KM98AF型煤炭漏斗車研制及技術(shù)創(chuàng)新*

張超德, 李亨利, 池 海, 潘樹平, 傅茂海, 安 琪

(1 南車眉山車輛有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部, 四川眉山 620032；2 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所, 北京 100081;3 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川成都 610031)

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KM98AF型煤炭漏斗車研制及技術(shù)創(chuàng)新*

張超德1, 李亨利1, 池 海2, 潘樹平1, 傅茂海3, 安 琪3

(1 南車眉山車輛有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部, 四川眉山 620032；2 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所, 北京 100081;3 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川成都 610031)

介紹了KM98AF型煤炭漏斗車的研制過程、主要技術(shù)參數(shù)、主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)以及試驗(yàn)、運(yùn)用考驗(yàn)狀況。并對該車技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。該車的研制以及其中采用的一些技術(shù)，對我國鐵路其他類型大軸重貨車的研制和鐵路重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，具有借鑒和參考作用。

煤炭漏斗車； 研制； 性能參數(shù)； 基本尺寸； 主要結(jié)構(gòu)； 關(guān)鍵技術(shù)； 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

為滿足我國30 t軸重重載運(yùn)輸發(fā)展需要，提高煤炭運(yùn)輸效率，根據(jù)中國南車股份有限公司(以下簡稱中國南車)科技研究開發(fā)計(jì)劃(2014NCK164)及國家科技支撐計(jì)劃(國科發(fā)計(jì)〔2013〕80號(hào))的要求，南車眉山車輛有限公司(以下簡稱眉山公司)承擔(dān)課題項(xiàng)目的研究，并進(jìn)行了KM98AF型煤炭漏斗車的研制。

1 研制過程

KM98AF型煤炭漏斗車(見圖1)用于中國標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路，采用固定編組運(yùn)輸煤炭，可實(shí)現(xiàn)邊走邊卸的卸貨要求。

圖1 KM98AF型煤炭漏斗車

2013年9月，眉山公司完成了KM98AF型煤炭漏斗車技術(shù)方案設(shè)計(jì)，并對車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及車輛動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算分析。2013年11月，眉山公司完成了KM98AF型煤炭漏斗車樣機(jī)試制。2014年4月，鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心車輛檢驗(yàn)站在眉山公司完成了KM98AF型煤炭漏斗車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。2014年5月，中國南車會(huì)同神華集團(tuán)在眉山共同

組織召開了KM98AF型煤炭漏斗車設(shè)計(jì)方案和樣機(jī)技術(shù)評審，并通過了評審。2014年6月，中國南車以南車股份貨車函﹝2014﹞113號(hào)文件下發(fā)《關(guān)于印發(fā)30 t 軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架鋁合金煤炭漏斗車和30 t 軸重副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架技術(shù)評審意見的通知》，同意KM98AF型煤炭漏斗車在神華集團(tuán)線路上開展運(yùn)行試驗(yàn)。

2 主要技術(shù)參數(shù)

2.1 主要性能參數(shù)

軸重/t 30

載重/t 98

自重/t

單車編組 22,

采用牽引桿5車一組 21.5

自重系數(shù) 0.22

容積/m3110

比容系數(shù)/(m3·t-1) 1.12

每延米重/(t·m-1)

單車編組 8.36,

采用牽引桿5車一組 8.57

換長/m 1.3

最高運(yùn)行速度/(km·h-1) 100

最小曲線半徑/m 145

制動(dòng)距離(重車、緊急)/m ≤1 400

全車制動(dòng)率

空車 20.7%,

重車 11.9%

限界 符合GB 146.1-1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》的要求

2.2 基本尺寸

車輛長度/mm 14 350

5車一組平均長度/mm 13 998

底架長度/mm 13 550

車輛定距/mm 10 550

車輛最大寬度/mm 3 326

車輛最大高度/mm 3 980

裝貨口尺寸(長×寬)/mm 13 302×2 813

卸貨口尺寸(長×寬)/mm 2 740×562

底門數(shù)量 /扇 6

底門開度/(°) 36

車鉤中心線距軌面高(空車)/mm 880

轉(zhuǎn)向架固定軸距/mm 1 860

車輪直徑/mm 915

3 主要結(jié)構(gòu)

該車主要由車體、底門及底門開閉機(jī)構(gòu)、車鉤緩沖裝置、轉(zhuǎn)向架和制動(dòng)裝置等組成。

3.1 車體

車體為側(cè)壁與底架共同承載結(jié)構(gòu)，與煤炭接觸部位采用鋁合金和不銹鋼，主要由底架、側(cè)墻、端墻、漏斗和撐桿等組成。腳蹬與側(cè)梁采用專用拉鉚釘連接，裝用鐵路貨車車號(hào)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)簽。側(cè)墻上設(shè)有供攀登用的扶梯。

3.2 底門及底門開閉機(jī)構(gòu)

全車共有3組底門開閉機(jī)構(gòu)，每組分別控制一對底門。底門開閉機(jī)構(gòu)由雙聯(lián)杠桿、傳動(dòng)軸、軸承座、關(guān)門緩解裝置等部分組成，具有雙向運(yùn)行卸貨功能，適應(yīng)車輛掉頭后邊走邊卸的需要。

3.3 車鉤緩沖裝置

采用E級鋼17型車鉤、17型鍛造鉤尾框、HM-1型緩沖器。

當(dāng)5輛車為一組時(shí)，車組內(nèi)采用短牽引桿連接。

3.4 轉(zhuǎn)向架

采用30 t軸重副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架，安裝PAB型集成制動(dòng)裝置。

3.5 制動(dòng)裝置

空氣制動(dòng)裝置采用150型控制閥，列車主管定壓500 kPa，并能滿足主管壓力600 kPa的工作要求。預(yù)留電空制動(dòng)安裝空間。

手制動(dòng)裝置采用NSW型手制動(dòng)機(jī)。

4 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新

4.1 車體重載承載技術(shù)

車體為鋼鋁混合鉚接結(jié)構(gòu)，側(cè)墻與底架共同承載，提高了車體承受縱向載荷的能力。

采用貫通中梁結(jié)構(gòu)，有利于車體縱向載荷的傳遞。

端墻和側(cè)墻采用板梁式直壁結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。中梁上方布置縱向漏斗脊，與車體中央橫向漏斗脊形成四個(gè)卸貨口，底門沿車體橫向布置，充分利用了車體下部空間，提高了車輛每延米承重。

4.2 車體輕量化技術(shù)

采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，車體各梁形成立體交叉封閉框架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，剛度好，變形小。

大量采用鋁合金擠壓型材，側(cè)墻板為鋁合金型材組焊結(jié)構(gòu)，底門板為鋁合金整體擠壓成型，上側(cè)梁、下托梁、上端梁為鋁合金整體型材，自重輕。

側(cè)墻板采用攪拌摩擦焊工藝，焊縫接頭增強(qiáng)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度有保證。側(cè)墻板外側(cè)增加條形筋設(shè)計(jì)，平面度好，外脹小。

4.3 雙向運(yùn)行自動(dòng)卸貨技術(shù)

采用地面機(jī)械碰撞式底門開閉機(jī)構(gòu)，底門開閉機(jī)構(gòu)具有雙向運(yùn)行卸貨功能，能適應(yīng)車輛掉頭卸貨需要。

4.4 副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)

采用30 t軸重副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架：前后輪對輪軌橫向力分配均勻，降低輪軌橫向力；大撓度橡膠堆隔離側(cè)架、輪對間振動(dòng)，減小輪軌垂向力；減小輪對沖角60～80%，避免輪緣接觸；改善輪軌接觸，降低輪軌磨耗30～50%，延長車輪壽命和換軌周期；徑向通過曲線，降低阻力和牽引能耗20%以上；轉(zhuǎn)向架安裝PAB型集成制動(dòng)裝置，制動(dòng)缸與閘調(diào)器集成化程度高，雙向調(diào)節(jié)；雙推桿設(shè)計(jì)，改善制動(dòng)梁受力。

4.5 新型150型制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)

采用150型空氣控制閥、GL型組合式集塵器、卡套式法蘭等制動(dòng)新技術(shù)，提高車輛制動(dòng)性能。

150型控制閥是在120閥基礎(chǔ)上研制開發(fā)的，在保持120閥作用性能和接口尺寸的前提下，主閥采用無滑閥結(jié)構(gòu)，取消研磨；采用夾布橡膠膜板，壽命較120閥膜板提高3倍以上；采用鋁合金鑄造技術(shù)，防銹蝕能力強(qiáng)，質(zhì)量輕。150閥徹底消除了膜板失效，配合不良等故障，同時(shí)提高了緊急閥常用制動(dòng)安定性，避免意外緊急，可大幅提高檢修周期至4年以上。

GL型組合式集塵器采用了由銅基粉末冶金過濾材料燒結(jié)的濾塵杯，大幅提高過濾精度，同時(shí)具有離心力除塵和重力除塵的雙重效果，過濾效果比原集塵器提高30%。

卡套式法蘭可有效增強(qiáng)制動(dòng)管路的連接剛度、提高法蘭接頭抗變形能力，保證制動(dòng)管系密封性能。

4.6 新型拉鉚緊固連接技術(shù)

拉鉚釘和套環(huán)表面采用鋅鋁多元合金共滲技術(shù)，鋅鋁共滲合金層與鋁合金車體之間的電位差異小，腐蝕速度小，耐腐蝕性能優(yōu)異。

4.7 車體防腐蝕技術(shù)

端墻和側(cè)墻采用板梁式結(jié)構(gòu)，端柱和側(cè)柱外置，車體內(nèi)壁光滑，不易積煤和凍煤。

與煤炭接觸部位采用鋁合金和不銹鋼，提高了車體防腐蝕性能。

4.8 底開門漏斗車制造技術(shù)

研究應(yīng)用了底開門漏斗車車體制造、地面機(jī)械碰撞式底門控制開閉機(jī)構(gòu)安裝調(diào)試以及大軸重轉(zhuǎn)向架制造等技術(shù)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 車體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度檢驗(yàn)

該車車體靜強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1335-1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定執(zhí)行。其中，第1工況縱向拉伸力為2 250 kN、縱向壓縮力為2 500 kN，第2工況縱向壓縮力為2 800 kN。

2014年2月，鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心車輛檢驗(yàn)站依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1335-1996及TJ/CL 025-2012《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件(暫行)》對KM98AF型運(yùn)煤漏斗車樣機(jī)進(jìn)行了檢驗(yàn)(見圖2、圖3)，第1工況靜強(qiáng)度、第2工況靜強(qiáng)度、頂車工況靜強(qiáng)度、垂向彎曲剛度均符合標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1335-1996和TJ/CL 025-2012的要求[1]。

圖2 縱向載荷試驗(yàn)照片

圖3 垂向載荷試驗(yàn)照片

5.2 車輛沖擊強(qiáng)度檢驗(yàn)

該車沖擊強(qiáng)度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1335-1996的規(guī)定。

2014年5月，鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心車輛檢驗(yàn)站依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1335-1996及TJ/CL 025-2012對KM98AF型運(yùn)煤漏斗車樣品進(jìn)行了檢驗(yàn)(見圖4)，車輛沖擊強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1335-1996和TJ/CL 025-2012的要求[2]。

圖4 沖擊試驗(yàn)車輛編組示意圖

5.3 線路運(yùn)用考驗(yàn)

2014年6月， KM98AF型煤炭漏斗車(車號(hào):0099639)在黃驊港順利完成空車和重車底門開閉性能調(diào)試，編入神華公司9501/9502次列車在朔黃線進(jìn)行試運(yùn)用考驗(yàn)(見圖5)。

圖5 運(yùn)行考驗(yàn)車輛編組

2014年7月3日，KM98AF型煤炭漏斗車在內(nèi)蒙古補(bǔ)連塔完成第一次裝煤，煤炭品種為混煤4400，堆密度為0.84～0.89 t/m3。2014年7月5日上午11點(diǎn)，整列車開始卸貨，12點(diǎn)10分卸完，卸貨一次性順利完成，列車無停頓，開關(guān)門檔工作正常，漏倉傳送帶送料正常，KM98AF型煤炭漏斗車落料區(qū)域、卸貨時(shí)間和卸凈率均能滿足設(shè)計(jì)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，KM98AF型煤炭漏斗車每月平均運(yùn)行里程大約1萬km，每月完成4次裝載和卸貨作業(yè)[3]。

6 技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析

6.1 技術(shù)性分析

(1)單車運(yùn)能

該車與KM70、C80、C80B等運(yùn)煤貨車主要性能指標(biāo)比較見表1。

從表中可以看出，KM98AF型運(yùn)煤漏斗車載重98 t，

表1 主要性能參數(shù)比較表

較C80和C80B增加了18 t，單車運(yùn)能提高22.5%；較KM70增加了28 t，單車運(yùn)能提高40%。

(2)單元列車運(yùn)力

列車編組長度主要受機(jī)車牽引功率和到發(fā)線有效長度的影響。目前我國HX2型電力機(jī)車的換長為3.5，機(jī)車長度以38.5 m計(jì)算，單機(jī)能夠牽引1萬t，雙機(jī)組合牽引能夠牽引2萬t，如果需要牽引更大質(zhì)量的列車則需要更多機(jī)車組合牽引或更大功率的機(jī)車。因此，KM98AF型運(yùn)煤漏斗車列車編組長度受線路到發(fā)線有效長度的限制。

我國既有通用線路到發(fā)線有效長度主要有1 050 m和850 m，1 050 m到發(fā)線能夠編組6 000 t列車，850 m到發(fā)線能夠編組5 000 t列車；大秦線、朔黃鐵路等到發(fā)線有效長為2 800 m，能夠編組2萬t列車。

對于貨物列車到發(fā)線的有效長度，其計(jì)算公式為：

其中L效為線路的有效長度;L機(jī)為機(jī)車長度；Q為重車方向的貨物列車牽引質(zhì)量;W為列車平均每延米質(zhì)量；L附為列車停車時(shí)的附加距離，在測算中按照30 m作為停車附加距離。

根據(jù)上述公式換算全列車長度(機(jī)車長度+貨車全長度)。貨車全長度的計(jì)算公式為：

L=G/q

式中G為牽引質(zhì)量;q為車輛每延米質(zhì)量。

在不考慮速度限制和坡度限制的情況下，以HX2型電力機(jī)車為例，比較KM98AF型運(yùn)煤漏斗車和C80型運(yùn)煤敞車在2 800 m和1 050 m不同到發(fā)線下的運(yùn)量見表2。

表2 不同到發(fā)線單元列車總重比較

從表中可以看出，在2 800 m到發(fā)線條件下，KM98AF型運(yùn)煤漏斗車可以編組190輛，牽引載重22 800 t，每列2萬t編組列車較C80增加600 t，運(yùn)能提高2.7%。

6.2 經(jīng)濟(jì)性分析

該車底架采用全鋼組焊結(jié)構(gòu)，工藝成熟，易于制造。側(cè)墻和端墻采用鉚接結(jié)構(gòu)，修理時(shí)可挖補(bǔ)和截?fù)Q，可維護(hù)性好。車體與煤炭接觸部位采用鋁合金和不銹鋼，減少了維修工作量，修理費(fèi)會(huì)有所降低。采用副構(gòu)架徑向轉(zhuǎn)向架，降低了車輪和閘瓦的非正常磨耗，車輛和線路維護(hù)的費(fèi)用均會(huì)減少。采用地碰式底門開閉機(jī)構(gòu)，不需要機(jī)車風(fēng)源，機(jī)車燃動(dòng)費(fèi)會(huì)有所減少。這些經(jīng)濟(jì)性措施的合理應(yīng)用，提高了該車的經(jīng)濟(jì)性，特別是車輛的全壽命周期里，效果會(huì)更為突出。

7 結(jié)束語

截至目前，KM98AF型運(yùn)煤漏斗車運(yùn)行狀況良好，裝載和卸貨作業(yè)正常。該車的所有關(guān)鍵技術(shù)均具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，綜合技術(shù)性能處于國際領(lǐng)先水平，得到了神華客戶的高度贊譽(yù)，該車的成功研制豐富了我國30 t軸重煤炭漏斗車產(chǎn)品種類，具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。該車采用的車體重載承載技術(shù)和輕量化技術(shù)，可大量應(yīng)用于我國各型漏斗車。采用的雙向運(yùn)行自動(dòng)和快速卸貨技術(shù)，在我國具有很強(qiáng)的推廣意義，完全可以替代我國現(xiàn)有漏斗車的兩級傳動(dòng)頂鎖式機(jī)構(gòu)卸貨裝置。研究應(yīng)用的重載列車制動(dòng)技術(shù)，對保證我國鐵路貨車運(yùn)用安全具有重大意義。采用的大軸重副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)和重載編組列車運(yùn)行技術(shù)，對我國大軸重鐵路貨車的研制和重載編組列車技術(shù)的發(fā)展具有重要的借鑒和參考作用。

[1] 金 星，劉曉剛，郝 偉，等. 30 t軸重新型煤炭漏斗車車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢驗(yàn)報(bào)告[R]，鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心車輛檢驗(yàn)站，2014.

[2] 胡海東，馬修源，郝 偉，等. 30 t軸重新型煤炭漏斗車車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢驗(yàn)報(bào)告[R]，鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心車輛檢驗(yàn)站，2014.

[3] 張超德，陸 強(qiáng)，李 貌，等. 30 t軸重新型煤炭漏斗車卸貨性能試驗(yàn)報(bào)告[R]，南車眉山車輛有限公司，2014.

[4] TB/T 1335-1996. 鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S].

Development and Technological Innovation of KM98AFType Coal Hopper Car

ZHANGChaode1,LIHengli1,CHIHai2,PANShuping1,FUMaohai3,ANQi3

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

This paper in detail introduces KM98AF type coal hopper wagon's development process, main technical parameters, main structure, key technology, test, and application check, and analyzes the vehicle technology economy. The development of the vehicle with some technologies has good reference for the development of other types of large axle load of freight of our country railway and the development of the railway heavy-load transportation.

coal hopper car; research; performance parameters; basic dimensions; main structure; key technology; technology economy

1008-7842 (2015) 03-0042-04

??)男，教授級高級工程師(

2015-01-19)

U272.6+2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.10

*國家科技支撐計(jì)劃：軸重30 t及以上煤炭運(yùn)輸重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備研制(國科發(fā)計(jì)〔2013〕80號(hào))；中國南車科技研究開發(fā)計(jì)劃：30 t軸重煤炭漏斗車新技術(shù)研究及運(yùn)用(2014NCK164)