出口阿根廷22t軸重準(zhǔn)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(zhǔn)軌通用敞車的主要特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)、主要結(jié)構(gòu)，介紹了該車靜強(qiáng)度、疲勞及動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算和相關(guān)試驗(yàn)情況。

關(guān)鍵詞：通用敞車；技術(shù)參數(shù)；結(jié)構(gòu)；計(jì)算分析；試驗(yàn)

出口阿根廷的22t軸重準(zhǔn)軌通用敞車是濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱濟(jì)南公司）為阿根廷貝爾格拉諾貨運(yùn)線路改造項(xiàng)目研制生產(chǎn)配裝控制型轉(zhuǎn)向架的通用型敞車。該車于2015年3月完成車輛設(shè)計(jì)；同年4月完成設(shè)計(jì)方案及技術(shù)分析文件確認(rèn)；2015年5月完成樣車試制、試驗(yàn)。

1 主要用途

22t軸重準(zhǔn)軌通用敞車用于在阿根廷軌距1435mm鐵路干線上運(yùn)行，主要用于裝運(yùn)煤炭、礦石、建材、機(jī)械設(shè)備、鋼材及木材等貨物；同時(shí)具備單車運(yùn)輸2個(gè)20ft標(biāo)準(zhǔn)集裝箱或1個(gè)40ft標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的能力。

2 主要技術(shù)參數(shù)

3 主要結(jié)構(gòu)

出口阿根廷的22t軸重準(zhǔn)軌通用敞車主要由車體、制動(dòng)裝置、車鉤緩沖裝置、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、端墻、車門等組成。主要型鋼和板材均采用Q450NQR1高強(qiáng)度耐侯鋼。

底架采用全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由中梁、枕梁、側(cè)梁、端梁、橫梁、小橫梁、縱向梁、地板等組焊而成。中梁采用材質(zhì)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(jié)構(gòu)；枕梁端部設(shè)有頂車墊板。采用240×80×8mm的冷彎槽型下側(cè)梁。側(cè)梁外側(cè)靠近枕梁處設(shè)有4個(gè)吊耳，滿足重車（含轉(zhuǎn)向架）整體起吊。底架上鋪6mm厚耐候鋼地板。

側(cè)墻為板柱式結(jié)構(gòu)，由上側(cè)梁、側(cè)柱、上側(cè)板、側(cè)柱連鐵、斜撐、側(cè)柱加強(qiáng)板及側(cè)柱內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)座等組焊而成。上側(cè)梁采用冷彎矩形鋼管，側(cè)柱采用帽形冷彎結(jié)構(gòu)。

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(cè)的側(cè)墻上各設(shè)一對(duì)側(cè)開(kāi)式側(cè)開(kāi)門及6扇上翻式下側(cè)門。

3.2 制動(dòng)裝置

制動(dòng)裝置由空氣制動(dòng)裝置和手制動(dòng)裝置兩部分組成。采用符合AAR標(biāo)準(zhǔn)的空氣制動(dòng)裝置?？諝庵苿?dòng)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(fēng)缸（副風(fēng)缸和緊急風(fēng)缸）、EL-60型空重車閥、均衡風(fēng)缸、組合式集塵器及截?cái)嗳T、10"×12"制動(dòng)缸、KRD-482雙向閘調(diào)器、球芯折角塞門、軟管連接器等組成。手制動(dòng)裝置采用手輪直徑560mm的B型NSW型手制動(dòng)機(jī)。全車制動(dòng)倍率7，空車制動(dòng)率在15%-32%之間，重車制動(dòng)率在8.5%-10%之間，手制動(dòng)制動(dòng)率大于10%。符合AAR S401-1981《制動(dòng)設(shè)計(jì)要求》。

3.3 車鉤緩沖裝置

采用E級(jí)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(zhuǎn)向架

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

該轉(zhuǎn)向架采用寬斜楔，中央彈簧為兩級(jí)剛度，采用常接觸彈性旁承；搖枕、側(cè)架采用B+級(jí)鋼；采用符合AAR M-934標(biāo)準(zhǔn)的6″X11″E級(jí)雙列圓錐滾子軸承；采用輾鋼整體車輪，車輪材質(zhì)為CL60，車軸材質(zhì)為L(zhǎng)ZW鋼；采用下拉桿制動(dòng)方式、組合式制動(dòng)梁、符合AAR M-926規(guī)定的AAR H4高摩合成閘瓦。

圖2 阿根廷準(zhǔn)軌控制型轉(zhuǎn)向架

4 主要特點(diǎn)

（1）車體采用低自重、高可靠性的輕量化技術(shù)。車輛冷彎型鋼使用率占型鋼品種的80%以上，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的斷面形狀，優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量，提高了強(qiáng)度儲(chǔ)備。通過(guò)三維設(shè)計(jì)、有限元分析計(jì)算、疲勞壽命分析預(yù)測(cè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了車體輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。（2）車輛滿足集裝箱運(yùn)輸工況，對(duì)集裝箱角件可能覆蓋的敞車地板區(qū)域進(jìn)行對(duì)稱性補(bǔ)強(qiáng)，提升了敞車地板對(duì)集裝箱重箱角件區(qū)域的抗磕碰能力。（3）車輛采用技術(shù)成熟的鑄鋼三大件式低動(dòng)力作用控制型轉(zhuǎn)向架，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修方便。（4）轉(zhuǎn)向架搖枕采用雙固定杠桿支點(diǎn)座方案，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架搖枕檢修無(wú)區(qū)分互換，檢修方便。

5 計(jì)算分析

5.1 車體靜強(qiáng)度計(jì)算

濟(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)及鑒定規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）結(jié)合《阿根廷準(zhǔn)軌通用敞車技術(shù)條件》（以下簡(jiǎn)稱“技術(shù)條件”）的要求，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析計(jì)。

車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基本工況以及沖擊、頂車、叉車、集裝箱、均布集中載荷、對(duì)稱集中載荷等的計(jì)算分析。

計(jì)算結(jié)果表明：車體結(jié)構(gòu)各部位在各靜強(qiáng)度工況下的Von Mises應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)材料的許用應(yīng)力，因此車體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度滿足《規(guī)范》考核標(biāo)準(zhǔn)的要求。

由于阿根廷NEFA標(biāo)準(zhǔn)中準(zhǔn)軌車輛在第二壓縮工況（3114KN）及沖擊工況（3892KN）與《規(guī)范》的載荷存在差異；濟(jì)南公司按照阿根廷NEFA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了第二壓縮工況及沖擊工況校核性分析計(jì)算。

分析結(jié)果顯示：在3114KN壓縮和3892KN沖擊組合工況下，底架上最大應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)和《規(guī)范》的要求。

5.2 車體剛度計(jì)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(jìn)行整車剛度計(jì)算分析（圖3），車輛中梁撓度為3.83mm，側(cè)梁撓度為3.40mm，滿足《規(guī)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(guī)范》的要求。

5.3 疲勞壽命分析

為提高產(chǎn)品可靠性，濟(jì)南公司對(duì)車體進(jìn)行了疲勞壽命分析。分析采用Ansys 14.5軟件，以TB/T1335-1996《規(guī)范》結(jié)合AAR M 1001-2011第7章“新造貨車疲勞設(shè)計(jì)”中的敞車載荷譜（垂向心盤(pán)浮沉載荷譜、縱向車鉤載荷譜及車體扭轉(zhuǎn)載荷譜）為依據(jù)，選用與車體結(jié)構(gòu)焊接接頭和焊接細(xì)節(jié)相當(dāng)?shù)钠赟-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(jì)算結(jié)果表明：該車車體鋼結(jié)構(gòu)各部位的疲勞壽命均大于500萬(wàn)km的設(shè)計(jì)壽命要求。

5.4 動(dòng)力學(xué)分析

以GB5599-85《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱GB/T5599）為依據(jù)，利用SIMPACK 9.5軟件對(duì)該車進(jìn)行了蛇行穩(wěn)定性、直線運(yùn)行品質(zhì)及安全性、曲線通過(guò)時(shí)的安全性等性能在空車和重車時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能分析結(jié)果如下：

（1）阿根廷轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)臨界速度空車為133km/h，重車為115km/h，運(yùn)行穩(wěn)定性均滿足車輛試驗(yàn)速度高于設(shè)計(jì)速度110%的要求。

（2）車輛在Ⅴ級(jí)譜上，運(yùn)行速度在110km/h范圍以內(nèi)各項(xiàng)運(yùn)行評(píng)判指標(biāo)均滿足GB5599-85的要求。

（3）車輛通過(guò)90m、150m和300m半徑曲線時(shí)計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB5599-85的要求。

6 試驗(yàn)

6.1 車輛靜強(qiáng)度試驗(yàn)

參照《規(guī)范》及技術(shù)條件，濟(jì)南公司對(duì)樣車進(jìn)行了靜強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：縱向載荷、垂向載荷、頂車載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、散裝貨物側(cè)壓力、集裝箱載荷、集中載荷、垂向彎曲剛度等。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，濟(jì)南公司對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示，相同節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)和計(jì)算誤差在2%以內(nèi)，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(yàn)

車輛按照單車試驗(yàn)大綱進(jìn)行了單車試驗(yàn)，項(xiàng)點(diǎn)包括：充氣、泄露、緩解感度、制動(dòng)缸泄露、制動(dòng)安定性、緊急制動(dòng)、手動(dòng)緩解等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

6.3 模擬曲線通過(guò)試驗(yàn)

濟(jì)南公司在試驗(yàn)車間對(duì)該車在90m曲線上的彈簧壓死的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)向架與車體間沒(méi)有發(fā)生干涉，車輛間的軟管沒(méi)有造成拉扯和打結(jié)現(xiàn)象，表明該車曲線通過(guò)能力滿足設(shè)計(jì)要求。

6.4 閘瓦壓力試驗(yàn)

濟(jì)南公司對(duì)該車進(jìn)行了靜態(tài)閘瓦壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：空重車靜態(tài)制動(dòng)率、手制動(dòng)系統(tǒng)重車靜態(tài)制動(dòng)率均滿足AAR S401-1981的規(guī)定。

6.5 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)按照《規(guī)范》及試驗(yàn)大綱的要求進(jìn)行，由于阿根廷沒(méi)有駝峰編組的工況，要求試驗(yàn)車鉤力不小于2250KN。在進(jìn)行車鉤力最大值為2500KN的試驗(yàn)后對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋和焊縫開(kāi)焊等永久破壞，表明該車滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

濟(jì)南公司研制生產(chǎn)的出口阿根廷的22t軸重準(zhǔn)軌通用敞車樣車通過(guò)了相關(guān)計(jì)算分析及試驗(yàn)的驗(yàn)證，證明其各項(xiàng)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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