新型重載鐵路通用棚車技術參數探討

張超德,潘樹平,傅茂海,李 芾

(1 中國南車集團 眉山車輛有限公司 產品開發部,四川眉山620032;2 西南交通大學 機械工程學院,四川成都610031)

建國以來,我國逐步形成了自主開發和制造鐵路棚車的能力。迄今為止,棚車的載重能力已經達到70 t,為國民經濟的發展做出了巨大的貢獻。總結我國棚車開發的經驗和教訓,積極開展新型重載鐵路通用棚車技術方案研究,合理確定其主要技術參數,做好客貨分線后貨車技術儲備,滿足我國鐵路運輸發展的需要,成為目前十分緊迫的課題。下面談談新型重載鐵路通用棚車主要技術參數確定的一些想法。

1 比容系數

比容系數是設計容積與標記載重的比值,比容系數的確定與該貨車裝運的貨物有關。不同類型的貨車因裝載貨物種類不同,要求不同的比容系數[1]。如果車輛的比容系數取值小于貨物的比容時,載重不能充分利用,產生計費虧噸;如果車輛的比容系數取值大于貨物的比容時,車輛的有效容積未能充分利用,浪費車內空間。對于通用貨車,車輛的比容系數應該盡可能等于所裝運貨物的加權平均比容。

我國鐵路通用棚車主要用于運輸免受日曬、雨雪侵襲的成件貨物、零擔貨物以及各種袋裝、箱裝等包裝貨物,目前在用車型主要為 P62、P64、P64A和P70,其主要技術參數如表1所示[2]。從表1可以看出,P62、P64的比容系數為2.0 m3/t,P70的比容系數為2.07 m3/t。2009年3月和2010年8月兩次赴成都鐵路局對棚車運輸進行專門調研,發現通用棚車日裝車數量少得驚人,泡菜、飲料等箱裝貨物大多改為P65型行包快運棚車或PB型棚車運輸,運輸距離較短的有些貨物干脆改為汽車運輸。究其原因,主要在于充分利用有效容積之后經常達不到其額定載重,用戶覺得不劃算。因此新型重載鐵路通用棚車的比容系數應在現有通用棚車的基礎上盡可能取大,以利于運輸泡菜、飲料等箱裝貨物。經過測算,新型重載鐵路通用棚車的比容系數取為2.1～2.15 m3/t,可以兼顧大多數貨物的運輸需要。

表1 國產通用棚車的主要技術參數

2 自重系數

自重系數是運送每單位標記載重所需的車輛自重,其數值為車輛自重與標記載重的比值。在載重一定的情況下,車輛的自重應適當減小,因為機車牽引的自重是一種無效質量,并不產生經濟效益。在一般情況下,一輛車的自重絕大部分為車輛4大部件中金屬件所占的質量,在一定的時期內轉向架、車鉤緩沖裝置及制動裝置的質量變化不會太大,影響自重最大因素便是車體鋼結構[1]。車輛自重系數太小,自重太輕,車體鋼結構的強度余量特別是磨耗、腐蝕后的余量不足,會給行車安全帶來不利影響,減輕車輛自重的前提是保證車體鋼結構的強度和剛度,避免車輛在運用過程中產生故障。

1957年設計試制的兩輛P13型全鋼棚車(總圖號為308-00-00-00)載重60 t,有4個橫拉式滑動車門,每側2個,自重系數為0.377,經過兩年多運用考驗,發現該車強度不足,車門處下側梁有垂直下沉現象,外側墻板在車門上角部附近有凸包現象,門孔上部補強鐵端部發生裂紋。1958—1965年在設計序號為308的P13型棚車基礎上設計并生產的P13型棚車(圖號為315-00-00-00),主要變動為每側車門改成一個,自重系數仍為0.377,在運用過程中表現出端板剛度不足,端板壓筋失穩變形外漲。1965年起制造的P60型全鋼棚車載重60 t,基本結構和主要尺寸與P13型棚車相同,自重系數0.37,在運用過程中出現枕梁強度不足,枕梁腹板和上蓋板產生裂紋,端墻普遍外漲。1967—1974年間設計制造的P61型棚車以及此后在P61型棚車基礎上改進設計的P62型棚車載重均為60 t,門孔寬度約3 m,自重系數均為0.4,車體鋼結構的強度和剛度整體表現較好[2]。

我國棚車的設計和運用實踐表明,新型重載鐵路通用棚車的自重系數應在0.35～0.43范圍內,考慮車體鋼結構采用高強度型鋼和板材以及冷彎壓型件、內襯采用新型輕質材料,估計自重系數可以降低到0.35～0.37。

3 軸重、自重和載重

軸重是鐵路車輛的一個標志性指標,也是衡量鐵路重載運輸的一個重要指標之一。軸重的提高是提高運輸效率的重要措施之一。按照國際重載的標準要求,在牽引質量、運行里程和年運量方面我國均屬世界前列,然而,我國鐵路重載貨車在軸重上與國際重載發達國家有較大差距。從國外鐵路貨車發展趨勢和我國鐵路發展需求與貨車發展技術平臺來看,提高我國鐵路貨車的軸重非常迫切[3]。

我國25 t軸重貨車已在太原、呼和浩特、蘭州、西安、北京、上海、鄭州、濟南等鐵路局開行,25 t軸重的和諧型大功率機車已在全路主要干線廣泛使用。實踐表明,在我國既有線路貨車軸重由23 t提升到25 t是可行的;對既有部分線橋梁、涵洞加固后,可開行27 t軸重貨車[3]。考慮到實際線路還可能存在各種病害,所以新型重載鐵路通用棚車的軸重盡量在25 t的基礎上不要超過太多,待條件成熟后再逐步提高,經測算此種情況下載重確定為75 t較為合理。表2為新型重載鐵路通用棚車軸重、自重等參數的測算結果。

表2 新型重載通用棚車主要技術參數方案

4 車輛高度

為充分利用機車車輛限界,確定車輛高度時盡可能用滿限界。如圖1所示,限界頂部最大高度4 800 mm,為保證棚車安全運行,考慮制造誤差,車頂通風器頂部與限界頂部需預留安全間隙30 mm左右,因此本車最大高度可以取4 770 mm。

圖1 機車車輛限界輪廓圖

5 車輛寬度和長度

車輛寬度主要受限界的限制,原則上只要在限界允許的范圍內,都應盡量做大車輛寬度,做短車輛長度,這樣既可以減小車輛自重,又可以提高列車編組數量和牽引噸位,提高對既有站場的適應性。

由于我國貨物站臺高度為1 100 mm,為方便叉車等機械化設備進出裝卸作業,棚車地板面距軌面的設計高度應盡量接近這一數值。因此,棚車車門的下部距軌面高度應該低于1 250 mm,從圖1可知,在此范圍內車輛半寬小于1 600 mm。

依據GB 146.1-1983的有關規定,當車體長度或轉向架中心距超過計算車輛的規定時,需相應地縮減其最大容許制造寬度[4]。新型重載鐵路通用棚車轉向架固定軸距標準接口尺寸為1 860 mm,表3列舉了不同的車體長度對應的最大容許制造寬度縮減量的計算結果。

表3 不同車體長度對應的最大容許制造寬度縮減計算結果 mm

表4 需縮減最大容許制造寬度時新型重載鐵路通用棚車兩種限界測算結果

表5 不需縮減最大容許制造寬度時新型重載鐵路通用棚車兩種限界測算結果

根據表1的縮減計算結果,考慮車輛每側與限界預留安全間隙5 mm左右,并扣除每側車門滑輪罩等零部件占用的橫向空間180 mm,新型重載通用棚車底架寬度可以取為2 790 mm。如果考慮采用電力機車限界,在350～1 250 mm范圍內限界半寬為1 675 mm,經測算車輛底架寬度可以取到2 940 mm。表4為需縮減最大容許制造寬度時,新型重載鐵路通用棚車采用常規限界和電力機車限界主要技術參數測算結果。

從表4可以看出,對于同樣載重75 t,容積做到159 m3,采用常規限界車體長度要做到17 600 mm,采用電力機車限界車體長度只需做到16 800 mm,相差800 mm。

以上方案依據GB 146.1-1983第4.2條將計算車輛車體長度按13.22 m,轉向架中心距為9.35 m,考慮縮減其最大容許制造寬度,如果計算車輛車體長度按括號內數值26 m,轉向架中心距為18 m考慮,新型重載鐵路通用棚車車體長度和轉向架中心距不超過計算車輛的規定,不需縮減其最大容許制造寬度,此時采用常規限界底架寬度可以做到2 820 mm,采用電力機車限界底架寬度可以做到2 970 mm[4]。表5為計算車輛車體長度按括號內數值考慮,不需縮減最大容許制造寬度時,新型重載鐵路通用棚車采用常規限界和電力機車限界主要技術參數測算結果。

從表5可以看出,計算車輛車體長度按括號內數值26 m,轉向架中心距為18 m考慮,新型重載鐵路通用棚車不需縮減最大容許制造寬度,對于同樣載重75 t,容積做到159 m3,如果采用常規限界,底架寬度為2 820 mm,車輛長度可以取為17 400 mm;如果采用電力機車限界,底架寬度為2 970 mm,車輛長度可以取為16 700 mm。

6 車輛編組與列車牽引噸位

由于客貨分線運輸后仍然存在既有線運營的問題,在不改變車站既有到發線長度的情況下,縮短車輛長度會增加車輛編組數量,提高列車牽引噸位。同時,車輛長度縮短還會減小車輛自重。所以,在確定新型重載鐵路通用棚車車輛長度時,還應考慮車輛長度增加對車輛自重和列車編組的影響。表6列舉了1 700 m車站到發線上新型重載鐵路通用棚車不同車輛長度與車輛可編組數量及列車牽引噸位的測算結果。

從表6可以看出,車輛長度為17 566～17 766 mm時,牽引噸位約為9 000 t,加上機車質量,列車質量比較接近10 000 t。當前我國鐵路主要干線已經完成電氣化改造,因此采用電力機車限界設計新型重載鐵路通用棚車是可行的,好處顯而易見。如果既有線建筑限界已經按GB 146.1-1983第4.2條括號內數值進行加寬,那么新型重載鐵路通用棚車寬度還可以不進行縮減,車輛長度還可以做短,列車編組質量可以盡量接近10 000 t。

7 結束語

新型重載鐵路通用棚車的技術參數是一種綜合性的指標,必須借鑒既有棚車的設計和運用經驗,立足國內實際,統籌兼顧各種影響因素,合理確定比容系數、軸重、自重、載重和車輛尺寸,前期可以按照常規限界和傳統寬度縮減方法確定車輛技術參數,取得經驗后可以考慮采用電力機車限界和寬度不進行縮減的方法確定車輛技術參數。

[1] 嚴雋耄.車輛工程(第二版)[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

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

[3] 王新銳.大軸重貨車技術研究報告[R].中國鐵道科學研究院機車車輛研究所,2009.

[4] GB 146.1-1983標準軌距鐵路機車車輛限界[S].1983.