铁路货车轻量化应用研究与分析

2016-01-27邹红亮

科学中国人 2016年33期

关键词：车体轻量化货车

邹红亮

呼和浩特铁路局包头西车辆段

铁路货车轻量化应用研究与分析

邹红亮

呼和浩特铁路局包头西车辆段

铁路货车的运输效率与效率提升作为当今世界铁路货运发展主题，铁路货车轻量化应用研究与分析势在必行。因此文章主要针对铁路货车轻量化应用现状，对完善铁路货车轻量化应用的具体措施进行分析，以供业界参考、完善。

铁路货车；轻量化应用；分析

铁路货车发展都是以提升运输效率和效益为最终目的，而铁路货车轻量化应用研究与分析是提升铁路运输效率和节约能源的重要内容，减轻铁路货车车体、行走质量和附属设备，不仅能够降低原材料的消耗和牵引能耗，节省能源，提升列车运行速度，对列车启动与制动性能进行改善，提升列车运行的安全性与可靠性。还可减少轮轨之间的动力作用，减少振动与噪声，从而延长列车与线路的使用期限。

1、铁路货车轻量化应用现状

铁路货车轻量化是指在承载结构质量有限范围内实现结构承载的最大化，从而确保结构具有安全性和可靠性。铁路货车轻量化应用的基本原理主要是在达到功能性与安全可靠性的基础上，通过合理分配结构质量，充分利用材料机械性能，防止结构应力集中效应，对铁路货车整体的结构强度进行调整，选择合理的材料，实现轻量化设计。

在铁路货车轻量化应用方面，美国主要以重载运输为主要发展方向，应用特点具有货车轴重大，载重相对较高，运行效率高，自重轻，原材料成本费用经济，列车牵引总质量达到1万～3万t，轴重为29t。德国以快速运输为主要发展方向，列车编组相对较少，货车运输速度快和轴重低。而我国铁路货车运输主要以“速，密，重”协调方向发展，但和世界铁路运输发达国家相比，在轴重和车辆轻量化技术研究方面还存在明显差别。对于铁路货车轻量化而言，我国70t货车自重系数和80t专用车自重系数是0.34、0.25；美国大部分专用货车的自重系数是0.17；而澳大利亚40t轴重矿石车的自重系数达到了0.159。除了上述的铁路轻量化技术存在明显差距外，还包括材料、环境和结构等影响因素。其中，实现铁路货车轻量化的方法主要是减少铁路货车中组成部件板材的厚度，但是因为受车辆性能、检修年限、板材厚度的选取与结构强度影响，因此铁路货车使用比重小和具有较强耐腐蚀性的新型材料已经成为解决车体轻量化问题的有效途径。随着全球世界各地提倡节能环保的前提下，铁路货车轻量化逐渐成为世界铁路货车制造业的发展趋势。因此，钢质货车如何在保障安全性情况下不断向快捷、载重高和自重轻的方向发展，对铁路货车轻量化应用具有重要意义[1]。

2、完善铁路货车轻量化应用的具体措施

2.1 更新设计手段

在优化结构轻量化设计方案上，设计师一般会按照结果分析、结果与经验对结构方式进行调整，这一方式的应用已经无法适应发展需求。因此，在设计方面应通过分析结构与优化理论、方法相互结合方式，减轻结构质量为目标的结构优化模式已经成为车辆结构设计的重点，这一方法的使用逐渐被应用到我国铁路机车车辆行业中。例如某车辆有限公司出口的轴重为40t矿石敞车在车辆自重方面提出严格要求，在设计车体承载结构方面，对于轻量化设计，在确保车辆符合设计规范标准同时，为达到减少车体承载结构质量的目的，按照结构质量要求不断优化车体结构的轻量化设计。又如在有限元分析软件ANSYS二次开发平台上，中南大学交通运输工程学院以车体承载结构质量为主要设计函数，通过部件板厚设计的变量，以铁路实际载荷的结构应力和挠度为依托，借助参数化设计语言APDL对车体承载结构质量进行优化设计，最终经过优化后1/4车体承载结构质量由最初设计方案的1.9395t减轻了0.1836t，减重率达到9.47%，优化后自重系数为0.159，结构各个部位的最大应力低于材料允许应力值，取得了车体自重量小的设计方案。这一结构表明，通过有效元分析技术，能够充分利用结构各个部件承载能力，确保车体结构强度和刚度符合设计标准要求[2]。

2.2 完善设计方案

敞车车体中梁作为铁路货车重要的承载部件，在车体中这一部分的自重占有较大的比例。对于材料强度等级与制造方便而言，我国敞车的中梁大部分使用乙型钢；从轻量化技术应用方面，C76型和C80型的敞车使用的是焊接中梁，通过焊接中梁方式对断面进行优化，有效分配板厚，充分利用材料的价值，满足强度设计理念，从而减轻质量，提升材料使用的刚度。例如C70型车侧使用屈服极限为450MPa的双曲面冷弯侧柱，以此改善车体侧柱刚度，提升侧墙抗外胀能力。和帽型钢相比，每1根侧柱均减轻了15.3kg。又如C80B型不锈钢与C80A全钢等运煤敞车，优化了独立下侧梁，借助侧墙板、地板和圆弧形加强板围成一个封闭区域，以此减少质量，让受力更加均匀合理，从而充分利用限界，拓宽车辆容积有效降低车辆自重。

2.3 引进先进技术

在优化铁路货车轻量化方面，可通过引进牵引杆技术、ECP电空制动技术和转向架集成制动技术，降低车辆自重和列车间纵向作用力，节约制造成本，减少短钩和脱轨事故发生率，确保结构紧凑，提升传动效率，有效利用车辆空间。例如C80系列的运煤专用敞车通过运用牵引杆技术，减少车辆的自重，使每个车钩缓冲装置重量减轻了280kg，然后辅助转向架集成制动装置，确保结构紧凑型，从而提升传动效率，充分利用车辆空间，节约了制造成本[3]。

2.4 使用新型材料

据相关数据统计显示，通常情况下，车体钢结构质量占车辆总体重量的50%。实践证明，在铁路货车轻量化设计方面，使用高强度耐候钢、非金属材料、铝合金和不锈钢等新型材料，能够有效减轻车体质量，例如大秦线中C80B型运煤专用敞车，通过使用不锈钢材料，增强了车体的耐蚀性，以此降低车辆自重，提升车辆的载重，实现轻量化设计。除此之外，棚车还可使用中密度和韧性良好的竹编板作为端墙、车顶和侧墙内衬材料，通过低密度和高强度竹材层压板替代钢地板，从而减轻车辆自重，达到优化铁路货车轻量化的目的。