載重100 t鋁合金運(yùn)煤敞車開發(fā)

高志雄，易　新，張建軍，王宏杰

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司 鐵道部駐包頭車輛驗(yàn)收室，內(nèi)蒙古 包頭014032)

載重100 t鋁合金運(yùn)煤敞車開發(fā)

高志雄，易新，張建軍，王宏杰

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司 鐵道部駐包頭車輛驗(yàn)收室，內(nèi)蒙古 包頭014032)

摘要：目前我國鐵路運(yùn)輸?shù)乃俣群兔芏纫堰_(dá)到世界領(lǐng)先水平，但是鐵路運(yùn)能依然緊張。為了提高鐵路運(yùn)輸煤炭的能力，結(jié)合中國鐵路線路的情況，研究通用線開行27 t軸重列車和運(yùn)煤專用線開行30 t以上軸重列車勢在必行。對于鐵路貨車來講，在提高載重的同時(shí)能夠最大程度地降低車輛自重，也可以為提高鐵路運(yùn)能做出貢獻(xiàn)。結(jié)合我國和世界鐵路貨車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，介紹了我國載重100 t鋁合金運(yùn)煤專用敞車的開發(fā)目標(biāo)、設(shè)計(jì)理念、主要結(jié)構(gòu)及具體技術(shù)參數(shù)等，為中國未來運(yùn)煤市場主型鐵路貨車采用重載100 t鋁合金貨車提供了支撐條件。

關(guān)鍵詞：鋁合金；敞車；輕量化；重載

重載運(yùn)輸是當(dāng)今世界鐵路貨運(yùn)發(fā)展的主要方向，各國通過發(fā)展重載運(yùn)輸均取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。美國、加拿大、澳大利亞、南非和巴西等國家主要發(fā)展重載運(yùn)輸，其主要特點(diǎn)是貨車軸重大、載重高、自重輕、列車編組輛數(shù)多以及運(yùn)輸效率高。我國幅員遼闊，鐵路運(yùn)能緊張，煤炭和礦石等大宗貨物運(yùn)量較大，借鑒國外重載運(yùn)輸發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，立足我國國情和路情，適時(shí)進(jìn)行了在我國既有路網(wǎng)條件下發(fā)展重載運(yùn)輸?shù)难芯?，包括通用線開行27 t軸重列車和運(yùn)煤專用線開行30t以上軸重列車，以快速提升貨運(yùn)能力，解決瓶頸制約，更好地滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

世界重載運(yùn)輸發(fā)展經(jīng)驗(yàn)證明，30～32.5 t軸重是煤炭重載運(yùn)輸最為經(jīng)濟(jì)的軸重，國內(nèi)外煤炭運(yùn)輸專用車主要以敞車和漏斗車為主，敞車的運(yùn)輸能力大，漏斗車卸貨效率高。載重100 t鋁合金運(yùn)煤車充分利用輕量化設(shè)計(jì)理念，提高了大宗貨物的運(yùn)輸效率，同時(shí)考慮了線橋條件、裝卸設(shè)施、運(yùn)行維護(hù)以及運(yùn)輸能力間的關(guān)系，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較高。

為滿足市場需求，根據(jù)運(yùn)輸線路地面設(shè)施的情況，載重100 t鋁合金運(yùn)煤敞車車體采用鋁合金材料，運(yùn)用輕量化設(shè)計(jì)理念，減輕了車輛自重，提高了有效載重；運(yùn)用現(xiàn)有貨車的成熟技術(shù)和大軸重鐵路貨車新技術(shù)，在鐵路機(jī)車限界范圍內(nèi)控制車輛長度，在適應(yīng)現(xiàn)有地面設(shè)施的條件下，提高車輛每延米質(zhì)量，以提高運(yùn)輸效率。

1開發(fā)目標(biāo)

1)該車是運(yùn)輸煤炭的專用鋁合金敞車，需能夠與地面設(shè)施匹配，實(shí)現(xiàn)不摘鉤連續(xù)翻卸作業(yè)，并能適應(yīng)環(huán)形裝車、直進(jìn)直出裝車和解體裝車作業(yè)，采用兩輛一組牽引桿連接。

2)適應(yīng)萬噸列車動力集中牽引要求，最高商業(yè)運(yùn)營速度為100 km/h。

3)載重100 t，自重≤22 t，重車緊急制動距離≤1 400 m。

4)軌距1 435 mm，通過最小曲線半徑145 m。

5)車輛滿足使用環(huán)境溫度-40～+50 ℃的要求。

6)能夠適應(yīng)每延米重≤10 t/m的重載專用線路。

7)車輛限界符合GB 146.1-1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》的要求。

8)符合《大軸重鐵路貨車通用技術(shù)條件(暫行)》的要求。

9)采用我國現(xiàn)有70 t級鐵路貨車的成熟技術(shù)，以提高零部件的通用性。

2設(shè)計(jì)理念

2.1比容與容積的確定[1]

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，煤的實(shí)際密度為0.8～1.2 t/m3，一般為0.9 t/m3，比容為1.07 m3/t 左右。從國內(nèi)主要煤炭運(yùn)輸專用敞車的研制過程來看，C76系列和C80鋁合金運(yùn)煤敞車設(shè)計(jì)的比容為1.09 m3/t，C80A和C80B為1.06 m3/t，綜合考慮煤炭運(yùn)輸密度和車輛的實(shí)際裝載情況，載重100 t鋁合金漏斗車的比容取1.07～1.09 m3/t，容積取107～109 m3，可較好兼顧各地區(qū)的實(shí)際運(yùn)用狀況，保證車輛能夠滿載運(yùn)行，并且有較好的經(jīng)濟(jì)性。朔黃鐵路裝車如圖1所示，大秦鐵路裝車如圖2所示。

圖1　朔黃鐵路裝車　　　　圖2　大秦鐵路裝車

2.2雙浴盆結(jié)構(gòu)的確定

運(yùn)煤專用敞車主要有平底、單浴盆和雙浴盆3種結(jié)構(gòu)型式。C80A和C80B(見圖3)型運(yùn)煤專用敞車采用平底結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠、技術(shù)成熟和工藝性好，缺點(diǎn)是不能充分利用下部空間；C76A、C76B(見圖4)和C76C型運(yùn)煤專用敞車采用單浴盆結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠最大限度利用下部空間來增大容積，缺點(diǎn)是無貫通中梁，對各梁及連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和可靠性要求高。美國、加拿大和澳大利亞等重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)國家的運(yùn)煤專用敞車普遍采用雙浴盆結(jié)構(gòu)，我國C80(見圖5)型鋁合金運(yùn)煤專用敞車也采用了雙浴盆結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是利用下部空間增大了車輛容積，可降低車輛重心高度，同時(shí)采用了貫通中梁，縱向承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)可靠性高，缺點(diǎn)是下部空間利用率比單浴盆式結(jié)構(gòu)略小。綜合考慮上述情況，兼顧利用下部空間和車輛可靠性這2個(gè)因素，載重100 t鋁合金運(yùn)煤敞車選取雙浴盆結(jié)構(gòu)。

圖3　C80B型不銹鋼　　　圖4　C76B型運(yùn)煤　　　運(yùn)煤專用敞車　專用敞車

圖5　C80型鋁合金運(yùn)煤專用敞車

2.3車輛長度的確定

通過調(diào)研，目前進(jìn)行連續(xù)翻卸作業(yè)的翻車機(jī)是按照C70A和C80車輛長度設(shè)計(jì)的，即能夠連續(xù)翻卸車長為12或13.726 m的車輛。要確定載重100 t鋁合金運(yùn)煤專用敞車車長首先要考慮的因素是與現(xiàn)有翻車機(jī)相匹配，當(dāng)選取車輛長度與C80相同時(shí)，很難達(dá)到容積107～109 m3的目標(biāo)，故選取車輛長度與C70A相同，通過采用單元制動和車輛加高等措施，實(shí)現(xiàn)了車輛長度為13.726 m時(shí)容積達(dá)到109 m3的目標(biāo)，因此車輛長度確定為13.726 m。黃驊港翻車機(jī)及延長臺如圖6所示。

圖6　黃驊港翻車機(jī)及延長臺

2.4車輛寬度和高度的確定

車輛高度的確定受機(jī)車車輛限界、裝料口高度和翻車機(jī)壓頭高度等的多重限制。調(diào)研表明，現(xiàn)有漏倉下沿距軌面最大高度為4.2 m，翻車機(jī)壓頭距軌面高度為4 533 mm。車輛限界在高度3 600 mm處開始收口，寬度變小，載重100 t運(yùn)煤專用敞車采用側(cè)柱外置結(jié)構(gòu)，需在車輛長度13.726 m的條件下實(shí)現(xiàn)容積109 m3的目標(biāo)，車體寬度為3 184 mm，所以車輛最大高度應(yīng)達(dá)到3 847 mm，可滿足裝卸貨設(shè)施的要求。車輛高度斷面圖如圖7所示。

圖7　車輛高度斷面圖

2.5車輛重車重心高度

重心高度是影響車輛運(yùn)行平穩(wěn)的重要因素之一，在《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)則》中對其進(jìn)行了規(guī)定：車輛重車重心高度≤2 200 mm。表1列出了幾種典型車型的重心高，經(jīng)動力學(xué)仿真分析及樣車線路運(yùn)行試驗(yàn)表明，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試速度級范圍內(nèi)，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性均符合GB 5599-1983的規(guī)定。

表1　幾種典型車型的重心高度

經(jīng)計(jì)算，載重100 t運(yùn)煤專用敞車重車重心高度為2 064 mm，動力學(xué)仿真分析結(jié)果表明，空車工況車輛的臨界速度為135.2 km/h，重車臨界速度為149.5 km/h，空重車臨界速度均高于最高運(yùn)行速度100 km/h的110%，能夠滿足運(yùn)行要求，并且穩(wěn)定性具有一定的裕量。

2.6提高車輛承載能力的措施

載重100 t鋁合金運(yùn)煤敞車的軸重和載重均較80 t級敞車有較大提高，主要采用下述幾種方法來滿足強(qiáng)度要求：1)采用整體鑄造牽引梁，可有效提高縱向承載能力；2)優(yōu)化上、下側(cè)梁的斷面結(jié)構(gòu)，提高側(cè)梁的抗彎截面模量，增大側(cè)墻的垂向剛度；3)采用加強(qiáng)型枕梁結(jié)構(gòu)，滿足車輛翻卸強(qiáng)度要求；4)增加車內(nèi)承桿的數(shù)量，提高側(cè)墻的抗外漲能力；5)采用RF2型車軸、HFS型車輪及B+鋼搖枕側(cè)架，滿足32.5 t軸重貨車運(yùn)行要求。

通過有限元分析計(jì)算，采用上述措施在最不利組合工況下的最大Von Mises應(yīng)力為218.7 MPa，許用應(yīng)力為281 MPa，發(fā)生在中梁與浴盆之間靠承桿座的筋板連接處。在翻車機(jī)工況下，壓頭作用處的上側(cè)梁上最大應(yīng)力為142.7 MPa，許用應(yīng)力為205 MPa。在垂向靜載荷作用下，中梁的最大撓度為6.27 mm，撓跨比為6.27/9 900≈0.95/1 500,小于要求的1/1 500；下側(cè)梁的最大撓度為3.81 mm, 撓跨比為3.81/9 900≈0.77/1 500，小于要求的1/2 000。所有計(jì)算載荷工況下，該車體各處應(yīng)力均小于所要求的應(yīng)力值，在垂向靜載荷作用下，該車垂向剛度滿足要求。

2.7車體鋁合金材料的運(yùn)用

與普遍用于鐵路車輛制造的耐候鋼材相比，鋁合金有如下特點(diǎn)：1) 比重小，只有普通鋼材比重的1/3，因此，將鋁合金材料用于車體制造，在降低車輛自重上效果非常顯著；2) 耐腐蝕性能好，外表美觀，鋁合金材料外表有天然的金屬光澤且鋁在空氣中極易氧化而產(chǎn)生一層致密且難熔的氧化膜，厚度約為0.1～0.2 μm，其表面不易破損，性能穩(wěn)定，在大氣中有很好的防腐能力。

2.8采用單元制動系統(tǒng)

單元制動系統(tǒng)是將常規(guī)制動中的制動缸、閘調(diào)器、制動杠桿及拉桿等制動部件集成到轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動裝置中，在轉(zhuǎn)向架自重略有增加的同時(shí)，減少了車體因制動、緩解運(yùn)動需要的部件以及連接這些部件的管路、拉桿和附屬件等，從而簡化了制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了制動傳動效率，減輕了車體自重，節(jié)約了因制動配件組裝需要留出的上部空間，為車輛有效利用上部空間，增大容積和增加載重創(chuàng)造了有利條件。TMX單元制動系統(tǒng)如圖8所示。

圖8　TMX單元制動系統(tǒng)

2.9整體鑄造牽引梁的應(yīng)用

目前，國內(nèi)現(xiàn)有的運(yùn)煤專用車牽引梁結(jié)構(gòu)主要由310乙字型鋼、鑄造心盤座、上心盤、前后從板座和沖擊座等組焊而成，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大和檢修維護(hù)成本高的弊端。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)牽引梁組成如圖9所示。整體鑄造牽引梁(見圖10)將心盤座、沖擊座與牽引梁鑄為一體，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，美國等重載運(yùn)輸發(fā)達(dá)國家在單元列車上已大量運(yùn)用該技術(shù)，其在鐵路貨物運(yùn)輸中產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖9　傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)牽引梁組成　圖10　整體鑄造牽引梁

2.10側(cè)墻采用鋁型材插接式結(jié)構(gòu)

圖11　鋁型材插接式結(jié)構(gòu)

側(cè)板為模塊式鋁合金擠壓型材，采用插接方式與側(cè)柱連接，較現(xiàn)有板柱式鉚接結(jié)構(gòu)減少了鉆孔和鉚接工作量，同時(shí)單輛車減少鉚釘654套，降低了車輛自重，節(jié)約了制造成本。采用模塊式側(cè)板與側(cè)柱插接結(jié)構(gòu)，簡化了側(cè)墻組裝工藝，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)為車輛檢修模式革新和實(shí)現(xiàn)換件翻修奠定了基礎(chǔ)。鋁型材插接式結(jié)構(gòu)如圖11所示。

2.11牽引桿的運(yùn)用

圖12　牽引桿裝置

牽引桿(見圖12)能有效降低列車縱向沖動，改善車輛運(yùn)行品質(zhì)，提高車輛縱向動力學(xué)性能，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高和耐磨性能好等特點(diǎn)；運(yùn)用后可簡化車輛結(jié)構(gòu)，降低車輛自重和維護(hù)費(fèi)用，提高防列車分離性能，安全可靠性高。

3主要性能參數(shù)及尺寸

載重100 t，自重≤22 t，軸重30.5 t，容積109 m3，比容1.09 m3/t，車輛長度13 726 mm，車輛最大高度3 847 mm，車輛最大寬度3 184 mm，每延米重8.9 t/m，構(gòu)造速度100 km/h，緊急制動距離1 400 m。限界符合GB 146.1-1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》的規(guī)定。

4主要結(jié)構(gòu)

該車車體采用雙浴盆、側(cè)柱外置、鋼鋁混合鉚焊結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、端墻、下側(cè)門和承桿等組成。采用整體鑄造式牽引梁，枕梁為變截面箱形Q450全鋼組焊結(jié)構(gòu)。側(cè)墻、端墻、浴盆和承桿均采用鋁合金材料制造，鉚接連接，側(cè)板采用整體擠壓鋁型材，側(cè)柱與側(cè)板采用插接方式連接。該車采用了120-1型控制閥、單元制動及新型MSW手制動機(jī)，16、17型車鉤，RFC型牽引桿，HM-1型緩沖器，并應(yīng)用了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的32.5 t軸重正位控制式轉(zhuǎn)向架。載重100 t鋁合金運(yùn)煤專用敞車結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13　載重100 t鋁合金運(yùn)煤專用敞車

5主要特點(diǎn)

1)采用32.5 t軸重正位控制式轉(zhuǎn)向架,通過加裝正位控制裝置，提高轉(zhuǎn)向架正位能力，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。

2)采用單元制動系統(tǒng)，有效簡化車輛結(jié)構(gòu)，提高制動效率，降低車輛自重。

3)車輛載重100 t，每延米重為8.9 t/m，較C80系列敞車單車載質(zhì)量增加20 t，提高25%；每延米重增加量為0.6 t/m ，提高7%。

4)車輛長度為13.726 m，與現(xiàn)有C70A型敞車長度一致，能滿足現(xiàn)有翻車機(jī)對車輛長度的要求，實(shí)現(xiàn)不摘鉤連續(xù)翻卸作業(yè)。

5)采用整體鑄造牽引梁，將心盤座、沖擊座與牽引梁鑄為一體，取消了連接焊縫，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，滿足萬噸列車牽引要求。

6)采用傳統(tǒng)鐵路貨車側(cè)柱外置結(jié)構(gòu)，技術(shù)成熟、可靠，檢修方便。

7)側(cè)板為模塊式鋁合金擠壓型材，采用插接方式與側(cè)柱連接，減少了車體鉚接量，降低了車輛自重，節(jié)約了制造成本；采用模塊式側(cè)板與側(cè)柱插接連接，為車輛檢修模式革新，實(shí)現(xiàn)換件翻修奠定了基礎(chǔ)。

8)車體采用有中梁雙浴盆結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠，縱向承載能力強(qiáng)，車輛重心低。

9)采用新型MSW手制動機(jī)，具有制動倍率高，輸出力大的特點(diǎn)。

10)與煤炭接觸部位應(yīng)用鋁合金型材和板材，利用鋁合金的高耐腐蝕性能減緩煤炭對車體的腐蝕速度，從而延長了車輛使用壽命。

11)應(yīng)用全壽命周期設(shè)計(jì)理念，全面采用拉鉚釘和非金屬磨耗件， 取消熱鉚， 基本消除了金屬摩擦副，提高了車輛可靠性和使用性能，為檢修技術(shù)水平提升奠定了基礎(chǔ)。

6結(jié)語

近年來，我國鐵路普通貨物列車實(shí)現(xiàn)了載重由60 t級向70 t級的全面升級換代。在大秦線成功開行了軸重25 t、載重80 t的2萬t重載運(yùn)煤專用貨物列車后，國內(nèi)重載運(yùn)輸已取得了階段性的成果，但與國際先進(jìn)重載運(yùn)輸技術(shù)相比，仍有較大的差距，突出表現(xiàn)在車輛軸重、單車載重及列車牽引噸位上。按照我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》和《綜合交通網(wǎng)中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國鐵路里程將達(dá)到12萬km，現(xiàn)有小軸重的車輛已逐漸不能滿足運(yùn)輸需求，貨車的軸重將逐步向大軸重車輛過渡，其運(yùn)輸能力亟待提高，體現(xiàn)在運(yùn)煤專線上，新型敞車需求量將會逐年增加。

在此背景下，結(jié)合國內(nèi)大秦鐵路和神華塑黃線等鐵路的現(xiàn)狀及發(fā)展方向，提出了研制載重100 t鋁合金運(yùn)煤敞車，通過車體采用鋁合金材料等新技術(shù)，在提高載重的同時(shí)減小自重的提高幅度，從而提高了車輛的有效載重。載重100 t運(yùn)煤專用敞車單車載重量較C80型鋁合金運(yùn)煤專用敞車增加20 t，按列車編組100輛計(jì)算，每列車增加運(yùn)能2 000 t，提高了25%，該車的投入運(yùn)行可為用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也可為公司帶來顯著的營業(yè)收入，并進(jìn)一步提升公司在國內(nèi)行業(yè)地位，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)雋髦，傅茂海．車輛工程 [M]．3版.北京：中國鐵道出版社, 2008.

責(zé)任編輯李思文

Development of Aluminum Alloy Gondola Cars for Coal with Heavy Load of 100 t

GAO Zhixiong, YI Xin, ZHANG Jianjun, WANG Hongjie

(Inspection Office in Baotou, NORINCO Inner Mongolia First Machinery Group Co., Ltd, Baotou 014032, China)

Abstract:Our nation’s railway transport capacity is not enough at present, but our railway transportation speed and density have reached world advanced level. To improve our railway transportation capacity for coal, combining national railway track condition, researched trains with 27 t axle load on general-purpose lines and those with 30 t axle load or above on special coal lines is indispensable. For railway freight wagons, reducing their tare weight maximally while increasing the loading capacity of wagon shall be also contributed to the increasing of railway transportation capacity. The paper combined the development status with trend of railway freight wagons both in domestic and worldwide, introduced the coal, design concept, main structure, and detail technical parameters of aluminum alloy gondola cars for coal with a load of 100 t, which can support our principle mode of railway freight wagons by using aluminum alloy cars with a heavy load of 100 t in our future coal transportation market.

Key words:aluminum alloy, gondola cars, light weight, heavy load

收稿日期：2014-05-21

作者簡介：高志雄(1981-)，男，研發(fā)中心副主任，高級工程師，碩士，主要從事鐵路貨車設(shè)計(jì)開發(fā)等方面的研究。

中圖分類號：U 272.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A