大軸重煤炭漏斗車輕量化技術研究*

張超德, 李建超, 黃　瑞, 陸　強, 池　海, 傅茂海, 安　琪

(1　南車眉山車輛有限公司， 四川眉山 620032；2　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081；3　西南交通大學機械工程學院， 四川成都 610031)

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大軸重煤炭漏斗車輕量化技術研究*

張超德1, 李建超1, 黃瑞1, 陸強1, 池海2, 傅茂海3, 安琪3

(1南車眉山車輛有限公司， 四川眉山 620032；2中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081；3西南交通大學機械工程學院， 四川成都 610031)

介紹我國大軸重煤炭漏斗車輕量化技術研究方向、主要措施和實施效果，指出了我國大軸重煤炭漏斗車輕量化技術研究的意義。

煤炭漏斗車； 技術研究； 方向； 措施； 效果

重載運輸是鐵路提高大宗貨物運輸能力的主要技術手段，開行大軸重貨車成為鐵路重載運輸降低運行成本最有效的措施。大軸重貨車的輕量化不僅可以增加載重，還可以減少原材料消耗，降低牽引能耗，節(jié)約能源，改善列車啟動和制動性能，降低輪軌間動力作用，延長車輛和線路使用壽命，提高鐵路運輸效益。由于歷史原因，我國的煤炭漏斗車為適應燃煤發(fā)電廠的地面設施要求，均采用縱向側開卸貨方式，底門開閉機構復雜、傳動效率低，車體下部空間得不到有效利用，車輛自重較大，限制了車輛主要性能參數的提高。開展大軸重煤炭漏斗車輕量化技術研究和產品研制，提升鐵路貨運裝備水平，滿足我國重載運輸需要，具有重要的技術和經濟意義。

1　研究方向

輕量化是一個涵義非常廣泛的設計準則，目標是減少工業(yè)品的質量，廣泛應用于運動的機械零件、交通工具以及運動設備中，動機主要是提高加速度、增加有效載荷以及減少能源消耗等。輕量化技術已經滲透到國民經濟的各個領域，從機器人、包裝機械、體育用品等普通機械制造，到能源設備如風力發(fā)電機生產，以及汽車、火車、飛機等交通運輸工具制造，直至航天飛機和太空站建造[1]。傳統(tǒng)上將輕量化分為材料輕量化、形狀輕量化、制造輕量化、設計輕量化、功能輕量化。材料輕量化的方法是采用輕質材料，形狀輕量化的方法是采用空心結構，制造輕量化的方法是采用整體構造或者連接結構，設計輕量化的方法是盡量節(jié)約材料，功能輕量化的方法是指功能集成或減少功能，這些輕量化方法視需要既可以單獨采用，也可以互相交替使用。煤炭漏斗車主要由車體、底門開閉機構、車鉤緩沖裝置、轉向架及制動裝置等組成，減輕每一個部件的自重都對減輕車輛自重起作用，減輕自重要從新材料、新結構和新工藝中去想辦法。

近年來，新的高強度耐候鋼材料、不銹鋼材料、有色合金材料和非金屬輕質材料得到大量開發(fā)和應用，新的成形工藝不斷涌現，新型結構設計促進了車輛向輕量化方向的發(fā)展，也為大軸重煤炭漏斗車輕量化指明了方向。采用三維虛擬設計方法和數字模擬仿真分析手段優(yōu)化車輛性能參數；通過有限元計算和疲勞分析等可靠性技術，優(yōu)化車體結構及尺寸，合理選擇車體材質，準確分配材料的強度和剛度，確定最佳的結構形式和補強方案；綜合應用輕量化的各種方法，實現大軸重煤炭漏斗車的輕量化。

2　主要措施

2.1底門開閉機構輕量化

我國煤炭漏斗車的設計始于1966年，在其發(fā)展過程中底門開閉裝置主要有大刀式開閉機構和頂鎖式開閉機構兩種。大刀式底門開閉機構(見圖1)自鎖性能較差，運行過程中可能造成底門自開。1980年在該機構的基礎上，加上了2 級鎖閉，但由于該機構靠大刀過死點的l 級鎖閉和偏心式2 級鎖閉裝置自鎖，開門時要壓縮貨物，開門壓力較大。與此同時，我國又研制了頂鎖式開閉機構(見圖2)。為了確保鎖閉可靠，防止鎖體在空車運行時振動自開，在兩級傳動的上、下傳動軸之間，設計了一個過死點才可以開啟的連桿組成，將下傳動軸鎖在指定的轉動位置，使鎖體鎖在指定位置，形成了二級鎖閉狀態(tài)。開啟底門，連桿通過死點時，至多只能引起鎖體的微量轉動。由于鎖體與底門銷接觸面為一固定半徑的圓弧，所以鎖體不壓縮漏斗門即不壓縮貨物就可轉出，機構只克服底門壓力而產生的摩擦力和各傳動件間阻尼，因此開門力不大[2]。這兩種開閉機構在運用過程中都暴露出結構復雜、傳動效率低、自重較大等問題。

圖1　大刀式底門開閉機構

圖2　頂鎖式開閉機構

美國是世界重載運輸使用最早的國家，煤炭運量約占其鐵路運量的40%，廣泛使用底開門煤炭漏斗車，列車編組135～150輛，牽引總重為1.75～2萬t。目前使用的鋁合金底開門煤炭漏斗車軸重32.43 t，載重110 t，底門開閉裝置采用中央控制底門開閉機構(見圖3)，該機構具有自鎖功能，性能可靠，卸貨效率高，需要機車提供風源，其傳動軸需安裝在貫通中梁上，自重相對較重。我國各運煤專線卸貨場不需要增加任何設施即可使用這種結構漏斗車滿足卸車要求。

圖3　中央控制底門開閉機構

澳大利亞重載運輸產值占其本國GDP的1.7%，昆士蘭鐵路公司在昆士蘭州擁有6條1 067 mm軌距的煤運線路，Goonyella煤運專線全部采用30 t軸重不銹鋼圓弧包板式煤炭漏斗車，車輛載重97 t，底門橫向設置，地面安裝碰頭控制底門開閉實現重車自動卸貨、空車自動關門，具備邊走邊卸功能。這種地碰式底門開閉機構(見圖4)結構簡單，易于維護，不需要機車風源，自重較小，車輛需要固定編組，單向運行卸貨。在我國各運煤專線卸貨場加裝地碰后即使用這種結構漏斗車，可實現自動卸車。

為了分析開閉機構對大軸重煤炭漏斗車自重的影響，采用UG NX設計軟件建立大軸重煤炭漏斗車三維模型，表1為采用3種底門開閉機構的車輛技術方案比較表，分析結果表明：對于相同的裝載容積要求，采用地碰式底門開閉機構，車輛長度最短，機構自身質量最小，而且不需要風控裝置，對車輛輕量化最有利。

2.2車體材質輕量化

在鐵道車輛發(fā)展進程中，改變車體鋼結構的材質對防蝕、耐蝕及輕量化有重大的意義。降低車體自重最初是在采用耐候鋼和高強度鋼上下功夫，以后又開始采用不銹鋼，這都只能靠有限的提高強度和有限的減少腐蝕留量以減薄板厚，因此減輕質量是有限的，而且在加工和焊接上增加了難度。純鋁非常軟，不適合作結構材料，特別是不適合用作承受動載荷的貨車的結構材料。但是，通過添加各種成分的合金元素而獲得的鋁合金，具有值得注意的強度和韌性，且進行熱處理后能獲得最佳性能。采用擠壓空心型材組合的車體不只強度高、剛性好，而且還有較高的疲勞強度和抗脆斷能力。鋁合金材料密度低，約為鋼材的1/3，質量較輕。以鐵路貨車為例，采用耐候鋼、不銹鋼與鋁合金材料的質量比為1∶0.81∶0.56[3]。因此，在保證車體結構性能和制造工藝性的前提下，把鋁合金作為車體的主要材質是大軸重煤炭漏斗車實現輕量化的優(yōu)先選擇，其次才是不銹鋼和耐候鋼。

圖4　地碰式底門開閉機構

表1　車輛技術方案比較表

大軸重煤炭漏斗車車體為側壁與底架共同承載結構，主要由底架、側墻、端墻和漏斗等組成。底架需要承受較大的垂向載荷和縱向載荷，對材料的強度要求較高，底架主要承載部件采用高強度耐候鋼更為合適。

端墻和側墻只是部分參與承載，材料強度要求相對較低，采用鋁合金對降低車輛自重最為有利，零部件之間連接比較方便。為有效降低車輛自重，側墻采用全鋁合金結構，與底架和漏斗可以通過鉚接組裝。理論上端墻也可以采用全鋁合金結構，但是端柱、角柱和橫帶等采用鋁合金構架，零部件之間的連接較復雜，模具投入較大；采用耐候鋼構架，車輛強度和剛度更容易滿足，制造和維護成本相對較低，經濟性更好。表2為鋼構架端墻和鋁合金構架端墻的質量計算結果，鋁合金構架端墻能降低車輛自重36 kg。

表2　兩種端墻方案質量比較表

漏斗主要由漏斗板、脊背以及加強梁等組成，是車輛的重要承載部件。漏斗板與脊背板采用鋁合金板，自身質量雖然能夠減輕，但是零部件連接較困難，鉚接時需要鋼骨架，制動管吊固定也變得較為復雜，對降低車輛自重并無太大優(yōu)勢，還會增加制造成本。表3為鋼漏斗和鋼鋁混合結構漏斗的質量計算結果。結果表明，側漏斗板采用鋁合金板材，其余零部件采用耐候鋼，車輛自重降低69 kg。

表3　兩種漏斗方案質量比較表

為增強兩側墻及側墻與底架之間的連接剛度，車內設有水平撐桿和斜撐，撐桿與撐桿座采用鉸接結構連接。表4為鋼撐桿和鋁撐桿裝置的質量計算結果。結果表明，除與中梁連接的撐桿座外，其余均可采用鋁合金材質，車輛自重降低121 kg。

表4　鋁合金撐桿和鋼撐桿方案質量比較表

底門由門板、底門梁、折頁等組成，門板與底門梁采用鋁合金擠壓型材整體結構。表5為鋁合金底門和鋼結構底門的質量計算結果。計算結果表明，采用鋁合金底門，車輛自重降低162 kg。

表5　兩種底門方案質量比較表

2.3車體承載結構設計輕量化

大軸重煤炭漏斗車采用鋼鋁混合鉚接結構車體，側墻與底架共同承載，提高了車體承受縱向載荷的能力。底架采用全鋼焊接結構，由中梁、側梁、枕梁、端梁等組焊而成。采用貫通中梁結構，中梁中部采用方鋼管，兩端牽引梁采用鋼板組焊結構，不僅能降低車輛自重，而且有利于車體縱向載荷的傳遞。中梁上方布置縱向漏斗脊，與車體中央橫向漏斗脊形成4個卸貨口，底門沿車體橫向布置，充分利用了車體下部空間，有利于縮短車輛長度，降低車輛自重，提高車輛每延米重。端墻和側墻采用板梁式直壁結構，具有足夠的強度和剛度。

采用輕量化結構設計，上側梁、上端梁、角立柱、端梁、側梁、下托梁、側柱、撐桿、漏斗脊背以及中梁等形成立體交叉封閉框架結構，質量輕，剛度好，變形小。

大量采用鋁合金擠壓型材，其中側墻板為鋁合金型材組焊結構，底門板為鋁合金整體擠壓成型，上側梁、下托梁、上端梁等均為鋁合金整體型材。

2.4制動裝置輕量化

功能的集成化和材質的輕量化是降低制動裝置質量的主要途徑。

功能的集成化措施包括：轉向架安裝集成制動裝置，制動缸與閘調器集成化程度高，雙向調節(jié)，雙推桿設計，改善制動梁受力；采用"3閥控5車"的單元制動技術，減少單元列車制動配件數量。

材質的輕量化措施包括：采用鋁合金控制閥、鋁合金或非金屬制動管系、鋁合金儲風缸等新技術。

2.5轉向架輕量化

結構設計輕量化和材質輕量化是降低轉向架自重的主要途徑。

結構設計輕量化的主要措施有：采用錐形軸身及AAR 標準K級車軸的軸頸設計；適當增大側架導框上部截面積，減小壁厚；優(yōu)化側架端部、擋鍵安裝座及搖枕擋等部位結構；參照國外重載運輸經驗，將下心盤與搖枕鑄為一體；取消旁承盒，重新選配彈性旁承型號，采用螺栓緊固的彈性旁承；優(yōu)化搖枕兩端部結構。表6為30 t軸重副構架徑向轉向架結構設計輕量化方案與原型轉向架質量計算結果。

表6　轉向架結構設計輕量化與原型轉向架質量計算結果

材質的輕量化措施包括：副構架、承載鞍、斜楔等零部件采用鋁合金化設計。表7為30 t軸重副構架徑向轉向架鋁合金零部件與原方案零部件的質量計算結果。

表7　鋁合金零部件與原方案零部件質量計算結果

2.6車鉤緩沖裝置輕量化

按照TJ/CL 025-2012《大軸重鐵路貨車總體技術條件(暫行)》，大軸重煤炭漏斗車可以采用加強17型車鉤、17型鍛造鉤尾框、HM-1型緩沖器，當采用牽引桿時應與17型車鉤互換。表8為鉤緩零部件質量表。

表8　鉤緩零部件質量表

配置方案1：每車2套17型車鉤+2套17型鉤尾框+2套HM-1型緩沖器+2套從板+2套鉤提桿及座+2套托梁等，每車鉤緩質量1 300 kg。

配置方案2：5車一組，頭車和尾車各1套17型車鉤+4套短牽引桿+10套17型鉤尾框+10套HM-1型緩沖器+10套從板+頭車和尾車各1套鉤提桿及座+10套托梁等，5輛車鉤緩總質量4 798.5 kg，平均每車鉤緩質量959.7 kg，比方案1平均每車降低自重約340 kg。

配置方案3∶5車一組，頭車和尾車各1套17型車鉤+4套短牽引桿+10套Quick-Pack緩沖系統(tǒng)+頭車和尾車各1套鉤提桿及座+10套托梁等，5車鉤緩總質量3 480.5 kg，平均每車鉤緩質量696.1 kg。采用Quick-Pack緩沖系統(tǒng)以后，心盤和一體式后從板座需加長，零部件增加質量約62 kg，每車增加質量約124 kg，比方案1平均每車降低自重約480 kg。

2.7車體緊固連接系統(tǒng)輕量化

車體零部件之間的連接采用拉鉚釘鉚接，拉鉚釘數量和套環(huán)數量眾多，減少拉鉚釘數量和減輕拉鉚釘自身質量是實現車體緊固連接系統(tǒng)輕量化的主要措施。

側墻板采用鋁合金擠壓型材通過攪拌摩擦焊工藝制成一體式結構，與上側梁、下托梁鉚接，可大大減少拉鉚釘數量，降低車輛自重，減少制造和維修工作量。表9為整體側墻和板柱鉚接結構的質量計算結果，采用整體側墻每輛車可降低自重206 kg。

表9　兩種側墻方案質量比較表

減輕拉鉚釘自身質量的手段是在保證連接性能的前提下盡量減少拉鉚釘外露的長度。

3　結束語

按國科發(fā)計[2013)80號；中國南車科技研究開發(fā)計劃(2014NCK164)及四川省科技支撐計劃(2015GZ0147),眉山公司承擔了課題項目的研究，取得了大軸重煤炭漏斗車輕量化設計技術的突破，應用研究成果設計的KM98AF型鋁合金煤炭漏斗車自重系數小于0.22，達到國際先進水平。2014年6月KM98AF型煤炭漏斗車(車號:0099639)在黃驊港順利完成空車和重車底門開閉性能調試，編入神華公司9501/9502次列車在朔黃線進行試運用考驗。截至目前，車輛狀況良好，裝載和卸貨作業(yè)正常。大軸重煤炭漏斗車輕量化技術研究以及成果的應用，必將推動我國鐵路貨車輕量化技術的發(fā)展水平。

[1](奧)，H.德吉舍爾，S.呂夫特.輕量化-原理、材料選擇與制造方法[M].陳力禾譯，第八版.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[2]葛立美.國產鐵路貨車[M].(修訂版·下冊).北京：中國鐵道出版社，1997.

[3]王元良,劉靜安.高速列車輕量化及鋁車體材料選擇 [J].鋁加工，1993，16(5)：11-17.

Lightweight Technology Research of the Large Axle Load Coal Hopper Car

ZHANGChaode1,LIJianchao1,HUANGRui1,LUQiang1,CHIHai2,FUMaohai3,ANQi3

(1CSR Meishan Rolling Stock Co., Ltd., Meishan 620032 Sichuan, China;2Locomotive and Car Research Insititute, China Academy of Railways Science, Beijing 100081, China;3School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

The paper introduces the lightweight technology's research direction, major measures and implementation effect for the large axle load coal hopper car in our country, and points out the great significance of the research.

coal hopper car; technical research; direction; measures; effect

1008-7842 (2016) 02-0027-05

??)男，教授級高級工程師(

2015-09-29)

U272.6+2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.06

*國家科技支撐計劃：軸重30 t及以上煤炭運輸重載鐵路關鍵技術與核心裝備研制(國科發(fā)計〔2013〕80號); 中國南車科技研究開發(fā)計劃：30 t軸重煤炭漏斗車新技術研究及運用(2014NCK164);四川省科技支撐計劃：30 t軸重重載鐵路貨車關鍵技術研究及產業(yè)化(2015GZ0147)