大軸重煤炭漏斗車關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用*

張超德，池 海，葉 毅，潘樹平，傅茂海，安 琪

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

專題研究

大軸重煤炭漏斗車關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用*

張超德1，池 海2，葉 毅1，潘樹平1，傅茂海3，安 琪3

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

闡述了自動卸貨煤炭漏斗車的優(yōu)點，分析了我國煤炭漏斗車的技術(shù)現(xiàn)狀及重載發(fā)達國家煤炭漏斗車發(fā)展趨勢和主要發(fā)展特征，介紹了我國大軸重煤炭漏斗車關(guān)鍵技術(shù)研究成果，指出了我國大軸重煤炭漏斗車關(guān)鍵技術(shù)研究的意義。

煤炭漏斗車；技術(shù)現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢；主要特征；關(guān)鍵技術(shù)

鐵路作為煤炭最重要和經(jīng)濟的運輸手段，其煤炭運量占全國煤炭總運量的70%以上，目前我國已形成“北、中、南”主要鐵路煤運通道，其中北通道的大秦線、朔黃線，南通道的隴海線等主要鐵路干線運輸能力已基本趨于飽和。開行大軸重貨車是提高我國鐵路煤炭運量最有效的措施之一，開展大軸重運煤貨車關(guān)鍵技術(shù)研究，提高鐵路煤炭運輸能力已成為我國鐵路貨車制造企業(yè)重點研究的課題。

1　自動卸貨煤炭漏斗車的優(yōu)點

漏斗車的特點是依靠貨物重力作用自動卸貨，對于貨流量大、且裝卸地點較固定的散裝貨物，采用漏斗車可以加速車輛周轉(zhuǎn)，提高卸貨效率，獲得較好的經(jīng)濟效益，在各國電站、港口、選煤、鋼鐵等企業(yè)有著廣泛的應(yīng)用［1］。采用煤炭漏斗車自動卸貨，具有以下優(yōu)點：

（1）可以實現(xiàn)邊走邊卸、成組卸和單輛卸，卸車作業(yè)環(huán)節(jié)少，卸貨時間短，卸貨效率高。單輛卸貨時間一般不超過30s，卸貨效率高于翻車機和手工卸煤［2］。

（2）可以手動、風(fēng)動或依靠地面觸碰設(shè)施控制開閉機構(gòu)打開底門卸貨，配套設(shè)備少，能源消耗低。

（3）開閉機構(gòu)自動打開底門卸貨，不會對車輛造成損傷，車輛使用壽命長，維護成本低。

（4）卸煤場新建投資小，建設(shè)周期短。同等卸貨能力的卸煤場，配套的卸煤設(shè)施新建費用僅為翻車機卸貨方式的7.6%，鐵路設(shè)施新建費用僅為采用翻車機卸貨方式的60.8%，建設(shè)周期比采用翻車機卸貨方式可縮短3個月［3］。

2　我國煤炭漏斗車的發(fā)展過程和主要問題

我國煤炭漏斗車的設(shè)計始于1966年，1967年5月我國第一輛煤炭漏斗車樣車試制完成，經(jīng)過一年多的運用考驗，1971年進行了改進設(shè)計并定型為K18型煤炭漏斗車。該車載重60 t，車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，主要型鋼和板材采用普碳鋼，控制底門開閉的機械傳動裝置以人力和風(fēng)力作為動力源，風(fēng)動和手動兩用，采用雙抱大刀式偏心鎖閉機構(gòu)（見圖1）。該機構(gòu)自鎖性能較差，運行過程中可能造成底門自開［4］。

1979年底在K18型煤炭漏斗車基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了K18F型煤炭漏斗車，全車兩套傳動裝置，風(fēng)動和手動兩用，底門開閉機構(gòu)采用原雙抱大刀式偏心鎖閉機構(gòu)，加上2級鎖閉以防底門自開（見圖2）［4］。

由于該機構(gòu)靠大刀過死點的1級鎖閉和偏心式2級鎖閉裝置自鎖，開門時要壓縮貨物，開門壓力較大。與此同時，我國又研制了采用頂鎖式開閉機構(gòu)（見圖3）的K18D型煤炭漏斗車。

為了確保鎖閉可靠，防止鎖體在空車運行時振起自開，在兩級傳動的上、下傳動軸之間設(shè)計了一個過死點才可以開啟的連桿，將下部傳動軸鎖在指定的轉(zhuǎn)動位置，使鎖體被鎖在指定位置，形成了2級鎖閉狀態(tài)。開啟底門，連桿通過死點時，至多只能引起鎖體的微量轉(zhuǎn)動。由于鎖體與底門銷接觸面為一固定半徑的圓弧，所以鎖體不壓縮漏斗門即可轉(zhuǎn)出，機構(gòu)只克服底門壓力而產(chǎn)生的摩擦力和各傳動件間阻尼，因此根據(jù)試驗結(jié)果，頂鎖式開閉機構(gòu)的底門開閉性能有了較大的改善，開門力不大，但與大刀式開閉機構(gòu)相比，零件稍多，工藝性較為復(fù)雜。

圖2　偏心式2級鎖閉裝置

圖3　頂鎖式開閉機構(gòu)

1999年我國在K18D型煤炭漏斗車基礎(chǔ)上研制了具有兩級鎖閉裝置的K18DA型煤炭漏斗車，該車傳動機構(gòu)采用兩級傳動、兩級鎖閉、頂鎖機構(gòu)的形式，可確保車輛在行走時底門閉鎖的絕對可靠。

2003年全路進行大面積提速改造，在K18DA型煤炭漏斗車的基礎(chǔ)上通過裝用轉(zhuǎn)8 G型、轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架設(shè)計而成K18AT型、K18AK型煤炭漏斗車，底門傳動裝置均與K18DA型煤炭漏斗車相同。

2005年為適應(yīng)車輛提速和重載需要我國研制開發(fā)了載重70 t的km70型煤炭漏斗車（見圖4）。車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，主要型鋼和板材均采用高強度耐候鋼，采用兩級傳動、兩級鎖閉、頂鎖式底門開閉裝置，裝用轉(zhuǎn)K5或轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架，商業(yè)運營速度120 km/h。

從2006年開始我國載重60t的煤炭漏斗車停止生產(chǎn)，全面生產(chǎn)時速120 km、軸重23 t、載重70 t的km70型煤炭漏斗車，目前國內(nèi)運營的煤炭漏斗車主要為K18AK型、km70型煤炭漏斗車。

圖4　km70型煤炭漏斗車

2010年我國開始研制載重80 t級的煤炭漏斗車，目前樣機正在進行線路運行考驗。

我國典型的煤炭漏斗車主要性能參數(shù)見表1。

表1　我國典型煤炭漏斗車主要性能參數(shù)

縱觀我國煤炭漏斗車的發(fā)展歷史，可以看出我國既有煤炭漏斗車軸重較低，車輛結(jié)構(gòu)基本相同，車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，板柱式側(cè)墻，側(cè)柱外置。為適應(yīng)我國燃煤發(fā)電廠的地面設(shè)施要求，均采用縱向側(cè)開卸貨方式，其底門開閉裝置可以通過風(fēng)動和手動系統(tǒng)獨立控制。手動傳動機構(gòu)采用減速箱機構(gòu)。風(fēng)動與手動傳動機構(gòu)可通過離合器進行轉(zhuǎn)換。底門開閉機構(gòu)主要有大刀式開閉機構(gòu)和頂鎖式開閉機構(gòu)兩種，都存在機構(gòu)復(fù)雜、傳動效率低、自重較大、卸煤效率低等不足，車體下部空間得不到有效利用，限制車輛主要性能參數(shù)每延米重的提高，運用過程中暴露出開閉機構(gòu)檢修不方便、減速器密封性較差、零部件容易丟失、風(fēng)控管路漏泄等問題。

3　重載發(fā)達國家煤炭漏斗車發(fā)展趨勢和主要特征

美國是世界重載運輸?shù)氖讋?chuàng)國，軸重25t、載重70t的煤炭漏斗車已經(jīng)淘汰，軸重29.8t、載重90～100t的煤炭漏斗車雖在役量很大，現(xiàn)在也基本不生產(chǎn)；軸重32.43t、載重110t的鋁合金底開門煤炭漏斗車是目前的主型車，車體為鋼制底架、鋁合金端墻和側(cè)墻，底部自動卸貨，底門沿車體橫向布置，采用中央底門開閉機構(gòu)，卸貨口數(shù)量按用戶要求設(shè)為3～5個（見圖5）。

圖5　Trinity公司32.43 t軸重鋁合金運煤漏斗車

美國Trinity公司典型鋁合金運煤漏斗車主要性能參數(shù)見表2。

表2　美國Trinity公司典型運煤漏斗車主要性能參數(shù)

加拿大煤炭漏斗車車型與美國基本相似，全鋼結(jié)構(gòu)的煤炭漏斗車也在逐步淘汰，鋼底架鋁合金車體的漏斗車逐漸成為主型車，為防止積煤，大多數(shù)車型側(cè)柱外置（見圖6），只有極少車型側(cè)柱內(nèi)置（見圖7）。

圖6　CN公司側(cè)柱外置鋁合金運煤漏斗車

圖7　CN公司側(cè)柱內(nèi)置鋁合金運煤漏斗車

澳大利亞煤炭運輸現(xiàn)在大部分采用不銹鋼車體煤炭漏斗車，而鋁合金車體煤炭漏斗車由于使用過程中出現(xiàn)焊縫開裂等現(xiàn)象，運用數(shù)量不多。昆士蘭鐵路公司使用的不銹鋼運煤漏斗車軸重30t、載重97t、總重120t，車輛長度15.6～16.2m，車體采用包板式側(cè)墻結(jié)構(gòu)；全車與煤接觸部分均采用3C R12或5C R12 Ti不銹鋼，其余采用高強度耐腐蝕性鋼；底門開閉方式有兩種，一種為底門沿車體縱向側(cè)開設(shè)置（見圖8），另一種為底門沿車體橫向設(shè)置，地面安裝碰頭控制底門開閉實現(xiàn)重車自動卸貨、空車自動關(guān)門，具備邊走邊卸功能（見圖9）。

圖8　昆士蘭鐵路公司縱開門不銹鋼運煤漏斗車

圖9昆士蘭鐵路公司橫開門不銹鋼運煤漏斗車

經(jīng)過多年的發(fā)展，美國、加拿大和澳大利亞等重載發(fā)達國家的煤炭漏斗車技術(shù)日臻成熟，具有以下主要特征：

（1）軸重大。目前美國鐵路新造煤炭漏斗車的軸重以32.43t為主；加拿大一級鐵路的標準軸重已于1995年確定為32.43t，CP、CN重載線路最大軸重35.72t；澳大利亞昆士蘭州Goonyella煤運專線不銹鋼煤炭漏斗車軸重30t，BHP公司車輛軸重從1970年的28.5t提高到2000年的37.5 t，目前40 t軸重的貨車已完成試驗投入運用。

（2）采用低動力作用轉(zhuǎn)向架。隨著軸重的增大，車輛對軌道動、靜兩個方面的作用力均有所增加，輪軌損傷進一步加??；為降低軸重增加對輪軌產(chǎn)生的損傷，世界各國普遍采用低動力作用轉(zhuǎn)向架。措施主要有：改進轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)、降低簧下質(zhì)量、優(yōu)化懸掛參數(shù)等。

（3）采用鋁合金、不銹鋼材料實現(xiàn)車體輕量化。美國、加拿大主要發(fā)展鋁合金貨車，澳大利亞主要發(fā)展不銹鋼貨車，以減輕車輛自重、增大載重，節(jié)約能源，提高運輸效益。

（4）采用底開門自動卸貨提高卸貨效率。美國軸重32.43t、載重110t的鋁合金車體底開門煤炭漏斗車采用中央底門開閉機構(gòu)，實現(xiàn)機車牽引，邊走邊卸，卸貨時間短，卸貨效率高。澳大利亞軸重30t、載重97t的不銹鋼車體煤炭漏斗車采用地面機械觸碰式開閉機構(gòu)，地面安裝碰頭控制底門開閉實現(xiàn)重車自動卸貨、空車自動關(guān)門，也具備邊走邊卸功能。

（5）采用動力分散、牽引桿、電空制動等技術(shù)降低列車縱向沖動。各國重載列車普遍采用了牽引桿技術(shù)，根據(jù)需要數(shù)量從2～10輛一組；美國、澳大利亞等國主要采用動力分散布置和機車同步操縱牽引技術(shù)，澳大利亞部分線路采用E CP電空制動技術(shù)。

4　我國大軸重煤炭漏斗車關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用

根據(jù)原中國南車股份有限公司科技研究開發(fā)計劃《30t軸重煤炭漏斗車新技術(shù)研究及運用》（編號：2014 NCK164）及國家科技支撐計劃《軸重30噸及以上煤炭運輸重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備研制》（國科發(fā)計〔2013〕80號）的要求，眉山公司承擔課題項目的研究，圍繞車輛與線路、橋涵、編組站場以及地面卸貨設(shè)施的適應(yīng)性進行了分析和論證，在車輛重載承載技術(shù)、車體輕量化技術(shù)、低動力作用和低磨耗轉(zhuǎn)向架技術(shù)、自動卸貨技術(shù)、車體防腐技術(shù)、仿真分析和試驗驗證技術(shù)等方面取得了突破，利用研究成果研制了km98AF型煤炭漏斗車（見圖10），完成了車體強度、制動和卸貨性能等試驗驗證。2014年7月，km98AF型煤炭漏斗車在朔黃鐵路投入線路運行考驗，目前情況良好。

圖10　KM98AF型煤炭漏斗車

4.1研究和應(yīng)用了重載承載車體技術(shù)

車體為鋼鋁混合鉚接結(jié)構(gòu)車體，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4個卸貨口，底門沿車體橫向布置，充分利用了車體下部空間，提高了車輛每延米重。

4.2研究和應(yīng)用了鋁合金車體輕量化技術(shù)

采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，上側(cè)梁、上端梁、角立柱、端梁、側(cè)梁、下托梁、側(cè)柱、撐桿、漏斗脊背以及中梁等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，其中側(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。

采用整體式鋁合金側(cè)墻板，鉚釘少，自重輕，易檢修。

側(cè)墻板采用攪拌摩擦焊工藝，焊縫接頭增強設(shè)計，強度有保證。

側(cè)墻板外側(cè)增加條形筋設(shè)計，平面度好，外脹小。

底門板為鋁合金整體擠壓成型，質(zhì)量輕，易檢修。

4.3研究和應(yīng)用了雙向運行自動卸貨技術(shù)

美國、澳大利亞等重載發(fā)達國家的煤炭漏斗車底開門卸貨裝置結(jié)構(gòu)簡單、自重相對較輕、性能可靠、使用和維護方便、卸貨效率高，可以充分利用車體下部空間，有利于提高車輛每延米重，具有成熟的運用經(jīng)驗，對發(fā)展我國大軸重煤炭漏斗車有著重要的啟示作用。

美國鋁合金煤炭漏斗車中央底門開閉機構(gòu)傳動原理為氣缸活塞桿推動豎杠桿轉(zhuǎn)動，帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)，門杠桿運動帶動底門開閉（見圖11）。當車輛1、4位側(cè)安裝的碰頭碰上地面軌道旁的第3軌時，氣控電磁閥動作，通過空氣管路帶動氣缸活塞桿運動，實現(xiàn)底門的自動開閉。也可以直接壓電磁閥兩端的按鈕實現(xiàn)手動開閉底門。沒有風(fēng)源但儲風(fēng)缸儲有空氣時仍能實現(xiàn)手動開關(guān)底門（見圖12）。該機構(gòu)具有自鎖功能，性能可靠，卸貨效率高，需要機車提供風(fēng)源，已經(jīng)在南車眉山車輛有限公司出口委內(nèi)瑞拉575輛礦石漏斗車上成功運用，其傳動軸需安裝在貫通中梁上，我國各運煤專線卸貨場不需要增加任何設(shè)施即可滿足卸車要求，但自重相對較重。

圖11　中央底門開閉機構(gòu)

圖12　中央底門開閉機構(gòu)風(fēng)控和電控原理圖

澳大利亞不銹鋼煤炭漏斗車地碰式底門開閉機構(gòu)由開門連桿、關(guān)門連桿、傳動軸、軸承座、關(guān)門緩解裝置等部分組成（見圖13）。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，不需要機車風(fēng)源，車輛需要固定編組，單向運行卸貨，我國各運煤專線卸貨場加裝地碰后即可實現(xiàn)自動卸貨。

在深入調(diào)查和分析我國運煤車輛裝卸設(shè)施基礎(chǔ)上，借鑒澳大利亞不銹鋼煤炭漏斗車單向運行地碰式底門開閉機構(gòu)成功運用經(jīng)驗，創(chuàng)新采用具有雙向運行卸貨功能的底門開閉機構(gòu)，車輛任意編組均可以卸貨。

圖13　地碰式底門開閉機構(gòu)

4.4研究和應(yīng)用了大軸重副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)

采用30t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，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型集成制動裝置，制動缸與閘調(diào)器集成化程度高，雙向調(diào)節(jié)；雙推桿設(shè)計，改善制動梁受力。

4.5研究和應(yīng)用了新型150型制動系統(tǒng)技術(shù)

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

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，質(zhì)量輕。150閥徹底消除了膜板失效，配合不良等故障，同時提高了緊急閥常用制動安定性，避免意外緊急，可大幅提高檢修周期至4年以上。

G L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制動管路的連接剛度、提高法蘭接頭抗變形能力，保證制動管系密封性能。

4.6研究和應(yīng)用了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研究和應(yīng)用了車體防腐蝕技術(shù)

端墻和側(cè)墻采用板梁式結(jié)構(gòu)設(shè)計，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研究和應(yīng)用了鋁合金底開門漏斗車制造和試驗技術(shù)

研究和應(yīng)用了鋁合金底開門漏斗車車體制造、地碰式底門開閉機構(gòu)安裝調(diào)試以及大軸重副構(gòu)架式徑向轉(zhuǎn)向架制造和性能測試等技術(shù)。

5　結(jié)束語

重載運輸技術(shù)代表了鐵路貨物運輸領(lǐng)域的先進生產(chǎn)力，已被國際公認是鐵路貨運發(fā)展的方向，開行大軸重煤炭漏斗車是提高我國鐵路煤炭運量最有效的措施之一。我國大軸重煤炭漏斗車關(guān)鍵技術(shù)研究以及成果的應(yīng)用，必將提高我國鐵路運輸裝備水平。

［1］ 嚴雋耄.車輛工程［M］.第2版.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］ 謝松云.淺談煤炭漏斗車的發(fā)展［J］.鐵道車輛，1994，（11）：26-28.

［3］ 何世球，孫明道，等.煤炭漏斗車開閉機構(gòu)發(fā)展過程及趨勢研究［J］，鐵道機車車輛，2008，28（6）：116-117.

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

Key Technology Research and Application of the Large Axle Load Coal Hopper Car

ZHANG Chaode1，CHI Hai2，YE Yi1，PAN Shuping2，F(xiàn)U Maohai3，A N Qi3
（1 CSR Meishan Rolling Stock Co.，Ltd.，Meishan 620032 Sichuan，China；2 Loco motive&Car Research Institute，China Academy of Railways Science，Beijing 100081，China；3 South west Jiaotong University Mechanical Engineering College，Chengdu 610031 Sichuan，China；）

The article expounds the advantages of automatic unloading coal hopper car，analyzes the technology of coal hopper wagon current situation and development trend of coal hopper wagon overloading developed countries and the main development characteristics，introduces the large axle load coal hopper car key technology research in our country，and points out the significance in the study of key technology of coal hopper wagon axle load.

coal hopper car；technology present situation；the development trend；the main characteristics；the key technology.

U272.6+2

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.05

1008-7842（2015）04-0020-05

*國家科技支撐計劃：軸重30噸及以上煤炭運輸重載運輸鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備研究（國科發(fā)計〔2013〕80號）；原中國南車股份有限公司科技研究開發(fā)計劃：30t軸重煤炭漏斗車新技術(shù)研究及運用（2014 NCK164）

9—）男，教授級高級工程師（

2015—03—03）