（载运工具运用工程专业论文）铰接式集装箱平车结构方案及动力学性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国国民经济和国际贸易的发展，周期短、效率高、速度快和可靠性 高的运输方式在市场中的竞争力越来越强。集装箱运输由于效率高、速度快和 货损少，已为世界各国广泛采用，现在各国码头的适箱货物基本采用集装箱运 输。我国铁路集装箱运输近年来虽然取得了较大的进展，但同发达国家相比仍 有很大差距。我国现有的x 。、x 。型集装箱平车虽能基本满足国内5 t 和1 0 t 箱 的运输，但若用于运输国际标准集装箱，则轴重利用率低，每延米轨道载重小， 并且我国因机车车辆限界问题，较难开展双层集装箱运输，如何解决大力发展 铁路集装箱运输和提高车辆运输效率之间的矛盾显得比较突出。铰接式集装箱 平车是一种靠铰接式连接器连接，两车体共用一个转向架的新型集装箱运输车 辆。由于这种车型在装载国际标准集装箱时，具有充分利用车辆轴重、节省所 用转向架数量、缩短车辆长度、提高每延米轨道载重等优点，因而受到世界各 国的普遍重视，发展速度快，运用比较成熟。 本论文针对目前我国铁路集装箱运输现状，在借鉴国外铰接车经验的基础 上，对适合我国目前铁路现状的铰接式集装箱平车进行了结构方案设计，并建 立起相应动力学计算模型，对铰接车悬挂参数进行了优化，动力学性能进行了 分析。本文也对铰接车中的关键部件铰接式连接器的结构进行了设计，并对其 静强度进行了分析。本文主要工作由以下5 部分组成： 1 通过分析目前我国铁路集装箱运输现状及国外铰接车的发展情况，本文 得出铰接式集装箱平车在我国是可行的，并在此基础上设计了铰接式集装箱平 车的连接方式及车辆各组成部分。 2 在方案设计的基础上，基于s i m p a c k 多体动力学仿真分析软件，本文建 立了铰接式集装箱平车动力学计算模型，并指出建模过程中遇到的问题及解决 办法，对计算模型的数值求解方法文中也给予了介绍。 3 论文对铰接式集装箱平车的悬挂参数进行了优化，分析了单元车组转向 架悬挂参数对单元车组动力学性能的影响并得出了相应的结论。 4 论文对铰接式集装箱平车整车动力学性能进行了分析，分析分为空车 组、重车组两种情况，通过其非线性稳定性、运行平稳性和曲线通过性能的计 算结果，得出单元车组动力学性能可以满足铁道车辆中有关规范的要求。 5 论文对铰接式连接器的结构进行了设计，并利用a n s y s 有限元分析软件 对连接器主要结构部件进行了静强度分析，分析结果表明所设计的连接器的结 构可以满足铁道车辆中有关规范的要求。 关键词：集装箱；平车；铰接；悬挂参数；转向架；动力学：方案设计 四川成都西南交通人学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n di n t e r n a t i o n a lt r a d e o fo u rc o u n t r y ，t h et r a n s p o r tw a y sw i t hs h o r tp e r i o d ， h i g he f f i c i e n c y ， r a p i dv e l o c i t ya n dh i g hr e l i a b i l i t yh a v em o r ea n dm o r ec o m d e t i t i v e a b i l i t y b e c a u s eo fh i g he f f i c i e n c y ，r a p i dv e l o c i t ya n dl a c ko fc a r g o d a m a g e ，c o n t a i n e rt r a n s p o r t sh a v eb e e na d o p t e dw i d e l yi nt h ew o r l d a n d n o wa l m o s ta 1lt h ef r e i g h t sa r et r a n s p o r t e db yc o n t a i n e r si nt h ed o c k s o fe v e r yc o u n t r y t h o u g ht h e r a i1 w a yc o n t a i n e rt r a n s p o r t so fo u rc o u n t r y a r ed e v e l o p e dm o r er a p i d l yi nr e c e n ty e a r st h a nb e f o r e ，w es t i l lh a v e a1 0 n gw a yt og oc o m p a r e d i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s t y p e sx “a n d x 6 bc o n t a i n e rf l a tc a r so fo u rr a i l w a y sc a nm e e tt h ed o m e s t i ct r a n s d o r t r e q u i r e m e n to ff i v ea n dt e nt o n s c o n t a i n e r s ，b u tw h e nt h e vt r a n s d o r t i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dc o n t a i n e r s ， t h e i ru t i l i z a t i o no fa x l el o a da n d p e rm e t e rt r a c k1 0 a da r eq u i t el o w b e c a u s eo ft h ev e h i c l eu p p e rg a u g e ， t oc a r r yo u td o u b l e d e c kc o n t a i n e rt r a n s p o r ti sd i f f i c u l ti no u r c o u n t r y t h u si t i sv e r yi m p o r t a n tt os 0 1 v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ef a s t d e v e l o p i n gc o n t a i n e rt r a n s p o r ta n dt h ei n c r e a s i n go fv e h i c l et r a n s p o r t e f f i c i e n c y t h ea r t i c u l a t e dc o n t a i n e rf l a tv e h i c l et h a ti sc o n n e c t e d b yt h ea r t i c u l a t e dc o n n e c t o ra n du s e sac o m m o nb o g i eb e t w e e nt w o c a r b o d i e si st h en e wt y p ev e h i c l eo ft r a n s p o r t i n gt h ec o n t a i n e r s b e c a u s et h ev e h i c l ec a nm a k ef u l lu s eo fa x l el o a d r e d u c et h en u m b e r s o fb o g i e s ，s h o r t e nt h el e n g t ho fv e h i c l ea n di n c r e a s et h el o a dd e rm e t e r t r a c kw h e nt r a n s p o r t i n gi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dc o n t a i n e r s ，i ti sd a i d h i g ha t t e n t i o n sb ym a n yc o u n t r i e s ，a n dd e v e l o p e dv e r yf a s ta n dw i d e l y u s e d r e f e r r i n gt ot h ee x i s t i n gc o n d i t i o no ft h ec o n t a i n e rt r a n s d o r ti n o u rr a il w a y sa n dt h ee x p e r i e n c eo v e r s e a s ， t h ea r t i c u l a t e dc o n t a i n e r f l a tv e h i c l es u i t a b l ef o ro u rc u r r e n tr a i1 w a y si ss u g g e s t e di nt h i s t h e s i s t h ed y n a m i cm o d e lo ft h ec o n t a i n e rc a ri ss e tu p ，a n dt h ed y n a m i c p e r f o r m c eo ft h ec a riss t u d i e da n dt h es u s 口e n s i o nd a r a m e t e r sa r e o p t i m i z e d t h es t r u c t u r eo ft h ea r t i c u l a t e dc o n n e c t o ri sa l s od e s i 窟n e d 。 a n dt h es t a t i cs t r e n g t hi s a n a l y z e d t h et h e s i si n c l u d e sf i v ed a r t s b e l o w ： 1 t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee x i s t i n gc o n d i t i o no ft h ec o n t a i n e r t r a n s p o r to fh o m ea n da b r o a d ，i ti sk n o w nt h a tt h ea r t i c u l a t e dc o n t a i n e r f l a tv e h i c l ei sf e a s i b l ef o ro u rc o u n t r y b a s e do nt h ea n a l v s is t h e c o n c e p t u a ld e s i g no ft h ea r t i c u l a t e dc o n t a i n e rf l a tc a ri su n d e r t a k e n 2 t h ed y n a m i cm o d e lo ft h ea r t i c u l a t e dc o 九t a i n e rf l a tv e h i c l eis 四川成都-西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选题背景 随着我国国民经济和国际贸易的发展，希望提供周期短、效率高、速度快 和可靠性高的运输方式。集装箱运输由于效率高、速度快和货损少，已为世界 各国广泛采用。我国铁路集装箱运输随着第二条欧亚大陆桥的开通以及国内几 条集装箱专用线的确定，已开始组织“门到门”运输和国际多式联运，它对促 进国民经济和国际贸易的发展有着重要的意义。 近年来，各国为了更好地发挥集装箱运输的优越性，促进集装箱运输的发 展，除了设计制造更多数量的集装箱专用运输车之外，在车辆的型式上取得了 巨大的进展，出现了通用集装箱车、公铁两用车、双层集装箱车、驮背运输车 以及铰接式运输车等。我国铁路集装箱运输近年来虽然取得了较大的进展，但 同发达国家相比仍明显落后。我国现有的x 。、x 。型集装箱运输车虽能基本满 足国内5 t 和l o t 箱的运输，但若用于运输2 0 f t ( 6 1 m ) 和4 0 f t ( 1 2 2 m ) 的国际 标准箱，其轴重远没能得到充分利用，并且我国因机车车辆限界问题，较难开 展双层集装箱运输，如何解决大力发展铁路集装箱运输和充分利用运输车辆轴 重之间的矛盾显得比较突出。 铰接式集装箱平车是一种靠铰接连接器连接、两车体共用一个转向架的新 型集装箱运输车辆。由于这种车型在装载国际标准集装箱( 2 0 f t 、4 0 f t ) 时，具 有充分利用车辆轴重、节省所用转向架数量、缩短车辆长度等优点，因而受到 世界各国普遍重视。许多国家已投入使用铰接式集装箱平车，运用比较成熟， 取得了较好的经济效益0 1 。本论文正是结合国外铁路饺接式集装箱运输车辆的 发展状况，从而探讨在我国采用铰接式集装箱运输车辆的可行性，以便为我国 铁路集装箱车辆作好技术论证和技术储备。 1 2 我国铁路集装箱运输发展历史 我国铁路集装箱运输是从1 9 5 5 年开始的，至今已有6 0 年的历史。在初期 的2 0 多年里，由于种种原因发展非常缓慢，最初是利用3 0 t 砂石车和敞车等 通用车辆来运输2 5 t 小型集装箱( 后来发展为3 t 集装箱) 。到7 0 年代初期， 开始用载重5 0 t 和6 0 t 的敞车装运集装箱。一辆5 0 t 或6 0 t 的敞车只能装1 2 个3 t 集装箱，载重利用率只有6 0 左右，运能利用很低。1 9 7 5 年停止生产3 t 箱，开始发展l t 和5 t 通用集装箱。5 t 箱有国标型( t j 5 a 、玎5 b 型) 和铁标型 ( t b j 5 ) 三种型式。国标集装箱的外形尺寸与i s 0 6 6 8 中的i e 型相同；铁标集装 箱则考虑更好地利用我国现有铁路车辆的容积和载重量，将宽度、高度尺寸增 大，长度尺寸缩小。但一辆5 0 t 或6 0 t 的敞车或平车也只能装6 个国标型集装 箱或7 个铁标型集装箱，载重利用率仍只有6 0 。7 0 年代中期，随着对外贸易 的扩大，集装箱运输迅速发展。从7 0 年代中期到8 0 年代中期的1 0 年间，集 装箱运量就由2 1 3 1 0 4 t 发展到2 7 1 1 0 5 t ，并且周转的时间也由1 9 6 天压缩 删川成都西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 到了1 1 3 天。另外，随着国际贸易量的增加，2 0 f t 、3 0 f t 、4 0 f t 的国际标准 大集装箱也大量进入我国口岸。继续使用通用敞车、平车运输集装箱，已不能 满足需要。因此，根据铁道部计划，北京二七车辆厂于1 9 8 0 年研制了第一代 n j 4 型集装箱专用平车，专门用于运输国际标准2 0 f t 、4 0 f t 和5 d 型5 t 集装 箱，该车共造了1 0 辆，于1 9 8 1 年投入运用，运用后发现该车运能不足，载重 仅为4 0 t ，每延米轨道载重只有4 1 3 t m _ 1 。同时，该车的旋转式锁紧装置机构 复杂，在运用中大部分被砸坏，因此，在1 9 8 6 年，铁道部决定改革国内集装 箱的箱型，并研制出了j ，。型1 0 t 铁标箱作为国内铁路运输的主型集装箱，该 箱长3 0 7 0 m ，宽2 5 0 0 姗，高2 6 5 0 姗，运输时箱体横放在车辆上，限界利用率 可达9 6 。同时，北京二七车辆厂也开始研制既能运输这种1 0 t 箱，又能运输 国际标准2 0 f t 、4 0 f t 和5 d 型集装箱的第二代n j 8 型集装箱平车，后改名为 x 。型集装箱平车。该车经过静动强度、动力学试验及运用考验，受到用户欢 迎，于1 9 8 8 年5 月通过部级鉴定，投入批量生产，其锁闭装置为翻转式，使 用方便，结构简单、可靠。从1 9 8 6 年到1 9 9 4 年该车约生产了3 0 0 0 辆，满足 了当时集装箱运输的需要。进入9 0 年代，随着进出口贸易量的不断增加，国 际集装箱涌入量急剧增加，品种也增多。许多4 5 f t 集装箱因没有合适的运输 车辆，只得在到达港口后拆箱倒装，不仅严重影响了货物质量、运输效率，而 且使国际贸易受到了影响。同时。x 。型集装箱平车名义载重6 0 t ，而实际上最 多只能装五个铁标j ，。型l o t 箱，也显现了它的运力不足。为此，1 9 9 3 年，北 京二七车辆厂又着手研制了第三代x 6 b 型集装箱专用平车。该车在x 。型集装箱 平车的基础上又多增了1 个1 0 t 箱的长度，即可以装六个铁标1 0 t 箱，并且除 运输国标箱外，还增加了可以运输4 5 f t 集装箱的性能，虽然如此，该车在运 输2 0 f t 、4 0 f t 及4 5 f t 国际标准集装箱时，轴重利用率却仍然只有8 5 左右。 目前，我国铁路急需一种适合运输大型国际标准集装箱的专用平车。1 。 1 3 国内、外铰接式集装箱运输车的研制发展状况 7 0 年代末，美国各铁路车辆厂家研制了铰接式集装箱平车，以后欧洲铁 路如法国、英国和德国等也陆续地开发了铰接式集装箱平车。不同的是美国由 于限界较大，铰接式集装箱平车往往用来装运双层集装箱，而欧洲铁路由于限 界较小和轴重较低，只是用来装运单层集装箱或半拖车。 美国t h r a l lc a r 公司的t h r a ll - t a 型5 单元铰接式车辆，两端车辆长 1 2 2 ，装7 0 t 车( e 轴) 转向架，能运2 个2 0 f t 或一个4 0 f t 的集装箱，中间 车辆长1 4 6 m ，安装1 0 0 t 车( f 轴) 转向架，能运4 0 f t 、4 5 f t 或4 8 f t 的集装箱。 5 联铰接车的上层可运4 0 f t 、4 5 f t 、4 8 f t 甚至5 3 f t 的集装箱。每辆凹底平车 的承载能力是5 4 4 t ，装有垂直独立减振器作为第一系弹簧悬挂，并在铰接式 转向架和两端转向架上采用了常接触旁承，其制动控制是由3 套独立的制动系 统操纵的，每1 套制动系统控制该车6 个转向架中的2 个转向架。制动系统采 用标准的经a a r 批准的阀及其零部件。该车按a a r 规范m _ 1 0 0 1 的规定进行了 结构静力试验、冲击试验、曲线通过试验和运行稳定性试验( 包括完全空车的 四川成都西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 高速稳定性试验) ，试验证明，其运行品质很好。t h r a l lc a r 公司还开发了一 种1 1 3 4 t ( g 轴) 的双层集装箱货车，也采用铰接式连接和垂直独立减振器作为 一系悬挂，其系列试验表明，其垂直和侧向动态力均不超过在过轨联运中使用 的传统的9 0 7 t 的漏斗车。 美国g u n d e r s o n 公司也设计了承载能力为6 8 t 的铰接式凹底平车，与 t h r a l l t a 不同之处在于车辆之间没有采用铰接式连接器连接，而是采用了牵 引杆连接。美国t r i n i t y 公司设计的5 联铰接式平车与t h r a l l t a 的不同之处 在于一系没有采用垂直独立减振器，而是采用了弹性轱颈减振器。 澳大利亚继研制成每组5 单元铰接式集装箱货车后，又于1 9 9 0 年开发了 每组3 单元的铰接式集装箱运输平车。该车采用贯通式中梁，不设地板，每组 能运输任意组合的3 个4 0 f t 的集装箱或6 个2 0 f t 的集装箱，最大载重达1 2 6 t ， 最高运行速度可达儿5 k m h 。该3 单元铰接式集装箱平车使用常接触旁承，使 其运行更加平稳。目前，澳大利亚已开始生产3 单元铰接式集装箱平车。 德国铁路铰接式车辆与美国有所不同，除了用于运输集装箱外，还用于公 铁联运的“滚动公路”。德国铰接式集装箱车均采用雅可比转向架，主要有 s g g n o s ( s ) 7 1 5 型和s d g g n o s 7 4 4 型混合铰接车。s g g n o s ( s ) 7 1 5 可装运最长达 5 3 f t 的各种国际标准箱，s d g g n o s 7 4 4 是在s d g m n s 7 4 3 基础上发展的混合铰接 车，它允许半车体上运输半拖车或集装箱，另外一半车体运输集装箱，其经 济性比一般铰接式集装箱车要好“1 。 我国北车集团齐齐哈尔铁路车辆有限责任公司为澳大利亚制造了用于运 输国际标准集装箱的5 单元铰接式集装箱平车。该单元车组适用于铁路标准轨 距，用于装运指定不同规格和尺寸的集装箱。每辆车可以分别配置2 个2 0 f t 、2 个2 4 f t 、1 个4 0 f t 、1 个4 5 f t 或1 个4 8 f t 的各种系列集装箱。车组两端安装有自 动车钩缓冲装置，车体相邻底架之间共用个转向架，采用美国w a b t e c 公司生 产的铰接式连接器，使该车几乎完全消除了纵向间隙，降低了车辆运行中的纵 向冲击力。另外该单元车组采用2 种规格的旁承，铰接连接器插入端旁承采用 长行程常接触橡胶旁承( 非限位旁承) ，承接端采用标准行程常接触滚子旁承 ( 限位旁承) ，由此可以改善车辆通过蓝线的性能，减小车辆扭蓝剐度，提高车 辆疲劳寿命，延长车辆使用年限。该单元车组自重6 2 t ，载重1 9 0 t ，不仅可以 均载，也可以“集载”，即任何一个车体都可以净载重达到5 0 t ，而与其相邻 的车体可以少装载或不装载，在保证轴重不超过2 n 的情况下，满足用户装载 不同货物的要求”1 。 1 4 铰接式集装箱车辆的优越性 随着集装箱运输的大力发展，铰接式集装箱运输车辆近年来已经有了很大 的发展，带来了良好的经济效益和社会效益。铰接式连接器是铰接式集装箱车 的关键部件，采用饺接式连接器的铰接式集装箱运输车的优越性主要表现在： i 由于集装箱运输在我国不属于重载运输，因而普通集装箱车的轴重远没 有得到充分利用，而铰按式集装箱车运输2 0 f t 和4 0 f t 的国际标准箱可以充分利 四川成都西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 用轴重。 2 由铰接式集装箱车组成的列车，车辆之间的纵向冲击力小，从而减少了 货物的损坏率。铰接式连接器采用了无间隙的牵引结构，这使列车在运行过程 中不但能够实现正常的牵引和缓冲，而且还克服了传统车钩缓冲装置由于有较 大间隙( 我国i 3 号车钩两连接面之间的间隙为1 9 6 m m ) 而造成的较大的冲击载 荷。采用铰接式连接器后，将减小车辆之间的冲击载荷，这就尽可能地减少了 货物在运输过程中的损坏。 3 ，车辆运行动力性能较好。铰接式连接器支撑在两相邻车辆之间的转向架 上，它不仅允许两相邻车辆连接端在水平面内可相对转动( 如当列车通过曲线 时) ，而且允许在垂直面和斜平面内有相对位移，以便适应线路的上、下坡度 以及由于轨道不平顺和连接器本身内部零件的磨损而造成的两相邻车辆连接 端普遍存在的垂直面高度差。铰接式连接器除了采用无间隙牵引结构使其磨损 量比传统车钩缓冲装置少得多外，还消除了车辆在通过曲线时过大的车钩摆 角，从而使车辆运行得更加平稳。 4 自重较轻，降低了制造费用。铰接式运输车由于在相邻车辆之间共用一 个转向架，比传统相同数量车辆组成的列车，减少了所需转向架的数量。以3 联车为例，它只用了4 个转向架，比传统3 辆车需6 个转向架减少了2 个。转向架 数目的减少使车辆自重降低，这不但降低了制造费用，丽且还能更有效地利用 轴重，在一定程度上弥补了我国因不能实现双层集装箱运输( 因为机车车辆上 部限界较低) 而带来的集装箱运输车轴重利用不足的缺点。 5 减少了维修工作量，从而降低了维修费用。转向架部分的维修占车辆维 修量的较大部分，由于铰接式车辆转向架( 包括轮对) 数目的相对减少，使得维 修工作量相应减少，维修费用也因此降低。 6 铰接式车辆与使用传统车钩缓冲装置的车辆比较，在列车长度相同的情 况下，能连挂更多。以3 联铰接车和使用传统车钩缓冲装置连接的3 辆车为例 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 要求在“八五”期间年均增长比例为2 2 ，运量达4 2 0 万箱，占货运总量的1 8 9 6 ， 其中国际箱运量年均增长比例为6 0 ，达8 0 万箱；“九五”期间年均增长比例 1 5 ，运量达8 2 0 万箱，占货运总量的3 ，其中国际箱运量年均增长比例3 0 ， 达1 1 0 万箱。要达到这个目标，不但要增加集装箱运输车的数量，而且要寻求 改进车辆结构，更好地满足经济和生产发展的需要。由于铰按式集装箱车在运 输集装箱方面具有种种优点，有必要优先发展这种先进的集装箱运输车。 1 5 ，2 从运输组织方面分析 如要在我国发展铰接式集装箱运输车辆，必须在铁路运输管理方面改变集 装箱运输的组织办法，全部由集装箱运输车组成的列车进行定时定向的直达运 输，固定车底、循环运输，不与其他货车混编，不到驼峰编组站作业等。这样 不但有利于组织管理，而且缩短了运行时间，更能体现集装箱运输的优越性。 仅以广州东站为例，1 9 9 2 年组织直达集装箱列车3 4 0 列，每列装运集装箱2 3 8 个，可运1 7 0 0 t ，直达北京、上海、武昌等，途中不需新编组，运行时间可缩 短一半。现在我国集装箱运输已开始采用了这一方法，试开了几条集装箱专用 运输线，还将增加上海一广州、武汉一深圳的快运线，货源组织也不成问题。 1 9 9 1 年全年铁路运输了1 6 0 万个换算箱( 1 0 t 箱) 。在铁路上周转的2 0 f t x 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章铰接式集装箱平车结构方案 本章首先对各种集装箱专用平车的技术参数和性能指标做了比较，重点比 较了二联、三联铰接式集装箱平车在技术参数和性能指标上的优劣，分析表明， 三联铰接式集装箱平车在轴重利用率，每延米轨道载重上更具有优势。接着， 本章对铰接式转向架中旁承结构、铰接式连接器结构进行了设计，对车辆各组 成部分，如车钩缓冲装置、空气制动及手制动装置、锁闭和门止挡装置也进行 了选取。 2 1 各种集装箱专用平车技术参数和性能指标比较 目前，在我国铁路上广泛使用的集装箱运输车辆是北京二七车辆厂设计研 制的x 。x 。型集装箱专用平车，以装载国内铁标1 0 t 箱为主，国际标准集装 箱为辅。下表是x 。x 。型集装箱专用平车和本文设计的二联、三联铰接式集 装箱平车技术参数和性能指标的比较。 表2 一l 并种集装箱平车技术参数和性能指标 轴重t 2 12 12 l2 1 自重几 1 822 223 0 4 2 轴毁报 4t68 车辆( 组) 长度硐m1 3 9 3 81 6 3 3 8 2 6 9 0 0 4 2 1 6 2 装载铁标1 0 t 箱数量个 5681 2 自重系数 03 603 7o3 803 5 每延米轨道载重止皿”1 3 5 93 ，6 629 728 5 轴重利用率 8 129 788 7 39 6 4 端载国际标准2 0 n 箱数量十2246 自重系数 03 804 6o3 】03 3 每延米轨道载重t 一3 4 42 3 5 72 9 9 轴重利用率 7 8 ，88 361 0 01 0 0 从表2 1 可以看出：在装载铁标1 0 t 箱时，铰接式集装箱平车的轴重利用 率比小，但比x 。高：在装载2 0 f t 国际标准箱时，铰接式集装箱平车的轴 重利用率比普通集装箱平车要高，且自重系数小，能最大限度地利用车辆轴重， 提高车辆的载重量，在集装箱趋于大型化的今天，比起普通的集装箱平车，铰 接式集装箱平车在运载2 0 f t ，特别4 0 f t 、4 5 f t 国际标准箱型时，其自重系数 小、轴重利崩率高的特点己在集装箱运输市场中占有了极大的优势。 2 2 二联与三联铰接式集装箱平车结构方案比较 国外铰接式集装箱平车有多种型式，从装箱层数上有单层、双层之分，从 联结方式上有二联、二联、五联式之分。根据我国铁路限界低、轴重小的实际 情况，比较适合我国铁路的铰接式集装箱平车为二联式、三联式，下面就_ 二联、 i 联铰接式集装箱平车的结构特点及优缺点做个比较，以便确足适合我国镀接 i 联铰接式集装箱平车的结构特点及优缺点做个比较，以便确足适合我国镀接 一四川成都西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 车的联结方式。 2 2 1 二联铰接式集装箱平车结构方案 根据我国铁路限界低，轴重小的特点，可以考虑将铰接式集装箱平车设计 为二联式，结构简图如图2 1 所示，主要技术参数见表2 2 。 lj lj 耳妻下。 。 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 于娶下 图2 1 二联铰接式集装箱平车结构简图 表z 一2 二联铰接式集装箱平车主要技术参数 载重( 摄大) t9 6 自重c 3 0 轴重t 2 l 轴数根 6 轨距t 【l m1 4 3 5 单元车组长度 2 6 9 0 0 铰接式连接器长度m 7 6 2 车辆定距m头、尾车均为1 0 6 3 1 每延米轨道载重tm 1 4 6 8 装箱种类4 个2 0 n 国际箱或2 个4 0 f t 国际箱或8 个1 0 t 铁标箱 转向架型式两端为转k 2 转向架中间为由转k 2 改造的铰接式转向架 车钩缓冲装置c 级或e 级钢1 3 号下作用式车钩，m t 一3 缓冲器 空气制动装置1 2 0 阀等7 项新技术，k z w g 空、重车自动调整装置 由于单元车组中央转向架和两端转向架的轴重都是2 l t ，要保证每个转向 架负载既不超过轴重又要基本相等，就需要解决转向架的均载问题。分析时由 于单元车组是前后对称结构，故取其一半进行分析即可。单元车组整车自重 3 0 t ，去除三个转向架重量( 4 3 = 1 2 t ) ，两个车体( 包括车钩缓冲装置、铰接式 连接器、空气及手制动装置等) 重量为1 8 t ，每个车体重量为9 t ，其重心位置 向车端偏离中心1 5 0 0 脚。假设中央转向架的承载量为f ，两端转向架的承载 量为只，前后车体的重量均为g 。下面的分析基于装载2 0 f t 国际标准集装箱 和1 0 t 铁标箱两种情况。 四川成都西南交通大学 亘宣窒遒盔兰塑堡窒生堂焦鲨皇 篁! ! 至一 _ _ ，_ _ _ _ - _ _ - 一。 图2 5 三联镀接式集装箱平车尾车装载2 0 f t 或4 0 f t 匡际标准集装箱时受力匦 p + g = 五+ 墨 一1 1 7 3 l = g ( 5 3 5 0 2 3 5 0 ) + p ( x 一2 3 5 0 ) 由于- 2 ，- 4 0 舭g 9 f 故e = l 6 5 5 r ，e = 3 3 。1 0 ，工z6 4 6 2 8 9 埘m 取x 矧6 咖( 满足训 由此可以得出尾车装载2 0 f t 国际标准集装箱的装载方式，见下图2 6 。 图2 6 三联铰接式集装箱平车尾车装载2 0 f t 国际标准集装箱的装载方式 装载4 0 f t 国际标准集装箱 设1 个4 0 f t 国际标准集装箱在尾车上的重心位置为p 点，距离尾车端部 长度为x ，尾车车体自重9 t ，转向架自重4 t ，受力分析仍如图2 5 所示。 p + g = 五十五 e 1 1 7 3 1 = g ( 5 3 5 0 一2 3 5 0 ) + 尸( 盖一2 3 5 0 ) p 由于。终= 2 ，尸= 3 0 ，4 8 ，g = 9 f f l 故只= 1 3 1 6 f ，r = 2 6 3 2 f ，x “6 5 2 9 1 3 m 埘 取x = 6 5 3 0 m 棚( 满足，靠z 2 ) 由此可以得出尾车装载4 0 f t 国际标准集装箱的装载方式，见下图2 7 a 四川成都西南交通大学一 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 7 三联铰接式集装箱平车尾车装载4 0 f t 国际标准集装箱的装载方式 ( 2 ) 三联铰接式集装箱平车的中间车 装载2 0 f t 国际标准集装箱 如图2 8 所示。 图2 8 三联铰接式集装箱平车中间车装载2 0 f t 国际标准集装箱时受力图 p + g = 1 + _ 2 ，p = 4 0 6 4 f ，g = 8 r l = 2 = 2 4 3 2 f 当头、尾车也分别装载2 个2 0 f t 箱时，由前面分析可知： ，2 + 正+ 4 = 2 4 3 2 + 1 6 5 5 + 4 = 4 4 8 7 r 4 2 f 上式说明，三联铰接式集装箱平车不能只装2 0 f t 国际标准集装箱，因为 此时铰接式转向架已超载。 装载4 0 f t 国际标准集装箱 如图2 9 所示。 l p 圈2 9 三联铰接式集装箱平车中间车装载4 0 f t 国际标准集装箱时受力图 ，+ g = 1 + 2 ，尸= 3 0 4 8 f ，g = 8 f i = 2 = 1 9 2 4 f 当头、尾车也分别装载1 个4 0 f t 箱时，由前面分析可知： ，+ f + 4 = 1 9 2 4 + 1 3 1 6 + 4 = 3 6 4 ， 4 2 f ，轴重利用率为8 6 7 。 综合以上各种装载方式，为使轴重充分利用，可以考虑将三联铰接式集装 箱平车的头、尾车与中间车采用不同的装载方式。 四川成都西南交通人学 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 员 如果中间车装运1 个4 0 f t 箱，头、尾车各装运2 个2 0 f t 箱，那么中间铰 接式转向架承载为： + f + 4 = 1 9 2 4 + 1 6 5 5 + 4 = 3 9 7 9 r ，轴重利用率9 4 7 。 若中间车装运1 个4 5 f t 箱( 总重3 4 5 4 t ) ，头、尾车各装运2 个2 0 f t 箱， 此时中间铰接式转向架承载为： + f + 4 = 2 1 2 7 + 1 6 5 5 + 4 = 4 1 8 2 r ，轴重利用率接近1 0 0 。 关于三联铰接式集装箱平车车体尺寸设计，基于以下考虑： ( i ) 当今集装箱运输普遍存在超载问题； ( 2 ) 最大限度增大每延米轨道载重； ( 3 ) 国际标准集装箱宽度尺寸2 5 0 0 咖。 敬中闻车不适合运输4 5 f t 国际标准集装箱，可按4 。f t 箱尺寸设计；头、 尾车可按4 5 f t 箱尺寸设计；具体尺寸参数见表2 3 。 比较前面二联、三联铰接式集装箱平车方案设计结果，从轴重利用角度来 看，三联车比二联车更具优势，故本文铰接式集装箱平车设计为三联式。 2 3 铰接式转向架结构方案 铰接式转向架区别于常规转k 2 转向架之处在于其摇枕采用两组旁承，分 别作用于前后车体，心盘上装有铰接式连接器。铰接式转向架总图如图2 一l o 所示。 幽2 1 0 铰接式转向架总图 下面分别就旁承与铰接式连接器的选取进行详纫论述。 2 3 1 旁承结构选取 现在，心盘承载的货车都设置旁承，旁承就其结构型式分为刚性旁承和常 接触弹性旁承两大类。 刚性旁承有刚性滑动旁承和刚性滚动旁承两种。刚性滑动旁承的上下旁承 四川成都西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 面不发生接触，存在一定间隙即所谓的间隙旁承。车辆通过曲线时车体( 心 盘支重) 受到横向力作用发生倾斜，间隙旁承发生作用，帮助心盘承受一部分 载荷，以保持车体的平稳。当车辆在扭曲量较大的曲线上行驶时，需要有足够 的旁承间隙来抵消线路的扭曲作用，当车辆承受扭曲造成轮重减载，可能导致 脱轨，所以要求有较大的旁承间隙；另一方面，车辆在横向力作用下，由于重 心产生横向偏移，可能造成一侧车轮载荷减载到零，发生倾覆，旁承间隙越大， 侧滚和侧摆的振幅越大，从抗倾覆安全性出发，希望旁承间隙较小为好。这是 一对不容易协调的矛盾。车辆运行中车体通过中央心盘传递纵向、横向和垂向 载荷，当车体振动强烈引起侧滚角过大时，上下旁承相互接触以阻止车体进一 步倾斜，在通过曲线时，当上下旁承接触后，车体和转向架之间将产生滑动摩 擦回转阻力矩。现有的这种刚性滑动旁承存在的主要缺点有： 1 在直线或曲线上，当车体存在偏载或线路存在扭曲时，同一辆车的4 个旁承可能只有部分接触，这时车体垂向载荷的一部分将转移到接触的旁承 处，从而引起该转向架左右轮对的增减载，危及行车安全。 2 当刚性滑动旁承的上下旁承面接触后，如果转向架和车体之间产生过大 的滑动摩擦回转阻力矩，将严重影响车辆的曲线通过性能，增加轮缘和钢轨的 磨耗。 剐性滚子旁承将原来的平殛型旁承铁换成圆柱形滚予，从两大大地降低了 由于滑动摩擦而引起的转向架和车体之间过大的滑动摩擦回转阻力矩。随着载 重的增大，除了初期的单滚子旁承外，逐步发展到双滚子旁承，以提高旁承的 强度和抗破坏能力。 常接触弹性旁承按其结构及作用分为常接触型和双作用常接触型两种。随 着线路曲线半径的增大和线路条件的改善，当运行速度提高后，货车的一个重 要问题是如何解决直线上空车的蛇行失稳。车体与转向架之间的摩擦回转阻力 矩虽然不利于车辆的曲线通过，但对于提高车辆的蛇行临界速度却是有利的。 如何合理地选择这一摩擦力矩的大小，同时又保证在旁承被压死后，不会引起 摩擦力矩数值变化过大，是解决问题的关键。为了完成对车辆蛇行运动的有效 控制，采用了弹性预压缩旁承，其好处在于； 1 在车体与转向架之间提供了一个回转阻力矩，提高了空车临界速度，满 足了空车的高速运行，同时也提高了重车的运行平稳性。 2 ，保证上下旁承接触后，不至于像刚性旁承那样，在车体微侧时回转阻力 矩增加得过快，因而可将其最大值限制在合理的范围内，不至于降低车辆的曲 线通过能力。 常接触弹性旁承的主要作用是改善空重车的运行平稳性和稳定性。选择合 理的参数，如初始摩擦力矩和旁承刚度，是十分重要的，并且不同载重和型式 的车辆，在参数选择上也应有所不同( 具体应根据车辆动力学性能计算和试验 台的测试来选择) 。 常接触弹性旁承的最大问题是当旁承被压死肘，旁承刚度增加较大，转向 架的回转阻力矩增加过快，降低了曲线通过能力。 四川成都西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 1 1 铰接式连接器各个方向运动极限图 2 4 铰接式集装箱平车车辆各组成部分选取 2 4 1 车钩缓冲装置的选取 车钩缓冲装置在传统车辆中是最基本也是最重要的部件之一。在铰接式车 辆中它们起着连接单元车组的作用，同样也传递和缓和车辆在运行或者调车时 所产生的纵向力和冲击力”“。 车钩缓冲装置分别采用e 级1 3 号下作用式车钩和m t 一3 型缓冲器。 目前新造货车全部采用1 3 号车钩，因此在本文设计的铰接式集装箱平车 中同样采用e 级1 3 号下作用式车钩。1 3 号车钩的设计较合理地安排了钩头与 钩舌及钩舌与钩舌销之间的间隙。在锁闭位置时，可使钩舌销不受或较少地分 担作用力，从而更充分地发挥了车钩各部材料的承载能力，故车钩的强度较大， e 级1 3 号下作用式车钩参数性能见表2 4 。 表z 一4e 级1 3 号下作用式车钩参数性能 名称参数 钩舌高m 3 0 0 钩颈( 宽高) m t 2 0 3 1 6 6 钩尾至钩舌连接线距 8 4 5 钩尾至钩头台肩距离m 5 4 0 钩身壁厚m垂直面2 2 ，水平面l g 2 2 钩耳孔形状m长圆孔审4 2 4 4 钩舌销直径m 由4 l 钩尾( 宽高) 呷平面1 3 5 1 6 6 尾销孔m长圆孔1 1 0 4 4 钩尾销向m长圊1 0 0 x 4 0 材料z g 2 3 0 _ 4 5 0 z g 2 5 m n c r n i 抗拉强度k n2 4 0 0 2 6 0 0 3 0 0 0 以上 质量k g 2 0 3 开启方式 上、下作用 适用车辆新造货车 m t 一3 型缓冲器是参照美国从r 一9 0 1 e 标准批准的m a r k 一5 0 型缓冲器的结构 所研制的一羊中弹簧摩擦式缓冲器。该型缓冲器的挠力特征，在车辆空载或较低 冲击速度时，缓冲器的刚度小且变化平缓：当车辆满载或为大型车，且冲击速 四川- 成都西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 对于专用集装箱平车来说，锁闭和门挡装置也同样重要。它们关系到行车 的安全性和稳定性。 箱锁装置有固定锁头和翻转式锁头两种。集装箱是通过下部四个下“脚” 件座入底架锁闭装置的锁座上，锁闭装置的锁头沿车辆纵向能承受相当于3 9 加速度作用力的纵向载荷，有足够的强度以保证安全。 车辆的两端装有固定的锁闭装置，中间部分装有可动的锁闭装置。可动锁 闭装置可以外翻1 8 06 。具体的位置根据装箱情况来定。 在侧梁上装有门止挡装置，以防止集装箱在运输过程中箱门意外开启。门 止挡装置的安装也根据具体的集装箱情况来定。 2 5 本章小结 本章通过比较各种集装箱平车性能的优劣，根据我国实际情况，确定了适 合我国的铰接式集装箱平车的结构型式，并在此基础上，对铰接式转向架的结 构及车辆各组成部分的结构进行了选取。 删川成都西南交通大学 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章铰接式集装箱平车建模及数值求解方法 本章主要介绍了多体系统动力学仿真软件s i m p a c k 的工作环境，并根据第 2 章介绍的铰接式集装箱平车结构方案设计结果，给出了其动力学计算模型以 及用s i m p a c k 建立的动力学仿真计算模型，并指出在建模过程中遇到的一些问 题及解决办法。本章的最后，对软件的数值求解方法给予了介绍。 3 。1sj 瑚p a c k 软件简介 s i m p a c k 软件是一种对机械系统进行动力学性能仿真分析的软件，它能辅 助工程师对所设计的各种复杂机械系统进行动力学性能仿真分析，例如车辆、 机器入、机器和机构等等。该软件是由德国航空航天研究院( d