载重128 t矿石敞车的研制

2022-05-07李裕飞武进雄许秀峰

铁道车辆 2022年2期

李裕飞，武进雄，许秀峰

(中车石家庄车辆有限公司，河北石家庄 051430)

载重128 t矿石敞车是中车石家庄车辆有限公司针对某客户特定的应用环境、使用工况及运输介质而开发的一种专用货车。该车适用于在轨距为1 600 mm的铁路线路上运行，主要用于运输比重较大的矿石及散粒状货物，并通过翻车机的配合实现卸货功能。图1为载重128 t矿石敞车外观。

图1 载重128 t矿石敞车外观

1 主要技术参数

表1为载重128 t矿石敞车主要技术参数。

2 主要技术特点

(1) 车体钢结构总体采用四棱台式结构，充分利用限界，自重小，载重大，符合精益研发的设计理念。

(2) 底架采用无端梁组成、无侧梁组成的开放式结构，使车厢整体坐落至底架上，满足卸货使用翻车机的装夹要求。

(3) 侧墙采用大小2种侧柱，小侧柱采用冷弯矩形钢管，大侧柱采用下大、上小的变截面结构冷弯槽钢，满足车体侧压力的受力工况要求。

(4) 两端端墙上部设置了高出端侧墙上平面的檐板，消除了矿石洒落导致的安全隐患。

(5) 制动装置、车钩缓冲装置均采用符合AAR标准要求的配件，可与客户现有车辆对应的零部件互换。

(6) 车辆1位端采用符合AAR标准要求的F型固定车钩，2位端采用符合AAR标准要求的FR型旋转车钩，可实现车辆间不摘钩翻转卸货的功能。

(7) 采用副构架式转向架，轮轨作用力小、磨耗少、安全性高，具有良好的经济效益；副构架采用板材焊接结构，具备较大抗剪刚度的同时，结构简单、工艺性好、成本低。

(8) 副构架与侧架间采用橡胶堆有效弹性连接，降低了簧下质量和轮轨间的动作用力，提高了车辆的动力学性能。

3 主要结构

载重128 t矿石敞车主要由车体、制动装置、车钩缓冲装置和转向架组成(图2)[1]。

1.固定车钩；2.底架组成；3.转向架；4.空气制动装置；5.侧墙；6.标记；7.旋转车钩；8.端墙；9.手制动装置；10.檐板。

3.1 车体

车体采用无端梁、无侧梁全钢焊接结构，由底架、侧墙及端墙等部分组成。主要型钢及板材均采用Q450NQR1高强度耐候钢[2]。

(1) 底架为全钢焊接结构，由中梁、枕梁、大横梁、小横梁、纵向梁等组焊而成，并铺设厚7 mm的地板。中梁为由2根L形冷弯型钢(361 mm×187 mm×12 mm)与厚18 mm的下盖板组焊而成的箱形结构。采用B级钢铸造上心盘、冲击座。

(2) 侧墙为板柱式结构，由上侧梁、变截面大侧柱、冷弯空心钢小侧柱、下侧梁、侧板、扶梯、脚蹬等组焊而成。上侧梁、侧墙小侧柱、侧墙横带均采用100 mm×100 mm×5 mm冷弯矩形钢管。

(3) 端墙由上端梁、角柱、横带及端板等组焊而成。上端梁、角柱采用140 mm×100 mm×5 mm冷弯矩形钢管，横带采用断面高度为130 mm的帽形冷弯型钢。

3.2 制动装置

采用符合AAR标准的制动系统及制动配件。空气制动装置主要由DB60型空气控制阀、ABU型254 mm×305 mm制动缸、482-E型双向闸瓦间隙调整器、EL-60型空重车调整阀、双室风缸、组合式集尘器、均衡风缸、球芯折角塞门、制动软管连接器等零部件组成，采用不锈钢制动管系和不锈钢法兰接头。

手制动装置采用符合客户要求的Q型手制动机，安装至车体1位端端墙上，在脚踏的配合下可实现手制动机的驻车制动。

3.3 车钩缓冲装置

采用符合AAR标准要求的车钩及相关零部件。其中1位端采用F型固定车钩、钩尾框及钩尾销；2位端采用FR型旋转车钩、钩尾框及钩尾销；采用MT-2型缓冲器。

3.4 转向架

采用37.5 t轴重焊接式副构架转向架，主要由轮对、侧架、摇枕、轮对径向装置、7 in×12 in滚动轴承、承载鞍、橡胶堆、减振装置、承载弹簧、基础制动装置以及间隙旁承等组成。采用下心盘与摇枕体为一体的摇枕结构；基础制动装置采用双层、立杠杆结构、槽钢制动梁以及高摩合成闸瓦[3]。

4 计算

4.1 车体静强度计算

根据AAR M 1001:2009《货车设计制造规范》规定的考核工况，采用ANSYS有限元分析软件对该车车体进行了静强度计算。计算结果显示，车体在各载荷工况作用下，后从板座与中梁腹板连接处节点最大的Von Mises应力为410.737 MPa，小于原材料的许用应力，表明车体及其零部件的静强度满足AAR M 1001：2009要求[4]。

4.2 稳定性计算

车辆结构以及结构中的杆、梁、板之所以在受到外界干扰可能会发生屈曲或失稳，主要原因是作用在其中的广义膜力引起的膜应变能有可能被转换成弯曲应变能。经计算，该车辆失稳临界载荷屈曲因子为：纵向1.618、横向18.704、垂向5.444，三向载荷屈曲因子均大于1，表明该车辆具有较大的稳定裕量，结构稳定性优。

4.3 疲劳寿命计算

以AAR M 1001：2009第7章“货车疲劳设计”为依据，采用ANSYS有限元分析计算软件对车体疲劳寿命进行计算。计算了该车体在垂向心盘浮沉载荷谱、纵向车钩载荷谱、扭矩载荷谱、转向架纵向冲击疲劳载荷谱及转向架横向冲击疲劳载荷谱条件下的疲劳寿命。计算结果表明，车体各部位的疲劳寿命在AAR载荷谱校核下的疲劳寿命满足大于500万km的设计寿命要求。

4.4 动力学性能分析

依据GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评估和试验鉴定规范》要求，采用SIMPACK动力学仿真分析软件对载重128 t矿石敞车的动力学性能进行仿真计算分析。计算结果如下：

(1) 空重车工况下，该车蛇行临界速度分别为112 km/h和139 km/h，均满足空重车工况下最高运营速度80 km/h的要求。

(2) 空重车工况下，车辆在直线上运行时，60～110 km/h速度范围内横向最大加速度为0.13g，垂向最大加速度为0.21g，横向和垂向平稳性指标分别为2.63和3.01，均达到GB/T 5599—1985中的优级。

(3) 空重车工况下，直线运行时、通过半径为300 m、400 m、600 m、800 m的圆曲线时，或者通过由12号道岔组成的过渡曲线时，轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率和倾覆系数均满足GB/T 5599—1985要求，运行安全性符合要求。

计算表明：该车在空重车工况下的各项运行性能指标均满足GB/T 5599—1985的要求[5]。

5 试验

5.1 车体静强度试验

依据AAR M 1001：2009对该车车体进行了车体静强度试验，试验包括静止纵向载荷试验、垂向载荷试验、扭转载荷试验、顶车试验、车端压缩载荷试验、车钩竖向载荷试验、抬车试验、扭转载荷试验等。试验结果显示，各工况下所有测点合成应力的最大值为428.136 MPa，小于部件所对应的屈服强度，表明车体静强度满足AAR M 1001：2009的相关要求。