出口澳大利亞N76-AUS 型集裝箱平車研制

黃 瑞， 鐘曉峰， 趙壽鑫

（中車眉山車輛有限公司產(chǎn)品開發(fā)部， 四川 眉山 620010）

引言

出口澳大利亞N76-AUS 型集裝箱平車是由中車眉山車輛有限公司根據(jù)與澳大利亞客戶簽訂的相關(guān)供貨合同與技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)制造，該車適用于在澳大利亞洲際鐵路網(wǎng)（DIRN）1 435 mm 軌距線路上運(yùn)行，可裝運(yùn)兩個(gè)20 ft 或一個(gè)40 ft 集裝箱。2020 年6 月該車完成工作圖樣設(shè)計(jì)，9 月完成了樣機(jī)試制及相關(guān)試驗(yàn)，10 月完成首批批量生產(chǎn)，并交付用戶。

1 主要特點(diǎn)

1）采用等強(qiáng)度理念，車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，采用魚刺型底架結(jié)構(gòu)，自重≤16 t，載重76 t，設(shè)計(jì)軸重25 t，運(yùn)用軸重23 t，滿足用戶裝載2 個(gè)20 ft（單箱總重≤38 t）或1 個(gè)40 ft（單箱總重≤38 t）集裝箱的要求。

2）采用下作用式E/F 型鵝頸車鉤，滿足承載面高度及低重心的要求，采用MT-2 型緩沖器及17 型鍛造鉤尾框。

3）采用眉山公司自主研制的150 型制動(dòng)系統(tǒng)、PAB-Ⅱ型集成制動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化制動(dòng)裝置，制動(dòng)效率高。車輛每端的兩側(cè)采用分叉式主管布置，便于制動(dòng)連接軟管的連接，有效提高了操作人員編組連掛車輛的效率。

4）走行部采用眉山公司自主研制的HZ25E-AUS型徑向轉(zhuǎn)向架，具有低噪音、低動(dòng)力、低磨耗的技術(shù)特點(diǎn)，保證車輛有較高的蛇行失穩(wěn)臨界速度，具有優(yōu)良的曲線通過性能，同時(shí)采用非金屬常接觸彈性旁承、設(shè)置搖枕和軸箱兩級(jí)剛度彈簧并配合副構(gòu)架式徑向裝置，滿足相關(guān)規(guī)定的115 km/h 的最高運(yùn)行速度要求。

5）車輛外形輪廓符合RSSIB AS 7507:2017 Reference Vehicle 3 和RSSIB Reference Vehicle 21 的要求。

2 主要技術(shù)參數(shù)（見表1）

表1 出口澳大利亞N76-AUS 型集裝箱平車主要技術(shù)參數(shù)

3 主要結(jié)構(gòu)

該車主要由車體（底架）組成、集裝箱鎖緊裝置、風(fēng)手制動(dòng)裝置、車鉤緩沖裝置及徑向轉(zhuǎn)向架等組成，如圖1 所示。

圖1 出口澳大利亞N76-AUS 型集裝箱平車總體示意圖

3.1 底架組成

該車底架組成采用全鋼焊接式單中梁承載結(jié)構(gòu)，主要由中梁組成、端梁組成、枕梁組成、大橫梁組成和護(hù)欄組成等組焊而成，其主要承載部件材質(zhì)采用Q450NQR1 或Q550NQR1 高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼。

中梁組成由中梁上蓋板、中梁下蓋板及中梁腹板組焊成中部大兩端小的魚腹形結(jié)構(gòu)，中梁兩端組焊于前從板一體式鑄鋼沖擊座，材質(zhì)為C 級(jí)鋼。后從板座材質(zhì)為C 級(jí)鋼，其與中梁采用鉚接方式連接。上心盤采用直徑為352 mm 的鍛鋼上心盤，上心盤與中梁采用拉鉚釘連接。中梁上蓋板、腹板、下蓋板根據(jù)不同受力情況及減重要求均為不同厚度板材多段拼接而成。

端梁組成由端梁下蓋板、端梁腹板、端梁上蓋板組焊而成，其截面由底架兩側(cè)向中間方向形成由小變大的變截面箱形結(jié)構(gòu)，在端梁兩側(cè)上平面設(shè)置可以安裝自動(dòng)旋鎖的集裝箱鎖緊座板，鎖緊座板采用材質(zhì)為Q355B 的低合金高強(qiáng)度鋼板制成。

枕梁組成由枕梁下蓋板、枕梁腹板、枕梁上蓋板、封板等組焊而成，其截面由底架兩側(cè)向中間方向形成由小變大的變截面箱形結(jié)構(gòu)。

大橫梁組成由大橫梁下蓋板、大橫梁腹板、大橫梁上蓋板、隔板、鎖座板及加強(qiáng)筋等組焊而成變截面箱形結(jié)構(gòu)，在大橫梁兩側(cè)上平面設(shè)置安裝自動(dòng)旋鎖的集裝箱鎖緊座板。

護(hù)欄組成主要由護(hù)欄支撐組成、護(hù)欄及護(hù)欄支座等組裝而成，其中護(hù)欄及護(hù)欄支撐采用符合GB/T 6728 的冷彎空心方管制成。

3.2 集裝箱鎖緊裝置

采用TFAD 型全自動(dòng)旋鎖，每輛車8 套，根據(jù)不同的裝箱工況，配備了對(duì)應(yīng)的旋鎖存儲(chǔ)架。

3.3 制動(dòng)裝置

采用眉山公司自主研制的150 型控制閥空氣制動(dòng)系統(tǒng)和PAB-II 型單元集成制動(dòng)裝置。制動(dòng)裝置主要由坐式150 型控制閥、99 L 儲(chǔ)風(fēng)缸、40 L 儲(chǔ)風(fēng)缸、13 L 儲(chǔ)風(fēng)缸、11 L 儲(chǔ)風(fēng)缸、WG-1C 型無極傳感閥、T-1A型調(diào)整閥、ZJ1 型中繼閥、制動(dòng)缸軟管、GHP 型組合式集塵器、制動(dòng)軟管連接器和折角塞門等組成。采用符合GB/T 8163 的普碳鋼管，鋼管內(nèi)部進(jìn)行磷化處理。制動(dòng)裝置各風(fēng)管間、風(fēng)管與各閥座間采用法蘭接頭連接，在主管端部設(shè)置長(zhǎng)度調(diào)整管，調(diào)整管采用內(nèi)接活接頭連接。在底架中部設(shè)置可雙側(cè)操作的FSW 型手制動(dòng)機(jī)，便于在車輛兩側(cè)操作，提高便捷性。

3.4 車鉤緩沖裝置

車輛兩端的中梁內(nèi)裝配符合AAR 標(biāo)準(zhǔn)的E 級(jí)鋼、下作用式E/F 型鵝頸車鉤（帶下?lián)跫埽?，配套采?7 型鍛造鉤尾框、合金鋼鉤尾銷和、MT-2 型緩沖器等。

3.5 轉(zhuǎn)向架

采用HZ25E-AUS 型副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架，主要由輪對(duì)組成、側(cè)架組成、橡膠堆、搖枕組成、PAB-II 型集成制動(dòng)裝置、滾動(dòng)軸承裝置、輪對(duì)徑向裝置、彈性旁承總成和中央懸掛裝置等零部件組成。輪對(duì)徑向裝置由兩個(gè)副構(gòu)架通過兩個(gè)連接桿交叉銷接組成，副構(gòu)架與承載鞍采用拉鉚釘連接，橡膠堆置于承載鞍頂部。減振裝置采用變摩擦減振裝置，主要由斜楔、減振彈簧組成。搖枕承載彈簧采用兩級(jí)鋼彈簧組，由承載內(nèi)、外簧組成。采用AARE 級(jí)滾動(dòng)軸承裝置，采用LZW 鋼車軸、多次磨耗整體輾鋼車輪及高摩合成閘瓦。

4 計(jì)算

4.1 車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度有限元計(jì)算

眉山公司委托西南交通大學(xué)根據(jù)《合同技術(shù)規(guī)范》要求，按照澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 7520.2:2012 對(duì)N76-AUS 型集裝箱平車進(jìn)行了車體鋼結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析計(jì)算[1]。

計(jì)算載荷工況有：縱向載荷工況、垂向載荷工況、頂車與起吊載荷工況和車鉤載荷工況等部分。結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)在各工況下的計(jì)算應(yīng)力均小于臨界設(shè)計(jì)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了解車體結(jié)構(gòu)的安全性，對(duì)空車車體穩(wěn)定性、組合工況下的車體穩(wěn)定性和車體模態(tài)均進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，車體在各工況下的臨界屈曲因子均大于1，車體一階自振頻率為18.32 Hz，車體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和振動(dòng)模態(tài)能夠確保車輛安全運(yùn)行。

4.2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算

眉山公司委托西南交通大學(xué)根據(jù)《合同技術(shù)規(guī)范》要求對(duì)N76-AUS 型集裝箱平車動(dòng)力學(xué)性能分析，動(dòng)力學(xué)性能分析按照RISSB（Rail Industry Safety and Standards）中AS7509：2017 Rolling Stock - Dynamic Behaviour 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。RISSB 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)應(yīng)包含直線上的運(yùn)行性能（考察其蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性）、通過緩和曲線（扭曲線路）的運(yùn)行性能以及通過不平順線路的運(yùn)行性能等[2]。

結(jié)果表明：

1）在110%設(shè)計(jì)速度（即126.5 km/h）以內(nèi)，新車車輪和磨耗后車輪、新摩擦減振器和磨耗后的減振器等組合工況下，N76-AUS 型集裝箱平車空車車體橫向加速度均方根值分別為0.221 6 g、0.232 6 g、0.230 4 g和0.238 5 g，均小于RISSB AS7509:2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.25 g，滿足RISSB AS7509:2017 標(biāo)準(zhǔn)要求的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

2）在較低級(jí)線路條件下（按FRA 4 級(jí)線路考慮）以110%設(shè)計(jì)速度（即126.5 km/h）運(yùn)行，空車在新車車輪和磨耗后的車輪、新摩擦減振器和磨耗后的減振器等組合工況下，車體橫向加速度峰值分別為0.4426g、0.461 0g、0.457 6g、0.476 2g，小于RISSB AS7509:2107標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.5g。橫向加速度均方根值分別為0.210 1g、0.226 7g、0.231 4g、0.239 6g，小于RISSB AS7509:2107標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.25g。車體垂向加速度峰值分別為0.665 8g、0.680 5g、0.698 1g、0.710 8g，小 于RISSB AS7509:2107 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.8g。垂向加速度均方根值分別為0.316 7g、0.329 0g、0.327 9g 和0.332 5g，小于RISSB AS7509：2107 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.35g。其基礎(chǔ)運(yùn)行橫向和垂向加速度均滿足RISSB AS7509：2107 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3）在扭曲線路上，空車工況下，N76-AUS 型集裝箱平車以5 km/h 以下速度（準(zhǔn)靜態(tài)工況）通過RISSB AS7509：2107 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的扭曲線路（1A 工況、1B 工況）時(shí)，車輪最大垂向載荷減載率分別為0.552 4、0.521 8，小于RISSB AS7509：2107 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.6，因此在緩和曲線（扭曲線路） 上的運(yùn)行安全性滿足RISSB AS7509：2017 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4) 在110%設(shè)計(jì)速度（即126.5 km/h） 以內(nèi)，N76-AUS 型集裝箱平車在空車、載重30.48 t（1 個(gè)40 ft箱）和載重76 t（2 個(gè)20 ft 箱）工況下，通過獨(dú)立的軌道不平順線路和循環(huán)的軌道不平順線路時(shí)，經(jīng)10 Hz低通濾波后，空車和滿載各工況下，最小的車輪垂向載荷與車輪靜載重比值的最小值為12.67%，大于RISSB AS7509：2107 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10%。車體垂向加速度的最大值為0.710g，小于RISSB AS7509：2107 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.8g。車體橫向加速度最大值為0.435g，小于RISSB AS7509：2107 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.5g。持續(xù)50 ms 和1 m 距離的任一車軸L/V 絕對(duì)值之和的最大值為1.231，小于RISSB AS7509：2107 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5。因此，該車通過獨(dú)立的軌道不平順線路和循環(huán)的軌道不平順線路時(shí)滿足RISSB 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5）在100%設(shè)計(jì)速度下，考慮軸箱彈簧的影響時(shí)，重車工況下力P2為199.16 kN，不考慮軸箱彈簧的影響時(shí)，重車工況下力P2為216.24 kN，均小于230 kN，滿足RISSB AS 7508.2 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6）N76-AUS 型集裝箱平車在各工況下轉(zhuǎn)向架的X 系數(shù)、車輪抬升率RWL、通過曲線時(shí)的輪對(duì)沖角均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 疲勞計(jì)算

公司委托北京交通大學(xué)對(duì)N76-AUS 型集裝箱平車車體進(jìn)行了疲勞壽命仿真分析。分析結(jié)果顯示，該車車體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度滿足AAR 標(biāo)準(zhǔn)MSRP-C-II 2015（AAR M-1001，2015）“貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范”第七章“新造貨車疲勞設(shè)計(jì)”中的載荷條件及疲勞極限的評(píng)定要求，車體結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)壽命在650 萬km 以上，滿足技術(shù)規(guī)范要求[3]。

主要疲勞薄弱部位及疲勞壽命估算：枕內(nèi)近枕梁處中梁上蓋板與中梁腹板間T 形接頭處的疲勞壽命最短，其疲勞壽命約為740 萬km；其次為端梁腹板與沖擊座間T 形接頭處，其計(jì)算壽命約為744 萬km。

5 試驗(yàn)

5.1 車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)

眉山公司檢測(cè)中心產(chǎn)品性能試驗(yàn)室于2020 年8月完成了N76-AUS 型集裝箱平車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括縱向載荷、頂車載荷、垂向載荷、車鉤垂向載荷、單端起吊載荷和垂向彎曲剛度等試驗(yàn)工況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在縱向壓縮載荷和垂向載荷合成工況下出現(xiàn)最大應(yīng)力，位于中梁上蓋板與大橫梁位置的圓弧過渡處，其應(yīng)力值為452.6 MPa，小于材料的許用應(yīng)力480 MPa，在其余各種工況單獨(dú)及組合作用時(shí)各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均小于相對(duì)應(yīng)材料的許用應(yīng)力[4]。

5.2 制動(dòng)性能試驗(yàn)

受客戶委托，中車眉山車輛有限公司產(chǎn)品性能試驗(yàn)室于2020 年9 月，對(duì)試制的N76-AUS 型集裝箱平車進(jìn)行了制動(dòng)性能測(cè)試，以驗(yàn)證與主管減壓信號(hào)相比，控制閥接收到的空氣壓力信號(hào)應(yīng)穩(wěn)定、及時(shí)，無壓力異常波動(dòng)和異常延遲。

試驗(yàn)結(jié)果表明，N76-AUS 型集裝箱平車在制動(dòng)管定壓為500 kPa，空車和重車狀態(tài)下，減壓150 kPa進(jìn)行全作用制動(dòng)和充風(fēng)緩解時(shí)，控制閥接收的控制閥壓力信號(hào)與主管減壓信號(hào)一致性較好，且壓力無異常波動(dòng)，滿足客戶使用要求[5]。

5.3 動(dòng)態(tài)限界試驗(yàn)

中車眉山公司產(chǎn)品性能試驗(yàn)室對(duì)試制的N76-AUS 型集裝箱平車進(jìn)行了動(dòng)態(tài)限界試驗(yàn)，以確定車輛在滿載及最大重心高度的情況下，停在模擬的160 mm 超高軌道上車輛的側(cè)傾和側(cè)向位移符合AS 7507 鐵路機(jī)車車輛—車輛限界的要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明，N76-AUS 型集裝箱平車車輛車身總側(cè)傾、橫向位移都在規(guī)定的范圍內(nèi)，能夠確保車輛以設(shè)計(jì)速度運(yùn)行，而不會(huì)侵犯動(dòng)態(tài)車輛限界。試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，樣車通過動(dòng)態(tài)限界試驗(yàn)測(cè)試[6]。

6 結(jié)語

眉山公司向澳大利亞出口的N76-AUS 型集裝箱平車的研制充分考慮了客戶的實(shí)際使用需求，該車結(jié)構(gòu)可靠，各項(xiàng)性能優(yōu)良，主要技術(shù)參數(shù)滿足技術(shù)規(guī)范的要求，獲得了用戶的好評(píng)，為公司進(jìn)一步拓展澳大利亞鐵路貨車市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。