1.漏斗车底门结构服役情况
漏斗车车体的疲劳问题研究已经开展多年，从理论设计、仿真分析及试验验证等方面技术水平已经趋于成熟，车体关键承载结构的运用考验总体比较成功。但近年来，伴随着车体结构轻量化、卸货站场自动化、车辆运用工况复杂等因素，不同公司生产的多种煤炭漏斗车均出现了关键部件的疲劳问题。漏斗车底门传动开闭机构关键部件服役性能、疲劳可靠性问题日益凸显，是影响漏斗车卸货性能的关键技术，成为漏斗车研发水平不断发展的重要课题。
本文针对漏斗车底门传动开闭机构关键部件在服役过程中遇到的常见问题，分析其产生原因，利用有限元仿真分析技术，从应力、疲劳损伤、多体动力学等方面展开分析，保证底门开闭机构关键部件的疲劳性能，为后续机构设计、优化改进提供指导性建议。
客户厂家多年使用维修发现，煤炭漏斗车在卸煤过程中，底门两侧的煤炭会溢出流落到底门销与锁体间，在底门关闭过程中会增加关门阻力，长期运用后可能会导致底门开闭机构中传动部件受力变形，影响底门的开闭灵活性。底门组成中底门折页在长期运用过程中存在有底门折页与上门框焊缝开裂的现象，经分析是由于底门折页与底门门框间的搭接量过小，底门折页组焊时焊接不良引起的。
上、下部传动轴之间的连杆是底门开闭机构的关键配件，原车型上装用的大刀形连杆受力状态不良，在使用中产生的附加弯矩容易使杆体螺纹部位产生疲劳裂纹或变形，发生断裂故障。为确保连杆在使用寿命期内的运用可靠性，改进设计结构，消除了螺纹部位的附加弯矩，并采用C级铸钢材料提高强度等级，但在运用过程中由于砂眼、气孔、缩松等铸造缺陷的原因仍有断裂的问题发生。
2.底门结构强度分析与关键部件提升改进
针对漏斗车底门受力特点，施加载荷仅考查底门结构上方载重对其变形的影响，按照静水压力施加均布面载荷。将漏斗车底门结构的板材件离散成板壳单元（shell 181），折页、底门销离散成四面体单元（solid 185）。该漏斗车底门结构材料采用Q450NQR1，载荷条件和评估方法依据TB/T3550.2-2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范》的有关规定确定，分析参数见表1。
表1 煤炭漏斗车分析参数
(2)静强度分析结果
经过有限元分析，煤炭漏斗车底门结构最大位移值为7.38mm；最大应力值为207MPa,发生在与折页交接的底门板上，小于Q450NQR1的许用应力281MPa。底门结构的强度满足设计要求，位移云图、应力云图见图1。
图1 煤炭漏斗车底门结构位移云图、应力云图
(3)底门关键部件提升改进
根据前一节分析计算结果可知，底门折页与门板T型接头处结构强度最为薄弱，为确保底门结构疲劳使用安全性，可对此处进行方案提升改进。对底门折页及连接方式进行了优化改进设计，底门折页采用了大折页，将高度30mm增大到55mm，宽度80mm增大到100mm；同时将底门折页与底门梁的焊接改为底门梁与底门板的焊接，增加了底门折页的连接刚度。
底门结构采用大折页进行改进后，该底门结构最大位移值由原来的7.38mm降为7.07mm，改进后比改进前减少了0.31mm；与折页交接的底门板上最大应力值由原来的207MPa降为197MPa,改进后比改进前减少了10MPa，小于Q450NQR1的许用应力281MPa。底门结构提升改进后能够改善变形与应力状态，位移云图、应力云图见图2。
图2 采用大折页煤炭漏斗车底门结构位移云图、应力云图
3.传动机构关键部件性能提升改进
利用多体动力学分析软件，可以实现对底门传动开闭机构的动力学仿真，确保关键部件的使用性能良好，能够顺利实现打开与关闭的要求；模拟漏斗车底门
开闭机构在双向风缸作用下的打开过程。利用多体系统动力学分析软件自带的动力学求解器求出开闭机构中的连接拉杆的铰链点在开门过程中力随时间的变化情况，见图3。
图3 连杆组成铰链点X、Y方向受力曲线
根据以上分析可得连杆在开门和关门过程中最大承受40kN的轴向载荷，并将分析得到的载荷用于后续的疲劳可靠性行评估。
AAR M-1001-2007货车设计制造规范第7章《新造货车的疲劳设计》提出疲劳特性的分析方法:适用于结构的当量应力低于材料疲劳强度的情况，并假设环境载荷谱的加载次序不会影响疲劳的累积损伤，基于名义应力法和试验数据的Miners线性累积损伤定律进行疲劳预测；被分析的结构原先没有疲劳损坏，当肉眼看到零件的裂纹时，则已出现疲劳破坏。根据线性累积损伤假设，结合代表材料疲劳特性的S-N曲线，预测各部件达到损坏的使用循环次数。
根据传动机构在实际运用中出现的问题，对连杆组成进行技术提升改进。将原下连杆C形结构进行优化，将原螺杆的直径增大4mm，使连接拉杆在底门打开过程中与车轮轮辋内侧面间距离隙增大，有效减小了连接拉杆与车轮接触摩擦的可能性。连接拉杆由原铸造结构改为锻造结构，避免了砂眼、气孔、缩松等铸造缺陷，大幅提高底门连接拉杆的疲劳可靠性和使用寿命。
按照前面所述疲劳评估方法对改进前后连杆组成进行疲劳可靠性分析,将提升改进前后疲劳寿命预测结果进行对比：方案提升改进后连杆组成循环使用次数由2.97X104次增加到4.42X104次，是原结构的1.5倍，疲劳寿命得到显著提升。
4.结论
本文针对煤炭漏斗车底门结构及其传动关键部件的强度与疲劳可靠性展开研究，主要关注关键部位的疲劳寿命，根据预测结果对结构进行优化；并对改进前后的静强度和疲劳寿命进行了对比分析，分析结果表明改进后的关键部件静强度和可靠性均得到提高，提升改进效果显著。
参考文献
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[2] 李围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出社，2007，1
[3] ANSYS15.0有限元分析[M].北京：清华大学出版社，2016，1
作者简介：吴佳（1986-），女，山西太原人，工程师，主要从事铁路车辆CAE仿真分析。
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