鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用研究與分析

鄒紅亮

呼和浩特鐵路局包頭西車(chē)輛段

鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用研究與分析

鄒紅亮

呼和浩特鐵路局包頭西車(chē)輛段

鐵路貨車(chē)的運(yùn)輸效率與效率提升作為當(dāng)今世界鐵路貨運(yùn)發(fā)展主題，鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用研究與分析勢(shì)在必行。因此文章主要針對(duì)鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)完善鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用的具體措施進(jìn)行分析，以供業(yè)界參考、完善。

鐵路貨車(chē)；輕量化應(yīng)用；分析

鐵路貨車(chē)發(fā)展都是以提升運(yùn)輸效率和效益為最終目的，而鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用研究與分析是提升鐵路運(yùn)輸效率和節(jié)約能源的重要內(nèi)容，減輕鐵路貨車(chē)車(chē)體、行走質(zhì)量和附屬設(shè)備，不僅能夠降低原材料的消耗和牽引能耗，節(jié)省能源，提升列車(chē)運(yùn)行速度，對(duì)列車(chē)啟動(dòng)與制動(dòng)性能進(jìn)行改善，提升列車(chē)運(yùn)行的安全性與可靠性。還可減少輪軌之間的動(dòng)力作用，減少振動(dòng)與噪聲，從而延長(zhǎng)列車(chē)與線路的使用期限。

1、鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用現(xiàn)狀

鐵路貨車(chē)輕量化是指在承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載的最大化，從而確保結(jié)構(gòu)具有安全性和可靠性。鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用的基本原理主要是在達(dá)到功能性與安全可靠性的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理分配結(jié)構(gòu)質(zhì)量，充分利用材料機(jī)械性能，防止結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中效應(yīng)，對(duì)鐵路貨車(chē)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，選擇合理的材料，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

在鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用方面，美國(guó)主要以重載運(yùn)輸為主要發(fā)展方向，應(yīng)用特點(diǎn)具有貨車(chē)軸重大，載重相對(duì)較高，運(yùn)行效率高，自重輕，原材料成本費(fèi)用經(jīng)濟(jì)，列車(chē)牽引總質(zhì)量達(dá)到1萬(wàn)～3萬(wàn)t，軸重為29t。德國(guó)以快速運(yùn)輸為主要發(fā)展方向，列車(chē)編組相對(duì)較少，貨車(chē)運(yùn)輸速度快和軸重低。而我國(guó)鐵路貨車(chē)運(yùn)輸主要以“速，密，重”協(xié)調(diào)方向發(fā)展，但和世界鐵路運(yùn)輸發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在軸重和車(chē)輛輕量化技術(shù)研究方面還存在明顯差別。對(duì)于鐵路貨車(chē)輕量化而言，我國(guó)70t貨車(chē)自重系數(shù)和80t專用車(chē)自重系數(shù)是0.34、0.25；美國(guó)大部分專用貨車(chē)的自重系數(shù)是0.17；而澳大利亞40t軸重礦石車(chē)的自重系數(shù)達(dá)到了0.159。除了上述的鐵路輕量化技術(shù)存在明顯差距外，還包括材料、環(huán)境和結(jié)構(gòu)等影響因素。其中，實(shí)現(xiàn)鐵路貨車(chē)輕量化的方法主要是減少鐵路貨車(chē)中組成部件板材的厚度，但是因?yàn)槭苘?chē)輛性能、檢修年限、板材厚度的選取與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響，因此鐵路貨車(chē)使用比重小和具有較強(qiáng)耐腐蝕性的新型材料已經(jīng)成為解決車(chē)體輕量化問(wèn)題的有效途徑。隨著全球世界各地提倡節(jié)能環(huán)保的前提下，鐵路貨車(chē)輕量化逐漸成為世界鐵路貨車(chē)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，鋼質(zhì)貨車(chē)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(fā)展，對(duì)鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用具有重要意義[1]。

2、完善鐵路貨車(chē)輕量化應(yīng)用的具體措施

2.1 更新設(shè)計(jì)手段

在優(yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方案上，設(shè)計(jì)師一般會(huì)按照結(jié)果分析、結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行調(diào)整，這一方式的應(yīng)用已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)發(fā)展需求。因此，在設(shè)計(jì)方面應(yīng)通過(guò)分析結(jié)構(gòu)與優(yōu)化理論、方法相互結(jié)合方式，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模式已經(jīng)成為車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，這一方法的使用逐漸被應(yīng)用到我國(guó)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛行業(yè)中。例如某車(chē)輛有限公司出口的軸重為40t礦石敞車(chē)在車(chē)輛自重方面提出嚴(yán)格要求，在設(shè)計(jì)車(chē)體承載結(jié)構(gòu)方面，對(duì)于輕量化設(shè)計(jì)，在確保車(chē)輛符合設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)，為達(dá)到減少車(chē)體承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的，按照結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求不斷優(yōu)化車(chē)體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。又如在有限元分析軟件ANSYS二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院以車(chē)體承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量為主要設(shè)計(jì)函數(shù)，通過(guò)部件板厚設(shè)計(jì)的變量，以鐵路實(shí)際載荷的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和撓度為依托，借助參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL對(duì)車(chē)體承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終經(jīng)過(guò)優(yōu)化后1/4車(chē)體承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量由最初設(shè)計(jì)方案的1.9395t減輕了0.1836t，減重率達(dá)到9.47%，優(yōu)化后自重系數(shù)為0.159，結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的最大應(yīng)力低于材料允許應(yīng)力值，取得了車(chē)體自重量小的設(shè)計(jì)方案。這一結(jié)構(gòu)表明，通過(guò)有效元分析技術(shù)，能夠充分利用結(jié)構(gòu)各個(gè)部件承載能力，確保車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

2.2 完善設(shè)計(jì)方案

敞車(chē)車(chē)體中梁作為鐵路貨車(chē)重要的承載部件，在車(chē)體中這一部分的自重占有較大的比例。對(duì)于材料強(qiáng)度等級(jí)與制造方便而言，我國(guó)敞車(chē)的中梁大部分使用乙型鋼；從輕量化技術(shù)應(yīng)用方面，C76型和C80型的敞車(chē)使用的是焊接中梁，通過(guò)焊接中梁方式對(duì)斷面進(jìn)行優(yōu)化，有效分配板厚，充分利用材料的價(jià)值，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念，從而減輕質(zhì)量，提升材料使用的剛度。例如C70型車(chē)側(cè)使用屈服極限為450MPa的雙曲面冷彎側(cè)柱，以此改善車(chē)體側(cè)柱剛度，提升側(cè)墻抗外脹能力。和帽型鋼相比，每1根側(cè)柱均減輕了15.3kg。又如C80B型不銹鋼與C80A全鋼等運(yùn)煤敞車(chē)，優(yōu)化了獨(dú)立下側(cè)梁，借助側(cè)墻板、地板和圓弧形加強(qiáng)板圍成一個(gè)封閉區(qū)域，以此減少質(zhì)量，讓受力更加均勻合理，從而充分利用限界，拓寬車(chē)輛容積有效降低車(chē)輛自重。

2.3 引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)

在優(yōu)化鐵路貨車(chē)輕量化方面，可通過(guò)引進(jìn)牽引桿技術(shù)、ECP電空制動(dòng)技術(shù)和轉(zhuǎn)向架集成制動(dòng)技術(shù)，降低車(chē)輛自重和列車(chē)間縱向作用力，節(jié)約制造成本，減少短鉤和脫軌事故發(fā)生率，確保結(jié)構(gòu)緊湊，提升傳動(dòng)效率，有效利用車(chē)輛空間。例如C80系列的運(yùn)煤專用敞車(chē)通過(guò)運(yùn)用牽引桿技術(shù)，減少車(chē)輛的自重，使每個(gè)車(chē)鉤緩沖裝置重量減輕了280kg，然后輔助轉(zhuǎn)向架集成制動(dòng)裝置，確保結(jié)構(gòu)緊湊型，從而提升傳動(dòng)效率，充分利用車(chē)輛空間，節(jié)約了制造成本[3]。

2.4 使用新型材料

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，通常情況下，車(chē)體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量占車(chē)輛總體重量的50%。實(shí)踐證明，在鐵路貨車(chē)輕量化設(shè)計(jì)方面，使用高強(qiáng)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(chē)體質(zhì)量，例如大秦線中C80B型運(yùn)煤專用敞車(chē)，通過(guò)使用不銹鋼材料，增強(qiáng)了車(chē)體的耐蝕性，以此降低車(chē)輛自重，提升車(chē)輛的載重，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。除此之外，棚車(chē)還可使用中密度和韌性良好的竹編板作為端墻、車(chē)頂和側(cè)墻內(nèi)襯材料，通過(guò)低密度和高強(qiáng)度竹材層壓板替代鋼地板，從而減輕車(chē)輛自重，達(dá)到優(yōu)化鐵路貨車(chē)輕量化的目的。

結(jié)束語(yǔ)

鐵路貨車(chē)輕量化實(shí)際上是一個(gè)提升鐵路貨車(chē)輕量化性能，降低貨車(chē)重量，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過(guò)程，因此設(shè)計(jì)師應(yīng)不斷學(xué)習(xí)新的技術(shù)知識(shí)，以此更新設(shè)計(jì)手段、完善設(shè)計(jì)方案，同時(shí)引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)新型材料達(dá)到鐵路貨車(chē)輕量化的目的。

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

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

[3]張俊林.鐵路貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)輕量化分析與思考[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)（下半月）,2015,34(9):118,120.