一种钢轨铣磨车车架的优化设计

李银山

（中国铁建高新装备股份有限公司，云南 昆明 650215）

1 背景介绍

铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，是综合交通运输体系的骨干和主要运输方式之一[1]。作为铁路系统中的核心部件，钢轨在对机车车辆提供导向作用的同时，也将所承受的机车载荷传递给铁路路基或桥隧，由于服役过程中时刻受到来自垂向、横向以及纵向的复杂多变的载荷和冲击作用，其表面和内部容易出现各种损伤和缺陷，如波磨、裂纹、剥离、压溃、点蚀和肥边等。这些损伤和缺陷若得不到及时处理和有效控制，钢轨将因不断恶化而失效，带来高额维护成本[2]。

目前，国内主要的钢轨在线维护方式有钢轨打磨和钢轨铣磨两种。钢轨铣磨机在钢轨维护性轮廓修复、处理病害较重的钢轨方面具有优势，作业效率较高，作业过程环保，火花飞溅少，利于防护[3]。

2 面临的问题

中国铁建高新装备股份有限公司生产的一种钢轨铣磨车，于2014年1月完成样车的生产和调试，交付用户单位使用。2014年1月至今，样车在用户单位施工作业累计超过500 km，包括开“开窗”进行正线集中修复。

样车按质按量按时完成线路修复工作，它的施工效果和施工效率赢得了用户单位的认可。同时，它还节省了人力，通过车上集成的集尘减排、节能环保设施解决了用户的一个痛点问题，为操作者提供了良好的工作环境。

但是随着使用年限的增加，样车一些设计方向的缺陷也逐渐暴露出来。比如说整车重心过高，轴重分布不均，整车外观造型不协调，功能间分布不合理等。特别是随着车龄的增加，维修保养难度大已成为困扰用户的主要问题，直接制约了该产品的推广应用。

3 解决思路

为适应市场的需求，扩大此车型的市场份额，该公司启动了对该车的优化工作。针对用户反馈的问题，结合这几年的维护和保养经验，对整车的功能和布局进行了重新梳理和布置。

为适应新布局，在保持原关键技术参数不变的基础上，对A、B两车的车架进行了优化设计。在保证车架强度的同时，精简结构，控制重量，尽可能减重，控制轴重，考虑工艺性，降低生产难度，方便修理和养护。

优化主要落实在以下几个方面：

（1）更换槽钢为矩形管，作用：增加截面面积大小，提高材料屈服强度。

（2）增加过线孔，作用：方便管线布置，减少安全隐患，方便检修和养护。

（3）在相应位置开槽、挖孔，作用：预留拆卸空间，方便检修和养护，控制重量。

（4）在相应位置增加补强筋板，作用：优化应力分布，减少应力集中。

（5）优化焊缝和焊接坡口设计，作用：增加焊缝可达性，方便施焊，保证焊接接头强度。

（6）对各类支座进行重新设计，作用：精简结构，方便生产，方便管线代布置。

4 方案对比

经过反复的讨论、修改和论证，得到了较为满意的新车方案。A、B两车架优化前后的三维模型对比如图1、图2所示。

图1 A车车架新旧方案对比

图2 B车车架新旧方案对比

在整个过程中，我们利用有限元分析软件Ansys指导进行优化。在优化完成后进行了静强度校核。校核采用的标准是TB/T3550.2-2019《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》以及GB/T25337-2018《铁路大型养路机械通用技术条件》。根据标准的要求，我们针对以下几种工况进行计算，具体如表1所示。

表1 计算工况

其中，车架的垂向刚度计算要满足标准[4]中的公式：

式中：f为最大挠度，也即是车架的最大垂向变型；L为车辆的心盘定距。A车定距13 650 mm，得其最大挠度为15.167 mm；B车定距11 300 mm，得其最大挠度为12.56 mm。

车架结构为焊接的复杂钢结构，对于韧性材料应计算Von Mises应力[5]，Von Mises应力按公式（2）计算。

式中：σe为当量应力，单位为MPa；

σi（i=1，2，3）为主应力，单位为MPa。

计算得到的当量应力σe不应超过材料的许用用力。车架所用各种材料的许用应力见表2。

为了更直观地对比新旧方案的优劣，对每个车架进行了3种不同情况下的校核：

（1）样机车架3个工况下的校核计算。

表2 许用应力表

（2）新方案车架3个工况下的校核计算。

（3）新方案车架+车体3个工况下的校核计算。

校核结果整理如表3所示。

通过表3的对比，我们可以清楚地看到，优化后A、B两个车架不管是挠度还是应力，都有明显下降。特别是车架+车体的情况下，挠度下降特别明显。

新方案为整体式承载车身，车体与车架拼焊为一体后，作为整机的承载结构，因此车架+车体的情况更贴合实际情况，其计算结果更具参考价值。

图3～图8为A、B两车在新方案下车架+车体在垂向静载、拉伸和压缩三个工况下的计算结果。对于部分应力集中的区域，选用Q420D材料，其许用应力值为262 MPa，两车的挠度、最大应力均在许用值以内，强度满足相关标准的要求。

表3 校核结果对比

图3 A车新方案车架+车体垂向静载挠度

图4 A车新方案车架+车体拉伸工况

图5 A车新方案车架+车体压缩工况

图6 B车新方案车架+车体垂向静载挠度

图7 B车新方案车架+车体拉伸工况

图8 B车新方案车架+车体压缩工况

5 结语

得益于有限元分析软件的使用，优化过程中少走了很多弯路，这与部门同事在设计方面和有限元软件使用方面多年的传承和积累是密不可分的。

优化后的车架新方案得到了专家组的一致肯定，顺利通过评审。整车的其他项目评审也顺利通过，新车目前已投入生产。相信优化后的钢轨铣磨车一定会让用户眼前一亮，让我们拭目以待。