自滚轮特大装备运输用凹底平车车体增载技术分析

武进雄，许秀峰，万 涛，王艳霞

（中车石家庄车辆有限公司，石家庄 051430）

根据自滚轮特大装备自身的结构特点、运输过程中的装载方式/型式及运输特点，该装备装载采用自行驶入车辆端部并运行至车辆承载部位（车辆承载部位地板面距轨面间的距离须远低于车辆两端地板面距轨面间的距离），可解决车辆运输过程中的超限问题；自滚轮特大装备属于结构复杂、零部件的加工精度和部件的组装精度要求高，不适合解体运输，同时采用整体装载的运输方式也是客户的重要技术要求之一。

目前，满足自滚轮特大装备运输要求的铁路货车仅有载重40 t凹底平车、载重50 t凹底平车以及载重60 t凹底平车，具体参数如表1所示；而据客户反映，现阶段部分自滚轮特大装备的自身质量已经升级至80 t，对自重为60～80 t级间的自滚轮特大装备采用不解体运输方式运输已无法实现。基于以上因素，进一步研究开发载重80 t级凹底平车是迫在眉睫。

1 选材技术分析

载重40 t凹底平车车体主要材质为Q345D，屈服极限为345 MPa；载重50 t凹底平车车体主要材质为16Mnq，许用应力为220 MPa；载重60 t凹底平车车体主要材质为Q450NQR1，屈服极限为450 MPa。并结合目前现有铁路货车车体制造用主材市场获知，研制更高载重的自滚轮特大装备运输用凹底平车车体采用屈服极限为450 MPa的高强度耐候钢具有良好的经济性和可操作性。

表1 3种凹底平车主要参数与基本尺寸统计对比表

2 车体结构分析

2.1 载重40 t凹底平车车体结构

该车底架采用半封闭式的全钢焊接结构，主要由2个箱型侧梁、2个枕梁、6个大横梁、2个牵引梁、2个端梁及地板等部分组成。承载部分中央截面高度仅为366 mm，承载面距轨面高度为666 mm。车辆定距为15 120 mm，比通用车辆定距相比，定距较大，为了满足强度、刚度的使用要求，侧梁由厚度为25 mm的上、下盖板和2块厚度为20 mm的腹板组成箱型结构；枕梁、大横梁及牵引梁由厚度为25 mm的上、下盖板和厚度为16 mm的腹板组成，在大横梁和各梁的隔板上设有减重自重的工艺孔；地板厚度为10 mm，下盖板厚度为16 mm。

2.2 载重50 t凹底平车车体结构

该车底架的结构与载重40 t凹底平车相同，主要由2个箱型侧梁、2个枕梁、4个大横梁、2个牵引梁、2个端梁及地板等部分组成。底架截面总高度为490 mm，中央部位上平面（承载面）距轨面高度为690 mm。箱型侧梁截面高度为470 mm，由厚度均为30 mm的上、下盖板和2块厚度为20 mm的腹板组焊而成；枕梁、大横梁、牵引梁均为箱型结构，由厚度均为30 mm的上、下盖板和厚度为20 mm的腹板组焊而成；地板由中部地板和两端地板组成，其中中部地板厚度为10 mm的钢板，两端地板采用下部厚度为6 mm的钢板和上部厚度为4 mm的波纹钢板叠加叠焊而成，以实现防滑的能力；底架下盖板厚度为10 mm。

2.3 载重60 t凹底平车车体结构

该车底架采用全封闭式的全钢焊接结构，主要由框格、枕梁、牵引梁、端梁、地板、下盖板及口盖等部件组成。承载部位中央截面高度仅为471 mm，承载面距轨面高度为675 mm。与载重40 t凹底平车、载重50 t凹底平车用底架相比，最大的特点为：一是无侧梁；二是总体采用框格结构；三是采用全封闭式结构。框格由纵向腹板、鱼腹型纵向腹板、横向腹板及隔板组焊而成，与底架下盖板、地板焊接后形成一个整体的箱型结构底架；枕梁与牵引梁均采用上、下盖板、腹板及隔板组焊而成双腹板变截面箱型结构；地板由中部地板和两端地板组成，其中中部地板厚度为16 mm，两端地板厚度为7 mm；下盖板厚度为16 mm。

通过分析，在原材料一定的条件下，采用整体式的框格结构相对传统的中梁、侧梁结构强度、刚度更优，因此在研制载重80 t级凹底平车中，底架采用整体框格结构，同时采用增大横截面高度的方法提高整车的总体强度、刚度，以满足设计要求。

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3 限界利用充分性分析

载重40 t凹底平车距轨面的最小距离不是底架下平面，而是固定制动管的制动管吊下平面，且距轨面的距离为190 mm，并经车辆的实际运行结果获知，距轨面仅为190 mm的制动管吊不影响车辆的正常运行，因此对于再次研究开发相类似结构的产品来说，优化底架结构及风制动装置设计方案，增大底架横截面高度，提高抗弯截面系数，可有效提高车辆的承载能力。

载重60 t凹底平车底架下平面距轨面间的距离为车体距轨面的最小距离，即为204 mm，载重50 t凹底平车距轨面的最小距离远大于204 mm，两种车型下部限界均没有充分得到利用。

研制承载能力大于60 t级及以上凹底系列平车，在保证车体强度、刚度、车辆运行可靠、安全以及自滚轮特大装备实际结构的条件下，充分利用车辆下部限界以及自滚轮特大装备自身结构特点，优化车体结构，增加车辆中央横截面高度，提高车辆强度、刚度及承载能力。

4 大载重凹底平车车体技术方案研究

4.1 主要参数及基本尺寸的确定

依据现有铁路线路基础建设情况，并结合客户对特大自滚轮装备运输用铁路车辆的要求，该载重80 t凹底平车走行部选用23 t轴重的3轴转向架为先决条件，其余的主要参数及基本尺寸如表2所示。

表2 载重80 t凹底平车主要参数与基本尺寸

4.2 车体主要结构

该车体采用全封闭式凹底型全钢焊接结构，如图1所示。

图1 载重80 t凹底平车结构图

承载部位横截面呈“凸”字型型式，如图2所示。

车体钢结构由框格、枕梁、牵引梁、端梁、地板及下盖板组成，如图3所示。

图2 车体中央横截面结构图

图3 载重80 t凹底平车车体模型图

其中框格采用纵向鱼腹型腹板、纵向腹板、横向腹板及隔板组焊而成，且框格与地板及下盖板组焊形成底架的整体箱型结构；枕梁采用下盖板、上盖板与腹板、隔板组焊而成的变截面箱型结构；牵引梁采用上、下盖板、腹板、隔板等组焊而成的变截面箱型结构；端梁采用L型冷弯型钢；地板及3块下盖板加强板均为材质Q450NQR1的普通钢板，下盖板采用倒“几”型结构，以提高强度和刚度。

4.3 计算分析

车辆载重为80 t，自重为50 t，转向架自重为14 t，同时考虑动载荷系数及雨雪等其他因素的影响，经计算：

车体中央截面承受的最大弯矩：

型心：

（车体中央横截面下平面为坐标轴圆点）；惯性矩：

抗截面系数：

依据式（1）计算 ：σ上=200.41 MPa，σ下=153.48 MPa，均小于原材料的许用应力。

另外，最大挠度为71.21 mm，挠跨比为：71.21/18 210=1/256＜1/250，满足要求。

5 技术经济效益分析

（1）满足了自重为60～80 t级特大自滚轮装备的运输需求，解决了该类特大自滚轮装备无法整体运输的难题，避免了解体运输对装备性能的损害，提高了运输效率，降低了运输成本。

（2）载重80 t凹底平车相对载重40 t凹底平车、载重60 t凹底平车，车辆自重系数较小，提高载重，提高了运输经济性。

（3）该底架采用无中梁整体封闭式凹底框架结构，提高了车辆的整体承载能力。

（4）依据特大自滚轮装备自身结构特点及现有同类型车辆的实际运营情况，充分利用了车辆的下部限界，降低了重载车辆的重心，提高了运输安全性及稳定性。

6 结束语

以满足自重为60～80 t级自滚轮特大装备的铁路运输需求为宗旨，结合现有同类型铁路车辆结构特点、下部限界利用情况以及实际运营工况，制定了满足自重为60～80 t级自滚轮特大装备运输用载重80 t凹底平车技术方案及关键参数的确定，并通过相关计算对该方案进行了验证，该载重80 t凹底平车技术方案完全能满足自重为60～80 t级自滚轮特大装备的运输需求。