40 t軸重鐵路礦石敞車

林量才， 武慧平， 胡躍明

(中國中車長江車輛有限公司， 武漢 430212)

近十幾年來，美國、加拿大、澳大利亞、南非、巴西等鐵路發(fā)達(dá)國家，大力發(fā)展鐵路貨物重載運(yùn)輸，極大地提高了鐵路運(yùn)輸勞動生產(chǎn)率，鐵路貨運(yùn)收入均達(dá)到了歷史最好水平。目前，鐵路貨運(yùn)重載技術(shù)已被國際公認(rèn)為鐵路貨運(yùn)的發(fā)展方向。

隨著鐵礦石產(chǎn)量和需求大幅增長，澳大利亞鐵路貨物重載運(yùn)輸?shù)玫搅碎L足的發(fā)展。2013年數(shù)據(jù)顯示，澳大利亞鐵路總營運(yùn)里程約3.9萬km，鐵路貨物重載運(yùn)輸約占鐵路總貨運(yùn)40%，年增長率達(dá)4.5%左右(2000年前約為3.3%)，其中，礦石年運(yùn)量5.45億t，占貨運(yùn)總量39%；到2015年，年貨運(yùn)量已超過10億t。

礦石運(yùn)量需求的不斷增大，促進(jìn)鐵路貨車運(yùn)能和效率不斷提升。自2007年以來，澳大利亞主要礦業(yè)公司以增大車輛軸重為路線，通過提高車輛載重和列車編組質(zhì)量，提升鐵路貨物運(yùn)能和效率，經(jīng)過近8年的發(fā)展，無論是車輛軸重還是列車編組質(zhì)量，均處于世界領(lǐng)先水平。

1 40 t軸重礦石敞車技術(shù)分析

1.1 車輛概述

為滿足澳大利亞礦石鐵路運(yùn)輸能力和效率要求，中車長江公司自2007年開始研制40 t軸重鐵路礦石敞車，最先的客戶是澳大利亞FMG公司，共生產(chǎn)1 400輛，其中，第1批和第2批為耐候鋼車輛，第3批和第4批為不銹鋼車輛。第1批車輛于2008年4月交付運(yùn)用，是當(dāng)時世界上運(yùn)營的最大軸重鐵路貨車；第4批車輛于2014年交付使用，運(yùn)營軸重提高到42 t，是目前運(yùn)營軸重最大的鐵路貨車。

2014年中車長江公司根據(jù)澳大利亞Roy Hill公司的需求，在充分繼承成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Roy Hill公司線路的運(yùn)營和技術(shù)條件，研制生產(chǎn)了1 196輛RH 40 t軸重不銹鋼礦石敞車，其中第1批車輛于2015年4月交付運(yùn)用。

該車2車1組，1輛為主車、1輛為輔車；車組的主、輔車采用E+級鋼重載牽引桿連接，兩端分別裝用E+級鋼重載F/FR型車鉤和SL-76型橡膠緩沖器；車組采用雙車聯(lián)控制動技術(shù)，主、輔車共用一套制動系統(tǒng)，主控制閥安裝在主車上。

車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，采用無側(cè)梁的焊接中梁底架、側(cè)柱內(nèi)置側(cè)墻等輕量化技術(shù)，其中，F(xiàn)MG公司第1、第2批車輛車體結(jié)構(gòu)材料采用Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼，第3、第4批車輛及Roy Hill 公司車輛車體與礦石接觸的零部件采用T4003不銹鋼，其余采用Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼。

轉(zhuǎn)向架采用變摩擦力減振裝置鑄鋼3大件式、二系彈簧懸掛、側(cè)架柔性對角連接和導(dǎo)框無磨耗結(jié)構(gòu),裝用TMX 單元制動系統(tǒng)。

FMG公司列車按照2輛機(jī)車+240輛車的集中牽引方式運(yùn)行，總牽引質(zhì)量最大達(dá)4.03萬t，Roy Hill公司列車按照2組機(jī)車分布式牽引方式運(yùn)行，總牽引質(zhì)量為3.8萬t，年運(yùn)營里程為25萬km；適應(yīng)于卸料斗邊行邊裝作業(yè)，每列車裝貨時間約2.4 h；采用雙車翻車機(jī)不摘鉤連續(xù)翻卸作業(yè)，每列車卸貨時間約4.7 h。運(yùn)行編組如圖1所示。

1.2 車輛主要性能參數(shù)

見表1。

1.3 運(yùn)用情況分析

現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明，車輛技術(shù)性能先進(jìn)，運(yùn)行安全可靠，可用度保持在98%以上，而且運(yùn)輸效率高，大幅提升了礦石運(yùn)能。

圖1 澳大利亞40 t軸重礦石敞車編組運(yùn)行圖

性能參數(shù)FMG公司RoyHill公司軸重/t404240自重/t≤22≤22.7≤22載重/t138145.3138自重系數(shù)0.160.1560.16容積/m369(平裝)73(堆裝)70比容/(m3·t-1)0.50.5最大運(yùn)行速度/(km·h-1)9080通過最小曲線半徑/m100100軌距14351435車鉤中心距軌面高度(空車)/mm876876單元車組長度/mm2230022000

1.3.1車體

現(xiàn)場調(diào)研和車輛檢測結(jié)果表明，車輛卸貨干凈，未發(fā)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)件裂損及側(cè)墻、端墻外漲和內(nèi)凹現(xiàn)象。車輛運(yùn)行25萬km隨機(jī)抽取2輛車分解檢測，上心盤平面磨耗平均為0.5 mm，徑向磨耗平均為0.4 mm；旁承磨耗板基本無磨耗。

但發(fā)現(xiàn)FMG公司第1批耐候鋼車輛運(yùn)用8年后，上側(cè)板焊縫區(qū)域腐蝕嚴(yán)重，最大腐蝕深度約1.7 mm，為板厚的42.5%，需要進(jìn)行修理。側(cè)柱、端墻板及地板腐蝕較輕，最大腐蝕厚度端墻板及地板小于0.5 mm，側(cè)柱小于1 mm。

不銹鋼車輛運(yùn)用最長為4年，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)車體表面腐蝕輕微。與運(yùn)用相同時段的耐候鋼車輛相比，車體耐腐蝕性能明顯優(yōu)良。據(jù)我國室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，T4003不銹鋼的煤水和海水腐蝕失重率分別是Q450NQR1耐候鋼的1/160和1/11；據(jù)澳大利亞測試數(shù)據(jù)，3Cr12鐵素體不銹鋼材料在海洋環(huán)境中的抗腐蝕能力為未涂裝油漆碳鋼約250倍；據(jù)澳大利亞昆士蘭鐵路調(diào)研，在車輛30年壽命期限內(nèi)，煤炭漏斗車車體結(jié)構(gòu)采用低合金高強(qiáng)度鋼材料的維修費(fèi)用是采用3Cr12鐵素體不銹鋼材料的約2.6倍。

1.3.2轉(zhuǎn)向架

由于增加了一系橡膠彈簧，減少了簧下質(zhì)量，同時采用了較為成熟的軸箱垂直隔振、輪對彈性定位及兩側(cè)架彈性交叉桿連接結(jié)構(gòu)，有效的降低了輪軌作用力，減少了車輪和鋼軌之間的磨耗提高了轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能。

車輛運(yùn)行25萬km進(jìn)行動力學(xué)性能測試，車體橫向、垂向加速度均小于0.2g，與新車狀態(tài)相當(dāng)。具體見表2。

表2 運(yùn)行25萬km后車輛動力學(xué)測試數(shù)據(jù)

對5輛車進(jìn)行分解檢查，各零部件無裂損、剝離現(xiàn)象，各摩擦部位磨耗輕微，磨耗情況見表3。

表3 轉(zhuǎn)向架運(yùn)行25萬km后摩擦部位磨耗量

1.3.3連接緩沖裝置

列車編組數(shù)量和牽引質(zhì)量提高后，車輛間的縱向載荷也相應(yīng)增大。據(jù)澳大利亞線路測試數(shù)據(jù)，4萬t質(zhì)量編組列車的最大壓縮力約3 900 kN，最大牽引力約2 820 kN；同時，F(xiàn)MG公司車輛翻卸作業(yè)采用成列撥車，最大撥車載荷約1 500 kN(第150輛車處)，每天出現(xiàn)1 000 kN的頻次達(dá)39次。

因此，為適應(yīng)40 t軸重礦石敞車列車編組質(zhì)量達(dá)到4萬t的縱向載荷要求，車輛裝用的車鉤和牽引桿均采用了新研制的E+級鋼材料，與E級鋼相比，抗拉和屈服強(qiáng)度指標(biāo)提高了15%。

車鉤鉤體、牽引桿、鉤尾框等部件的運(yùn)用情況良好，主要問題是FMG公司第1批和第2批車輛裝用的重載車鉤鑄造鉤舌裂損故障較多，這也是重載列車存在的普遍難題。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，鑄造鉤舌運(yùn)用后約4個月發(fā)現(xiàn)首個裂損，運(yùn)用9個月的裂損率為2.92%，運(yùn)用12個月的裂損率為6.25%，運(yùn)用13個月的裂損率為8.12%，之后每個月的裂損率保持在5%～7%,運(yùn)用16個月的裂損率為26.75%。具體見圖2所示。

圖2 重載車鉤鑄造鉤舌裂損統(tǒng)計(jì)圖

裂損基本發(fā)生在牽引臺彎角根部和S面彎角處，據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在牽引臺彎角根部的占93.3%，發(fā)生在S面彎角處的占6.7%。

為了解決鑄造鉤舌裂損較多的問題，F(xiàn)MG公司第3、第4批車輛和Roy Hill公司車輛均裝用E+級鋼鍛造鉤舌。FMG公司車輛運(yùn)用情況表明，鍛造鉤舌與鑄造鉤舌相比，運(yùn)用壽命提高1倍以上，同一時段內(nèi)的裂損故障降低了約65%；Roy Hill公司由于列車采用機(jī)車分布式牽引，車輛運(yùn)用2年未出現(xiàn)鉤舌裂損故障現(xiàn)象。

2 檢修制度

車輛采用狀態(tài)檢修為主，定期檢修為輔的檢修制度。狀態(tài)修包括對閘瓦、易損易耗件進(jìn)行檢查和更換，以及對車輛故障進(jìn)行實(shí)時檢修。定期檢修為車輛運(yùn)行25萬km(1年)對主要部位進(jìn)行檢修。同時，鐵路線裝有軸承自動檢測儀，在列車經(jīng)過時檢測軸承溫度，及時發(fā)現(xiàn)軸承故障。并且每3個月抽檢一組車，對車輪輪輞進(jìn)行超聲波探傷檢查，并對車輪的踏面輪廓進(jìn)行檢測，以跟蹤分析車輪運(yùn)用狀況。

定期檢修(年檢、25萬km)主要內(nèi)容如下：

(1) 車體

檢修車體各部件變形、裂損、磨耗及焊縫裂紋情況；車號是否缺損、脫落、模糊不清等。

(2) 轉(zhuǎn)向架

輪對檢查并旋修(按具體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行)；分解檢修彈簧、旁承、承載鞍、車軸、閘瓦、磨耗件、斜楔等配件。

(3) 制動裝置

目檢空氣管路情況，檢查空氣管路各連接部位緊固狀態(tài)。

(4) 連接緩沖裝置

目檢鉤體、鉤舌的裂損、鉤舌S面磨耗情況；檢查各連接部位螺栓緊固狀態(tài)。

3 結(jié)論與建議

(1) 40 t軸重礦石敞車是目前世界運(yùn)用軸重和列車編組質(zhì)量最大的鐵路貨車，它的成功研制和運(yùn)用，推動重載鐵路貨車技術(shù)達(dá)到了一個新高度，對發(fā)展我國重載鐵路貨車技術(shù)具有重要的借鑒和支持作用。

(2) 40 t軸重礦石敞車綜合技術(shù)性能先進(jìn)，運(yùn)用后可大幅提升鐵路貨物運(yùn)輸能力及效率和效益。但車輛運(yùn)用中發(fā)生的耐候鋼材料車體腐蝕和重載車鉤鑄造鉤舌裂損突出的問題，須進(jìn)一步深入研究改進(jìn)。

(3) 車輛運(yùn)用結(jié)果表明，車體結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料及重載車鉤采用鍛造鉤舌可大幅減少運(yùn)用故障率，降低車輛檢修量和運(yùn)用成本。

(4) 進(jìn)一步研究4萬t編組質(zhì)量列車機(jī)車牽引方式和翻卸作業(yè)撥車方式對車輛縱向載荷的影響及車鉤強(qiáng)度設(shè)計(jì)與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

(5) 進(jìn)一步研究40～45t軸重鐵路貨車輪軌低動力作用參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 林量才.F型重載鑄造鉤舌運(yùn)用故障分析[J].機(jī)車車輛工藝.2016(4):46-48.

[2] 武慧平.出口澳大利亞軸重40 t不銹鋼礦石敞車研制[1].鐵道車輛.2017,55(8):18-20.