煤炭漏斗車運(yùn)用與發(fā)展

何世球，劉鳳偉，王寶磊

(南車長(zhǎng)江車輛有限公司，湖北武漢430212)

煤炭漏斗車運(yùn)用與發(fā)展

何世球，劉鳳偉，王寶磊

(南車長(zhǎng)江車輛有限公司，湖北武漢430212)

闡述了國內(nèi)外煤炭漏斗車的運(yùn)用狀況及特點(diǎn)，提出了我國發(fā)展煤炭漏斗車應(yīng)重點(diǎn)研究的幾個(gè)技術(shù)問題。

漏斗車;運(yùn)用;發(fā)展

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，煤炭資源分布和工業(yè)布局很不均衡，約80%的煤炭分布在西部、北部地區(qū)，而消耗大都在東部、南部地區(qū)，由此形成了由北向南、自西向東的運(yùn)輸格局。鐵路運(yùn)輸因具有運(yùn)能大、運(yùn)距長(zhǎng)、成本低、安全、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期承擔(dān)煤炭的運(yùn)輸。

鐵路運(yùn)輸煤炭的裝備主要是敞車和漏斗車。為提高貨車?yán)寐?，我國以前一直?qiáng)調(diào)發(fā)展通用型車輛，煤炭主要采用敞車來運(yùn)輸。煤炭漏斗車主要作為企業(yè)自備車輛供礦山、電廠、選煤、鋼鐵等企業(yè)運(yùn)用。隨著我國特高壓輸電技術(shù)的快速發(fā)展，加快礦區(qū)電廠建設(shè)成為必然趨勢(shì)，這給適合于中、短途運(yùn)輸、具有卸貨效率高，卸煤配套設(shè)施簡(jiǎn)單，輔助人員少及可以在較小的場(chǎng)地上集中卸貨等特點(diǎn)的煤炭漏斗車帶來良好的發(fā)展機(jī)遇。因此，總結(jié)國內(nèi)外煤炭漏斗車的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，探討我國煤炭漏斗車發(fā)展方向十分必要。

1 國外煤炭漏斗車運(yùn)用概況

世界各國都非常重視煤炭運(yùn)輸車輛的運(yùn)用與研究［1］。從世界幾個(gè)主要煤炭生產(chǎn)國來看，美國、澳大利亞、南非、加拿大等國家的煤炭運(yùn)輸車大多采用專用敞車和無蓋漏斗車，其中，美國、澳大利亞煤炭漏斗車數(shù)量最多，技術(shù)最為先進(jìn)、成熟。

(1)軸重、載重

提高軸重是提高載重、降低運(yùn)營成本的有效措施，也是煤炭漏斗車的發(fā)展趨勢(shì)。如美國軸重29.8 t、載重90～100 t的263型煤炭漏斗車已不再生產(chǎn)，而主要采用軸重32.43 t，載重107.3 t的煤炭漏斗車。澳大利亞的煤炭漏斗車軸重達(dá)到30 t，載重達(dá)到97.7 t。

(2)車體結(jié)構(gòu)形式

國外煤炭漏斗車的車體結(jié)構(gòu)形式主要有兩種結(jié)構(gòu)形式:板柱式側(cè)墻結(jié)構(gòu)(圖1)和大圓弧包板式側(cè)墻結(jié)構(gòu)(圖2)。美國主要采用板柱式側(cè)墻結(jié)構(gòu)，而澳大利亞主要采用圓弧包板式側(cè)墻結(jié)構(gòu)。大圓弧包板式結(jié)構(gòu)較板柱式側(cè)墻結(jié)構(gòu)可以增大車輛容積，提高車體的整體剛度，降低車輛自重，降低車輛重心，改善車輛的動(dòng)力學(xué)性能，因而應(yīng)用越來越廣。

圖1 板柱式側(cè)墻結(jié)構(gòu)煤炭漏斗車

圖2 圓弧包板式側(cè)墻結(jié)構(gòu)煤炭漏斗車

(3)車體材質(zhì)

國外煤炭漏斗車車體材質(zhì)普遍采用鋁合金、不銹鋼和高強(qiáng)度耐腐蝕材料。以美國、加拿大為代表的國家主要發(fā)展鋁合金煤炭漏斗車，以澳大利亞、南非為代表的國家主要發(fā)展不銹鋼煤炭漏斗車。

高強(qiáng)度、輕量化和耐腐蝕是煤炭漏斗車用材的發(fā)展方向。

(4)底門開閉機(jī)構(gòu)

底門開閉機(jī)構(gòu)是煤炭漏斗車實(shí)現(xiàn)卸貨的傳動(dòng)部件。底門開閉主要有橫向開閉和縱向開閉兩種形式。國外煤炭漏斗車多數(shù)采用橫向開閉。

煤炭漏斗車底門開閉及控制方式主要有風(fēng)控風(fēng)動(dòng)、手動(dòng)，電控風(fēng)動(dòng)，電控液動(dòng)、儲(chǔ)能式電控氣動(dòng)、機(jī)械觸碰式等。就世界多數(shù)國家來說，使用風(fēng)動(dòng)動(dòng)力源比較普遍。德國在自卸貨車上安裝了液壓裝置，法國則在漏斗車上使用了一種蓄能器作為動(dòng)力源［3］。但自1992年澳大利亞Downer EDI Rail Pty Lt公司發(fā)明一種機(jī)械觸碰式底門開閉機(jī)構(gòu)后，這種利用機(jī)構(gòu)上開關(guān)、門柄與地面碰頭配合，實(shí)現(xiàn)底門自動(dòng)開、關(guān)的機(jī)構(gòu)在澳大利亞等國得到越來越廣泛的運(yùn)用。

(5)國外煤炭漏斗車主要特點(diǎn)

國外煤炭漏斗車的主要特點(diǎn)為軸重、載重大，輕量化水平及卸貨效率高，底門開閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、運(yùn)用安全可靠。國外煤炭漏斗車主要技術(shù)參數(shù)性能如表1所示［1-2］。

表1 國外煤炭漏斗車主要技術(shù)性能參數(shù)

2 我國煤炭漏斗車運(yùn)用概況

我國自20世紀(jì)70年代研制K18型煤炭漏斗車以來，煤炭漏斗車在我國逐步得到推廣應(yīng)用，先后研制了K18、K18F、K18D、K18DG、K18DA、K18AT、K18AK、KM70、KM80 (H)等型煤炭漏斗車。尤其在進(jìn)入21世紀(jì)后，煤炭漏斗車的技術(shù)性能得到快速提升，較好地滿足了電站、港口、選煤、鋼鐵等企業(yè)運(yùn)輸煤炭的要求。

2.1 軸重和載重

2005年以前研制生產(chǎn)的煤炭漏斗車軸重均是21 t，載重60 t。2005年研制的KM70型煤炭漏斗車軸重23 t、載重70 t。2009年開始研制、2013年完成研制的KM80(H)型煤炭漏斗車軸重27 t、載重80 t，實(shí)現(xiàn)了單車載重由70 t級(jí)向80 t級(jí)的跨越。

2.2 車體結(jié)構(gòu)形式

我國煤炭漏斗車普遍采用板柱式側(cè)墻結(jié)構(gòu)。板柱式平板側(cè)墻結(jié)構(gòu)限制了車輛限界的利用，為此，KM80(H)型煤炭漏斗車采用了變截面板柱式側(cè)墻結(jié)構(gòu)以增加車輛容積。2009年研制的大軸重煤炭漏斗車(觀摩車)借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，采用了大圓弧包板結(jié)構(gòu)。

2.3 車體材質(zhì)

煤炭漏斗車的車體材質(zhì)主要經(jīng)歷了碳素鋼、耐候鋼、高強(qiáng)度耐候鋼、高耐蝕型耐候鋼、不銹鋼等幾個(gè)階段。1999年之前生產(chǎn)的K18、K18F、K18D、K18DG型煤炭漏斗車車體均采用碳素鋼，1999年至2005年間生產(chǎn)的K18DA、K18AT、K18AK型煤炭漏斗車車體均采用材質(zhì)為09CuPTiRE－A的耐候鋼，以提高車體的耐腐蝕性，延長(zhǎng)檢修周期。隨著車輛載重的增加、車輛輕量化要求的提高，對(duì)車體材料的強(qiáng)度提出了更高的要求，2005年研制的KM70型煤炭漏斗車車體材質(zhì)采用Q450NQR1的高強(qiáng)度耐候鋼。由于裝運(yùn)的煤炭對(duì)車體腐蝕嚴(yán)重，耐候鋼(09CuPTiRE－A)、高強(qiáng)度耐候鋼(Q450NQR1)在使用中腐蝕仍然較嚴(yán)重。KM80(H)型煤炭漏斗車車體材質(zhì)采用耐腐蝕性提高50%的S450EW高耐腐蝕型耐候鋼。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能，2009年研制的大軸重煤炭漏斗車(觀摩車)車體采用不銹鋼材質(zhì)。

2.4 底門開閉機(jī)構(gòu)

底門開閉機(jī)構(gòu)主要有3種形式:大刀式、頂鎖式及機(jī)械觸碰式。1980年前生產(chǎn)的K18、K18F型煤炭漏斗車采用大刀式開閉機(jī)構(gòu)，1980年后研制生產(chǎn)的 K18D、K18DG、K18DA、K18AT、K18AK、KM70、KM80(H)型煤炭漏斗車采用頂鎖式開閉機(jī)構(gòu)，頂鎖式開閉機(jī)構(gòu)解決了大刀式開閉機(jī)構(gòu)在使用過程中所暴露出來的重車時(shí)開門壓力偏高、阻力大等不足，顯著改善了底門的開閉性能。

2009年研制的大軸重煤炭漏斗車(觀摩車)采用觸碰式開閉機(jī)構(gòu)，與地面觸碰臺(tái)配合實(shí)現(xiàn)邊走邊缷，提高了卸貨效率。

2.5 我國煤炭漏斗車存在的主要問題

(1)自重系數(shù)大

K18系列及KM70型、KM80型煤炭漏斗車普遍存在自重系數(shù)大，K18系列自重系數(shù)0.4，KM70型、KM80型煤炭漏斗車自重系數(shù)分別為0.34和0.325，與國外的自重系數(shù)只有0.21的煤炭漏斗車相比，差距很大。

(2)每延米重系數(shù)小

K18系列及KM70型、KM80(H)型煤炭漏斗車普遍存在每延米重系數(shù)小，K18系列每延米重系數(shù)5.7 t/m， KM70型、KM80(H)型煤炭漏斗車重分別為6.5 t/m和7.2 t/m，與國外的每延米重8.01 t/m的煤炭漏斗車相比，有較大差距。

(3)開閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

無論是大刀式還是頂鎖式開閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜。頂鎖式開閉機(jī)構(gòu)包括風(fēng)動(dòng)操作系統(tǒng)和手動(dòng)操作系統(tǒng)，傳動(dòng)裝置分為上部傳動(dòng)裝置和下部傳動(dòng)裝置，零部件繁多，給運(yùn)用、維護(hù)帶來很大不便。

我國煤炭漏斗車主要技術(shù)參數(shù)性能如表2所示。

表2 我國煤炭漏斗車主要技術(shù)性能參數(shù)

3 我國發(fā)展煤炭漏斗車應(yīng)研究的問題

中短途運(yùn)輸煤炭，用漏斗車最經(jīng)濟(jì)已成為國內(nèi)鐵路同行的共識(shí)，也為世界所公認(rèn)。與敞車運(yùn)煤相比，采用漏斗車運(yùn)煤具有卸貨場(chǎng)地占地面積小、卸貨坑建設(shè)投資少(僅為翻車機(jī)卸貨坑的32.71%)、卸貨配套設(shè)施投資小(僅為采用翻車機(jī)的5.61%)、卸貨成本低(比翻車機(jī)卸貨節(jié)約0.27元/t)［4］，同時(shí)具有卸貨效率高、車輛周轉(zhuǎn)快、卸貨設(shè)施對(duì)車輛損傷小等優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)該推廣采用漏斗車運(yùn)煤。在我國發(fā)展煤炭漏斗車，應(yīng)重點(diǎn)研究以下幾個(gè)問題:

(1)車體結(jié)構(gòu)形式

漏斗車車體結(jié)構(gòu)一般采用板柱式平板側(cè)墻、板柱式變截面?zhèn)葔按髨A弧包板式側(cè)墻結(jié)構(gòu)。

板柱式平板側(cè)墻結(jié)構(gòu)不利于車輛容積的增加，但制造工藝簡(jiǎn)單。板柱式變截面?zhèn)葔Y(jié)構(gòu)能增加車輛容積，但制造工藝相對(duì)復(fù)雜。大圓弧包板式結(jié)構(gòu)在3種結(jié)構(gòu)形式中增加容積最大，利于貨物流動(dòng)，但因在煤炭未缷凈時(shí)(在寒冷的冬季卸煤時(shí)常常有積煤情況發(fā)生)需要錘擊側(cè)墻才能卸出貨物，錘擊會(huì)造成側(cè)墻大面積難以修復(fù)的凹陷變形，且用錘擊方式卸凍煤時(shí)效果較差。

板柱式平板側(cè)墻結(jié)構(gòu)因有較為密集的側(cè)柱支撐，側(cè)墻在水平方向的剛度較大，其振動(dòng)頻率較高，在使用錘擊方式卸凍煤時(shí)效果較好，加上側(cè)柱之間的側(cè)板面積較小，敲擊只會(huì)產(chǎn)生密集的凹坑和局部凹陷，在檢修時(shí)也容易修復(fù)。

因此，需研究采用既能有利于車輛容積的增加，又可避免大圓弧包板式結(jié)構(gòu)不足的新型車體結(jié)構(gòu)形式。比如側(cè)柱內(nèi)置式直板圓弧結(jié)構(gòu)，增加容積效果比大圓弧包板式結(jié)構(gòu)更好，同時(shí)，因有內(nèi)置側(cè)柱，錘擊振動(dòng)效果好，墻板變形后容易修復(fù)。

(2)車體材料

如前所述，煤炭漏斗車的車體材料，目前主要采用高強(qiáng)度耐候鋼、高耐蝕型耐候鋼、不銹鋼及鋁合金，耐候鋼已較少采用，碳素鋼已不再采用。

高強(qiáng)度耐候鋼強(qiáng)度高，制造成本低，工藝成熟，但不能實(shí)現(xiàn)車輛使用壽命期內(nèi)免截?fù)Q。高耐蝕型耐候鋼耐腐蝕性能比高強(qiáng)度耐候鋼提高50%，強(qiáng)度高，但制造成本比高強(qiáng)度耐候鋼高，也難以實(shí)現(xiàn)車輛使用壽命期內(nèi)免截?fù)Q。不銹鋼耐腐蝕性好，可減薄墻板厚度，減輕車輛自重。不銹鋼已在我國多個(gè)車型上成功運(yùn)用多年，在2009年研制的觀摩車及隨后研制的用于晉中南通道上大軸重煤炭漏斗車均采用不銹鋼車輛，制造工藝成熟，且具有比鋁合金更好地貨物流動(dòng)性，但制造成本較高。鋁合金主要應(yīng)用于美國，在我國C80型敞車已運(yùn)用多年。鋁合金耐腐蝕性好、質(zhì)量輕，易于實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化。鋁合金相對(duì)不銹鋼而言，需采用大型加壓成型加工設(shè)備，成本比鐵素體不銹鋼高。同時(shí)，在運(yùn)用中如出現(xiàn)墻板裂紋等問題，修復(fù)難度較大。

在煤炭漏斗車車體材料方面，防腐是一個(gè)重要的條件。漏斗車采用何種材料，需綜合研究材料的防腐性能、強(qiáng)度、制造成本、工藝性、檢修便捷性、抗砸性等，選用適合我國運(yùn)輸環(huán)境、制造水平相適應(yīng)的材料。

(3)卸凈率

卸凈率直接關(guān)系漏斗車的卸貨效率，在實(shí)際使用過程中，由于煤卸不干凈，經(jīng)常需人工敲打側(cè)墻或采用其他方式進(jìn)行人工清煤。卸凈率與車體結(jié)構(gòu)、車體墻板和漏斗板材質(zhì)及傾斜角度、底門大小及開度、煤炭顆粒的大小、煤炭的含水率、車輛運(yùn)行里程等密切相關(guān)。應(yīng)采用仿真分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，研究不同種類、不同顆粒大小的煤炭與車體結(jié)構(gòu)、車體墻板和漏斗板傾斜角度、底門大小及開度的關(guān)系及變化規(guī)律，來指導(dǎo)漏斗車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(4)底門開閉機(jī)構(gòu)

底門開閉機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)、液壓、電氣、人力和觸碰等形式。氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別是在多塵埃等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電氣驅(qū)動(dòng)優(yōu)越，因此在鐵路貨車上得到了廣泛應(yīng)用。液壓傳動(dòng)具有輸出功率大、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，且便于與電氣控制相配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其缺點(diǎn)是在高溫和低溫條件下不可避免出現(xiàn)泄漏，影響機(jī)構(gòu)工作性能。電氣驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高，可以根據(jù)設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制，但是需要地面設(shè)施供電，僅適用于定點(diǎn)卸貨的車輛。觸碰式橫向開門開閉機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需操作、卸貨效率高，在澳大利亞等國得到廣泛應(yīng)用。

大刀式、頂鎖式機(jī)構(gòu)采用的是氣壓驅(qū)動(dòng)，但使用中已暴露出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自重大等不足。液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不適合我國的運(yùn)用環(huán)境，電氣驅(qū)動(dòng)不適合我國國情，觸碰式橫向開門開閉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，卸貨效率高，但由于我國現(xiàn)有的卸貨場(chǎng)地均是與縱向卸貨方式匹配，因此也不適合我國現(xiàn)有的卸貨條件。

我國煤炭漏斗車是企業(yè)自備車，雖然固定配屬，但用戶和承修單位很難對(duì)車輛的運(yùn)營過程進(jìn)行監(jiān)控，造成現(xiàn)車氣控裝置很多配件被盜，無法采用氣動(dòng)操作，只能人工操作。另外列檢所對(duì)漏斗車只對(duì)轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)裝置、鉤緩裝置進(jìn)行檢查、維修，其他部分由企業(yè)和承修單位負(fù)責(zé)，在實(shí)際運(yùn)用中底門開閉機(jī)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)得不到跟蹤。底門開閉機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜不利于車輛運(yùn)用部門使用，也不利于車輛檢修部門和列檢部門對(duì)車輛故障的判斷和修理。因此，我國煤炭漏斗車底門開閉機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向應(yīng)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防盜性能好、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠、卸貨效率高。

4 結(jié)束語

應(yīng)借鑒國外觸碰式開閉機(jī)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù)，研究適應(yīng)我國運(yùn)用要求的縱向開門、外側(cè)卸貨、觸碰式開閉底門的開閉機(jī)構(gòu)，解決頂鎖式機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自重大、機(jī)構(gòu)占用車輛端部空間大、防盜性差、卸貨效率不高等不足，促進(jìn)煤炭漏斗車在我國的應(yīng)用。

［1］ 田葆栓.鐵路運(yùn)煤車輛的運(yùn)用與展望［J］.中國鐵路，2005 (10):38-41.

［2］ 謝松云，周菊香.淺談煤炭漏斗車的發(fā)展［J］.鐵道車輛，1994(11):26-30.

［3］ 田葆栓，魏鴻亮，劉鳳偉.我國鐵路貨車車體的回顧與展望［J］.鐵道車輛，2013(12):25-35.

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Application and Development of Coal Hopper Wagon

HE Shiqiu，LIU Fengwei，WANG Baolei
(CSR Yangtze Co.，Ltd.，Wuhan 430212 Hubei，China)

This paper describes the application state and characteristics of coal hopper wagons at home and abroad，and proposes several technical problems which should be focused on for the development of coal hopper wagons in our country.

coal hopper wagon;application;development

U272.6+2

B

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.13

1008－7842(2015)01－062－04

4—)男，高級(jí)工程師(

2014－07－24)