基于新技術(shù)的中國(guó)鐵路長(zhǎng)大貨物車發(fā)展研究

魏鴻亮，趙天軍，閆海軍

(中車齊齊哈爾車輛有限公司，遼寧 大連 116052)

長(zhǎng)大貨物車是鐵道車輛中的特種貨車，主要用于運(yùn)輸大型發(fā)電機(jī)定子、變壓器、軋鋼機(jī)機(jī)架、高壓鍋爐、加氫反應(yīng)器等重型或超限貨物。自20世紀(jì)50年代，中國(guó)長(zhǎng)大貨物車經(jīng)歷了七十余年的發(fā)展歷程，品種數(shù)量和技術(shù)性能不斷創(chuàng)新，取得了輝煌的業(yè)績(jī)。

1 長(zhǎng)大貨物車發(fā)展歷程

中國(guó)鐵路長(zhǎng)大貨物車的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)階段，每個(gè)階段的產(chǎn)品具有不同時(shí)代技術(shù)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品所用材料、軸重、載重、自重系數(shù)及分析手段等方面。第1階段是進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品階段，代表車型為前德意志民主共和國(guó)進(jìn)口的D17型落下孔車[1]，載重150 t、自重97 t、自重系數(shù)0.65、軸重20.58 t，構(gòu)造速度為80 km/h；第2階段是小品種自行研發(fā)階段，代表車型為D35型鉗夾車，載重350 t、自重290 t、自重系數(shù)0.83、軸重20 t、空車最高速度80 km/h、重車最高速度30 km/h，采用16Mn低合金鋼和15 MnVN高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼；第3階段是研制開發(fā)結(jié)構(gòu)新穎、性能先進(jìn)的多品種階段，代表車型為D38型鉗夾車，載重380 t、自重227 t、自重系數(shù)0.60、軸重19 t、空車最高速度90 km/h、重車最高速度50 km/h，采用日本進(jìn)口的WEL-TEN780A高強(qiáng)度鋼，采用有限元分析計(jì)算技術(shù)；第4階段是性能達(dá)到世界先進(jìn)水平階段，代表車型為DQ45型鉗夾車，載重450 t、自重205 t、自重系數(shù)0.46、軸重23.39 t、空車最高速度100 km/h、重車最高速度60 km/h，采用國(guó)產(chǎn)的HG785E高強(qiáng)度鋼，采用I-DEAS等仿真分析技術(shù)。我國(guó)長(zhǎng)大貨物車發(fā)展歷程見圖1。

近十幾年來，與軌道交通裝備有關(guān)的材料、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)又有新變化，因此有必要根據(jù)新材料、新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)的變化，研究探討我國(guó)鐵路長(zhǎng)大貨物車在產(chǎn)品功能、性能等方面的發(fā)展趨勢(shì)，以便為產(chǎn)品研發(fā)做好技術(shù)儲(chǔ)備工作。

圖1 我國(guó)長(zhǎng)大貨物車發(fā)展歷程圖

2 新技術(shù)發(fā)展情況

2.1 新型復(fù)合材料

隨著尼龍材料、高分子合成材料、玻璃鋼及碳纖維復(fù)合材料等非金屬材料工藝技術(shù)成熟，材料成本的逐步降低，復(fù)合材料應(yīng)用越來越廣泛。例如碳纖維復(fù)合材料是有機(jī)纖維經(jīng)碳化和石墨化處理得到的一種微晶石墨材料，含碳量高達(dá)90%以上，力學(xué)性能非常優(yōu)異。碳纖維復(fù)合材料主要具有以下幾點(diǎn)特性：(1)強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)3 500 MPa；(2)密度小，同等強(qiáng)度下碳纖維質(zhì)量是鋼質(zhì)量的1/4；(3)耐腐蝕性好，耐酸耐堿的腐蝕，抗外界惡劣自然條件能力強(qiáng)。因此，車輛采用碳纖維復(fù)合材料后可降低產(chǎn)品自重，減振降噪，提升關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的耐磨性，減輕零部件磨耗，提高使用壽命，降低檢修維護(hù)成本[2]。復(fù)合材料連接部位的設(shè)計(jì)要比金屬連接復(fù)雜，應(yīng)盡可能采用整體成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的材料、設(shè)計(jì)、制造一體化[3]。

國(guó)外軌道交通類企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)列車用的碳纖維復(fù)合材料開展了系統(tǒng)研究，已實(shí)現(xiàn)眾多技術(shù)突破，應(yīng)用范圍從內(nèi)飾、車內(nèi)設(shè)備等非承載部件和次承載部件，擴(kuò)大到車體、轉(zhuǎn)向架等主承載結(jié)構(gòu)。日本試制成功碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，減重約40%。法國(guó)高速列車TGV雙層車實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)的重大突破，較鋁制車減重25%以上，且通過線路運(yùn)行驗(yàn)證了其在強(qiáng)度、沖擊、防火、降燥、隔熱等性能方面的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域也在開展碳纖維復(fù)合材料等的應(yīng)用研究工作，目前已完成了車體、次承載部件和零部件的樣品研制[4]。

2.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)

世界鐵路貨車的信息化管理與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)很早就已在歐美及澳大利亞等國(guó)家得到開展，主要是監(jiān)測(cè)軸溫、振動(dòng)、貨物裝載狀態(tài)等。我國(guó)的貨運(yùn)監(jiān)測(cè)以地面監(jiān)測(cè)為主，主要有HMIS系統(tǒng)、5T安全監(jiān)控系統(tǒng)、貨車標(biāo)簽等多個(gè)信息系統(tǒng)。近年來，我國(guó)研制了具有車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自卸式煤炭漏斗車，在既有5T安全監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)煤炭漏斗車底門、頂蓋、列車管壓力、制動(dòng)缸行程和壓力、運(yùn)行振動(dòng)等車輛部件和性能參數(shù)開展了車載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G無線傳輸方式、GPS或北斗衛(wèi)星定位等現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等技術(shù)與貨車專業(yè)技術(shù)融合，可以獲得車輛的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，達(dá)到智能監(jiān)測(cè)的目的[5]。

2.3 產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)

當(dāng)前，產(chǎn)品設(shè)計(jì)已逐漸由二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)工具也由CAD軟件轉(zhuǎn)到CREO、SolidWorks和UG等三維設(shè)計(jì)軟件，產(chǎn)品數(shù)據(jù)以三維模型、PDF等形式存儲(chǔ)在云平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢索、調(diào)用和設(shè)計(jì)。三維模型具有可視化、模型信息豐富等特點(diǎn)，三維設(shè)計(jì)是產(chǎn)品數(shù)字化和平臺(tái)化的基礎(chǔ)，也是智能制造的基礎(chǔ)。隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)數(shù)字化推進(jìn)，數(shù)字化技術(shù)必將對(duì)產(chǎn)品研發(fā)及研發(fā)組織模式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2.4 仿真分析技術(shù)

鐵道車輛強(qiáng)度數(shù)值仿真時(shí)通常把車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對(duì)等均考慮為剛體，不考慮結(jié)構(gòu)彈性變形的影響。但在重載等鐵道車輛仿真時(shí)，承載結(jié)構(gòu)的彈性變形對(duì)車輛系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響則不能被忽略，應(yīng)分析考慮承載結(jié)構(gòu)彈性振動(dòng)的影響[6]。剛?cè)狁詈戏抡婕夹g(shù)為長(zhǎng)大貨物車的產(chǎn)品研制提供了有效技術(shù)支持，主要采用模板建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整車動(dòng)態(tài)仿真，應(yīng)用柔性體接口處理技術(shù)對(duì)策建立大型柔性體模型，動(dòng)態(tài)仿真分析時(shí)考慮其彈性變形的影響[7]。

通過采用大型剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，D45型落下孔車在整車建模時(shí)，將主要部件視為柔性體進(jìn)行受力分析，完全由主要約束來確定約束自由度，而輔助約束利用模態(tài)力來建立內(nèi)力約束。通過仿真，模擬空重車在直線和曲線線路工況時(shí)各級(jí)心盤、旁承動(dòng)載荷以及旁承力對(duì)輪軌動(dòng)力作用的影響，確保各項(xiàng)性能的安全性[8]。數(shù)據(jù)對(duì)比表明，仿真與試驗(yàn)情況基本吻合，說明大型剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)準(zhǔn)確性高，能夠較好地反映試驗(yàn)的真實(shí)過程。剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)能夠?yàn)殚L(zhǎng)大貨物車的產(chǎn)品開發(fā)提供有利的理論支持。

2.5 模塊化平臺(tái)技術(shù)

20世紀(jì)50年代，歐美一些國(guó)家正式提出“模塊化設(shè)計(jì)”概念，隨后逐漸推廣到機(jī)械、電工電子、船舶、建筑、電力、武器裝備等行業(yè)，并取得了顯著效益。模塊化設(shè)計(jì)與參數(shù)化建模、變量化分析相結(jié)合，產(chǎn)生了廣義模塊化設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用于大型液壓機(jī)設(shè)計(jì)和制造。模塊化設(shè)計(jì)與大批量定制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了用戶的個(gè)性化和大批量生產(chǎn)低成本的有機(jī)結(jié)合，已經(jīng)成為信息時(shí)代制造業(yè)的重要生產(chǎn)方式。在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展了產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)，通過一組產(chǎn)品共享的子系統(tǒng)、模塊及其接口，從而高效地派生出系列新產(chǎn)品。例如，汽車制造業(yè)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的全套汽車零部件，通過不同的選擇和匹配，利用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，集裝在同樣的底盤上，可以設(shè)計(jì)制造出多種不同型號(hào)的汽車。

3 新標(biāo)準(zhǔn)制定情況

3.1 列車荷載標(biāo)準(zhǔn)

自1975年，我國(guó)設(shè)計(jì)及建造的橋梁均采用中-活載標(biāo)準(zhǔn)，其集中軸載為22 t，荷載密度不大于8 t/m，特種活載25 t，大秦線橋梁也按中-活載設(shè)計(jì)建造。圖2為中-活載示意圖。我國(guó)既有線的建設(shè)年代跨越范圍大，橋梁設(shè)計(jì)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，在使用過程中多數(shù)線路經(jīng)過了不同程度地改、擴(kuò)建，中小跨度橋梁占全國(guó)橋梁總數(shù)的大部分。長(zhǎng)期以來，橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)一直限制著我國(guó)長(zhǎng)大貨物車發(fā)展和載重噸位的提高。通過研究表明，德國(guó)制造的500 t鉗夾車軸重22.375 t、重車車輛長(zhǎng)度63 152 mm、每延米質(zhì)量11.34 t/m、重車最高運(yùn)行速度65 km/h，該車若采用中國(guó)的活載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢算，其過橋能力也將受到限制。我國(guó)先后研制的大噸位長(zhǎng)大貨物車通過選用高強(qiáng)度鋼材、增加車輛長(zhǎng)度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等措施來提高過橋能力。其中，鉗夾車的自重系數(shù)由0.83(D35車)降為0.46(DQ45車)，空車車輛長(zhǎng)度由50 168 mm(D35車)增加到53 456 mm(DQ45車)，長(zhǎng)大貨物車過橋能力從D35車滿載時(shí)無法通過到DQ45車滿載時(shí)可以10 km/h的速度通行。

2017年7月，我國(guó)發(fā)布實(shí)施了TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》，明確了客貨共線鐵路采用ZKH 活載；重載鐵路采用ZH活載。對(duì)于有通行長(zhǎng)大貨物車需求的線路，規(guī)定了長(zhǎng)大貨物車檢算圖式(圖3)[9]。新的列車荷載標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施有助于進(jìn)一步優(yōu)化車輛參數(shù)。

3.2 限界標(biāo)準(zhǔn)

鐵路限界是鐵路貨車設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基本標(biāo)準(zhǔn)，GB 146.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界 第1部分：機(jī)車車輛限界》和GB 146.2—2020《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界 第2部分：建筑限界》已于2021年5月1日正式實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了機(jī)車車輛的整體設(shè)計(jì)，明確要求將機(jī)車車輛外形輪廓設(shè)計(jì)與構(gòu)造特征和運(yùn)用條件結(jié)合起來，限制車體局部輪廓經(jīng)過特定區(qū)段時(shí)的偏移量，保障行車安全。新版標(biāo)準(zhǔn)的主要變化：一是修改了上部限界350～1 250 mm范圍內(nèi)的限界半寬值，由1 600 mm調(diào)整為1 675 mm；二是修改了計(jì)算車輛，車體長(zhǎng)度為26 m，轉(zhuǎn)向架中心距為18 m，在曲線半徑為300 m的計(jì)算曲線上，中部最大偏移量為135 mm，端部最大偏移量為147 mm。這為長(zhǎng)大貨物車運(yùn)輸更超寬、超長(zhǎng)貨物提供了空間。

圖2 中-活載示意圖

圖3 長(zhǎng)大貨物車檢算圖式

3.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2018年，TB/T 2553—2018《鐵路長(zhǎng)大貨物車》頒布實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一般要求、整車綜合性能要求、結(jié)構(gòu)要求、涂裝與標(biāo)志、檢查與試驗(yàn)方法等內(nèi)容。針對(duì)長(zhǎng)大貨物車的特點(diǎn)，該標(biāo)準(zhǔn)從長(zhǎng)大貨物車的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行條件、強(qiáng)度、剛度、許用應(yīng)力及動(dòng)荷系數(shù)等方面進(jìn)行了規(guī)定[10]。具體包括長(zhǎng)大貨物車過橋能力檢算、列車編組位置、承載結(jié)構(gòu)材料安全系數(shù)、輪重減載率、加速度檢測(cè)位置和濾波頻率以及具有導(dǎo)向側(cè)移機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)大貨物車輪重減載率等內(nèi)容。

4 新一代長(zhǎng)大貨物車展望

4.1 復(fù)合材料應(yīng)用

長(zhǎng)大貨物車采用復(fù)合材料應(yīng)以解決實(shí)際需要為原則，如長(zhǎng)大貨物車為解決部件磨耗等問題，車輛各級(jí)心盤間采用了含油尼龍或聚四氟乙烯材料的磨耗盤或襯墊，轉(zhuǎn)向架及制動(dòng)鉤緩裝置中也部分采用了非金屬?gòu)?fù)合材料件；為解決車輛穩(wěn)定性，長(zhǎng)大貨物車輛各級(jí)底架間安裝了常接觸彈性旁承，旁承體為橡膠體等非金屬材料。隨著經(jīng)濟(jì)型復(fù)合材料的開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、工藝技術(shù)的成熟，長(zhǎng)大貨物車采用復(fù)合材料也將進(jìn)一步推進(jìn)，特別是長(zhǎng)大貨物車用的移動(dòng)心盤(圖4(a))和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向銷內(nèi)外座(圖4(b))等磨耗嚴(yán)重的部件應(yīng)優(yōu)先考慮采用復(fù)合材料。復(fù)合材料在長(zhǎng)大貨物車上的應(yīng)用遵循先非承載部件、次承載部件，再擴(kuò)大到主承載結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線。

圖4 采用復(fù)合材料的部件

4.2 車輛載重

根據(jù)TB/T 3466—2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，橋梁每延米承載能力有了一定提高。在滿足新標(biāo)準(zhǔn)條件下，新研發(fā)的長(zhǎng)大貨物車通過采用輕量化材料、新的仿真技術(shù)等措施可進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)向架群距離，縮短車輛長(zhǎng)度，降低車輛自重，提高各級(jí)車型的載重。未來長(zhǎng)大貨物車的最大載重將由現(xiàn)在的450 t提高到500 t及以上。

4.3 裝載寬度

根據(jù)新限界標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，距軌面350～1 250 mm范圍內(nèi)的車輛半寬尺寸有所增加，長(zhǎng)大貨物車的承貨寬度增加150 mm，這對(duì)于運(yùn)輸寬度尺寸更大的變壓器、發(fā)電機(jī)定子等貨物提供了條件。

4.4 監(jiān)測(cè)功能

大噸位長(zhǎng)大貨物車運(yùn)輸貨物多為專列運(yùn)輸，專業(yè)技術(shù)人員押運(yùn)。目前，部分長(zhǎng)大貨物車具有車輛及貨物狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括車耳應(yīng)力、液壓旁承壓力、壓柱油缸壓力、側(cè)移油缸行程、貨物質(zhì)量、貨物位置狀態(tài)等。隨著互聯(lián)網(wǎng)、5G、北斗衛(wèi)星定位等現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，長(zhǎng)大貨物車未來可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控，可實(shí)時(shí)對(duì)車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，結(jié)合軟件分析功能，長(zhǎng)大貨物車運(yùn)用過程數(shù)據(jù)將具有歷史可追溯性。長(zhǎng)大貨物車的監(jiān)測(cè)功能將進(jìn)一步完善，監(jiān)測(cè)內(nèi)容可擴(kuò)展到對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)、鉤緩系統(tǒng)及走行等部位的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)功能不但保證運(yùn)輸貨物更加安全可靠，還可通過對(duì)車輛磨耗部位、老化部位的監(jiān)測(cè)，提高智能運(yùn)維水平。通過地面服務(wù)平臺(tái)及手機(jī)App軟件平臺(tái)的開發(fā)和應(yīng)用，可提高智能服務(wù)水平。

4.5 產(chǎn)品模塊化平臺(tái)搭建

為降低制造成本，縮短制造周期，歷史上部分長(zhǎng)大貨物車通過組合換裝方式變換成不同車輛滿足貨物運(yùn)輸需要。其中，D32型凹底平車組裝凹底架結(jié)構(gòu)時(shí)載重320 t，可以滿足運(yùn)輸發(fā)電機(jī)定子等貨物需要。換裝導(dǎo)向梁和側(cè)承梁等結(jié)構(gòu)時(shí)載重350 t，可以滿足運(yùn)輸大型變壓器等貨物需要；D38型鉗夾車通過組裝不同高度尺寸的鉗形梁可以運(yùn)輸不同種類貨物，上述產(chǎn)品設(shè)計(jì)體現(xiàn)了模塊化思想，但產(chǎn)品架構(gòu)沒有頂層設(shè)計(jì)，接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。根據(jù)模塊化理論，未來長(zhǎng)大貨物車設(shè)計(jì)應(yīng)由單個(gè)產(chǎn)品開發(fā)向平臺(tái)開發(fā)轉(zhuǎn)變，逐漸搭建起長(zhǎng)大貨物車產(chǎn)品模塊化平臺(tái)。根據(jù)各種貨物需求，研究制定產(chǎn)品平臺(tái)參數(shù)和平臺(tái)功能，開展產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)接口研究，研發(fā)儲(chǔ)備基于標(biāo)準(zhǔn)接口的大小底架、鉗形梁、側(cè)承梁、轉(zhuǎn)向架等典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊，特別是長(zhǎng)大貨物車易損、易耗件更應(yīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化和平臺(tái)化。通過信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)制造出平臺(tái)化的產(chǎn)品，從而縮短研發(fā)周期，降低制造成本，便于檢修維護(hù)，提高產(chǎn)品可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)大貨物車所裝運(yùn)的貨物多為電力、冶金、化工、航天、軍事工業(yè)等行業(yè)重點(diǎn)工程建設(shè)必要的核心設(shè)備，體積和質(zhì)量較大，安全要求高。因此，需要根據(jù)新材料、新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)的變化，積極儲(chǔ)備綠色、智能、先進(jìn)可靠的長(zhǎng)大貨物車產(chǎn)品，以滿足重要裝備產(chǎn)品運(yùn)輸需要。