載重100 t鋁合金運煤敞車開發(fā)

高志雄，易　新，張建軍，王宏杰

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

載重100 t鋁合金運煤敞車開發(fā)

高志雄，易新，張建軍，王宏杰

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

摘要：目前我國鐵路運輸?shù)乃俣群兔芏纫堰_到世界領先水平，但是鐵路運能依然緊張。為了提高鐵路運輸煤炭的能力，結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，在提高載重的同時能夠最大程度地降低車輛自重，也可以為提高鐵路運能做出貢獻。結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鋁合金運煤專用敞車的開發(fā)目標、設計理念、主要結構及具體技術參數(shù)等，為中國未來運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。

關鍵詞：鋁合金；敞車；輕量化；重載

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

世界重載運輸發(fā)展經(jīng)驗證明，30～32.5 t軸重是煤炭重載運輸最為經(jīng)濟的軸重，國內(nèi)外煤炭運輸專用車主要以敞車和漏斗車為主，敞車的運輸能力大，漏斗車卸貨效率高。載重100 t鋁合金運煤車充分利用輕量化設計理念，提高了大宗貨物的運輸效率，同時考慮了線橋條件、裝卸設施、運行維護以及運輸能力間的關系，綜合技術經(jīng)濟性較高。

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

1開發(fā)目標

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

2)適應萬噸列車動力集中牽引要求，最高商業(yè)運營速度為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《標準軌距鐵路機車車輛限界》的要求。

8)符合《大軸重鐵路貨車通用技術條件(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，以提高零部件的通用性。

2設計理念

2.1比容與容積的確定[1]

根據(jù)調(diào)研結果，煤的實際密度為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)主要煤炭運輸專用敞車的研制過程來看，C76系列和C80鋁合金運煤敞車設計的比容為1.09 m3/t，C80A和C80B為1.06 m3/t，綜合考慮煤炭運輸密度和車輛的實際裝載情況，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)的實際運用狀況，保證車輛能夠滿載運行，并且有較好的經(jīng)濟性。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雙浴盆結構的確定

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

圖3　C80B型不銹鋼　　　圖4　C76B型運煤　　　運煤專用敞車　專用敞車

圖5　C80型鋁合金運煤專用敞車

2.3車輛長度的確定

通過調(diào)研，目前進行連續(xù)翻卸作業(yè)的翻車機是按照C70A和C80車輛長度設計的，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鋁合金運煤專用敞車車長首先要考慮的因素是與現(xiàn)有翻車機相匹配，當選取車輛長度與C80相同時，很難達到容積107～109 m3的目標，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，實現(xiàn)了車輛長度為13.726 m時容積達到109 m3的目標，因此車輛長度確定為13.726 m。黃驊港翻車機及延長臺如圖6所示。

圖6　黃驊港翻車機及延長臺

2.4車輛寬度和高度的確定

車輛高度的確定受機車車輛限界、裝料口高度和翻車機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運煤專用敞車采用側柱外置結構，需在車輛長度13.726 m的條件下實現(xiàn)容積109 m3的目標，車體寬度為3 184 mm，所以車輛最大高度應達到3 847 mm，可滿足裝卸貨設施的要求。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行平穩(wěn)的重要因素之一，在《鐵路危險貨物運輸管理規(guī)則》中對其進行了規(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)動力學仿真分析及樣車線路運行試驗表明，在標準規(guī)定的測試速度級范圍內(nèi)，車輛運行平穩(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)計算，載重100 t運煤專用敞車重車重心高度為2 064 mm，動力學仿真分析結果表明，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行速度100 km/h的110%，能夠滿足運行要求，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、下側梁的斷面結構，提高側梁的抗彎截面模量，增大側墻的垂向剛度；3)采用加強型枕梁結構，滿足車輛翻卸強度要求；4)增加車內(nèi)承桿的數(shù)量，提高側墻的抗外漲能力；5)采用RF2型車軸、HFS型車輪及B+鋼搖枕側架，滿足32.5 t軸重貨車運行要求。

通過有限元分析計算，采用上述措施在最不利組合工況下的最大Von Mises應力為218.7 MPa，許用應力為281 MPa，發(fā)生在中梁與浴盆之間靠承桿座的筋板連接處。在翻車機工況下，壓頭作用處的上側梁上最大應力為142.7 MPa，許用應力為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。所有計算載荷工況下，該車體各處應力均小于所要求的應力值，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：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向架基礎制動裝置中，在轉向架自重略有增加的同時，減少了車體因制動、緩解運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)結構，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用

目前，國內(nèi)現(xiàn)有的運煤專用車牽引梁結構主要由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，存在結構復雜、質(zhì)量大和檢修維護成本高的弊端。傳統(tǒng)結構牽引梁組成如圖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，結構簡單，可靠性高，美國等重載運輸發(fā)達國家在單元列車上已大量運用該技術，其在鐵路貨物運輸中產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。

圖9　傳統(tǒng)結構牽引梁組成　圖10　整體鑄造牽引梁

2.10側墻采用鋁型材插接式結構

圖11　鋁型材插接式結構

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

2.11牽引桿的運用

圖12　牽引桿裝置

牽引桿(見圖12)能有效降低列車縱向沖動，改善車輛運行品質(zhì)，提高車輛縱向動力學性能，具有結構強度高和耐磨性能好等特點；運用后可簡化車輛結構，降低車輛自重和維護費用，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，構造速度100 km/h，緊急制動距離1 400 m。限界符合GB 146.1-1983《標準軌距鐵路機車車輛限界》的規(guī)定。

4主要結構

該車車體采用雙浴盆、側柱外置、鋼鋁混合鉚焊結構，主要由底架、側墻、端墻、下側門和承桿等組成。采用整體鑄造式牽引梁，枕梁為變截面箱形Q450全鋼組焊結構。側墻、端墻、浴盆和承桿均采用鋁合金材料制造，鉚接連接，側板采用整體擠壓鋁型材，側柱與側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，16、17型車鉤，RFC型牽引桿，HM-1型緩沖器，并應用了具有自主知識產(chǎn)權的32.5 t軸重正位控制式轉向架。載重100 t鋁合金運煤專用敞車結構如圖13所示。

圖13　載重100 t鋁合金運煤專用敞車

5主要特點

1)采用32.5 t軸重正位控制式轉向架,通過加裝正位控制裝置，提高轉向架正位能力，結構簡單，性能可靠。

2)采用單元制動系統(tǒng)，有效簡化車輛結構，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)有翻車機對車輛長度的要求，實現(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，結構簡單、可靠，滿足萬噸列車牽引要求。

6)采用傳統(tǒng)鐵路貨車側柱外置結構，技術成熟、可靠，檢修方便。

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

8)車體采用有中梁雙浴盆結構，結構可靠，縱向承載能力強，車輛重心低。

9)采用新型MSW手制動機，具有制動倍率高，輸出力大的特點。

10)與煤炭接觸部位應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)應用全壽命周期設計理念，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，為檢修技術水平提升奠定了基礎。

6結語

近年來，我國鐵路普通貨物列車實現(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重載運煤專用貨物列車后，國內(nèi)重載運輸已取得了階段性的成果，但與國際先進重載運輸技術相比，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，我國鐵路里程將達到12萬km，現(xiàn)有小軸重的車輛已逐漸不能滿足運輸需求，貨車的軸重將逐步向大軸重車輛過渡，其運輸能力亟待提高，體現(xiàn)在運煤專線上，新型敞車需求量將會逐年增加。

在此背景下，結合國內(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鋁合金運煤敞車，通過車體采用鋁合金材料等新技術，在提高載重的同時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運煤專用敞車單車載重量較C80型鋁合金運煤專用敞車增加20 t，按列車編組100輛計算，每列車增加運能2 000 t，提高了25%，該車的投入運行可為用戶帶來巨大的經(jīng)濟效益，也可為公司帶來顯著的營業(yè)收入，并進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)濟效益。

參考文獻

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

責任編輯李思文

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計開發(fā)等方面的研究。

中圖分類號：U 272.2

文獻標志碼：A