KM70（H）型煤炭漏斗车顶杆优化设计

KM70（H）型煤炭漏斗车顶杆优化设计

吴胜财，张燕

中车太原机车车辆有限公司， 山西 太原 030027

摘  要：本文介绍了KM70（H）型煤炭漏斗车顶杆结构和运用故障，通过优化顶杆结构，能够提高顶杆的使用可靠性和运用安全性。

关键词：煤炭漏斗车；顶杆；优化

KM70（H）型煤炭漏斗车是中车太原机车车辆有限公司于2005年研制的70t级煤炭漏斗车，主要用于装运煤炭及矿石等散装货物，可满足电站、港口、选煤、钢铁等企业使用，采用顶锁式底门开闭机构，可风动快速卸货，亦可手动卸货。在运用中曾经发生过顶杆环焊缝因未焊透等焊接缺陷导致空心钢管与顶杆尾焊接处开裂的故障，给车辆运用安全带来一定的隐患。为提高顶杆使用可靠性和运用安全性，对KM70（H）型煤炭漏斗车顶杆进行了优化设计。

1 顶杆结构介绍

KM70（H）型煤炭漏斗车的长、短顶杆由调节杆、调节螺母、60mm×5mm的冷拔钢管及顶杆尾组成。空心钢管与调节螺母和顶杆尾通过两端的环焊缝进行连接，环焊缝长度大约为210mm。

KM70型煤炭漏斗车采用顶锁式机构，车辆在重车卸煤过程中，当连杆转过死点，底门销转出锁体的圆弧面后，由于货物对底门的压力，底门会瞬间打开，而不是匀速地打开，这就增大了底门顶杆的瞬间受力，底门顶杆在长期使用过程中，空心钢管与顶杆尾或调节螺母焊接处有开裂现象，这种现象虽然少见，但确实有发生过，因此也给车辆使用带了了一定的安全隐患（图1）。

图1  空心钢管与顶杆尾的焊缝开裂

2 顶杆优化设计

针对底门顶杆在使用过程中，空心钢管与顶杆尾或调节螺母焊接处有开裂现象，认为是空心钢管与顶杆尾在开门过程中受力大且焊缝长度不够造成的。为了改善顶杆受力状况和增加焊缝长度，从顶杆尾处和调节螺母处（见图2）焊缝起沿管体轴向各铣3条均布宽16 mm、长42 mm、深6mm的键槽。对长、短顶杆开槽部位进行塞焊。顶杆尾处优化焊接方式后，轴向焊缝总长度达到300mm，加上原来的环焊缝，焊缝总长度超过了500mm，焊接部位的连接焊缝总长度比原来增大了一倍左右。同时，由于新增加焊缝均为与受力方向一致的轴向焊缝，相同长度条件下其抗拉强度比原来的横向环焊缝要大，因此顶杆尾处钢管优化设计后，能够满足安全使用要求。

优化前顶杆焊接结构            优化后顶杆焊接结构

图2  优化前后顶杆组成

3 优化前后顶杆强度对比分析

优化前焊缝为环焊缝，将焊缝与顶杆尾作为一体，然后通过焊缝节点与空心钢管连接为一体，该处焊缝为开坡口V型焊缝，为此将焊缝宽度考虑为6mm；优化后焊缝增加了3条U型焊缝，将焊缝单独建模，焊缝与顶杆尾和空心钢管连接，空心钢管和顶杆尾不连接。采用4节点4面体单元进行离散，优化前顶杆共划分节点4468个，单元13973个；优化后顶杆共划分节点4327个，单元14987个。

KM70（H）型煤炭漏斗车顶杆受力为二力杆，经计算该顶杆在开门和关门过程中最大承受10 kN的轴向载荷。在进行强度分析时，在顶杆一端施加位移约束，在另一端施加10kN的轴向拉力。优化前后顶杆应力云图如图3所示。

优化前最大应力为57.2MPa，发生在拉杆头与拉杆焊缝处，小于焊接材料的屈服应力180MPa；优化后最大应力为54.5MPa，发生在空心钢管与顶杆尾连接处的空心钢管上，焊缝处的最大应力为37.6MPa。优化前后最大应力变化不大，但是焊缝处的应力减小了19.6MPa，仅为优化前的65%，焊缝处的应力明显减小，能够明显改善应力状态。

优化前顶杆                  优化后顶杆

图3 顶杆承受10kN应力云图

在分析中发现，当U型焊缝所处的位置不同，则焊缝处的最大应力也不同，在极端情况下，焊缝处的最大应力甚至超过优化前环形焊缝应力。要使得焊缝处的最大应力尽可能最小，则必须将钢管置于优化后的位置，即顶杆尾上部对应U型槽，而下部正对钢管开口剩余的中央。因此在产品制造焊接时，要严格控制钢管U型槽的位置，保证焊接质量。

4 运用考核

   2019年9月25日，中国国家铁路集团有限公司组织组织有关专家对方案进行了评审，专家组一致同意通过方案评审。在随后新造的KM70（H）型煤炭漏斗车顶杆采用优化后的方案进行制造。新造KM70（H）型煤炭漏斗投入运用以来，未再发现顶杆焊缝开裂。

5 结论

对KM70（H）型煤炭漏斗车顶杆进行结构优化，采用大型有限元仿真分析软件对优化前后的结构进行了静强度分析。在相同的载荷工况下，优化后空心钢管与顶杆尾连接处的焊缝应力明显减小，能够改善焊缝处的应力状态，达到使用需求，能够有效提高顶杆使用可靠性和运用安全性。

参考文献：

[1]刘文胜，程平. KM70型煤炭漏斗车[J]，铁道车辆，2006,(11):10-12

[2]谢剑锋，刘文胜. KM70型煤炭漏斗车局部改进设计[J]，铁道车辆，2009,(8):18-19

[3]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[S]