出口阿根廷22t軸重準軌通用敞車的研制

孫奎峰 丁陳

摘 要：闡述了出口阿根廷的22t軸重的準軌通用敞車的主要特點、技術參數、主要結構，介紹了該車靜強度、疲勞及動力學分析計算和相關試驗情況。

關鍵詞：通用敞車；技術參數；結構；計算分析；試驗

出口阿根廷的22t軸重準軌通用敞車是濟南軌道交通裝備有限責任公司（以下簡稱濟南公司）為阿根廷貝爾格拉諾貨運線路改造項目研制生產配裝控制型轉向架的通用型敞車。該車于2015年3月完成車輛設計；同年4月完成設計方案及技術分析文件確認；2015年5月完成樣車試制、試驗。

1 主要用途

22t軸重準軌通用敞車用于在阿根廷軌距1435mm鐵路干線上運行，主要用于裝運煤炭、礦石、建材、機械設備、鋼材及木材等貨物；同時具備單車運輸2個20ft標準集裝箱或1個40ft標準集裝箱的能力。

2 主要技術參數

3 主要結構

出口阿根廷的22t軸重準軌通用敞車主要由車體、制動裝置、車鉤緩沖裝置、轉向架等部分組成（圖1）。

3.1 車體

車體為整體框架式承載全鋼焊接結構，主要由底架、側墻、端墻、車門等組成。主要型鋼和板材均采用Q450NQR1高強度耐侯鋼。

底架采用全鋼焊接結構，由中梁、枕梁、側梁、端梁、橫梁、小橫梁、縱向梁、地板等組焊而成。中梁采用材質為YQ450NQR1的熱軋310乙字型鋼。枕梁、橫梁組成為板材組焊變截面箱型結構；枕梁端部設有頂車墊板。采用240×80×8mm的冷彎槽型下側梁。側梁外側靠近枕梁處設有4個吊耳，滿足重車（含轉向架）整體起吊。底架上鋪6mm厚耐候鋼地板。

側墻為板柱式結構，由上側梁、側柱、上側板、側柱連鐵、斜撐、側柱加強板及側柱內補強座等組焊而成。上側梁采用冷彎矩形鋼管，側柱采用帽形冷彎結構。

端墻由上端緣、角柱、橫帶及端板等組焊而成。上端梁、角柱采用采用160mm×100mm×5mm的冷彎矩形鋼管，橫帶采用斷面高度為150mm的帽型冷彎型鋼。車體兩側的側墻上各設一對側開式側開門及6扇上翻式下側門。

3.2 制動裝置

制動裝置由空氣制動裝置和手制動裝置兩部分組成。采用符合AAR標準的空氣制動裝置。空氣制動裝置滿足主管壓力70psi（483kpa）的要求。主要由DB-60型控制閥、保持閥、雙室風缸（副風缸和緊急風缸）、EL-60型空重車閥、均衡風缸、組合式集塵器及截斷塞門、10"×12"制動缸、KRD-482雙向閘調器、球芯折角塞門、軟管連接器等組成。手制動裝置采用手輪直徑560mm的B型NSW型手制動機。全車制動倍率7，空車制動率在15%-32%之間，重車制動率在8.5%-10%之間，手制動制動率大于10%。符合AAR S401-1981《制動設計要求》。

3.3 車鉤緩沖裝置

采用E級鋼13B型下作用車鉤及配套使用的13B型鍛造鉤尾框，合金鋼鉤尾銷，MT-2型緩沖器。

3.4 轉向架

采用1435mm軌距22t軸重的鑄鋼三大件控制型轉向架（圖2），主要由輪對組成、側架組成、減振裝置、搖枕組成、基礎制動裝置、彈簧懸掛裝置、軸承、承載鞍、旁承等零部件組成。

該轉向架采用寬斜楔，中央彈簧為兩級剛度，采用常接觸彈性旁承；搖枕、側架采用B+級鋼；采用符合AAR M-934標準的6″X11″E級雙列圓錐滾子軸承；采用輾鋼整體車輪，車輪材質為CL60，車軸材質為LZW鋼；采用下拉桿制動方式、組合式制動梁、符合AAR M-926規定的AAR H4高摩合成閘瓦。

圖2 阿根廷準軌控制型轉向架

4 主要特點

（1）車體采用低自重、高可靠性的輕量化技術。車輛冷彎型鋼使用率占型鋼品種的80%以上，通過設計合理的斷面形狀，優化結構重量，提高了強度儲備。通過三維設計、有限元分析計算、疲勞壽命分析預測優化結構，實現了車體輕量化設計目標。（2）車輛滿足集裝箱運輸工況，對集裝箱角件可能覆蓋的敞車地板區域進行對稱性補強，提升了敞車地板對集裝箱重箱角件區域的抗磕碰能力。（3）車輛采用技術成熟的鑄鋼三大件式低動力作用控制型轉向架，結構簡單，檢修方便。（4）轉向架搖枕采用雙固定杠桿支點座方案，可實現轉向架搖枕檢修無區分互換，檢修方便。

5 計算分析

5.1 車體靜強度計算

濟南公司利用Hypermesh 12.0和Ansys 14.5等分析軟件，按照TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及鑒定規范》（以下簡稱“規范”）結合《阿根廷準軌通用敞車技術條件》（以下簡稱“技術條件”）的要求，對車體結構進行了有限元分析計。

車體結構進行了基本工況以及沖擊、頂車、叉車、集裝箱、均布集中載荷、對稱集中載荷等的計算分析。

計算結果表明：車體結構各部位在各靜強度工況下的Von Mises應力均小于對應材料的許用應力，因此車體結構的靜強度滿足《規范》考核標準的要求。

由于阿根廷NEFA標準中準軌車輛在第二壓縮工況（3114KN）及沖擊工況（3892KN）與《規范》的載荷存在差異；濟南公司按照阿根廷NEFA標準進行了第二壓縮工況及沖擊工況校核性分析計算。

分析結果顯示：在3114KN壓縮和3892KN沖擊組合工況下，底架上最大應力分別為284.2MPa、337.4MPa，均位于枕梁下蓋板處。以上工況均滿足NEFA標準和《規范》的要求。

5.2 車體剛度計算

在車輛垂向靜載荷（敞車考慮1.15倍的雨雪增載）的作用下進行整車剛度計算分析（圖3），車輛中梁撓度為3.83mm，側梁撓度為3.40mm，滿足《規范》的撓跨比要求。車輛在集裝箱工況、集載工況的剛度也均滿足《規范》的要求。

5.3 疲勞壽命分析

為提高產品可靠性，濟南公司對車體進行了疲勞壽命分析。分析采用Ansys 14.5軟件，以TB/T1335-1996《規范》結合AAR M 1001-2011第7章“新造貨車疲勞設計”中的敞車載荷譜（垂向心盤浮沉載荷譜、縱向車鉤載荷譜及車體扭轉載荷譜）為依據，選用與車體結構焊接接頭和焊接細節相當的疲勞S-N曲線，采用疲勞損傷理論估算車體在這些載荷下的疲勞損傷。

計算結果表明：該車車體鋼結構各部位的疲勞壽命均大于500萬km的設計壽命要求。

5.4 動力學分析

以GB5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（以下簡稱GB/T5599）為依據，利用SIMPACK 9.5軟件對該車進行了蛇行穩定性、直線運行品質及安全性、曲線通過時的安全性等性能在空車和重車時的動力學性能分析結果如下：

（1）阿根廷轉向架蛇行失穩臨界速度空車為133km/h，重車為115km/h，運行穩定性均滿足車輛試驗速度高于設計速度110%的要求。

（2）車輛在Ⅴ級譜上，運行速度在110km/h范圍以內各項運行評判指標均滿足GB5599-85的要求。

（3）車輛通過90m、150m和300m半徑曲線時計算的各項指標均滿足GB5599-85的要求。

6 試驗

6.1 車輛靜強度試驗

參照《規范》及技術條件，濟南公司對樣車進行了靜強度試驗。試驗內容包括：縱向載荷、垂向載荷、頂車載荷、扭轉載荷、散裝貨物側壓力、集裝箱載荷、集中載荷、垂向彎曲剛度等。經過試驗，濟南公司對試驗數據與有限元分析結果進行了對比分析，結果顯示，相同節點的試驗和計算誤差在2%以內，屬于可接受的偏差。證明該車的有限元分析是正確的和可以接受的。

6.2 單車試驗

車輛按照單車試驗大綱進行了單車試驗，項點包括：充氣、泄露、緩解感度、制動缸泄露、制動安定性、緊急制動、手動緩解等。實驗結果表明，制動系統各項性能均滿足設計要求。

6.3 模擬曲線通過試驗

濟南公司在試驗車間對該車在90m曲線上的彈簧壓死的情況下進行試驗。試驗結果顯示，轉向架與車體間沒有發生干涉，車輛間的軟管沒有造成拉扯和打結現象，表明該車曲線通過能力滿足設計要求。

6.4 閘瓦壓力試驗

濟南公司對該車進行了靜態閘瓦壓力試驗。試驗結果表明：空重車靜態制動率、手制動系統重車靜態制動率均滿足AAR S401-1981的規定。

6.5 沖擊試驗

沖擊試驗按照《規范》及試驗大綱的要求進行，由于阿根廷沒有駝峰編組的工況，要求試驗車鉤力不小于2250KN。在進行車鉤力最大值為2500KN的試驗后對車輛進行檢測，未發現裂紋和焊縫開焊等永久破壞，表明該車滿足設計要求。

7 結束語

濟南公司研制生產的出口阿根廷的22t軸重準軌通用敞車樣車通過了相關計算分析及試驗的驗證，證明其各項性能均滿足設計要求。

參考文獻

[1]濟南軌道交通裝備有限責任公司.阿根廷準軌通用敞車靜強度、剛度及疲勞分析報告[R].2015.

[2] 濟南軌道交通裝備有限責任公司.阿根廷準軌通用敞車動力學分析報告[R].2015.

[3] AAR研究試驗部報告R-387.關于制定疲勞設計使用的缺陷-品質判據的AAR指南的說明.2015.

[4]濟南軌道交通裝備有限責任公司.阿根廷準軌通用敞車沖擊試驗報告[R].2015.

[5]濟南軌道交通裝備有限責任公司.阿根廷準軌通用敞車靜強度試驗報告[R].2015.