轻量化通用工艺台车的研究

摘要：针对涂装工艺台车存在成本高、效率低、功能单一和笨重等弊端，引入“模块化”精益设计理念，并采用模块式安装、可调式支撑、轻量化构架设计和构建有限元模型仿真分析等方法，研究出一种轻量化通用工艺台车。实现台车轻量化、模块化和通用化，同时保持了台车的刚度和稳定性。使其在工序流转中表现出良好的性能和实用性，提高生产效率、节约制造成本。

关键词：可调式支撑；工艺台车；轻量化；模块化；通用化

1 前言

公司长期使用工艺台车进行车体捣运作业，为车体生产带来了便利。然而，亟待解决的问题也随之出现。首先，大重量导致不必要的能耗和推车困难。其次，大轴距限制了底架下方喷涂作业空间。此外，焊接支撑架的结构限制了其可调节性和多功能性，为满足不同车型涂装需求，台车往往需要进行额外的切割和焊接操作，造成了制造成本的浪费。因此，研究一种轻量化的通用工艺台车以提高装备使用效率并节约制造成本显得尤为重要。

2 研究目标

2.1 通用性：运用“模块化”精益设计理念，将台车的主体结构和功能部件进行模块化设计，以满足不同产品的涂装需求，并能够进行灵活组合和扩展。

2.2 轻量化：选用低合金高强度结构钢作为台车的主要承载材料，并利用焊接构架的高强度和轻量化特性进行结构设计。

2.3 刚性和稳定性：利用三维软件进行模型设计，并通过Ansys Wb有限元分析软件对关键部位进行强度验证。

3 轻量化通用工艺台车的设计。

3.1设计参数及要求

3.1.1 设计参数

（1）自重 ：         ≤3t

（2）载重：          ≤14t

（3）轴距：          900～1100mm

（4）高度：          1200mm，1350mm，（1500mm）

（5）宽度：          2460mm

（6）承载车型：敞、平、守、棚、和集装箱等

3.1.2 设计要求

（1） 实现台车轻量化，降低自重，减少制动惯性，缩短制动距离；

（2） 降低迁车台捣运和牵引能耗，减少人力推车阻力；

（3） 缩减台车轴矩，以扩大车体底部喷涂作业空间；

（4） 缩短台车组长度，实现集装箱在迁车台上双组连挂捣运；

（5） 实现工艺台车模块化、通用化，让其拥有良好的实用性和适应性

3.2台车结构设计

台车结构主要由以下几部分组成：

3.2.1焊接构架：

（1）工艺台车只做直线捣车运动，采用焊接构架结构，并选用耐候钢Q450板料焊接制造，使构架具有耐腐蚀、强度高、轻量化的特点，同时外形美观；

（2）构架组成主要由上盖板，下盖板、横梁安装座、牵引座、腹板、端梁板、轴承座板等组成，整体呈工字型焊接结构，如图1所示。

（3）为便于国铁车涂装后临时存放，上盖板表面开孔用于下心盘和旁承座紧固安装。

（4）轴承座板上开通孔用于轴承座安装。

（5）横梁安装座用于横梁基座的安装紧固。

3.2.2 轮轴组成：

（1）轮轴组成主要由车轮、转轴、空心联轴管和键等组成，转轴与车轮通过键进行定位。

（2）车轮材质为ZG25，踏面直径φ580mm，宽度130mm，踏面尺寸根据TB/T449-2016 《机车车辆车轮缘踏面外形》LMA型外形轮廓尺寸制造。

（3）转轴的轴承安装段直径φ90，车轮安装段直径φ100，材质为Q275A，中间的联轴钢管规格为φ100×10，将两转轴用焊接方式连接成一整体。

3.2.3 横梁基座：

（1）“横梁基座”是台车核心承力部件之一，也是实现台车模块化、通用化的关键部件，它安装在构架组成两个“横梁安装座”上，其主体结构是采用低合金高强度结构钢（Q550）钢板组焊而成，横梁基座承载能力按14t设计。

（2）横梁基座面板上开有等距排孔，用于各功能模块的紧固安装。如图2所示。

3.2.4 支撑装置：

由于产品结构不同，支撑模块可按各自功能进行设计：心盘支撑模块、非心盘支撑模块、集装箱支撑模块。

（1）心盘支撑模块

心盘支撑模块用于支撑双心盘结构的车体，以心盘支撑为主，旁承支撑为辅，可满足九成以上出口车型涂装生产，如图2所示。

（2）非心盘支撑模块：

非心盘支撑是针对一些特殊车型而设计，如单心盘或无心盘底架，其次还有超长双心盘距车体，因此，根据支撑位置来分，非心盘支撑又可分（枕）横梁旋锁孔支撑和鱼腹梁支撑。

（3） 集装箱支撑模块：

为增强台车适用性，支撑架模块设计需考虑适合集装箱喷涂生产的适应性，根据40英尺集装箱自重3.9t和箱底涂装高度1500mm及底角件横向中心距2260mm等特定参数，设计合适的支撑架，如图4 所示。

4 台车结构强度分析计算

轻量化通用工艺台车受力工况分两种情况：一是不装横梁，车体直接落心盘，二是装有横梁基座和模块支撑，车体落在模块支撑上，两种工况受力分析如下：

4.1 无横梁基座结构强度和刚度分析

4.1.1强度计算

未装横梁基座情况下使用，台车下心盘所受最大压力按14t计算，通过Ansys Wb有限元分析工具对结构进行静力分析，可知最大应力为88Mpa，构架组成采用Q450材料，其屈服强度σs=450Mpa，Q450许用应力[σ]=300Mpa，88Mpa<300Mpa，符合强度使用要求。

4.1.2刚度计算

根据国家标准GB50017《钢结构设计规范》的规定，钢结构的垂向变形量允许值为[h]=L/200。构架组成宽度L=2210，[h]=2210/200=11.05。通过软件分析计算得知变形量为0.389mm，符合标准要求。

4.2 有横梁基座结构强度与刚度分析

4.2.1强度计算

装有横梁基座情况下，横梁基座是主要承力部件，其中心受压力按14t计算，通过Ansys Wb静力分析，横梁基座受最大应力为160Mpa，横梁基座采用的Q550材料制作，其屈服强度σs=550Mpa，Q550的许用应力[σ]=366Mpa，160Mpa<366Mpa，符合强度使用要求。

4.2.2刚度计算

构架组成宽度L=2460，[h]=2460/200=12.3。通过软件分析计算得知变形量为0.98mm，符合标准要求。

5 结论

本文设计出一种轻量化通用工艺台车，通过高强度材料应用和优化结构设计实现台车轻量化，通过模块化设计实现台车通用性，通过有限元分析工具软件分析验证台车的安全性和稳定性。

参考文献

[1] 刘文.基于材料轻量化设计的通用工艺台车研究与应用[J]. 现代工业技术， 2017.

[2] 吴志刚，李庆光，邓勇.基于轻量化设计的通用工艺台车研究与应用[J]. 现代制造工程， 2019.