【正文】 ，受力情況非常復(fù)雜，整個(gè)結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到罐車的運(yùn)行安全。因此，為滿足70t級輕、粘油罐車的速度快、載重大的設(shè)計(jì)要求，適應(yīng)牽引萬噸列車的需要，設(shè)計(jì)一種安全可靠，材料利用車高，能夠保證重載罐車在運(yùn)營過程中的沖擊和承載要求的重載罐車牽枕結(jié)構(gòu)是本文急需解決的重要課題。罐車是用來裝運(yùn)各種液體、液化氣體及粉末狀等貨物的一種車體成罐形的車輛。這些貨物包括汽油、原油、各種粘油、植物油、液氨、酒精、水、各種酸堿類液體、水泥、氧化鉛粉等。罐車在鐵路運(yùn)輸中占有很重要的地位，約占我國貨車總數(shù)的18％。解放初期我國只能生產(chǎn)載重25t、179。的油罐車，1953年開始設(shè)計(jì)制造了載重50t、有效容積為51m179。的全焊結(jié)構(gòu)罐車，以后又制造了有效容積60m179。、載重52t的罐車以及有效容積77m179。載重63t的各種罐車。目前我國生產(chǎn)的直徑和容積最大的罐車是中部直徑為3100m m，有效容積為110m179。的GQ型液化氣體罐車，其罐體呈魚腹形[1]。罐車的標(biāo)記載重過去是指裝水時(shí)的重量，所以50t的載重量意味著罐體容積為50m179?，F(xiàn)在的標(biāo)記載重量是以實(shí)際所裝運(yùn)油類、酸堿類的比重計(jì)算的。由于各種液體和密度不同罐車的實(shí)際載重量就須根據(jù)所運(yùn)貨物的性質(zhì)來確定。因此，罐車的裝載能力以體積來度量更為合適。罐內(nèi)液體的重量不是用過磅來量得，而是測量罐體內(nèi)所盛液體水平的高度，然后根據(jù)罐體容積表查得所盛液體的重量。對于每一種規(guī)格的罐體，均有其容積折算表。罐車均為整體承載結(jié)構(gòu)，大部分罐車的車體都是由罐體和底架兩大部分組成。由于罐體是一個(gè)臥式整體簡型結(jié)構(gòu)，具有較大的強(qiáng)度和剛度，罐體不但能承受所裝物體的重量，而且也可承擔(dān)作用在罐體上的縱向力。因此，罐車的底架較其它貨車底架結(jié)構(gòu)簡單，有的罐車取消了底架，稱為無底架罐車。本工程學(xué)士學(xué)位論文的研究課題就是通過對70t級輕、粘油無中梁重載罐車牽枕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、選型和開發(fā)思路作以論述，探討和總結(jié)無中梁罐車牽枕結(jié)構(gòu)的一般規(guī)律，從而對無中梁類罐車的牽枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造提供幫助。本論文所作的主要工作如下：一、闡述國外無中梁罐車發(fā)展歷史，總結(jié)論述國外無中梁罐車牽枕裝置的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)，指明了我國無中梁罐車未來的發(fā)展方向；同時(shí)，對我國無中梁罐車從無到有的發(fā)展歷程進(jìn)行介紹，總結(jié)了我國無中梁罐車從運(yùn)用實(shí)踐中取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為70t級無中梁罐車設(shè)計(jì)提供借鑒。二、通過對國際上著名的鐵路運(yùn)營公司實(shí)施重載貨運(yùn)的情況介紹，從重載運(yùn)輸采用的新技術(shù)、新成果以及重載運(yùn)輸帶來的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景等方面，綜合分析和闡述重載貨運(yùn)的成功經(jīng)驗(yàn)和鐵路發(fā)展的重要意義，提出重載運(yùn)輸對無中梁罐車牽枕結(jié)構(gòu)的要求。三、通過對70t級輕、粘油罐車牽枕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題分析，牽引梁和枕梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型，不同結(jié)構(gòu)方案的有限元對比分析計(jì)算，以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的計(jì)算研究，論述了無中梁罐車牽枕結(jié)構(gòu)的受力特性及一般規(guī)律，通過方案對比說明選型的合理性。四、為了驗(yàn)證牽枕結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的可靠性，本文采用ANSYS有限元計(jì)算分析軟件，依據(jù)70t級貨車強(qiáng)度考核標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計(jì)的牽枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元的靜強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)果表明牽枕結(jié)構(gòu)在各載荷工況下，各部件材料許用應(yīng)力能夠滿足TB／T1335的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，反映了在不同工況條件下牽枕結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特性。五、為提高車體抗疲勞設(shè)計(jì)水平、避免設(shè)計(jì)缺陷、提高產(chǎn)品可靠性，采用AAR機(jī)務(wù)規(guī)程(第Ⅶ章新造貨車的疲勞設(shè)計(jì))車體疲勞設(shè)計(jì)方法，計(jì)算車體各部位在垂向、側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)、車鉤垂向及縱向載荷譜作用下的疲勞壽命。評價(jià)車體疲勞壽命是否滿足使用要求、指出疲勞薄弱部位、給出疲勞壽命指標(biāo)、避免設(shè)計(jì)缺陷、提高產(chǎn)品疲勞壽命及其可靠性。 國外無底架罐車的發(fā)展歷史無中梁罐車起源于德國，20世紀(jì)中期在美國開始大量使用。目前，除部分裝運(yùn)腐蝕性介質(zhì)的罐車外，大部分罐車(包括液化氣體罐車)都采用無中梁結(jié)構(gòu)。前蘇聯(lián)、日本、南非、德國也向無中梁罐車結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。北美鐵道車輛中罐車占1／7，罐車的最初運(yùn)用應(yīng)歸功于賓夕法尼亞州米德維爾德DensⅢore兄弟。為了將賓夕法尼亞油田的原油高教地運(yùn)出，他們亍1865年將2個(gè)巨大的術(shù)桶放在平車上，安裝密封蓋后，這些車能裝載13．25m3(3 5009a1)的油。隨著安全的提高和桶的有效運(yùn)用，這些“油罐車”立刻得到成功地運(yùn)用”。不久，隨著Densmore設(shè)計(jì)的改進(jìn)和普及，一位發(fā)明者將2個(gè)桶合而為一，將桶縱向放在平車上。1869年，為防止桶板間的泄漏，賓夕法尼亞約克市的Empire運(yùn)輸公司將鉚接的鐵罐直接安裝在木制底架上而代替垂直的木桶。Empire公司的車輛采用了這種設(shè)計(jì)型式，在以后的90年，普遍保持了該種型式。除了全金屬罐體外，在罐頂設(shè)有給貨物提供熱膨脹空間的空氣包、用于“呼吸”的氣孔和底部用于快速卸貨的閥門。這些車運(yùn)營了多年，將原油運(yùn)輸?shù)綗捰蛷S，再將荷煉產(chǎn)品運(yùn)輸給批發(fā)高。正是在這一階段，“罐車”這一名詞開始使用。1900年，隨著對更長、更快列車的強(qiáng)烈需要，標(biāo)準(zhǔn)石油公司的John VanDyke設(shè)計(jì)了1種全新的罐車，該罐車采用雙行鉚的鋼罐。為了利用更強(qiáng)的罐體，他廢棄了底架，把罐體直接鉚接在中梁的鞍座上，并直接放在轉(zhuǎn)向架上。牽引梁裝在鞍座上。盡管van Dyke所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)證明是可行的，但僅有少量車投入運(yùn)用，該車是現(xiàn)代無中梁罐車的前身。Van Dyke所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)起初并沒有得到人們真正的認(rèn)識，隨著設(shè)計(jì)手段的提高以及對罐車結(jié)構(gòu)的深入了解，對材料利用率的進(jìn)一步提高，人們開始認(rèn)識到這種結(jié)構(gòu)的所帶來的巨大價(jià)值，與有中梁罐車相比無中梁罐車有其無法比擬的優(yōu)越性。采用無中梁結(jié)構(gòu)最直接的效果是降低了自重，提高了罐車載重，降低了運(yùn)營成本，提高了運(yùn)輸效車，簡化了檢修作業(yè)。因此，從20世紀(jì)50年代以來在北美制造的所有罐車幾乎都是無中梁設(shè)計(jì)，并在AAR機(jī)務(wù)手冊罐車分艇中對無中梁罐車牽枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的規(guī)定和要求，這些都對無中梁罐車的普及和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，目前無中梁罐車技術(shù)日趨成熟，已成為國際鐵路罐車的主型結(jié)構(gòu)。但是，從無中梁罐車的運(yùn)用情況來看，這種結(jié)構(gòu)也存在一定的事故隱患，在20世紀(jì)90年代初期，至少有1 2個(gè)梁斷裂發(fā)生在此時(shí)期的無中梁罐車上。1100輛車的檢查結(jié)果表明，疲勞斷裂絕大部分發(fā)生在這種設(shè)計(jì)的牽引梁與罐體連接處。因此，保證牽枕結(jié)構(gòu)的使用壽命?！?，提高結(jié)構(gòu)的可靠性，成為北美鐵路的關(guān)鍵課題”。為進(jìn)一步認(rèn)識無中梁結(jié)構(gòu)，解決因疲勞造成的結(jié)構(gòu)失效，北美鐵路成立了一個(gè)委員會，這個(gè)技術(shù)委員會后來被稱之為“牽引梁工作組(SSwG)”。它的成員包括一些制造廠高和車主，F(xiàn)RA、從R、鐵道發(fā)展學(xué)會(RPI)、加拿大運(yùn)輸公司以及化學(xué)制造高協(xié)會，該委員會雇用了相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的第三方項(xiàng)目管理的西南研究學(xué)會(swRI)，采用失效容限分析的方法對無中梁牽枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行全尺寸疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)測驗(yàn)證試驗(yàn)，目標(biāo)是用試驗(yàn)方法驗(yàn)證失效容限分析研究辦法。通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，對無中梁罐車牽枕結(jié)構(gòu)有了更深入的了解，提出對每一罐車均要進(jìn)行失效容限分析的要求，目前此項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中“”。至今，大型罐車已成為美國的主型罐車。法國使用110m179。的液氨和液化石油氣罐車，同本已推廣74．5m179。的液化石油氣罐車。在這些大型罐車中，不少采用無底架結(jié)構(gòu)，也有采用有底架結(jié)構(gòu)的。通常罐車可分為非壓力罐車、壓力罐車和其它罐車。非壓力罐車的罐體壁厚相對壓力罐車較薄，供通常情況下運(yùn)輸無危險(xiǎn)和低蒸發(fā)壓力、低介質(zhì)有毒液體貨物，也包括食物如液體糖和蔬菜油；化學(xué)品如乙二醇乙烯、橡膠漿和硫磺；石油產(chǎn)品如燃料和潤滑油及各種陶粘土泥漿。壓力罐車罐壁更厚，裝載高蒸汽壓力壓縮的、液化的商品，以及常溫下通常為氣體的物質(zhì)，這包括液化石油氣、氯氣、無水氨和二氧化碳[5]。國外研究無中梁罐車起步較早，20世紀(jì)中期無中梁罐車在美國開始大量使用。經(jīng)過幾十年的運(yùn)用考驗(yàn)和理論研究，各罐車設(shè)計(jì)、制造廠先后西南交通大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 第6頁研制開發(fā)了具有各自特點(diǎn)的無中梁罐車，積累了大量的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，形成了相關(guān)的無中梁罐車牽枕結(jié)構(gòu)的從R標(biāo)準(zhǔn)““。幾種無中梁罐車的牽枕結(jié)構(gòu)，形式各異、各具特點(diǎn)，現(xiàn)將北美幾種常見的牽枕結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)介紹如下： 牽引粱腹板美國無中梁罐車為了提高罐內(nèi)運(yùn)輸介質(zhì)的卸凈車，方便清洗作用，罐體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從圓柱形筒體結(jié)構(gòu)向直角斜錐圓截面斜底罐體結(jié)構(gòu)和淺“V”形圓柱簡體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。改進(jìn)后罐車罐體底板由罐體兩側(cè)封頭處向中部傾斜，早期的斜底罐體結(jié)構(gòu)采用直錐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)對罐體板材的前期下料、焊接等預(yù)處理工序要求較高，工藝相對較為復(fù)雜：為改善其工藝性，美國罐車又設(shè)計(jì)了淺“V”形圓柱簡體結(jié)構(gòu)，由兩截圓柱形筒體拼焊成對稱布置的“V”形結(jié)構(gòu)…。因?yàn)楣捃嚑空斫Y(jié)構(gòu)是通過牽引梁與罐體底部牽引梁上蓋板焊接成為一體，因此隨著罐體形式的不同，牽引梁腹板各異，常見有“截面不變型”和“截面漸變型”兩種?！敖孛娌蛔冃汀睜恳褐饕糜趫A柱形筒體結(jié)構(gòu)，“截面漸變型”牽引梁主要用于斜底罐體結(jié)構(gòu)和淺“V”形圓柱簡體結(jié)構(gòu)。但罐體尾部的腹板均相同，呈線性遞減。 前從板座美國罐車的前從板座結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了“焊接式前從板座”、“分體式鑄造前從板座”以及“一體式鑄造前從板座”等階段的改進(jìn)恤…。車輛載重的不斷提高，萬噸列車普遍開行，車輛承受的縱向沖擊力不斷提高，使“焊接前從板座”經(jīng)常在從板座根部焊縫處出現(xiàn)焊接裂紋，影響到鐵路罐車的運(yùn)行安全。為保證運(yùn)輸安全，提高前從板座結(jié)構(gòu)的可靠性，解決焊接結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力較大的問題，隨著鑄造水平的提高，鑄造材料的機(jī)械性能更加優(yōu)越， B級鋼、c級鋼材質(zhì)的“鑄造前從板座”被廣泛應(yīng)用到罐車牽枕結(jié)構(gòu)中，很好地滿足了因牽引力的不斷提高對前從板座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求168。…。同時(shí)，前從板座與牽引梁直接的連接形式也從原來的焊接連接變成拉擠鉚釘連接形式，采用鉚接結(jié)構(gòu)提高了前從板座的抗剪切性能，避免了因焊接裂紋造成的車輛檢修次數(shù)，同時(shí)方便了檢修作用。隨著鑄造水平的提高和貫徹一體化設(shè)計(jì)的思想，北美鐵路罐車后從板座和上心盤座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了較大的變化和改進(jìn)，由過去相對獨(dú)立的后從板座和上心盤座改進(jìn)成將后從板座和上心盤座鑄造成一體，有的罐車則將后從板座、上心盤座及上心盤鑄造成一體，通過焊接與牽引梁、枕梁連接起來共同承擔(dān)車輛載荷，這樣改進(jìn)的最大優(yōu)點(diǎn)是從設(shè)計(jì)上簡化了制造，節(jié)約了成本，同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)的可靠性；但是，一體式結(jié)構(gòu)也對鑄件的質(zhì)量、焊接缺陷的檢驗(yàn)、控制以及檢修作業(yè)提出了更高的要求．在美國通常對該部結(jié)構(gòu)實(shí)施與整車等壽命設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)、零檢修，當(dāng)然這樣做起來很不容易心“。 枕梁結(jié)構(gòu)罐車所裝運(yùn)的介質(zhì)多為易燃、易爆、有毒、腐蝕等危險(xiǎn)的石油化工產(chǎn)品，罐車在運(yùn)行中的安全性和可靠性直接危及鐵路運(yùn)輸安全和鐵路沿線公民的生命安全。因此，北美鐵路一直致力于鐵路罐車的可靠性研究，降低因罐車事故對周圍環(huán)境的破壞和人員、財(cái)產(chǎn)損失。 枕梁結(jié)構(gòu)是罐車的主要傳力和承力的安全部件，各生產(chǎn)廠均對枕梁的受力狀況進(jìn)行優(yōu)化分析和研究，設(shè)計(jì)出了多種型式枕梁，經(jīng)分類匯總可分為以下幾種： 1．“單腹板+側(cè)蓋板+頂車箱形”結(jié)構(gòu)(見圖1—1)。為NATx公司的無中梁罐車枕梁結(jié)構(gòu)。由枕梁腹板、“7”形側(cè)蓋板和頂車用箱形結(jié)構(gòu)組成。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：側(cè)蓋板與枕梁腹板間的施焊空間小，對焊縫要求較高；采用雙腹板頂車箱形結(jié)構(gòu)，焊縫多，壓型件多，工藝性較差。在早期的無中梁罐車上使用。 圖1—1 2．“單腹板+側(cè)蓋板(無頂車箱形)”結(jié)構(gòu)(見圖1—2)。為CELX公司。…、RELX公司的無中梁罐車枕梁結(jié)構(gòu)多采用單腹板側(cè)蓋板結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡單，但對腹板和蓋板的強(qiáng)度、剛度有更高的要求。是無中梁罐車枕梁的主要形式之一。 圖1—2 3．“單腹板+側(cè)蓋板+矩形型鋼起吊連桿(無 頂車箱形)”結(jié)構(gòu)(見圖1—3)。該結(jié)構(gòu)在單腹板、側(cè)蓋板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了矩形型鋼起吊連桿結(jié)構(gòu)，在滿足枕梁受力的同時(shí)，方便制造、檢修過程中的吊裝罐體作業(yè)(如GATx公司采用該結(jié)構(gòu)作為主型結(jié)構(gòu))。 圖1—34．“單腹板(小)+頂車筋板和蓋板(無側(cè)蓋板) ”結(jié)構(gòu)(見圖1—4)。該車枕梁在鞍座邊角處取消了側(cè)蓋板，枕梁僅由單腹板和下蓋板組成，為保證罐車在承受心盤沖擊、側(cè)滾、扭轉(zhuǎn)、頂車工況條件下的可靠性，因此枕梁腹板和下蓋板均被設(shè)計(jì)的比較強(qiáng)大來保證安全。 圖1—4 5．“單腹板+短側(cè)管+下蓋板+頂車腹板”結(jié)構(gòu) (見圖1—5)。為改善側(cè)蓋板和無側(cè)蓋板單腹板枕梁鞍座邊角處的受力狀況，鞍座邊角處采用了圓管結(jié)構(gòu)，枕梁下蓋板下側(cè)焊接單腹板、頂車下蓋板結(jié)構(gòu)。