载重100 t铝合金运煤敞车开发

高志雄，易　新，张建军，王宏杰

(内蒙古第一机械集团有限公司 铁道部驻包头车辆验收室，内蒙古 包头014032)

载重100 t铝合金运煤敞车开发

高志雄，易新，张建军，王宏杰

(内蒙古第一机械集团有限公司 铁道部驻包头车辆验收室，内蒙古 包头014032)

摘要：目前我国铁路运输的速度和密度已达到世界领先水平，但是铁路运能依然紧张。为了提高铁路运输煤炭的能力，结合中国铁路线路的情况，研究通用线开行27 t轴重列车和运煤专用线开行30 t以上轴重列车势在必行。对于铁路货车来讲，在提高载重的同时能够最大程度地降低车辆自重，也可以为提高铁路运能做出贡献。结合我国和世界铁路货车的发展现状及趋势，介绍了我国载重100 t铝合金运煤专用敞车的开发目标、设计理念、主要结构及具体技术参数等，为中国未来运煤市场主型铁路货车采用重载100 t铝合金货车提供了支撑条件。

关键词：铝合金；敞车；轻量化；重载

重载运输是当今世界铁路货运发展的主要方向，各国通过发展重载运输均取得了巨大的经济和社会效益。美国、加拿大、澳大利亚、南非和巴西等国家主要发展重载运输，其主要特点是货车轴重大、载重高、自重轻、列车编组辆数多以及运输效率高。我国幅员辽阔，铁路运能紧张，煤炭和矿石等大宗货物运量较大，借鉴国外重载运输发展经验，立足我国国情和路情，适时进行了在我国既有路网条件下发展重载运输的研究，包括通用线开行27 t轴重列车和运煤专用线开行30t以上轴重列车，以快速提升货运能力，解决瓶颈制约，更好地满足国民经济和社会发展的需要,具有十分重要的现实意义。

世界重载运输发展经验证明，30～32.5 t轴重是煤炭重载运输最为经济的轴重，国内外煤炭运输专用车主要以敞车和漏斗车为主，敞车的运输能力大，漏斗车卸货效率高。载重100 t铝合金运煤车充分利用轻量化设计理念，提高了大宗货物的运输效率，同时考虑了线桥条件、装卸设施、运行维护以及运输能力间的关系，综合技术经济性较高。

为满足市场需求，根据运输线路地面设施的情况，载重100 t铝合金运煤敞车车体采用铝合金材料，运用轻量化设计理念，减轻了车辆自重，提高了有效载重；运用现有货车的成熟技术和大轴重铁路货车新技术，在铁路机车限界范围内控制车辆长度，在适应现有地面设施的条件下，提高车辆每延米质量，以提高运输效率。

1开发目标

1)该车是运输煤炭的专用铝合金敞车，需能够与地面设施匹配，实现不摘钩连续翻卸作业，并能适应环形装车、直进直出装车和解体装车作业，采用两辆一组牵引杆连接。

2)适应万吨列车动力集中牵引要求，最高商业运营速度为100 km/h。

3)载重100 t，自重≤22 t，重车紧急制动距离≤1 400 m。

4)轨距1 435 mm，通过最小曲线半径145 m。

5)车辆满足使用环境温度-40～+50 ℃的要求。

6)能够适应每延米重≤10 t/m的重载专用线路。

7)车辆限界符合GB 146.1-1983《标准轨距铁路机车车辆限界》的要求。

8)符合《大轴重铁路货车通用技术条件(暂行)》的要求。

9)采用我国现有70 t级铁路货车的成熟技术，以提高零部件的通用性。

2设计理念

2.1比容与容积的确定[1]

根据调研结果，煤的实际密度为0.8～1.2 t/m3，一般为0.9 t/m3，比容为1.07 m3/t 左右。从国内主要煤炭运输专用敞车的研制过程来看，C76系列和C80铝合金运煤敞车设计的比容为1.09 m3/t，C80A和C80B为1.06 m3/t，综合考虑煤炭运输密度和车辆的实际装载情况，载重100 t铝合金漏斗车的比容取1.07～1.09 m3/t，容积取107～109 m3，可较好兼顾各地区的实际运用状况，保证车辆能够满载运行，并且有较好的经济性。朔黄铁路装车如图1所示，大秦铁路装车如图2所示。

图1　朔黄铁路装车　　　　图2　大秦铁路装车

2.2双浴盆结构的确定

运煤专用敞车主要有平底、单浴盆和双浴盆3种结构型式。C80A和C80B(见图3)型运煤专用敞车采用平底结构，其优点是结构简单、可靠、技术成熟和工艺性好，缺点是不能充分利用下部空间；C76A、C76B(见图4)和C76C型运煤专用敞车采用单浴盆结构，其优点是能够最大限度利用下部空间来增大容积，缺点是无贯通中梁，对各梁及连接节点强度和可靠性要求高。美国、加拿大和澳大利亚等重载运输发达国家的运煤专用敞车普遍采用双浴盆结构，我国C80(见图5)型铝合金运煤专用敞车也采用了双浴盆结构，其优点是利用下部空间增大了车辆容积，可降低车辆重心高度，同时采用了贯通中梁，纵向承载能力强，结构可靠性高，缺点是下部空间利用率比单浴盆式结构略小。综合考虑上述情况，兼顾利用下部空间和车辆可靠性这2个因素，载重100 t铝合金运煤敞车选取双浴盆结构。

图3　C80B型不锈钢　　　图4　C76B型运煤　　　运煤专用敞车　专用敞车

图5　C80型铝合金运煤专用敞车

2.3车辆长度的确定

通过调研，目前进行连续翻卸作业的翻车机是按照C70A和C80车辆长度设计的，即能够连续翻卸车长为12或13.726 m的车辆。要确定载重100 t铝合金运煤专用敞车车长首先要考虑的因素是与现有翻车机相匹配，当选取车辆长度与C80相同时，很难达到容积107～109 m3的目标，故选取车辆长度与C70A相同，通过采用单元制动和车辆加高等措施，实现了车辆长度为13.726 m时容积达到109 m3的目标，因此车辆长度确定为13.726 m。黄骅港翻车机及延长台如图6所示。

图6　黄骅港翻车机及延长台

2.4车辆宽度和高度的确定

车辆高度的确定受机车车辆限界、装料口高度和翻车机压头高度等的多重限制。调研表明，现有漏仓下沿距轨面最大高度为4.2 m，翻车机压头距轨面高度为4 533 mm。车辆限界在高度3 600 mm处开始收口，宽度变小，载重100 t运煤专用敞车采用侧柱外置结构，需在车辆长度13.726 m的条件下实现容积109 m3的目标，车体宽度为3 184 mm，所以车辆最大高度应达到3 847 mm，可满足装卸货设施的要求。车辆高度断面图如图7所示。

图7　车辆高度断面图

2.5车辆重车重心高度

重心高度是影响车辆运行平稳的重要因素之一，在《铁路危险货物运输管理规则》中对其进行了规定：车辆重车重心高度≤2 200 mm。表1列出了几种典型车型的重心高，经动力学仿真分析及样车线路运行试验表明，在标准规定的测试速度级范围内，车辆运行平稳性均符合GB 5599-1983的规定。

表1　几种典型车型的重心高度

经计算，载重100 t运煤专用敞车重车重心高度为2 064 mm，动力学仿真分析结果表明，空车工况车辆的临界速度为135.2 km/h，重车临界速度为149.5 km/h，空重车临界速度均高于最高运行速度100 km/h的110%，能够满足运行要求，并且稳定性具有一定的裕量。

2.6提高车辆承载能力的措施

载重100 t铝合金运煤敞车的轴重和载重均较80 t级敞车有较大提高，主要采用下述几种方法来满足强度要求：1)采用整体铸造牵引梁，可有效提高纵向承载能力；2)优化上、下侧梁的断面结构，提高侧梁的抗弯截面模量，增大侧墙的垂向刚度；3)采用加强型枕梁结构，满足车辆翻卸强度要求；4)增加车内承杆的数量，提高侧墙的抗外涨能力；5)采用RF2型车轴、HFS型车轮及B+钢摇枕侧架，满足32.5 t轴重货车运行要求。

通过有限元分析计算，采用上述措施在最不利组合工况下的最大Von Mises应力为218.7 MPa，许用应力为281 MPa，发生在中梁与浴盆之间靠承杆座的筋板连接处。在翻车机工况下，压头作用处的上侧梁上最大应力为142.7 MPa，许用应力为205 MPa。在垂向静载荷作用下，中梁的最大挠度为6.27 mm，挠跨比为6.27/9 900≈0.95/1 500,小于要求的1/1 500；下侧梁的最大挠度为3.81 mm, 挠跨比为3.81/9 900≈0.77/1 500，小于要求的1/2 000。所有计算载荷工况下，该车体各处应力均小于所要求的应力值，在垂向静载荷作用下，该车垂向刚度满足要求。

2.7车体铝合金材料的运用

与普遍用于铁路车辆制造的耐候钢材相比，铝合金有如下特点：1) 比重小，只有普通钢材比重的1/3，因此，将铝合金材料用于车体制造，在降低车辆自重上效果非常显著；2) 耐腐蚀性能好，外表美观，铝合金材料外表有天然的金属光泽且铝在空气中极易氧化而产生一层致密且难熔的氧化膜，厚度约为0.1～0.2 μm，其表面不易破损，性能稳定，在大气中有很好的防腐能力。

2.8采用单元制动系统

单元制动系统是将常规制动中的制动缸、闸调器、制动杠杆及拉杆等制动部件集成到转向架基础制动装置中，在转向架自重略有增加的同时，减少了车体因制动、缓解运动需要的部件以及连接这些部件的管路、拉杆和附属件等，从而简化了制动系统结构，提高了制动传动效率，减轻了车体自重，节约了因制动配件组装需要留出的上部空间，为车辆有效利用上部空间，增大容积和增加载重创造了有利条件。TMX单元制动系统如图8所示。

图8　TMX单元制动系统

2.9整体铸造牵引梁的应用

目前，国内现有的运煤专用车牵引梁结构主要由310乙字型钢、铸造心盘座、上心盘、前后从板座和冲击座等组焊而成，存在结构复杂、质量大和检修维护成本高的弊端。传统结构牵引梁组成如图9所示。整体铸造牵引梁(见图10)将心盘座、冲击座与牵引梁铸为一体，结构简单，可靠性高，美国等重载运输发达国家在单元列车上已大量运用该技术，其在铁路货物运输中产生了显著的经济效益。

图9　传统结构牵引梁组成　图10　整体铸造牵引梁

2.10侧墙采用铝型材插接式结构

图11　铝型材插接式结构

侧板为模块式铝合金挤压型材，采用插接方式与侧柱连接，较现有板柱式铆接结构减少了钻孔和铆接工作量，同时单辆车减少铆钉654套，降低了车辆自重，节约了制造成本。采用模块式侧板与侧柱插接结构，简化了侧墙组装工艺，提高了生产效率，同时为车辆检修模式革新和实现换件翻修奠定了基础。铝型材插接式结构如图11所示。

2.11牵引杆的运用

图12　牵引杆装置

牵引杆(见图12)能有效降低列车纵向冲动，改善车辆运行品质，提高车辆纵向动力学性能，具有结构强度高和耐磨性能好等特点；运用后可简化车辆结构，降低车辆自重和维护费用，提高防列车分离性能，安全可靠性高。

3主要性能参数及尺寸

载重100 t，自重≤22 t，轴重30.5 t，容积109 m3，比容1.09 m3/t，车辆长度13 726 mm，车辆最大高度3 847 mm，车辆最大宽度3 184 mm，每延米重8.9 t/m，构造速度100 km/h，紧急制动距离1 400 m。限界符合GB 146.1-1983《标准轨距铁路机车车辆限界》的规定。

4主要结构

该车车体采用双浴盆、侧柱外置、钢铝混合铆焊结构，主要由底架、侧墙、端墙、下侧门和承杆等组成。采用整体铸造式牵引梁，枕梁为变截面箱形Q450全钢组焊结构。侧墙、端墙、浴盆和承杆均采用铝合金材料制造，铆接连接，侧板采用整体挤压铝型材，侧柱与侧板采用插接方式连接。该车采用了120-1型控制阀、单元制动及新型MSW手制动机，16、17型车钩，RFC型牵引杆，HM-1型缓冲器，并应用了具有自主知识产权的32.5 t轴重正位控制式转向架。载重100 t铝合金运煤专用敞车结构如图13所示。

图13　载重100 t铝合金运煤专用敞车

5主要特点

1)采用32.5 t轴重正位控制式转向架,通过加装正位控制装置，提高转向架正位能力，结构简单，性能可靠。

2)采用单元制动系统，有效简化车辆结构，提高制动效率，降低车辆自重。

3)车辆载重100 t，每延米重为8.9 t/m，较C80系列敞车单车载质量增加20 t，提高25%；每延米重增加量为0.6 t/m ，提高7%。

4)车辆长度为13.726 m，与现有C70A型敞车长度一致，能满足现有翻车机对车辆长度的要求，实现不摘钩连续翻卸作业。

5)采用整体铸造牵引梁，将心盘座、冲击座与牵引梁铸为一体，取消了连接焊缝，结构简单、可靠，满足万吨列车牵引要求。

6)采用传统铁路货车侧柱外置结构，技术成熟、可靠，检修方便。

7)侧板为模块式铝合金挤压型材，采用插接方式与侧柱连接，减少了车体铆接量，降低了车辆自重，节约了制造成本；采用模块式侧板与侧柱插接连接，为车辆检修模式革新，实现换件翻修奠定了基础。

8)车体采用有中梁双浴盆结构，结构可靠，纵向承载能力强，车辆重心低。

9)采用新型MSW手制动机，具有制动倍率高，输出力大的特点。

10)与煤炭接触部位应用铝合金型材和板材，利用铝合金的高耐腐蚀性能减缓煤炭对车体的腐蚀速度，从而延长了车辆使用寿命。

11)应用全寿命周期设计理念，全面采用拉铆钉和非金属磨耗件， 取消热铆， 基本消除了金属摩擦副，提高了车辆可靠性和使用性能，为检修技术水平提升奠定了基础。

6结语

近年来，我国铁路普通货物列车实现了载重由60 t级向70 t级的全面升级换代。在大秦线成功开行了轴重25 t、载重80 t的2万t重载运煤专用货物列车后，国内重载运输已取得了阶段性的成果，但与国际先进重载运输技术相比，仍有较大的差距，突出表现在车辆轴重、单车载重及列车牵引吨位上。按照我国《中长期铁路网规划》和《综合交通网中长期发展规划》，到2020年，我国铁路里程将达到12万km，现有小轴重的车辆已逐渐不能满足运输需求，货车的轴重将逐步向大轴重车辆过渡，其运输能力亟待提高，体现在运煤专线上，新型敞车需求量将会逐年增加。

在此背景下，结合国内大秦铁路和神华塑黄线等铁路的现状及发展方向，提出了研制载重100 t铝合金运煤敞车，通过车体采用铝合金材料等新技术，在提高载重的同时减小自重的提高幅度，从而提高了车辆的有效载重。载重100 t运煤专用敞车单车载重量较C80型铝合金运煤专用敞车增加20 t，按列车编组100辆计算，每列车增加运能2 000 t，提高了25%，该车的投入运行可为用户带来巨大的经济效益，也可为公司带来显著的营业收入，并进一步提升公司在国内行业地位，具有良好的社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 严隽髦，傅茂海．车辆工程 [M]．3版.北京：中国铁道出版社, 2008.

责任编辑李思文

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

作者简介：高志雄(1981-)，男，研发中心副主任，高级工程师，硕士，主要从事铁路货车设计开发等方面的研究。

中图分类号：U 272.2

文献标志码：A