。关键字：凹底平车；止轮器；铸铝件；强度；性能试验中图分类号：U294.25U272.3文献标识码：B文章编号：1006-9178（2023）06-0063-05Abstract：In view of the current application status and existing problems of wheel stoper when railway flat car isused to transport wheeled vehicles,new cast aluminum wheel stoper is designed,and the materials of new cast aluminum wheel stoper are determined.The static strength of the new cast aluminum wheel stoper was calculated and analyzed,and the verification test was carried out by referring to TB/T 3162.32007 Railway car anti-sliding device forstopping-Part 3:Braking shoe for loose protection.Further optimizing the structure of the new cast aluminum wheelstoper is put forward.The results of static strength calculation and verification test show that the optimized structurestrength of the new cast aluminum wheel stoper meets requirements of the relevant standard.Keywords：Depressed Center Flat Car;Wheel Stopper;Cast Aluminum;Strength;Mechnical Property Test64TD11型凹底平车用新型铸铝止轮器的研制研究与交流局部加强筋鞋底鞋沿整体加强筋（b）半剖图系留槽铸铝止轮挡吊环螺栓（c）安装图图 1新型止轮器结构及安装新型止轮器由鞋面、鞋底、鞋帮、内部加强筋和吊耳组成。鞋面由鞋面 1 和鞋面 2 组成，为与车轮接触部位，可分别适用于定位加固 2 种轮径的轮式车辆。鞋面探出鞋帮部分为鞋沿；鞋帮位于止轮器两端部，鞋帮上设有起加强作用的竖向凹槽，凹槽内铸有倒 U 形吊耳，吊耳上有紧固螺栓安装孔；止轮器内部腔体设有 2 个整体加强筋和多个局部加强筋。鞋面、鞋底和内部加强筋壁厚均为 5 mm，鞋帮壁厚为 7 mm。新型止轮器通过吊环螺栓与铁路平车钢地板上安装的系留槽配合使用，起到固定轮式车辆车轮的作用。新型止轮器采用整体浇铸方式制作，具有结构简单、轻便可靠、操作方便、易于批量化生产等优点。1.2材料确定新型止轮器采用铸造铝合金材料。通过对比分析多种铸造铝合金材料机械性能后，确定选用ZAL101A 铸造铝合金材料。ZAL101A 铸造铝合金是 AL-Si-Mg 系可热处理强化的铸造铝合金，抗拉强度 b为 275 MPa，屈服强度为 246 MPa，延伸率s为 2。ZAL101A 铸造铝合金的铸造工艺性良好，铸造温度为 680 750，液相线温度为 610，固相线温度为 577；可焊性能良好，可采用氩弧焊或气焊，通过焊补修复铸造缺陷；切削加工性能良好，可根据需要，采用硬质合金刀具对 AL101A 铸造铝合金进行钻孔、攻丝、磨削等加工；抗腐蚀性能良好，表面极易形成致密的氧化膜，防止在空气中进一步氧化，通常不需要对 AL101A 铸造铝合金作防护处理。ZAL101A 铸造铝合金适用于铸造薄壁、大面积和形状复杂的壳体类零件，广泛应用在船舶舰艇制造中。AL101A 铸造铝合金密度为 2 690 kg/m3，约为钢材密度的 1/3，在同等外形尺寸下，可大幅度减轻工件重量。2新型止轮器静强度计算及其分析为了验证新型止轮器强度是否符合设计要求，依据 TB/T 3550.22019机车车辆强度设计及试验鉴定规范车体第 2 部分：货车车体和 TB/T 300042021铁路货物装载加固技术要求，采用有限元分析计算软件，计算、分析新型止轮器静强度，并进行优化。2.1计算载荷确定利用 TD11型凹底平车运输轮式车辆时，轮式车辆定位、加固需在每个车轮前后分别使用 1 个新型止轮器，共 8 个，同时在绳栓和车辆之间还使用紧固索加固。在纵向惯性力作用下，同一时刻只有同一侧的 4 个止轮器承载；按最恶劣情况下（全部绳栓紧固索失效，惯性纵向力全部由止轮器承载），同时考虑安全系数，确定计算载荷。凹底平车自重为 35.4 t，载重为 40 t，无整备品。根据 TB/T 300042021 中 8.1.1 的要求，轮式车辆作为被装载货物，所受纵向惯性力为T=t0Q，（1）t0=26.69-0.13Q总。（2）式（1）和式（2）中：T 为轮式车辆受到的纵向惯性力，kN；t0为每吨货物受的惯性纵向力，kN/t；Q 为货物重量，t；Q总为重车总重，t。经计算可得，每个新型止轮器所承受纵向惯性力为 169 kN。根据 TB/T 3550.22019 附录 C 中的 C.2.4.3.365铁道技术监督第 51 卷第 6 期要求，车体总重产生的纵向惯性力和货物受到纵向惯性力分别为Ng=Fey(m1+m4+m5)m6，（3）T=Ngm4m6。（4）式（3）和式（4）中：Ng为车体总重产生的纵向惯性力，kN；Fey为鞋面 2 承载最大载荷（40 t）时的纵向压缩力，依据 TB/T 3550.22019 表 1，取 2 250 kN；为雨雪增载系数，取 1；m1，m4，m5，m6分别为车体自重、载重、整备重量、车辆总重，t；T 为货物受到的纵向惯性力，kN。经计算可以得到，货物受到的纵向惯性力为1 193.6 kN，每个止轮器所受到的纵向惯性力为1 193.6/4=298.4（kN）。（5）根据安全性原则，分析计算时，每个新型止轮器的纵向载荷选用 298.4 kN。每个吊耳承受的载荷为 74.6 kN。2.2应力计算结果使用新型止轮器时，有如下 2 种工况。（1）第 1 种工况，为新型止轮器鞋面 1 承载最大载重（40 t）时产生的纵向惯性力 298.4 kN。（2）第 2 种工况，为新型止轮器鞋面 2 承载最大载重（40 t）时产生的纵向惯性力 298.4 kN。根据使用新型止轮器实际工况，在吊耳处施加位移约束。在 2 种工况下，以最大载重（40 t）时产生的纵向惯性力 298.4 kN 分别加载在新型止轮器的鞋面 1 和鞋面 2 上。由有限元分析计算软件计算可得，2 种工况下新型止轮器应力分布云图，如图 2 所示。（a）鞋面 1 承载应力云（b）鞋面 2 承载应力云图 22 种工况下新型止轮器应力分布云图由图 2 可知，2 种工况下，新型止轮器所受最大应力在固定耳座边缘处。第 1 种工况最大应力 为 245.320 MPa，第 2 种 工 况 最 大 应 力 为225.401 MPa，均小于 ZAL101A 铸造铝合金的许用应力 246 MPa。因此，新型止轮器满足设计要求。3新型止轮器验证试验为了验证新型止轮器的结构强度，参考 TB/T3162.32007 铁道车辆停车防溜装置第 3 部分：防溜铁鞋（止轮器）中试验要求，对新型止轮器进行冲击试验、静压力试验和模拟高处坠落试验。3.1冲击试验将新型止轮器通过吊环螺栓紧固在钢板底座的系留槽上，新型止轮器上覆盖橡胶垫。用 5 t 叉车在距离 5 m 处加速冲击新型止轮器，重复冲击 6次，新型止轮器及连接部位不应出现裂损。冲击试验前后新型止轮器样件如图 3 所示。（a）冲击试验前66TD11型凹底平车用新型铸铝止轮器的研制研究与交流（b）冲击试验后图 3冲击试验前后新型止轮器样件检查冲击试验后的新型止轮器样件发现，新型止轮器及连接部位无裂损，符合试验标准要求。3.2静压力试验通过吊环螺栓将新型止轮器固定在试验架的系留槽上，通过 1 个 50 t 千斤顶、1 只压力传感器和1 个顶块对新型止轮器施加静压力。将静压力逐渐增加至 74.7 kN。按照 TB/T 3162.32007 要求，此时，新型止轮器各部位不应出现裂损现象。初期试制的新型止轮器样件吊耳结构为平板形，厚度为 10 mm。静压力试验后的平板形吊耳样件如图 4 所示。图 4静压力试验后的平板形吊耳样件静压力试验过程中，当千斤顶压力加至 62 kN时，新型止轮器一侧的 1 个吊耳断裂，不满足试验标准要求。3.3模拟高处坠落试验模拟高处坠落试验用于模拟现场装卸作业时新型止轮器可能从高处坠落的情况。新型止轮器自高度为 1.5 m 的平台上自由坠落至硬质地面。重复坠落 5 次后，新型止轮器各部位不应出现裂损。模拟高处坠落试验后的新型止轮器如图 5 所示。图 5模拟高处坠落试验后的新型止轮器检查模拟坠落试验后的新型止轮器样件发现，新型止轮器各部位未出现裂损，满足试验标准要求。4新型止轮器结构优化根据新型止轮器静强度计算分析结果，以及冲击试验、静压力试验和模拟坠落试验结果，结合新型止轮器实际装车应用情况，进一步优化新型铸铝止轮器结构。（1）分析试验结果发现，吊耳连接处所受应力最大，平板形吊耳结构强度不足，需进一步优化平板形吊耳结构。因此，将平板形吊耳优化为倒 U字形吊耳；为了增强吊耳强度，吊耳厚度由 10 mm增加至 15 mm，宽度由 80 mm 增加至 95 mm；倒 U形凸台厚度为 10 mm，高度为 15 mm。改进前后的吊耳如图 6 所示。对改进后的新型止轮器样件重新进行静压力试验。当千斤顶压力增加至 74.7 kN 时，检查新型止轮器，发现新型止轮器各部位均无裂损现象。试验结果表明，改进后的新型铸铝止轮器样件（平板形吊耳优化为倒 U 字形吊耳）满足试验标准要求。（2）由静强度计算分析结果可知，吊耳根部所受应力较大。为了加强吊耳连接处强度，将与吊耳连接的鞋帮厚度由 5 mm 增大至 7 mm。（3）初期试制的新型止轮器鞋沿为整条形式，装车时，影响安装吊环螺栓。为此，重新设计鞋沿。改进后的鞋沿既方便了安装吊环螺栓操作，又可起到减重作用。67铁道技术监督第 51 卷第 6 期改进前后的鞋沿如图 7 所示。鞋沿（a）改进前的鞋沿鞋沿（b）改进后的鞋沿图 7改进前后的鞋沿对结构优化后的新型止轮器进行静强度计算和验证试验，结果均符合标准要求，满足轮式车辆的定位加固需求。5结语新型止轮器采用整体浇铸结构，材料选用ZAL101A。经设计计算和试验验证，新型止轮器结构强度满足设计要求。目前已在 TD11型凹底平车、TD6型凹底平车等特种铁路平车上装车应用，使用情况良好。与钢板焊接止轮器相比，新型止轮器质量由 38 kg 降为 20 kg，质量降低约 47%；不易锈蚀损坏，且无需定期涂漆维护，可降低维护成本，延长使用寿命；与系留槽、吊环螺栓配套使用，可在铁路平车承载面纵向一定范围内任意位置定位加固轮式车辆，操作方便；有 2 个圆弧承载面，可适用于 2 种车轮尺寸的轮式车辆装载加固，适用性好；可应用于更多的钢地板特种铁路平车。新型止轮器可为采用铁路平车运输轮式车辆提供安全保障。参考文献1 机车车辆强度设计及试验鉴定规范车体第 2 部分：货车车体：TB/T 3550.22019S 2 铁路货物装载加固技术要求：TB/T 300042021S 3 铁道车辆停车防溜装置第 3 部分：防溜铁鞋（止轮器）：TB/T 3162.32007S 4 铸造铝合金：GB/T 11732013S 5 李晓强轮式装备运输装载加固方法探讨 J 铁道货运，2014（5）：5358（编辑陈建国）（a）改进前的平板形吊耳（b）改进后的倒 U 字形吊耳图 6改进前后的吊耳