載重128 t礦石敞車的研制

李裕飛，武進(jìn)雄，許秀峰

(中車石家莊車輛有限公司，河北 石家莊 051430)

載重128 t礦石敞車是中車石家莊車輛有限公司針對某客戶特定的應(yīng)用環(huán)境、使用工況及運輸介質(zhì)而開發(fā)的一種專用貨車。該車適用于在軌距為1 600 mm的鐵路線路上運行，主要用于運輸比重較大的礦石及散粒狀貨物，并通過翻車機(jī)的配合實現(xiàn)卸貨功能。圖1為載重128 t礦石敞車外觀。

圖1 載重128 t礦石敞車外觀

1 主要技術(shù)參數(shù)

表1為載重128 t礦石敞車主要技術(shù)參數(shù)。

2 主要技術(shù)特點

(1) 車體鋼結(jié)構(gòu)總體采用四棱臺式結(jié)構(gòu)，充分利用限界，自重小，載重大，符合精益研發(fā)的設(shè)計理念。

(2) 底架采用無端梁組成、無側(cè)梁組成的開放式結(jié)構(gòu)，使車廂整體坐落至底架上，滿足卸貨使用翻車機(jī)的裝夾要求。

(3) 側(cè)墻采用大小2種側(cè)柱，小側(cè)柱采用冷彎矩形鋼管，大側(cè)柱采用下大、上小的變截面結(jié)構(gòu)冷彎槽鋼，滿足車體側(cè)壓力的受力工況要求。

(4) 兩端端墻上部設(shè)置了高出端側(cè)墻上平面的檐板，消除了礦石灑落導(dǎo)致的安全隱患。

(5) 制動裝置、車鉤緩沖裝置均采用符合AAR標(biāo)準(zhǔn)要求的配件，可與客戶現(xiàn)有車輛對應(yīng)的零部件互換。

(6) 車輛1位端采用符合AAR標(biāo)準(zhǔn)要求的F型固定車鉤，2位端采用符合AAR標(biāo)準(zhǔn)要求的FR型旋轉(zhuǎn)車鉤，可實現(xiàn)車輛間不摘鉤翻轉(zhuǎn)卸貨的功能。

(7) 采用副構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，輪軌作用力小、磨耗少、安全性高，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；副構(gòu)架采用板材焊接結(jié)構(gòu)，具備較大抗剪剛度的同時，結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、成本低。

(8) 副構(gòu)架與側(cè)架間采用橡膠堆有效彈性連接，降低了簧下質(zhì)量和輪軌間的動作用力，提高了車輛的動力學(xué)性能。

3 主要結(jié)構(gòu)

載重128 t礦石敞車主要由車體、制動裝置、車鉤緩沖裝置和轉(zhuǎn)向架組成(圖2)[1]。

1.固定車鉤；2.底架組成；3.轉(zhuǎn)向架；4.空氣制動裝置；5.側(cè)墻；6.標(biāo)記；7.旋轉(zhuǎn)車鉤；8.端墻；9.手制動裝置；10.檐板。

3.1 車體

車體采用無端梁、無側(cè)梁全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由底架、側(cè)墻及端墻等部分組成。主要型鋼及板材均采用Q450NQR1高強度耐候鋼[2]。

(1) 底架為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，由中梁、枕梁、大橫梁、小橫梁、縱向梁等組焊而成，并鋪設(shè)厚7 mm的地板。中梁為由2根L形冷彎型鋼(361 mm×187 mm×12 mm)與厚18 mm的下蓋板組焊而成的箱形結(jié)構(gòu)。采用B級鋼鑄造上心盤、沖擊座。

(2) 側(cè)墻為板柱式結(jié)構(gòu)，由上側(cè)梁、變截面大側(cè)柱、冷彎空心鋼小側(cè)柱、下側(cè)梁、側(cè)板、扶梯、腳蹬等組焊而成。上側(cè)梁、側(cè)墻小側(cè)柱、側(cè)墻橫帶均采用100 mm×100 mm×5 mm冷彎矩形鋼管。

(3) 端墻由上端梁、角柱、橫帶及端板等組焊而成。上端梁、角柱采用140 mm×100 mm×5 mm冷彎矩形鋼管，橫帶采用斷面高度為130 mm的帽形冷彎型鋼。

3.2 制動裝置

采用符合AAR標(biāo)準(zhǔn)的制動系統(tǒng)及制動配件。空氣制動裝置主要由DB60型空氣控制閥、ABU型254 mm×305 mm制動缸、482-E型雙向閘瓦間隙調(diào)整器、EL-60型空重車調(diào)整閥、雙室風(fēng)缸、組合式集塵器、均衡風(fēng)缸、球芯折角塞門、制動軟管連接器等零部件組成，采用不銹鋼制動管系和不銹鋼法蘭接頭。

手制動裝置采用符合客戶要求的Q型手制動機(jī)，安裝至車體1位端端墻上，在腳踏的配合下可實現(xiàn)手制動機(jī)的駐車制動。

3.3 車鉤緩沖裝置

采用符合AAR標(biāo)準(zhǔn)要求的車鉤及相關(guān)零部件。其中1位端采用F型固定車鉤、鉤尾框及鉤尾銷；2位端采用FR型旋轉(zhuǎn)車鉤、鉤尾框及鉤尾銷；采用MT-2型緩沖器。

3.4 轉(zhuǎn)向架

采用37.5 t軸重焊接式副構(gòu)架轉(zhuǎn)向架，主要由輪對、側(cè)架、搖枕、輪對徑向裝置、7 in×12 in滾動軸承、承載鞍、橡膠堆、減振裝置、承載彈簧、基礎(chǔ)制動裝置以及間隙旁承等組成。采用下心盤與搖枕體為一體的搖枕結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)制動裝置采用雙層、立杠桿結(jié)構(gòu)、槽鋼制動梁以及高摩合成閘瓦[3]。

4 計算

4.1 車體靜強度計算

根據(jù)AAR M 1001:2009《貨車設(shè)計制造規(guī)范》規(guī)定的考核工況，采用ANSYS有限元分析軟件對該車車體進(jìn)行了靜強度計算。計算結(jié)果顯示，車體在各載荷工況作用下，后從板座與中梁腹板連接處節(jié)點最大的Von Mises應(yīng)力為410.737 MPa，小于原材料的許用應(yīng)力，表明車體及其零部件的靜強度滿足AAR M 1001：2009要求[4]。

4.2 穩(wěn)定性計算

車輛結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)中的桿、梁、板之所以在受到外界干擾可能會發(fā)生屈曲或失穩(wěn)，主要原因是作用在其中的廣義膜力引起的膜應(yīng)變能有可能被轉(zhuǎn)換成彎曲應(yīng)變能。經(jīng)計算，該車輛失穩(wěn)臨界載荷屈曲因子為：縱向1.618、橫向18.704、垂向5.444，三向載荷屈曲因子均大于1，表明該車輛具有較大的穩(wěn)定裕量，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)。

4.3 疲勞壽命計算

以AAR M 1001：2009第7章“貨車疲勞設(shè)計”為依據(jù)，采用ANSYS有限元分析計算軟件對車體疲勞壽命進(jìn)行計算。計算了該車體在垂向心盤浮沉載荷譜、縱向車鉤載荷譜、扭矩載荷譜、轉(zhuǎn)向架縱向沖擊疲勞載荷譜及轉(zhuǎn)向架橫向沖擊疲勞載荷譜條件下的疲勞壽命。計算結(jié)果表明，車體各部位的疲勞壽命在AAR載荷譜校核下的疲勞壽命滿足大于500萬km的設(shè)計壽命要求。

4.4 動力學(xué)性能分析

依據(jù)GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評估和試驗鑒定規(guī)范》要求，采用SIMPACK動力學(xué)仿真分析軟件對載重128 t礦石敞車的動力學(xué)性能進(jìn)行仿真計算分析。計算結(jié)果如下：

(1) 空重車工況下，該車蛇行臨界速度分別為112 km/h和139 km/h，均滿足空重車工況下最高運營速度80 km/h的要求。

(2) 空重車工況下，車輛在直線上運行時，60～110 km/h速度范圍內(nèi)橫向最大加速度為0.13g，垂向最大加速度為0.21g，橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)分別為2.63和3.01，均達(dá)到GB/T 5599—1985中的優(yōu)級。

(3) 空重車工況下，直線運行時、通過半徑為300 m、400 m、600 m、800 m的圓曲線時，或者通過由12號道岔組成的過渡曲線時，輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和傾覆系數(shù)均滿足GB/T 5599—1985要求，運行安全性符合要求。

計算表明：該車在空重車工況下的各項運行性能指標(biāo)均滿足GB/T 5599—1985的要求[5]。

5 試驗

5.1 車體靜強度試驗

依據(jù)AAR M 1001：2009對該車車體進(jìn)行了車體靜強度試驗，試驗包括靜止縱向載荷試驗、垂向載荷試驗、扭轉(zhuǎn)載荷試驗、頂車試驗、車端壓縮載荷試驗、車鉤豎向載荷試驗、抬車試驗、扭轉(zhuǎn)載荷試驗等。試驗結(jié)果顯示，各工況下所有測點合成應(yīng)力的最大值為428.136 MPa，小于部件所對應(yīng)的屈服強度，表明車體靜強度滿足AAR M 1001：2009的相關(guān)要求。

5.2 曲線通過模擬試驗

為確保車輛在通過曲線或極限位置工況下車體、轉(zhuǎn)向架、制動裝置及相關(guān)配件無干涉、接觸或觸碰情況，對該車進(jìn)行了曲線通過模擬試驗。試驗結(jié)果表明，在任何曲線上和任何工況下，車體、轉(zhuǎn)向架、制動裝置及相關(guān)配件均無干涉現(xiàn)象，滿足車輛運行要求。

5.3 單車試驗及閘瓦壓力試驗

試驗結(jié)果表明，制動系統(tǒng)各項性能指標(biāo)均滿足AAR S 401：2006《貨車制動機(jī)基本設(shè)計數(shù)據(jù)》的要求。

6 結(jié)束語

目前載重128 t礦石敞車已交付客戶運營使用，使用性能穩(wěn)定可靠，狀態(tài)良好，未出現(xiàn)任何不良的產(chǎn)品質(zhì)量問題，滿足客戶要求。