6 0m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車的研制

李金林， 潘苛

（哈爾濱軌道交通裝備有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造部，哈爾濱 150056）

0 引言

多年以來，我國煤炭企業(yè)運(yùn)輸煤炭使用的自翻車一直為KF-60型60 t氣動(dòng)自翻車，該型自翻車容積是按裝運(yùn)鐵礦石設(shè)計(jì)的，而煤炭密度比鐵礦石小得多，按60 t自翻車容積27 m3計(jì)算實(shí)際裝載煤炭噸位只有30 t左右，存在運(yùn)能浪費(fèi)現(xiàn)象。且該型自翻車傾翻機(jī)構(gòu)為門扇抑制機(jī)構(gòu)，此傾翻機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自重較大、重車傾翻作業(yè)時(shí)容易產(chǎn)生雙側(cè)開門現(xiàn)象，以上弊端導(dǎo)致該自翻車維修成本高、安全性較差。為加大運(yùn)能提高企業(yè)的運(yùn)輸生產(chǎn)效率，我公司研制出適用于煤炭運(yùn)輸?shù)拇笕莘e氣動(dòng)自翻車。該車采用端部連桿傾翻機(jī)構(gòu)，車箱側(cè)門采用上下分體式結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低卸貨時(shí)的扣斗危險(xiǎn)。

該車于2013年7月完成了整車方案設(shè)計(jì)，2014年10月完成了部分工程圖設(shè)計(jì)和車體靜強(qiáng)度有限元計(jì)算，后期將進(jìn)行樣車試制及試運(yùn)行。

1 主要用途及卸貨原理

圖1為60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車三維圖。

圖1 60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車三維圖

60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車是卸車設(shè)備與車輛結(jié)合在一起的專用鐵道車輛，適用于標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路，是主要用于備有機(jī)械化裝車設(shè)備的工廠、礦山等運(yùn)輸部門裝運(yùn)煤炭的鐵路車輛，可利用機(jī)車提供的風(fēng)源或固定地點(diǎn)提供的風(fēng)源自動(dòng)傾卸貨物。

該自翻車與機(jī)車連掛時(shí)，各車傾翻管路的2個(gè)操作閥均應(yīng)在排風(fēng)位置（操作閥手把指向“排”），而挨著操作閥的2個(gè)截?cái)嗳T均在關(guān)閉位置。當(dāng)裝有貨物的車輛到達(dá)卸貨場地需要卸貨時(shí)，傾翻操作順序如下：車箱如向左（右）側(cè)傾翻時(shí)，首先將右（左）側(cè)截?cái)嗳T移至通路位置，再移動(dòng)右（左）側(cè)操作閥手把，由排風(fēng)位置越過中立位置，逐步推向進(jìn)風(fēng)位置（操作閥手把指向“進(jìn)”），使壓縮空氣進(jìn)入傾翻氣缸，通過氣缸活塞桿頂起車箱，使車箱圍繞左（右）側(cè)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過連桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將車箱左（右）側(cè)下側(cè)門逐漸打開，同時(shí)車箱上側(cè)門隨之打開，確認(rèn)車箱平穩(wěn)，傾翻無異狀時(shí)，再加大進(jìn)風(fēng)量。當(dāng)車箱傾翻約30°時(shí)，將操作閥手把逐漸移至中立位置，車箱借助慣性力繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，直至傾翻氣缸行程達(dá)到最大，此時(shí)車箱地板與下側(cè)門板構(gòu)成一延續(xù)斜面，貨物將全部卸出。待貨物卸凈后，先將右（左）側(cè)截?cái)嗳T關(guān)閉，再將操作閥手把移向排風(fēng)位置，車箱可借助自重及傾翻氣缸內(nèi)的復(fù)位彈簧產(chǎn)生的彈力逐漸恢復(fù)水平位置，同時(shí)通過連桿將側(cè)門關(guān)閉。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）此大容積煤炭專用自翻車車箱側(cè)門及地板與底架連接均采用焊接方式。焊接結(jié)構(gòu)節(jié)約人力物力，可降低自翻車的制造成本，同時(shí)平滑的地板可使卸貨更順暢。

2）該車傾翻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為端部連桿機(jī)構(gòu)。主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，自重輕，適用性強(qiáng)，無雙側(cè)開門現(xiàn)象，傾翻氣缸內(nèi)增設(shè)復(fù)位彈簧，可輔助車箱在傾翻卸貨后順利復(fù)位。

3）該自翻車容積較大，車箱較高，因此本次設(shè)計(jì)將側(cè)開門分為上、下兩部分，上、下側(cè)門通過折頁分別與車箱側(cè)墻框上檐梁和車箱底架側(cè)梁連接，卸貨時(shí)貨物僅通過下側(cè)門滑出，產(chǎn)生較小的傾翻力矩，從而能有效地降低卸貨時(shí)的扣斗危險(xiǎn)。

4）本車設(shè)計(jì)下側(cè)門使用3個(gè)槽鋼縱梁和一個(gè)角鋼上檐梁，增設(shè)上檐板，保證側(cè)門足夠的剛度，可有效防止側(cè)門外脹。另外側(cè)門與地板的角度為90°，有效地減小貨物對側(cè)門的壓力。

5）為防止上側(cè)門下?lián)虾妥冃危拒囋O(shè)計(jì)有側(cè)墻框，主要由上檐梁、立柱及斜撐組焊而成，兩側(cè)墻框上檐梁中間部位通過橫梁焊接，上檐梁兩端分別與端壁上檐梁焊接。

6）該車底梁采用2根H型鋼通過上下蓋板及隔板組焊成箱型魚腹結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)KF-60型自翻車底梁的板材焊接結(jié)構(gòu)相比，減小了焊接變形量并降低了制造成本。

7）該車裝用2組大自重轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架，該型轉(zhuǎn)向架屬鐵路通用型貨車轉(zhuǎn)向架，配件方便采購。

3 主要技術(shù)參數(shù)

載重為55 t，自重為37 t，自重系數(shù)為0.67，容積為60 m3，每延米重為 7.0 t，軸重為 23 t，換長為 1.2，傾翻缸工作壓力為0.5 MPa，最大傾翻角度為45°，通過最小曲線半徑為145 m，最高運(yùn)行速度為100 km/h，車輛長度為13126mm，車輛定距為8686 mm，底梁長度為12196 mm，車輛最大寬度為3 350 mm，車輛最大高度為3 186 mm，車箱內(nèi)高為1 680 mm，車鉤高度為880 mm，轉(zhuǎn)向架固定軸距為1 830 mm，軌距為1 435 mm，車輪直徑為840 mm，軸型為RE2B，旁承中心距為1 520 mm，限界符合GB146.1-1983《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)

60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車主要由車箱組成、底梁組成、轉(zhuǎn)向架、空氣制動(dòng)裝置、傾翻裝置（傾翻氣缸、傾翻管路、傾翻機(jī)構(gòu)）、車鉤緩沖裝置等組成（圖2）。

圖2 60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車二維圖

4.1 車箱組成

車箱組成主要由上側(cè)門、下側(cè)門、側(cè)墻框、端壁、車箱底架及地板等組成。型材材質(zhì)為Q235A，板材材質(zhì)采用耐大氣腐蝕的高強(qiáng)度低合金鋼，各部件均采用焊接結(jié)構(gòu)。圖3為車箱組成三維圖。

1）上側(cè)門主要由槽鋼、角鋼及門板焊接而成，每側(cè)設(shè)置2扇，每扇上側(cè)門上檐梁部位焊接3個(gè)折頁。

2）下側(cè)門主要為焊接結(jié)構(gòu)，由槽鋼縱梁、槽鋼立柱、角鋼上檐梁、側(cè)門板及鑄造折頁焊接而成，側(cè)門拉桿座通過螺栓緊固到下側(cè)門兩端部位。

3）側(cè)墻框主要由上檐梁、立柱及斜撐組焊而成，兩側(cè)墻框上檐梁中間部位通過橫梁焊接，兩端分別與端壁上檐梁焊接，上檐梁上部焊接6組上側(cè)門折頁座。

圖3 車箱組成三維圖

4）端壁全鋼焊接結(jié)構(gòu)，主要由中檐梁、上檐梁、外立柱、內(nèi)立柱、端柱及端壁板焊接而成。

5）車箱底架采用全鋼焊接結(jié)構(gòu)，主要由工字鋼縱梁、槽鋼側(cè)梁、工字鋼大橫梁、H型鋼小橫梁和地板焊接而成，兩側(cè)梁外部焊接10組下側(cè)門折頁座。

4.2 底梁組成

底梁組成由箱型斷面魚腹型中梁、枕梁、端梁、氣缸架及底梁拉桿座等附件組成。中梁由2根材質(zhì)為Q345B的H600×200×11×17型鋼制成魚腹形，通過上、下蓋板及隔板組焊成箱型結(jié)構(gòu)，枕梁由上下蓋板及腹板組焊成箱型結(jié)構(gòu)，中梁與端梁、枕梁組成主體構(gòu)架。在底梁中梁的兩側(cè)組焊有傾翻氣缸架，兩端枕梁上部分別焊接轉(zhuǎn)軸下座，中梁兩端側(cè)焊接底梁拉桿座。底梁上裝有傾翻氣缸、傾翻管路、空氣制動(dòng)機(jī)、車鉤緩沖裝置等，兩端裝有上心盤及上旁承。主要板材采用耐大氣腐蝕的高強(qiáng)度低合金鋼。

4.3 轉(zhuǎn)向架

該車裝用2組大自重車體用轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架。搖枕、側(cè)架材質(zhì)為B+級鑄鋼；組合式斜楔的主摩擦板采用高分子復(fù)合材料，斜楔體為貝氏體球墨鑄鐵；側(cè)架立柱磨耗板材質(zhì)采用45鋼，滑槽磨耗板采用T10；采用兩級剛度彈簧；采用直徑為φ375 mm的下心盤，下心盤內(nèi)裝用導(dǎo)電型心盤磨耗盤；裝用353130B緊湊型軸承、RE2B型50鋼車軸及LM磨耗型踏面的HEZB型鑄鋼或HESA型碾鋼車輪；基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用奧-貝球鐵襯套、組合式制動(dòng)梁、新型高摩合成閘瓦。本車設(shè)計(jì)主要用戶為企業(yè)自備車用戶，因此取消轉(zhuǎn)向架中交叉支撐裝置、彈性旁承裝置（由擺塊旁承取代）、橫跨梁裝置。

4.4 空氣制動(dòng)裝置

采用制動(dòng)主管壓力能滿足500 kPa和600 kPa的空氣制動(dòng)裝置。主要由改進(jìn)型120型控制閥、直徑為305 mm的整體旋壓密封式制動(dòng)缸、編織制動(dòng)軟管總成、球芯折角塞門、組合式集塵器、副風(fēng)缸、加速緩解風(fēng)缸及其管路、杠桿等部分組成。制動(dòng)管系磷化處理。

4.5 傾翻裝置

該車傾翻裝置由傾翻管路系統(tǒng)、傾翻氣缸、傾翻機(jī)構(gòu)等部分組成。

1）傾翻管路系統(tǒng)由管路、儲(chǔ)風(fēng)筒及各種閥類組成，該系統(tǒng)是車箱傾翻卸貨的操作系統(tǒng)。車輛傾翻時(shí)通過操作閥使壓縮空氣進(jìn)入傾翻氣缸，頂起車箱并通過端部連桿機(jī)構(gòu)控制車箱側(cè)門開啟，實(shí)現(xiàn)卸貨。

2）傾翻氣缸采用兩級活塞式結(jié)構(gòu)，主要由內(nèi)外活塞、活塞桿、傾翻缸外套、復(fù)位彈簧等組成。鑄鐵的內(nèi)外活塞均以橡膠皮碗及壓圈等密封，傾翻氣缸通過氣缸座安裝在底梁的氣缸架上，活塞桿上端通過銷軸與車箱底架連接。氣缸內(nèi)復(fù)位彈簧可輔助車輛卸貨后使車箱順利復(fù)位。

3）端部連桿機(jī)構(gòu)為該車的傾翻機(jī)構(gòu)，設(shè)置在車箱端壁中檐梁下部，每端各安裝2套，可保證車箱向兩側(cè)傾翻。該機(jī)構(gòu)主要由2根直連桿和1個(gè)三角杠桿組成，車輛組裝時(shí)連桿一自由端與車箱下側(cè)門拉桿座連接，連桿二自由端與底梁拉桿座連接，各桿間及桿與拉桿座間通過銷軸鉸接，銷軸孔內(nèi)鑲有耐磨襯套。該傾翻機(jī)構(gòu)自重輕，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，傾翻平穩(wěn)，傾翻作業(yè)時(shí)無雙側(cè)開門現(xiàn)象。圖4為2套端部連桿三維圖。

圖4 端部連桿三維圖

4.6 車鉤緩沖裝置

采用13B型上作用車鉤及其配套鉤尾框、MT-3型緩沖器。

5 底梁計(jì)算

我公司已對所設(shè)計(jì)的60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車底梁進(jìn)行了有限元強(qiáng)度及剛度計(jì)算，計(jì)算依據(jù)為TB/T1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》），采用的計(jì)算軟件為ANSYS11。

5.1 評定標(biāo)準(zhǔn)

1）強(qiáng)度評定標(biāo)準(zhǔn)。由于該車底梁所用材質(zhì)為Q345B低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，故其第一工況許用應(yīng)力216 MPa，第二工況許用應(yīng)力為293 MPa。

2）垂向彎曲剛度評定標(biāo)準(zhǔn)。該車為底梁承載車體，《規(guī)范》推薦撓跨比評比標(biāo)準(zhǔn)：底梁fz/L2≤1/900。式中：fz為底梁中央撓度，mm；L2為車輛定距，mm。

5.2 計(jì)算結(jié)果

1）底梁在綜合載荷作用下，最大應(yīng)力發(fā)生在枕梁腹板靠近心盤位置，當(dāng)量應(yīng)力為183 MPa，小于第一工況許用應(yīng)力216 MPa，滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

2）底梁中央部位下翼緣的位移為6.2 mm，其撓跨比為 6.2÷8 686=0.64/900＜1/900，滿足《規(guī)范》要求。

6 傾翻穩(wěn)定性分析

由于該車容積大，重心較高，因此如何設(shè)計(jì)傾翻轉(zhuǎn)軸位置對車輛傾翻的穩(wěn)定性影響較大。該車與KF-60型自翻車比較，兩車轉(zhuǎn)軸位置如下：60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車車箱兩傾翻轉(zhuǎn)軸（新轉(zhuǎn)軸）橫向距離為1 550 mm，垂向距車箱底架上平面200 mm。KF-60型自翻車車箱兩傾翻轉(zhuǎn)軸（原轉(zhuǎn)軸）橫向距離為1 626 mm，垂向距車箱底架上平面419 mm。傾翻時(shí)車箱及貨物總合成重心值如表1、表2所示。

圖5所示為兩種車型的重車傾翻重心軌跡圖。由圖可知KF-60型自翻車穩(wěn)定距離為116.1 mm，60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車穩(wěn)定距離為208.3 mm，計(jì)算得出穩(wěn)定距離提高了（208.3-116.1）÷116.1=79.4%，由于穩(wěn)定距離越大傾翻穩(wěn)定性越高，因此60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車的傾翻穩(wěn)定性高于KF-60型自翻車。

表1 60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車傾翻時(shí)車箱及貨物總合成重心值

表2 KF-60型自翻車傾翻時(shí)車箱及貨物總合成重心值

圖5 兩種車型的重車傾翻重心軌跡圖

7 結(jié)語

哈爾濱軌道交通裝備有限責(zé)任公司研制的60 m3煤炭運(yùn)輸專用自翻車，性能先進(jìn)、操作簡單、維修方便，可以滿足部分煤炭運(yùn)輸企業(yè)對大容積氣動(dòng)自翻車的需求，有效地緩解運(yùn)能緊張狀況，市場前景必將十分廣闊。

［1］ 鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所.機(jī)車車輛標(biāo)準(zhǔn)匯編（車輛部分）［S］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］ 潘苛，栗明柱，田景志，等.載重60t氣動(dòng)自翻車的研制［J］.鐵道車輛，2013（4）：27-29.