KZ70型石砟漏斗车操纵室侧门扶手改造方案

2021-11-19史洪斌刘文胜李旭英吴胜财

轨道交通装备与技术 2021年5期

史洪斌刘文胜李旭英李鹏吴胜财

(中车太原机车车辆有限公司山西太原 030009)

KZ70型石砟漏斗车为中车太原机车车辆有限公司于2005年研制的载重70 t石砟漏斗车，操纵室侧门扶手采用图号为KT207-200-91的B型客车通用件侧门扶手，扶手套管材质为Q235A普通碳素结构钢(以下简称“普碳钢”)，套管外包塑了塑料管。由于石砟漏斗车运用工况恶劣，塑料管在长期使用后容易老化破裂。KZ70型石砟漏斗车自2013年开始陆续进行厂修，经入厂检查，操纵室侧门扶手包塑塑料管普遍存在因老化或磕碰导致的破裂，且破裂处的钢管产生了一定腐蚀，故目前在厂修时侧门扶手解体后全部更换为新品。为提高KZ70型石砟漏斗车操纵室侧门扶手耐腐蚀性能，保证车辆运行安全，消除作业人员人身伤害隐患，中车太原机车车辆有限公司于2021年4月提出了操纵室侧门扶手改造方案，且该改造方案通过了国铁集团货车事业部组织的方案评审。

1 既有石砟漏斗车操纵室侧门扶手结构型式

1.1 K13系列石砟漏斗车侧门扶手结构

K13、K13T、K13K、K13N、K13NT、K13AK、K13NK等K13系列车型的操纵室两侧侧门扶手均采用ø16 mm圆钢制成的锻件结构，在其两端锻扁处配钻ø17 mm孔，采用铆钉将其与侧门框两侧热铆紧固。

1.2 KZ70型石砟漏斗车操纵室侧门扶手结构

KZ70型石砟漏斗车操纵室侧门扶手由扶手座、扶手杆和紧固螺钉等组成，扶手座为铸件，扶手杆由套管及端头组成，套管采用材质为Q235A的DN15钢管制成，端头采用材质为Q235A、直径为24 mm的圆钢机加工而成，套装在套管一端，安装时通过螺栓、螺母将扶手座紧固在门框两侧，为确保安全，安装后将螺栓和螺母点固焊。解决扶手夏天烫手、冬天冻手的问题，在扶手套管外包塑塑料管。

入厂检修时发现既有KZ70型石砟漏斗车操纵室侧门两侧扶手包塑的塑料管存在裂纹破损和扶手套管腐蚀等问题(见图1)。

图1 侧门扶手裂纹破损和腐蚀

2 侧门扶手折损风险分析

既有KZ70型石砟漏斗车操纵室扶手杆为流体输送用普碳钢焊接钢管，规格为21.3 mm(外径)×2.9 mm(壁厚)，外覆聚乙烯塑料(PE)或挂胶(硬质橡胶)，运用中发现因覆塑或挂胶质量不良导致扶手套管腐蚀等问题，分析原因为：KZ70型石砟漏斗车在长期使用后，扶手杆套管外包塑的塑料管产生老化、裂纹及破损等问题，如果包塑塑料管与钢管的结合不紧密，会使雨水进入塑料管内部对包裹的套管造成腐蚀；由于外部塑料管遮盖，不利于段修检修作业和列检技检作业时对扶手套管的腐蚀状态进行检查，不能及时发现腐蚀情况；加之石砟漏斗车运用工况比较恶劣，在南方频繁雨水浸润作用下，导致扶手套管管壁逐步腐蚀。此外，据调研，价格较低的侧门扶手(B型)钢管壁厚达不到图纸要求，加上覆塑的塑料管与钢管的黏接力达不到30 kN的要求，与钢管结合不紧密，会使扶手的耐腐蚀性显著下降。

3 既有KZ70型石砟漏斗车侧门扶手改造方案

为彻底解决既有KZ70型石砟漏斗车操纵室侧门扶手腐蚀折损故障，保证运用安全，并降低检修和改造成本，同时考虑既有KZ70型石砟漏斗车操纵室侧门扶手改造后与新造KZ70型石砟漏斗车的通用性和互换性，针对2005年～2019年间生产的装用覆塑或挂胶的KZ70型石砟漏斗车操纵室侧门扶手，提出了改造方案。

KZ70型石砟漏斗车厂修时，将原车装用的B型客车通用件侧门扶手(Q235A普碳钢材质)全部改为不锈钢材质侧门扶手；KZ70型石砟漏斗车段修时，原车装用的B型客车通用件侧门扶手(Q235A普碳钢材质)须拆除橡胶套，全面检查扶手套管状态。扶手套管状态不良的整体改造为不锈钢材质侧门扶手；扶手套管状态良好的可继续使用，涂刷防锈底漆和面漆(面漆漆种与车体相同)，不再包裹橡胶套；KZ70型石砟漏斗车临修处理操纵室侧门扶手故障时，比照段修要求执行。同时对遮盖侧门扶手连接螺栓的操纵室侧墙局部内装饰进行拆卸和恢复。

不锈钢侧门扶手套管采用规格为26.9 mm×3 mm的流体输送用不锈钢焊接钢管，增加了扶手套管截面积，提高了扶手强度和刚度。不锈钢侧门扶手与既有碳钢侧门扶手接口尺寸相同，方便更换；在检修时仅对外表面进行抛光处理，不需要油漆，提高了综合经济效益。

4 侧门扶手静强度对比分析

为评估KZ70型石砟漏斗车操纵室侧门扶手改进后结构强度是否满足使用要求，采用ANSYS有限元分析程序对其静强度进行了对比分析计算。

侧门扶手的套管规格由21.3 mm×2.9 mm更改为26.9 mm×3 mm，截面积由167 mm2增大到225 mm2，增加幅度为35%；惯性矩IZ由0.465×106 mm4增大到1.045×106 mm4，增加幅度为125%；套管和端头材质由Q235A普碳钢变成06Cr19Ni10不锈钢，扶手座材质由ZG230-450铸钢改为ZG06Cr19Ni10铸造不锈钢，增加了耐腐蚀性能，抗拉强度由370～500 MPa增大到不小于520 MPa。

在进行侧门扶手静强度分析中，所有零部件均离散成实体单元(solid195)，原侧门扶手共离散成11 872个节点，38 910个单元。改进后的侧门扶手共离散成14 843 个节点，48 650个单元。

改进前后，侧门扶手通过螺栓固结在操纵室上，分析时认为螺栓孔处固定约束，扶手的受力考虑两种载荷工况：第一种载荷工况为100 kg的人将全部重力沿垂直车门方向作用于扶手套管中央；第二种载荷工况为100 kg的人将全部重力作用于沿着车体方向的扶手套管中央。

改进前、后对比分析结果如下：

在第一种载荷工况下，原侧门扶手与改进后的侧门扶手应力云图如图2所示，原侧门扶手的最大应力为175.9 MPa，发生在扶手套管中央位置；改进后的最大应力为113.1 MPa，发生在扶手套管中央位置；改进后扶手套管中央的最大应力减小了62.8 MPa，仅为原侧门扶手的64%；原侧门扶手最大变形为4.784 mm，改进后侧门扶手最大变形为2.59 mm，减小了2.194 mm，约占46%，改进前后侧门扶手均在弹性范围内，未发生塑性变形；改进效果明显。

在第二种载荷工况下，原侧门扶手与改进后的侧门扶手应力云图如图3所示，原侧门扶手的最大应力为178.4 MPa，发生在扶手套管中央位置；改进后的最大应力为113.0 MPa，发生在扶手套管中央；经过改进，扶手套管中央的最大应力减小了65.4 MPa，仅为原侧门扶手的63%；原侧门扶手最大变形为4.23 mm，改进后侧门扶手最大变形为2.278 mm，减小了1.952 mm，约占46%，改进前后侧门扶手均在弹性范围内，未发生塑性变形；改进效果明显。

以上对比分析结果表明，在相同的载荷工况下，侧门扶手组成改进后扶手套管的应力明显减小，能够明显改善扶手的应力状态，满足使用要求。