鐵路貨車輕量化應用研究與分析

鄒紅亮

呼和浩特鐵路局包頭西車輛段

鐵路貨車輕量化應用研究與分析

鄒紅亮

呼和浩特鐵路局包頭西車輛段

鐵路貨車的運輸效率與效率提升作為當今世界鐵路貨運發展主題，鐵路貨車輕量化應用研究與分析勢在必行。因此文章主要針對鐵路貨車輕量化應用現狀，對完善鐵路貨車輕量化應用的具體措施進行分析，以供業界參考、完善。

鐵路貨車；輕量化應用；分析

鐵路貨車發展都是以提升運輸效率和效益為最終目的，而鐵路貨車輕量化應用研究與分析是提升鐵路運輸效率和節約能源的重要內容，減輕鐵路貨車車體、行走質量和附屬設備，不僅能夠降低原材料的消耗和牽引能耗，節省能源，提升列車運行速度，對列車啟動與制動性能進行改善，提升列車運行的安全性與可靠性。還可減少輪軌之間的動力作用，減少振動與噪聲，從而延長列車與線路的使用期限。

1、鐵路貨車輕量化應用現狀

鐵路貨車輕量化是指在承載結構質量有限范圍內實現結構承載的最大化，從而確保結構具有安全性和可靠性。鐵路貨車輕量化應用的基本原理主要是在達到功能性與安全可靠性的基礎上，通過合理分配結構質量，充分利用材料機械性能，防止結構應力集中效應，對鐵路貨車整體的結構強度進行調整，選擇合理的材料，實現輕量化設計。

在鐵路貨車輕量化應用方面，美國主要以重載運輸為主要發展方向，應用特點具有貨車軸重大，載重相對較高，運行效率高，自重輕，原材料成本費用經濟，列車牽引總質量達到1萬～3萬t，軸重為29t。德國以快速運輸為主要發展方向，列車編組相對較少，貨車運輸速度快和軸重低。而我國鐵路貨車運輸主要以“速，密，重”協調方向發展，但和世界鐵路運輸發達國家相比，在軸重和車輛輕量化技術研究方面還存在明顯差別。對于鐵路貨車輕量化而言，我國70t貨車自重系數和80t專用車自重系數是0.34、0.25；美國大部分專用貨車的自重系數是0.17；而澳大利亞40t軸重礦石車的自重系數達到了0.159。除了上述的鐵路輕量化技術存在明顯差距外，還包括材料、環境和結構等影響因素。其中，實現鐵路貨車輕量化的方法主要是減少鐵路貨車中組成部件板材的厚度，但是因為受車輛性能、檢修年限、板材厚度的選取與結構強度影響，因此鐵路貨車使用比重小和具有較強耐腐蝕性的新型材料已經成為解決車體輕量化問題的有效途徑。隨著全球世界各地提倡節能環保的前提下，鐵路貨車輕量化逐漸成為世界鐵路貨車制造業的發展趨勢。因此，鋼質貨車如何在保障安全性情況下不斷向快捷、載重高和自重輕的方向發展，對鐵路貨車輕量化應用具有重要意義[1]。

2、完善鐵路貨車輕量化應用的具體措施

2.1 更新設計手段

在優化結構輕量化設計方案上，設計師一般會按照結果分析、結果與經驗對結構方式進行調整，這一方式的應用已經無法適應發展需求。因此，在設計方面應通過分析結構與優化理論、方法相互結合方式，減輕結構質量為目標的結構優化模式已經成為車輛結構設計的重點，這一方法的使用逐漸被應用到我國鐵路機車車輛行業中。例如某車輛有限公司出口的軸重為40t礦石敞車在車輛自重方面提出嚴格要求，在設計車體承載結構方面，對于輕量化設計，在確保車輛符合設計規范標準同時，為達到減少車體承載結構質量的目的，按照結構質量要求不斷優化車體結構的輕量化設計。又如在有限元分析軟件ANSYS二次開發平臺上，中南大學交通運輸工程學院以車體承載結構質量為主要設計函數，通過部件板厚設計的變量，以鐵路實際載荷的結構應力和撓度為依托，借助參數化設計語言APDL對車體承載結構質量進行優化設計，最終經過優化后1/4車體承載結構質量由最初設計方案的1.9395t減輕了0.1836t，減重率達到9.47%，優化后自重系數為0.159，結構各個部位的最大應力低于材料允許應力值，取得了車體自重量小的設計方案。這一結構表明，通過有效元分析技術，能夠充分利用結構各個部件承載能力，確保車體結構強度和剛度符合設計標準要求[2]。

2.2 完善設計方案

敞車車體中梁作為鐵路貨車重要的承載部件，在車體中這一部分的自重占有較大的比例。對于材料強度等級與制造方便而言，我國敞車的中梁大部分使用乙型鋼；從輕量化技術應用方面，C76型和C80型的敞車使用的是焊接中梁，通過焊接中梁方式對斷面進行優化，有效分配板厚，充分利用材料的價值，滿足強度設計理念，從而減輕質量，提升材料使用的剛度。例如C70型車側使用屈服極限為450MPa的雙曲面冷彎側柱，以此改善車體側柱剛度，提升側墻抗外脹能力。和帽型鋼相比，每1根側柱均減輕了15.3kg。又如C80B型不銹鋼與C80A全鋼等運煤敞車，優化了獨立下側梁，借助側墻板、地板和圓弧形加強板圍成一個封閉區域，以此減少質量，讓受力更加均勻合理，從而充分利用限界，拓寬車輛容積有效降低車輛自重。

2.3 引進先進技術

在優化鐵路貨車輕量化方面，可通過引進牽引桿技術、ECP電空制動技術和轉向架集成制動技術，降低車輛自重和列車間縱向作用力，節約制造成本，減少短鉤和脫軌事故發生率，確保結構緊湊，提升傳動效率，有效利用車輛空間。例如C80系列的運煤專用敞車通過運用牽引桿技術，減少車輛的自重，使每個車鉤緩沖裝置重量減輕了280kg，然后輔助轉向架集成制動裝置，確保結構緊湊型，從而提升傳動效率，充分利用車輛空間，節約了制造成本[3]。

2.4 使用新型材料

據相關數據統計顯示，通常情況下，車體鋼結構質量占車輛總體重量的50%。實踐證明，在鐵路貨車輕量化設計方面，使用高強度耐候鋼、非金屬材料、鋁合金和不銹鋼等新型材料，能夠有效減輕車體質量，例如大秦線中C80B型運煤專用敞車，通過使用不銹鋼材料，增強了車體的耐蝕性，以此降低車輛自重，提升車輛的載重，實現輕量化設計。除此之外，棚車還可使用中密度和韌性良好的竹編板作為端墻、車頂和側墻內襯材料，通過低密度和高強度竹材層壓板替代鋼地板，從而減輕車輛自重，達到優化鐵路貨車輕量化的目的。

結束語

鐵路貨車輕量化實際上是一個提升鐵路貨車輕量化性能，降低貨車重量，優化設計結構的過程，因此設計師應不斷學習新的技術知識，以此更新設計手段、完善設計方案，同時引進先進的設計技術，通過新型材料達到鐵路貨車輕量化的目的。

[1]饒庶,劉霞.鐵路貨車輕量化應用研究與分析[J].中國鐵路, 2015,(1):37-41.

[2]張俊林,汪明棟,于躍斌，等.鐵路貨車制動裝置輕量化技術研究[J].鐵道車輛,2015,53(12):60-63.

[3]張俊林.鐵路貨車制動系統輕量化分析與思考[J].企業技術開發（下半月）,2015,34(9):118,120.