基于SolidWorks 和ANSYS 的铁路卷状货物横向限位钢制座架设计

袁舜，潘帅，卢泓坤，田志强，袁霞，邹美思

（1.兰州交通大学 铁道部货物装载加固研究与咨询中心，兰州 730070；2.九江职业技术学院，江西 九江332007）

卷钢、铝卷运输属于铁路大宗货物运输，其特点是圆柱状易滚动、密度大易集重，加固难。铁路在卷状货物中长途运输中占有较高地位[1-2]。目前，国内铁路运输卷状货物尚无专用车型，通常采用敞车运输，优先采用卧装方式。乌鲁木齐铁路局管内的新疆八一钢铁集团有限责任公司（简称八钢公司）通过铁路发往疆内外的卷状货物运距较长，距离最近省会城市兰州约2 000 km。卷状货物在运输过程中存在横向位移风险，危及行车安全，见图1。要运用铁路敞车安全高效、经济环保的运输卷状货物，就要结合敞车内部结构，设计新型钢制座架。

目前，针对卷状货物运输的研究主要集中在钢制座架强度估算、疲劳寿命计算、主体结构优化等方面。韩立东[3]提出了研究铁路货物装载加固座架的强度估算方法，计算了货物纵向惯性力，进行了卷钢座架静态和冲击动强度试验。刘晓华[4]通过中铁联合物流股份有限公司RUL-Cl 型卷钢座架，研究了强度有限元分析和检测试验，后对底架架构进行优化。高俊平[5]选择铁路A 型卷钢座架为研究对象，比较不同工况下的钢座架强度有限元数据和试验数据，后改进了敞车补强座与阻挡臂接触方式、增设了纵向缓冲装置。方哲[6]以攀钢集团铁路TX-C-I 型卷钢座架为研究对象,计算疲劳破坏条件下钢座架的疲劳寿命，后从消除焊缝应力集中、补强薄弱处和母材表面强化处理等方面对钢座架进行改进。

文中在既有技术经验基础上，根据（GB 50017—2017）《钢 结 构 设 计 规 范》[7]、（TB/T 3550.2—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》[8]和铁路敞车、平集两用车内部结构，设计一款安全可靠、适用车型广、结构强度高、循环使用、叠装回送、适合多种规格货物并带可伸缩横向限位装置的卷状货物运输钢制座架（以下简称卷状货物横向限位钢制座架）。按照铁总运[2015]296 号《铁路货物装载加固规则》[9]，计算发生在卷状货物上的各种力，制定经济合理的装载加固方案。采用SolidWorks 和ANSYS，对钢制座架进行三维建模和有限元分析，现实意义重大。

1 铁路卷状货物横向限位钢制座架设计方法

1.1 设计原则

卷状货物圆柱状易滚动、密度大易集重，加固难。运输中，线路变化以及车辆运动等，会引起车辆横向运动状态变化[10]，危机行车安全，见图1。

图1 铁路卷状货物横向位移事故现场Fig.1 Accident scene of lateral displacement of railway coiled cargo

卷状货物不能发生纵向滚动、横向窜动等情况，应遵循以下原则。

1） 安全。卷状货物卧装于V 形驼峰支架凹槽内，防止货物纵向滚动。钢制座架带可伸缩横向限位装置，防止货物横向窜动。

2） 无缝叠放，降低回送成本。钢制座架V 形驼峰支架、V 形横挡支撑杆连接件的设计，可实现无缝叠放回送，降低回送成本。

3） 适用车型广。敞车、平集两用车均可使用，不挑车型。

4） 结构简单，轻量化。在保障货物安全运输条件下，减少用材，降低重量。

5） 强度高，可重复循环使用，绿色环保。

1.2 钢制座架结构设计

卷状货物横向限位钢制座架三维立体仿真见图2，装载卷状货物工况见图3。钢制座架主要由3 部分组成，即底架结构、驼峰支架、横向限位装置。

图2 铁路卷状货物横向限位钢制座架Fig.2 Lateral limit steel seat frame of railway coiled cargo

图3 钢制座架装载卷状货物Fig.3 Steel seat frame loading coiled cargo

1.3 各结构设计

1.3.1 底架结构设计

底架结构主要包括横梁、纵梁、中梁、侧梁、角件、C 形加固钩、加固环、棘轮紧固器、卡板、定位卡槽等。

1.3.2 驼峰支架结构设计

驼峰支架结构主要包括V 形驼峰支架、辅助支架、加强筋、橡胶垫等。支架两侧均用工业强力胶粘黏12 mm 厚的多层夹线耐磨橡胶垫作为缓冲材料。

1.3.3 横挡限位装置结构设计

横挡限位装置主要包括横向档杆、齿条、齿块、T 型螺杆等。横向档杆两侧的矩形横挡牙齿卡在齿条内，防止横挡横向移动。此外，通过T 型螺杆将横挡固定在横挡支撑杆上。铁路卷状货物横向限位钢制座架自重约600 kg/架, 径宽比小于2.5，外形尺寸为2 800 mm×2 200 mm×500 mm，承载货物最大重量不超过32.5 t，适用卷径1 100～2 150 mm，适用板宽为900～2 300 mm。外形尺寸公差标准参考GB/T 19804—2005《焊接结构的一般公差尺寸和形位公差》[11]。

1.4 钢制座架使用材料性能

铁路卷状货物横向限位钢制座架相关材料性能参数见表1。

表1 铁路卷状货物横向限位钢制座架使用材料及强度性能Tab.1 Materials and strength properties of steel seat frame for lateral limit of railway coiled cargo

铁路卷状货物横向限位钢制座架主承载结构采用Q550NQR1 耐候钢。耐候即耐大气腐蚀，耐候钢是介于普通钢和不锈钢间的低合金钢系列，具有优质钢强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、抗疲劳等特性[12]，因此，耐候钢常用于铁道、车辆、桥梁、塔架等长期暴露在外界的钢结构。

2 装载加固方案论证

通过SolidWorks 对铁路70 t 通用敞车（简称C70）进行建模，特别对C70的内补强座与内部强座把手，见图4。其中，C70主要技术参数见表2。

表2 C70 主要技术参数表Tab.2 Main technical parameters of C70

图4 铁路70 t 通用敞车Fig.4 Railway 70 t general gondola car

2.1 卷状货物装载加固方法

根据铁总运[2015]296 号《铁路货物装载加固规则》，以敞车一车两钢制座架装2 件为例，进行计算[9]。使用铁路通用车型C70。加固装置为铁路卷状货物横向限位钢制座架。货物在敞车中装载加固仿真见图5。

图5 铁路70t 通用敞车2 件卷状货物装车工况Fig.5 Loading condition of 2 pieces of coiled cargo in railway 70 t general gondola car

2.2 卷状货物装载加固计算

以下计算均严格按照铁总运[2015]296 号《铁路货物装载加固规则》。采用C70，主要技术参数见表2。每个钢制座架装载1 件卷状货物，刚性加固。

2.2.1 计算作用于货物上各种力的数值

1）纵向惯性力：

式中：a为货物重心偏离车辆横中心线的距离，mm；l为负重车转向架中心距，mm；n0为单位质量货物的横向惯性力，kN/t；N为横向惯性力，kN。

3）垂直惯性力：

2.2.2 检查货物稳定性

1）卷状货物水平移动稳定性。钢制座架在纵向水平移动方面稳定性：

故，钢制座架在纵向稳定，卷状货物在横向会发生水平移动。

2）货物在倾覆方面的稳定性

纵向倾覆稳定性：因卷状货物横向卧装，存在纵向滚动风险。卷钢在V 形驼峰槽内纵向免于滚动的条件：

钢制座架高度500 mm，因此，符合要求。

横向倾覆稳定性：卷状货物横向卧装，因此，卷状货物有横向倾覆的风险。

横向合力产生倾覆力矩：M倾=（N+W）×R×cosα=50.79DKN·m (15)

横向合力产生稳定力矩：M稳=9.8Q×K× 0.5=159.25KKN·m (16)

式中：K为钢制座架相邻支架（外边缘）间距，mm。

卷状货物免于横向倾覆条件为：

3 基于SolidWorks 和Ansys 的钢制座架有限元分析

3.1 SolidWorks 和Ansys 简介

SolidWorks 集三维建模、装配、工程制图于一体的大型软件，拓展性好，可与多款软件配合使用[13-14]。ANSYS 是全球主流有限元分析软件，但三维参数化建模环境不友好[15]。因此，采用SolidWorks 对铁路卷状货物横向限位钢制座架进行三维建模，将模型导入ANSYS 中进行有限元分析。

3.2 有限元分析思路

在SolidWorks 环境下，对铁路卷状货物横向限位钢制座架装载卷状货物工况等效建模；再通过CAD 关联接口，导进Workbench 环境下；然后网格划分，添加载荷，运行算例求解；最后，结合材料特性、GB 50017—2017《钢结构设计标准》规定的强度及位移要求，得出结论。此外，算例运行环境如下：ROG 台式计算机，处理器为Core（TM）i9@5.20GHz 12900KF,操作系统为 Windows 10 20H2，ANSYS 2022R1 版。

3.3 铁路卷状货物横向限位钢制座架有限元分析

3.3.1 V 形驼峰支架有限元分析

V 形驼峰支架分别受到卷状货物纵向惯性力，垂向惯性力与重力合力。其中，纵向惯性力为480 kN，垂向惯性力与重力的合力494.98 kN。进行有限元分析，网格质量为0.89，划分网格节点数为5 473 554，单元数为1 302 777。依次施加上述力，垂向等效应力分析见图6，垂向等效位移分析见图7；纵向等效应力分析见图8，纵向等效位移分析见图9。

由图6 可知，施加垂向力后，最薄弱部分是V 形驼峰支架支撑面与卷状货物接触处，应力值172.1 MPa，小于Q550NQR1 耐候钢屈服极限（550 MPa），强度满足要求。由图7 可知，施加垂向力后，最大位移发生在V 形驼峰支架支撑面和齿条焊接处下方，位移形变量为0.23 mm，小于2 mm，满足规定。

图6 V 形驼峰支架垂向等效应力云图Fig.6 Vertical equivalent stress contour of V-shaped hump bracket

图7 V 形驼峰支架垂向等效位移云图Fig.7 Vertical equivalent displacement contour of V-shaped hump bracket

由图8 可知，施加纵向力后，最薄弱部分是V 形驼峰支架支撑面与卷状货物接触处，应力值244.39 MPa，小于Q550NQR1 耐候钢屈服极限（550 MPa），强度满足要求。由图9 可知，施加垂向力后，最大位移发生在V形驼峰支架支撑面和齿条焊接处下方，位移形变量为0.19 mm，小于2 mm，满足规定。

图8 V 形驼峰支架纵向等效应力云图Fig.8 Longitudinal equivalent stress contour of V-shaped hump bracket

图9 V 形驼峰支架纵向等效位移云图Fig.9 Longitudinal equivalent displacement contour of V-shaped hump bracket

3.3.2 钢制座架横向限位装置强度校核

卷状货物在钢制座架V 形驼峰凹槽内所受横向不平衡力ΔN为71.1 kN，通过横向限位装置的横向挡杆及齿条上的齿块抵消。钢制座架横向限位装置三维实体模型如图10 所示。

图10 钢制座架横向限位装置Fig.10 Lateral limit device of steel seat frame

1）校核齿块抗剪强度。每侧齿块剪切力17.775 kN，齿块横截面积625 mm2，齿块剪应力τ为7.11 MPa，小于Q345 NQR3 钢的许用剪切应力。

2）校核横向档杆的抗弯强度。横向不平衡力ΔN作用于长1 270 mm 的横向档杆，横向档杆长度方向中间断面受到工作弯曲应力Mc最大。

根据横向限位装置设计，通过ANSYS 有限元分析对横向档杆受力进行分析。在最不利载荷作用下，横向档杆等效应力分析云图和位移云图如图11、图12 所示。由图11 可知，最大等效应力28.66 MPa，小于Q345 钢的许用应力216 MPa。由图12 可知，最大变形量0.03 mm，为弹性变形。综上，钢制座架横向限位装置强度及刚度符合要求。

图11 横向挡杆等效应力云图Fig.11 Equivalent stress contour of lateral stop bar

图12 横向挡杆等效位移云图Fig.12 Equivalent displacement contour of lateral stop bar

《铁路技术管理规程》规定，车辆在编组站，应限速连挂，可实施溜放。此外，V 形驼峰支架支撑面铺满12 mm 厚的多层夹线耐磨橡胶垫进行缓冲[16]，因此，运输卷状货物更加安全可靠。

4 结语

我国幅员辽阔，铁路在以卷钢、铝卷为代表的卷状货物运输中发挥重要作用。以C70为代表的敞车占铁路货物运输运用车保有量60.64 %以上[17]。文中在铁路卷状货物钢制座架技术基础上，提出的铁路卷状货物横向限位钢制座架具有安全稳定、循环使用、适用车型广、无缝叠放、适合多种规格卷状货物运输等特点。通过SolidWorks 对钢制座架不同工况三维建模,确定最不利条件下的卷状货物装载加固方案，计算运输过程中的各种力；配合ANSYS Workbench，对钢制座架进行有限元分析。结果证明，铁路卷状货物横向限位钢制座架可有效防止货物横向位移，保障卷状货物运输安全，降低装载加固成本。未来研究，可考虑如何简化装卸作业流程，实现“门到门”运输，提高铁路运输市场竞争力，促进卷状货物运量加速反流铁路。