出口阿根廷宽轨石灰石漏斗车总体结构设计

2016-03-09栾鸿斌冯文倩韩金刚

轨道交通装备与技术 2016年3期

周睿栾鸿斌周炯冯文倩韩金刚

(1 .中国机械设备工程股份有限公司北京 100055；2 .中车眉山车辆有限公司四川眉山 620032)

漏斗车依靠货物重力作用自动卸货，对于货流量大且装卸地点较固定的散装货物，采用漏斗车可以加速车辆周转，提高卸货效率，获得较好的经济效益，在各国电站、港口、选煤、钢铁等企业有着广泛的应用[1]。阿根廷是巴西、智利、玻利维亚等国石灰石的主要输出国，但受铁路运输能力的影响，目前仅有30%的石灰石通过铁路运输，为提高阿根廷铁路运输石灰石的能力，开展新一代宽轨石灰石漏斗车研究，设计出符合阿根廷铁路运输现状的石灰石运输车具有重要的意义。

1 阿根廷铁路现状

阿根廷既有线路有3种轨距，分别为1 000 mm、1 435 mm和1 676 mm。

宽轨线以国内运输为主(见图1线条加粗部分)，连接布宜诺斯艾利斯(以下简称布市)、罗萨里奥、门多萨和圣胡安省，横贯潘帕斯草原，主要用于运输粮食和石灰石等货物。布市区间夜里1点至6点进行货运，其余时间开行客运。客运类似城际铁路，约3 km一个车站，布市区间线路状况良好，介于美国4级和5级线路谱之间，支线和站场线状况较差。正线和支线最小曲线半径为200 m，站场线为90 m，线路上没有巡视。

米轨铁路共有7 340 km，其中主线约有3 900 km、支线约有990 km，未使用的线路约有2 450 km。米轨线路连接智利、玻利维亚以及巴西等相邻国家，正线、支线最小曲线半径为120 m，站线为90 m。

准轨线最少，仅在东、北部。正线和支线最小曲线半径为200 m，站线为90 m。

图1 阿根廷国内铁路线路图

2 阿根廷既有石灰石漏斗车现状

既有矿石漏斗车(见图2)底架长13 200 mm、宽2 460 mm、高3 680 mm，单个卸货口长1 570 mm，漏斗口宽890 mm。主要装载石灰石，有时装载粉末状烧结石和混凝土石渣，其中装载烧结石时板结严重，卸载时需要使用振动器、锤子和高压风等手段。

图2 既有矿石漏斗车

据调研，阿根廷矿山所产的石灰石颗粒度约为20～100 mm，静态安息角约为37°～38°，堆密度为1.6 t/m3。阿根廷国内存在双侧卸货和单侧卸货2种地坑，其中两侧卸货时地坑长度大约为8 500 mm、宽度约为4 880 mm；单侧卸货时地坑长度约为8 500 mm，地坑边缘距钢轨内侧约200 mm。

3 出口阿根廷石灰石漏斗车总体结构选取

3.1 漏斗选取

漏斗结构与卸货站场的条件有关，该车需满足单侧或双侧均能使货物卸尽，因此漏斗的横向截面需设计为一个倒V和一个正V叠加结构。打开底门后，货物可从正V结构的漏斗通过倒V结构的导流板卸往车辆一侧或两侧，实现车辆使用功能，原理如图3所示。根据该原理，设计出图4所示的漏斗车，漏斗通过横向脊背、隔墙组成、端墙板和两侧漏斗板将其分为3个漏斗口，6个卸货口。

图3 卸货原理示意图

图4 漏斗形状三维示意图

3.2 端墙

端墙作为重要的承载部件，其结构是整车设计的重点。初步设计时采用国内常用板梁、斜撑组合式结构如图5(a)所示，但斜撑数量过多，整体外观不协调，且考虑涂打标记的需要，将端墙结构进行了优化，如图5(b)所示。

图5 端墙三维示意图

3.3 侧墙

侧墙作为整车侧向力的主要承载部件，初期方案准备采用矩形管上侧梁或冷弯异形多边形型钢。该结构存在如下缺陷：(1)上侧梁结构与侧墙搭接量大，自重较大；(2)侧墙形状的限制，使得矩形管上平面为非水平面，上端梁与矩形管不便于组对、焊接，采用冷弯异形多边形空心管需要重新开模，成本增加；(3)空心管内无筋板支撑，整体刚度差，装货时，易被铲车碰变形。鉴于此，上侧梁采用了带筋板的冷弯L型钢，与侧墙形成封闭箱型截面(见图6)，以规避上述缺陷。

图6 上侧梁三维示意图

3.4 隔墙

由于限界和使用功能的原因，该车侧墙板、侧漏斗板存在多处折弯，因此侧墙采用了无侧柱设计，设置2组隔墙，拉住侧墙，减小侧墙外胀。为加强隔墙底部的连接强度，初步设计采用隔墙插入横向脊背的结构，但考虑到生产制造的简单化，最终采用隔墙坐在横向脊背上方的结构，如图7所示。

图7 隔墙设计方案

3.5 机构设计

由于单个减速箱控制的底门数量多，底门开度大，货物载重大，因此开门扭矩大，传动轴直径大，为了减小开门扭矩便于操作、省力，减小传动轴直径降低自重，优化机构连杆位置减小初始开门输入扭矩，最终设计的传动结构如图8所示。

图8 传动结构布置图

通过对关键部件的结构选取，最终设计出新一代出口阿根廷的石灰石漏斗车(见图9)。

图9 出口阿根廷石灰石漏斗车三维示意图

目前，采用此结构的漏斗车已完成样机试制，整车如图10所示。

图10 出口阿根廷石灰石漏斗车样机

4 仿真分析

4.1 车辆强度计算分析

为分析石灰石漏斗车车体钢结构的强度、刚度，参照TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》对车体钢结构进行静强度有限元分析计算，计算工况载荷如表1所示。

表1 计算载荷工况说明

结果表明，该车各强度计算工况的最大当量应力均小于该处所用材料在相应工况下的许用应力或其屈服强度，车辆强度、刚度满足要求。

4.2 疲劳计算分析

参照AAR M—1001(2011)《货车设计制造规范》的要求对车体结构进行疲劳计算分析，结果显示，该车车体各部位的疲劳寿命均大于500万km的设计寿命要求，疲劳寿命最小处的计算寿命约为685万km，满足AAR标准AAR M—1001(2011)《货车设计制造规范》的要求。

4.3 动力学计算分析

参照GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》、《货车设计制造规范》的要求和阿根廷宽轨线路基本参数对该车进行动力学性能计算分析。结果表明，该车在AAR V级和Ⅳ级线路上、空车和重车工况、100 km/h运行速度范围内，其横向及垂向平稳性指标均达到良好标准，横向及垂向最大加速度、运动稳定性、直线运行安全性、曲线运行安全性均符合GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的规定，该车动力学性能满足运行要求。