70t级铁路储油罐车焊接结构及工艺设计说明书

沈阳理工大学学士学位论文I摘 要随着中国成功地加入世界贸易组织(WTO)，中国的经济取得了空前的高速发展。国家投资基础设施建设的力度越来越大，各种物资的流通运输和周转量逐年增加 ，经济发展对交通运输行业提出了更高的要求和挑战。铁道运输作为国民经济发展的大动脉，货车运能远远不能满足物资运输的需求，铁道运输“重载化”已成为现阶段铁路运输的重要课题。为提高运能，适应国民经济发展的需要，近年来，铁道部实施了跨越式发展战略，铁路货车向“重载化、快捷化”的方向发展，出台了 70t 级货车的重载技术政策，先后研制成功了 70t 级新型敞车、平车、棚车等重载货车，为全面开行重载列车创造了条件。70t 级新型轻、粘油罐车是按照铁路货车重载技术政策要求设计开发的轴重 23t 的重载罐车，该车采用无中粱结构，载重较 G70 和 G17B 型罐车提高 8t 和 7t。为适应重载，提高了车辆强度校核标准，新型罐车对车辆结构的可靠性提出了更高的要求，牵枕结构作为罐车车承上启下的关键部件，传递着牵引和各项冲击载荷，承载着各种垂向、横向载荷，受力非常复杂，该结构的可靠性直接关系到罐车整车的运行安全。本文通过对 70t 级新型无中梁罐车牵枕结构的设计、选型和开发思路作以论述，探讨无中粱罐车牵栋结构的一般规律，从而对一般无中梁罐车的设计和选型提供帮助。关键词： 70t 级；无中梁罐车；车枕结构；设计；分析沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractWith Chinas successful accession to the World Trade Organization (WTO), Chinas economy has achieved an unprecedented high-speed development. Increasing the intensity of the national investment in infrastructure construction, distribution and transportation of various materials and the turnover increased year by year. Economic development has put forth higher demands and challenges on the transportation industry. Railway Transport as the main artery of the national economic development, , trucked far can not meet the needs of the transportation of materials,and the Railway Transport “overload“ has become an important issue of rail transport at the present stage.In order to improve the transport capacity to meet the needs of national economic development, the Ministry of Railways implemented a leap-forward development strategy in recent years which leaded the development of railway wagons to the “overloaded,time-saved“ of the direction .It has brought out the overloaded technology policy for 70t class truck including a 70t class of new gondola car, flat car, boxcar and other heavy goods vehicles, and has create the conditions for the full opening line of heavy haul train. 70t class of new light, sticky oil tanker is an overloaded tankers(axle load 23t ), a stub sill tangk car , which is designed and developed with accordance to the requirement of railway wagons overloaded technology policy , its loading capasity is increased by 8t and 7t compared with the G70 and G17B-type tanker. To adapt to overloading, vehicle strength check standards are increased. The new type of tanker claims more reliability of the vehicle structure in which draft sill and body bolster structrer is assembly a key part . Because the part is bared with various force including longitudinal impact force ,vertical and horizontal force ,the reliability of the part is derectly related to the safe running of the whole tank car .This thesis is trying to probe into the general rules for draft sill and body bolster structrer of stub sill tangk car though discussing the design , structure-selected and development ideas of Class 70 ton new type stub sill tangk car and to provide general assistment to the design and structure-selecting of genera stub sill tangk car .Key word :Class 70-ton; Stub sill tangk car ; Draft sill and body bolster structrer ; Design ; Analysis沈阳理工大学学士学位论文III目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 绪 论 .11.1 国外无底架罐车的发展历史 .41.2 国内无底架罐车的发展历史 .91.2.1 我国铁路罐车的发展现状 .91.2.2 我国罐车的不足 .161.2.3 我国罐车的发展趋势 .171.3 罐车的应用 .18第二章 罐车的结构设计 .202.1 罐车介绍及其结构特点 .202.2 主要性能及参数 .212.3 主要结构 .212.3.1 罐体 .222.3.2 牵枕装置 .222.3.3 制动装置 .232.3.4 车钩缓冲装置 .232.3.5 转向架 .252.3.6 侧梯及操作台 .272.4 罐体的受力分析 .282.4.1 内压力 .282.4.2 外部过压力 .302.4.3 垂直力 .302.4.4 侧向力（离心力和风力） .312.4.5 纵向载荷 .322.5 罐体的设计计算 .322.6 罐体的计算 .352.6.1 刚度计算结果 .422.6.2 强度计算结果 .422.6.3 车辆设备及结构附件的强度要求 .432.7 疲劳载荷分析 .432.8 车辆寿命及检修周期 .52第三章 罐体的工艺设计 .553.1 备料的加工工艺 .553.1.1 钢材的预处理 .553.1.2 放样、划线与号料 .553.1.3 下料和边缘加工 .56沈阳理工大学学士学位论文IV3.1.4 弯曲和形成 .563.1.5 焊接材料 .563.1.6 附件 .573.2 16MnR 的焊接性分析 .573.2.1 对压力容器用钢基本性能的要求 .573.2.2 合金元素和杂质对压力容器用钢性能的影响 .593.2.3 16Mn 钢的化学成分和力学性能 .613.2.4 16Mn 钢的焊接性 .623.3 焊缝分类及接头的选择 .643.3.1 压力容器焊接接头分类 .643.3.2 接头的选择 .643.3.3 焊接方法 .643.4 罐壁的预作 .663.4.1 罐壁的分块 .663.4.2 罐璧排板与连接 .673.5 封头的预作 .683.6 罐体的组焊 .703.6.1 罐体组焊技术要求 .703.6.2 组焊方法 .703.6.3 制定焊接工艺应考虑的问题 .703.7 牵枕装置的工艺流程 .713.7.1 牵引梁的装配和焊接 .713.7.2 牵引梁的生产工艺流程 .713.8 焊接 .723.8.1 一般要求 .723.8.2 焊材管理 .733.8.3 焊接施工 .733.8.4 修补 .743.9 检查及验收 .753.9.1 焊缝的无损检测 .753.9.2 热处理要求 .753.9.3 液压试验及其密性试验 .753.9.4 氮气置换 .753.10 工装卡具的设计 .75第四章 结 论 .774.1 主要结论 .774.2 展望与设想 .78致 谢 .79参考文献 .81附录 A：外文文献 .83沈阳理工大学学士学位论文V附录 B：中文翻译 .97附录 C：焊接工艺卡片 .110沈阳理工大学学士学位论文1第一章 绪 论铁路机车车辆是铁路运输的重要设备，机车是牵引列车的动力，车辆是装载旅客及货物的工具。随着铁路建设的飞跃发展，铁路机车车辆也有了很大的进步，相继推出了一系列适应铁路提速.重载需要的新型机车车辆。铁路运输是以铁路作为运输线路，由机械动力牵引车辆运送旅客和货物的运输。与水路运输.公路运输比较，其运输能力大，运行速度快，安全程度高；与航天运输比较，其成本低，受气候影响和地理条件限制小，能连续运行并保证其准确性。适合于大宗货物长途运输和大量旅客运输。中华人民共和国成立前，铁路主要集中在东北和沿海地区，而且铁路标准低.技术设备落后。中华人民共和国成立后，大规模修建铁路，现金全国各省市自治区都有了铁路。铁路运输在中国交通运输业中仍具有重要地位和作用，2003 年铁路货车运转量占全国总货运周转量的 32.02%以上，铁路客运周转量占全国总客运周转量的 34.67%以上。铁路车辆按用途可分为客车和货车俩大类。铁路货车是供运输货物和为此服务的或原则上编组在货物列车中使用的车辆。按用途可分三类：（1）通用货车，能装在多种货物的货车，包括敞车.棚车和平车。 （2）专用货车，专攻运送某些种类的货物的货车，包括罐车.保温车.煤车.矿石车.砂石车.长达货车.守车.通风车.家畜车.活鱼车.水泥车等。 （3）特种货车，共特种用途的车辆，如救援车.检衡车.发电车和除雪车等。通用货车是能装在多种货物的铁路货车。如棚车.敞车和平车等。敞车的车体两侧及端部设有高度在 1.8m 以上的固定墙板而无顶棚的铁路货车。可装运各种无需严格防止湿损的货物。如装货后盖上篷布，又可装运怕湿损的货物。主要用于装运散粒货物（如煤.矿石.沙土等）木材.钢材及小型机器设备和集装箱。敞车是铁路货车中数量最多.用途最广的车辆。车辆俩侧的标记符号为“C”。棚车是车体具有顶棚.侧端墙及门窗的铁路货车。可防止雨水进入车内，用于装运各种需防止湿损.日晒或散失的货物。车内设有安装火炉的烟囱座.床托等装置，有些新造棚车还设有排水孔及便器，必要时可用以运送人员和马匹。棚车车体俩侧的标记符号为“P”。平车底架承载面为一平面的铁路车辆。从结构形式分为平板式.带有翻转的矮端板式及带有翻转的矮侧板的端板式三种型式。在装运长大货物时，可把侧板.端板翻下。平车主要用于装运各种机器，汽车.拖拉机.木材.钢材.桥梁等体积较大的货物，又可借助沈阳理工大学学士学位论文2集装箱来装运其他货物。此外，还可以装载各种军用装备。平车在底架俩侧侧梁上的标记符号为“N” 。1改革开放以来，随着中国成功地加入世界贸易组织(WTO)，中国经济取得了空前的、前所未有的飞速发展。在中国和世界经济发展格局的影响下，交通运输行业与中国经济一同跨入高速行驶的快车道，发展迅猛。铁路作为中国运输行业的重要组成部分，是国民经济的大动脉，同样在改革开放中不断谋求自身的发展机遇，应对发展中出现的问题。并通过加强国际间的技术交流，请进来、走出去，多领域、全视角地学习和借鉴国外铁路发达国家的成熟技术和宝贵经验，引进国际上铁路运输行业的先进科技和装备。结合中国铁路的实际，实施跨越式发展战略，在消化吸收和系统引进国外先进技术的同时，自力更生，走“引进和自我发展”相结合的道路，不断提高中国铁路技术装备现代化水平，使中国铁路在过去的十年取得令人瞩目的巨大变化，新技术、新工艺和新装备不断地被应用到铁路运输的发展建设中去，为中国的改革开发和国民经济建设发挥了越来越重要的作用。高速发展的经济需要一个快速、便捷、高效的交通运输行业，铁路作为传统的主要运输方式，承载着全国客运四分之三、货运超半数的运输量。新形势下，原有的铁路运输模式和技术装备水平已经不能满足新经济需要，铁路运输正在向世界铁路“重载化”运输的方向发展。面对新形势，近几年来中国铁路为适应国民经济的发展步伐，着力解决铁路货运运能严重滞后的问题，从 2l 世纪初开始在全路范围实施跨越式发展战略，提出了中国铁路“重载化、快捷化”的发展思路，同时紧跟世界铁路的前沿技术，适时引进，广泛应用各种新技术、新工艺和新装备。成功研发并推广运用 25t 轴重转 K6 和转 K5 型转向架；70t 级敞车、平车、棚车等 23t 重货车先后开发并试制成功；各类与重载技术相匹配的重要零部件(如：17 型车钩及配套钩尾框、MT 一 2 大容量缓冲器、KzwA 型空重车自动调整装置、10 英寸旋压密封式制动缸、铁道货车脱轨自动制动装置等)成功通过运用考验，铁路实现货运重载的技术条件日趋成熟，中国铁路的重载时代已经到来。铁路罐车是运输石油、液化气、酸类和化学制剂等货物、液体食物产品(如：牛奶、植物油、酿酒原料)以及某些散装(粉状的)货物的主要运输工具，是铁路货车大家庭的重要成员。按照现代的分类方法，罐车全部属于专业化的运输工具。我国铁路罐车为适应铁路跨越式发展的技术政策，满足货物运输重载化、快捷化要求，提高罐车运输能力，实现中国铁路主型罐车的更新换代，西安厂从 2003 年起开始研制开发无中梁70t 级轻、粘油重载罐车。该车按新的货车强度考核标准进行设计，采用心盘承载，轴重 23t，载重比 G70K 型罐车提高 8t，高业运营速度从 100kmh 高到 120kmh，罐体采用了对称布置的直角斜锥斜底结构，对车辆结构整体的安全性、可靠性提出了更高、更具体的要求，对重载、高速条件下无中梁罐车结构强度、刚度的可靠性、安全性方面提出了新的课题。特别是无中梁罐车牵枕结构作为铁路罐车承上启下的关键结构，是主要承力部件，承受车辆的各种纵向冲击力和心盘载荷，受力情况非常复杂，整个结构直接关系到罐车的运行安全。因此，为满足70t级轻、粘油罐车的速度快、载重大的设计要求，适应牵引万吨列车的需要，设计一种安全可靠，材料利用车高，能够保证重载罐车在运营过程中的冲击和承载要求的重载罐车牵枕结构是本文急需解决的重要课题。沈阳理工大学学士学位论文3罐车是用来装运各种液体、液化气体及粉末状等货物的一种车体成罐形的车辆。这些货物包括汽油、原油、各种粘油、植物油、液氨、酒精、水、各种酸碱类液体、水泥、氧化铅粉等。罐车在铁路运输中占有很重要的地位，约占我国货车总数的18。解放初期我国只能生产载重25t、有效容积仅为30.5m 的油罐车， 1953年开始设计制造了载重50t 、有效容积为51m的全焊结构罐车，以后又制造了有效容积60m、载重52t的罐车以及有效容积77m载重63t的各种罐车。目前我国生产的直径和容积最大的罐车是中部直径为3100m m，有效容积为110m 的GQ型液化气体罐车，其罐体呈鱼腹形 1。罐车的标记载重过去是指装水时的重量，所以50t的载重量意味着罐体容积为50m。现在的标记载重量是以实际所装运油类、酸碱类的比重计算的。由于各种液体和密度不同罐车的实际载重量就须根据所运货物的性质来确定。因此，罐车的装载能力以体积来度量更为合适。罐内液体的重量不是用过磅来量得，而是测量罐体内所盛液体水平的高度，然后根据罐体容积表查得所盛液体的重量。对于每一种规格的罐体，均有其容积折算表。罐车均为整体承载结构，大部分罐车的车体都是由罐体和底架两大部分组成。由于罐体是一个卧式整体简型结构，具有较大的强度和刚度，罐体不但能承受所装物体的重量，而且也可承担作用在罐体上的纵向力。因此，罐车的底架较其它货车底架结构简单，有的罐车取消了底架，称为无底架罐车。本工程学士学位论文的研究课题就是通过对 70t 级轻、粘油无中梁重载罐车牵枕结构的设计、选型和开发思路作以论述，探讨和总结无中梁罐车牵枕结构的一般规律，从而对无中梁类罐车的牵枕结构设计和制造提供帮助。本论文所作的主要工作如下：一、阐述国外无中梁罐车发展历史，总结论述国外无中梁罐车牵枕装置的结构组成及特点，指明了我国无中梁罐车未来的发展方向；同时，对我国无中梁罐车从无到有的发展历程进行介绍，总结了我国无中梁罐车从运用实践中取得的经验教训，为 70t级无中梁罐车设计提供借鉴。二、通过对国际上著名的铁路运营公司实施重载货运的情况介绍，从重载运输采用的新技术、新成果以及重载运输带来的经济效益和发展前景等方面，综合分析和阐述重载货运的成功经验和铁路发展的重要意义，提出重载运输对无中梁罐车牵枕结构的要求。三、通过对 70t 级轻、粘油罐车牵枕结构设计的问题分析，牵引梁和枕梁结构的设计选型，不同结构方案的有限元对比分析计算，以及关键结构的计算研究，论述了无中梁罐车牵枕结构的受力特性及一般规律，通过方案对比说明选型的合理性。四、为了验证牵枕结构强度和刚度的可靠性，本文采用 ANSYS 有限元计算分析软件，依据 70t 级货车强度考核标准对设计的牵枕结构进行了有限元的静强度计算，结果表明牵枕结构在各载荷工况下，各部件材料许用应力能够满足 TBT1335 的标准要求。沈阳理工大学学士学位论文4同时，反映了在不同工况条件下牵枕结构的应力分布特性。五、为提高车体抗疲劳设计水平、避免设计缺陷、提高产品可靠性，采用 AAR 机务规程(第章新造货车的疲劳设计)车体疲劳设计方法，计算车体各部位在垂向、侧滚、扭转、车钩垂向及纵向载荷谱作用下的疲劳寿命。评价车体疲劳寿命是否满足使用要求、指出疲劳薄弱部位、给出疲劳寿命指标、避免设计缺陷、提高产品疲劳寿命及其可靠性。1.1 国外无底架罐车的发展历史无中梁罐车起源于德国，20 世纪中期在美国开始大量使用。目前，除部分装运腐蚀性介质的罐车外，大部分罐车(包括液化气体罐车)都采用无中梁结构。前苏联、日本、南非、德国也向无中梁罐车结构方向发展。北美铁道车辆中罐车占 17，罐车的最初运用应归功于宾夕法尼亚州米德维尔德Densore 兄弟。为了将宾夕法尼亚油田的原油高教地运出，他们亍 1865 年将 2 个巨大的术桶放在平车上，安装密封盖后，这些车能装载 1325m3(3 5009a1)的油。随着安全的提高和桶的有效运用，这些“油罐车”立刻得到成功地运用” 。不久，随着 Densmore 设计的改进和普及，一位发明者将 2 个桶合而为一，将桶纵向放在平车上。1869 年，为防止桶板间的泄漏，宾夕法尼亚约克市的 Empire 运输公司将铆接的铁罐直接安装在木制底架上而代替垂直的木桶。Empire 公司的车辆采用了这种设计型式，在以后的 90 年，普遍保持了该种型式。除了全金属罐体外，在罐顶设有给货物提供热膨胀空间的空气包、用于“呼吸”的气孔和底部用于快速卸货的阀门。这些车运营了多年，将原油运输到炼油厂，再将荷炼产品运输给批发高。正是在这一阶段， “罐车”这一名词开始使用。1900 年，随着对更长、更快列车的强烈需要，标准石油公司的 John VanDyke 设计了1 种全新的罐车，该罐车采用双行铆的钢罐。为了利用更强的罐体，他废弃了底架，把罐体直接铆接在中梁的鞍座上，并直接放在转向架上。牵引梁装在鞍座上。尽管 van Dyke 所设计的结构证明是可行的，但仅有少量车投入运用，该车是现代无中梁罐车的前身。Van Dyke 所设计的结构起初并没有得到人们真正的认识，随着设计手段的提高以及对罐车结构的深入了解，对材料利用率的进一步提高，人们开始认识到这种结构的所带来的巨大价值，与有中梁罐车相比无中梁罐车有其无法比拟的优越性。采用无中梁结构最直接的效果是降低了自重，提高了罐车载重，降低了运营成本，提高了运输效车，简化了检修作业。因此，从 20 世纪 50 年代以来在北美制造的所有罐车几乎都是无中梁设计，并在 AAR 机务手册罐车分艇中对无中梁罐车牵枕结构进行了详尽的规定和要求，这些都对无中梁罐车的普及和标准化生产创造了条件，目前无中梁罐车技术日趋成熟，已成为国际铁路罐车的主型结构。但是，从无中梁罐车的运用情况来看，这种结构也存在一定的事故隐患，在 20 世纪 90 年代初期，至少有 1 2个梁断裂发生在此时期的无中梁罐车上。1100 辆车的检查结果表明，疲劳断裂绝大部分发生在这种设计的牵引梁与罐体连接处。因此，保证牵枕结构的使用寿命。 ”，提高结构的可靠性，成为北美铁路的关键课题” 。为进一步认识无中梁结构，解决因疲劳造成的结构失效，北美铁路成立了一个委员会，这个技术委员会后来被称之为“牵引梁工作组(SSwG)” 。它的成员包括一些制造厂高和车主，FRA、从 R、铁道发展学会(RPI)、加拿大运输公司以及化学制造高协会，该沈阳理工大学学士学位论文5委员会雇用