一种便于灵活布局的车体底架设计及结构分析

（北京二七轨道交通装备有限责任公司，北京 100072）

边坡清筛机用于线路两侧道床边坡的清筛作业，通过对边坡道碴的挖掘、清筛、回填和整形，改善道床的排水性能，维护路基的承载能力[1]。边坡清筛机整机由装载车和筛分车两节连挂组成，装载车在前，筛分车在后。

SBC-HP/BS1200型边坡清筛机是中国北车股份北京二七轨道交通装备公司（简称“二七公司”）与美国LORAM公司合作，进行技术引进与国产化的项目。该车用于轨枕两侧的道床边坡道碴层的筛分，能够一次性完成道床边坡道碴的挖掘、输送、筛分、回填、整形等过程，以改善道床边坡的弹性、排水性能，从而恢复承载能力。整车全长45米，由装载车和筛分车2节车组成。全车分动力系统、液压系统、空气及制动系统、燃油系统、除尘系统、电气系统、物料输送系统、车体钢结构、转向架等构造系统，同时配置挖掘斗轮、松碴装置、回填装置、筛分装置、整形装置、清扫装置等特殊的工作装置。图1为作业车在接受运用考核。

边坡清筛机是针对于轨枕两侧的道床进行作业，所以其作业装置如挖掘斗轮、松碴装置、回填装置、整形装置都需布置在车架两侧，由于其中一些作业装置体积较大，这就要求车架在保证足够强度的同时，车架左右两侧有足够的空间来布置这些作业装置。同时车架上要安装机器间、司机室等装置，这也要求车架在横向宽度方向上有足够的空间和支撑。这就决定了边坡车以一根主梁为主贯穿车架前后，在特定位置通过在主梁两车对称增加副梁的方法，实现了车架横向与纵向的承载与空间要求。

这种以一根主梁为主贯穿车架前后的车架结构简单，尤其是在总体布局时，可以比较灵活地按照布局需求在主梁两侧增加小副梁或者只是简单的支架就能满足要求。本文从该车的总体布局及性能参数等需求出发，以设计理念及结构特点为着眼点，对该车的车架、两车连接、作业装置支架等进行介绍和分析，并总结了设计和制造过程中的相关经验，以供设计和技术人员进行参考。

1 总体布局及性能参数

边坡清筛机主要技术参数如表1所示，作业流程如图2所示，根据其作业流程需要，边坡车有装载车和筛分车两节连挂组成，装载车在前，筛分车在后。装载车的总体布局见图3所示，装载车集中布置了边坡清筛机主要动力装置，担负驱动整机走行的任务。主要的作业装置之一——挖掘轮也布置在装载车上。筛分车的总体布局见图4所示，筛分车集中了边坡清筛机上大部分作业装置，通过两车连接装置与装载车挂接在一起，由装载车带动走行。

表1车辆主要技术参数

图2边坡清筛机作业过程

图3装载车总体布局图

图4筛分车总体布局

2 车体底架特点分析

边坡清筛机车架部分包含装载车车架和筛分车车架两部分，这两部分的车架对于整个清筛机起着至关重要的支撑作用和牵引力的传递作用，整个清筛机的所有工作装置、输送带、柴油机等都需要车架来承载，同时在工作时，边坡车的作业装置如挖掘斗轮、松碴装置、整形装置等会对车架产生附加力与附加力矩，可以说一台清筛机的承载能力完全取决于车架部分的组装水平和焊接水平。

2.1 装载车车体底架

装载车车体底架由钢制部件及钢板制成，其纵向（车行驶的方向）承压能力不小于1 250 kN，纵向承拉能力不小于980 kN，主体由主梁、枕梁、加强梁、主滑动座套、松渣装置支架五部分组成，如图5所示。

图5装载车车体底架

装载车重量（含两个动力转向架）为88 t，最大轴重22 t.由于工作装置布局与工作空间需求，整个装载车主要由一根贯穿于车架前后的主梁承载。所以说主梁是整个车架的主体承载和传力部件。主梁长度为20 465 mm，最宽位置为711 mm，主要由三个盖板（厚度为 25 mm）、六个立板（厚度为20 mm）及底板（厚度为25 mm），筋板四部分厚板组成的箱型梁[2]。此梁的特点之一就是主体材料板厚较大，在我国通常的车架主梁一般厚度在15 mm~20 mm左右，正是由于大大厚度的钢板保证了主梁的大的承载界面。主梁的另一个显著特点为鱼腹结构,如图5所示，鱼腹设计在在主梁的中部位置。因为装载车单位面积承重最大的位置为挖掘斗轮的安装位置，挖掘轮的总重为21 t，挖掘轮在工作的时候，斗轮的挖掘与提升过程会对整个主梁产生一个扭矩，在挖掘轮的安装位置（即主滑动座套位置）设计为鱼腹结构，同时在主梁内部布置三个加强板，来保证其足够的强度和刚度。装载车的重量为88 t，仅仅由一根简易的、贯穿于车架首尾的主梁承载，对主梁的考验是相当大的，正是由于此主梁的厚板材料和鱼腹结构满足了整个车体底架的强度和刚度的要求。图6为垂直载荷时车架有限元分析，从图中可以看到鱼腹结构有效的承担垂直载荷，为整个车体底架的垂向刚度做出了重大贡献。从图7中可以看出主梁有效地传递在列车牵引运行中所产生的车钩纵向力。

装载车架主梁的前端装有边坡清筛机的主要动力装置，如主发动、泵组成等，尾端装有1号装载输送带，因此在主梁前端与尾端左右两侧设有简易的加强梁框结构，以此作为机组安装平台和工作平台。车钩缓冲装置都安装在主梁内部，无牵引梁。

图6垂向载荷筛分车车架应力分布

图7拉伸工况下的车体底架应力分布

2.2 筛分车车体底架

筛分车重量（含两个从动转向架）：72 t，最大轴重为18 t。筛分车车体底架主体由主梁、枕梁、加强梁、尾部横梁和输送带支架组成，如图8所示。

图8筛分车车体底架

筛分车的主梁长2 345 mm，最宽位置为558 mm。此主梁与装载车主梁结构相似，主要的区别是筛分车鱼腹结构的面积较大，这正满足了筛分车的功能与总体布局。在筛分车的鱼腹位置两侧装有回填装置和整形装置，鱼腹结构的上部承载着振动筛、输送带的纵向载荷。图9为垂直载荷时车架有限元分析，从图中可以看到鱼腹结构有效的承担垂直载荷，为整个车体底架的垂向刚度做出了重大贡献。图10为拉伸工况下车体底架应力分布，从图中可以看出主梁有效的传递在列车牵引运行中所产生的车钩纵向力。

图9垂向载荷筛分车车架应力分布

图10拉伸工况下的车体底架应力分布

2.3 车体底架的特点

（1）车架钢结构为主梁承载，一根主梁贯穿于车架的前后属于平板结构，单根的主梁结构很好地传递了纵向力的走向。主梁为厚板组成的带鱼腹的箱型梁；

（2）主梁是边坡车五大作业装置和输送带的全部承载体，鱼腹结构效地有承担了整车的垂直载荷；

（3）车架前后两端采用型钢组成加强梁框作为机组安装平台及工作平台，平台上部布置防滑走板；

（4）车架前部和尾部采用100型车钩与牵引车连接，装载车后端采用缓冲装置和牵引杆与筛分车架连接。

3 两车连接装置特点分析

边坡清筛机由于装载车和筛分车在工作时是同步的，装载车主要功能为挖掘，并将挖掘出的石碴运送到筛分车的筛分装置上，其中负责运输石碴的1号输送带横跨装载车和筛分车连接处，这就要求要保证两车的连续性与同步性。牵引杆连接装置很好地满足了边坡车对此的需求。边坡清筛机两车连接装置，主要由牵引杆、冲击座、钩尾框、钩尾销、缓冲器、从板组成。车钩钩体尾部，通过钩尾销，与钩尾框相连如图11所示。

图11 原型车两车连接装置

此两车连接装置的主要特点为：（1）使用牵引杆代替车钩的连接方式改善了两车的动力学性能，降低了零部件采购和定期检查的工作量[3]，降低了两车连接的自重（两个车钩共重404 kg，牵引杆重223 kg）。（2）牵引杆的尾端为球面结构，从板与牵引杆的接触面为球面，与机车常用的圆面结构相比，增加了牵引杆的自由度。（3）由于边坡车的轴重较大，缓冲装置减少了两车之间的纵向冲击。（4）此连接装置直接装入两车架的主梁内，使得牵引力的方向直接由主梁、牵引杆、再到主梁，很大程度地提高了牵引力的传递效率。

4 结束语

本文以边坡清筛机为实例，从总体方案布局需求出发，详细介绍了一种简易、便于灵活布局的车架设计理念及结构特点，并对结构特点及制造工艺等进行了分析总结。

其优点总结如下：

（1）车架横向体积小，因此在轨道有限的区域内有较大的布局空间，方便于车体整体的布局。同时根据布局的需求可以依附于主梁两侧设计作业平台，并且根据载荷的需求设计鱼腹结构。所以此车体底架的设计理念可以被多种车型所借鉴，尤其适用于需在车架两端安装工作装置的车型，如清筛机、整型车等养路机械。

（2）首尾贯穿一根成单一直线的主梁，力的传递方向明确直接，有效的传递了车的纵向牵引力，鱼腹结构有效地承担了整车的垂直载荷；

（3）结构简单，利于生产可以很大程度上降低生产成本。

（4）带有钩缓装置的牵引杆两车连接装置，既保证了两车的连续性与同步性，又减少了两车之间的纵向冲击。

[1]田继新，李少华，王少华.BSC型边坡清筛车设计[J].哈尔滨铁道科技，1999，(3):16-17.

[2]刘 娜，孙保林，刘 宇.浅谈SBC-HP3型边坡清筛机装载车车架结构及组装工艺[J].装备制造技术，2014，(1):54-55.

[3]孟庆民，等.牵引杆技术在大秦铁路重载货车上的应用[J].铁路机车车辆，2008，(28)：91-94.