（车辆工程专业论文）载重75t矿料、钢材运输专用车研究.pdf

摘要 摘要 论文首先指出，我国铁路经过多年的发展，铁路货运输能力虽然有了较大提高，但 是仍不能满足日渐增长的货物运输需求，各大企业的自各专用车的需求量也日益增大。 随后综述了研制开发载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车的必要性。 论文阐述了我国铁路通用敞车从建国到本世纪初的发展概况，介绍了不同年代主型 敞车的主要结构、参数及存在的问题。新材料、新工艺、新技术的发展及我国铁路货车 用转向架、制动、钩缓等配套零部件技术的完善。 论文改变了传统的比照设计模式，从主要参数和结构的选取入手，通过对用户的调 研，针对用户的需求对车体结构进行了改进。论文利用计算机辅助设计手段进行优化， 确定了该车的设计方案，文中详细介绍了车体有限元静强度分析计算和车辆动力学性能 分析计算情况。分析计算结果为结构的优化和设计方案的最终确定提供了理论依据。 最后，论文详细介绍了车体静强度试验及车辆动力学试验的试验方法、试验过程及 试验结果，并与计算结果进行了对比。从计算和试验两个方面保证该车设计的科学性及 合理性，提高了车辆性能和运用可靠性。 关键词：载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车；优化设计；分析计算与试验 大连交通大学工程硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rf i r s t l yp r e s e n t st h a tc u r r e n tr a il w a yf r e i g h tc a p a c i t yi nc h i n a i ss t i l ln o ta b l et om e e td a i l yi n c r e a s e df r e i g h tt r a n s p o r t a t i o nr e q u i r e m e n t s a l t h o u g hi th a sb e e ni n c r e a s e dg r e a t l ya f t e rm a n yy e a r so fd e v e l o p m e n t d e m a n d f o rf r e i g h tc a r se x c l u s i v e l yo w n e da n du s e db ye n t e r p r is e sisi n c r e a s i n gd a y b yd a y i tl a t e rs u m m a r i z e st h en e c e s s i t yt od e v e l o ps p e c i a lf r e i g h tc a r so f 7 5 tl o a d i n gc a p a c i t yf o rt r a n s p o r t a t i o no f i r o no r ea n ds t e e lp r o d u c t s t h ep a p e rc o v e r sa no v e r v i e wo fd e v e l o p m e n t h i s t o r yo fr a i l w a yg e n e r a l p u r p o s eg o n d o l ac a ri nc h i n af r o mf o u n d a t i o no fp r ct o2 1 “c e n t u r y ，i n t r o d u c i n g m a i ns t r u c t u r e s ，p a r a m e t e r sa n di s s u e s o fd if f e r e n ts t a p l eg o n d o l ac a r si n d i f f e r e n ta g e s ，d e v e l o p m e n to fn e wm a t e r i a l s ，n e wp r o c e s s ，a n dn e wt e c h n o l o g y a n di m p r o v e m e n to fb o g i e ，b r a k e ，c o u p l e ra n dd r a f tg e a ra n do t h e rc o m p o n e n t s o ff r e i g h tc a r si nc h i n a i nt h ep a p e r ，ad i f f e r e n td e s i g nm o d ef r o mt r a d i t i o n a lo n eb yc o m p a r i s o n i si n t r o d u c e d ，w h e r ev a r i o u sm a i np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r e sa r ec o m p a r e da n d t h eo p t i m u mi sc h o s e nt oi m p r o v ec a rb o d ys t r u c t u r eb a s e do ns t u d yo nc u s t o m e r 7s r e q u i r e m e n t s c a di s u s e di no p t i m i z a t i o na n di nd e t e r m i n a t i o no fd e s i g n a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nr e s u l t so nf e as t a t i cs t r e n g t ha n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e a r ed e t a i l e di nt h ep a p e r ，w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a le v i d e n c ei no p t i m i z a t i o n o fs t r u c t u r ea n df i n a l i z a t i o no fd e s i g n i nl a s ts e c t i o no ft h ep a p e r ，m e t h o d ，p r o c e d u r ea n d r e s u l t so f s t a t i c s t r e n g t ht e s ta n dd y n a m i cp e r f o r m a n c et e s ta r ed e s c r i b e da n dc o m p a r e dw i t h c a l c u l a t i o nr e s u l t s h e n c ei ti sa s s u r e dt h a tt h ec a rb ed e s i g n e di ns c i e n t i f i c a n dr e a s o n a b l ew a yf r o mc a l c u l a t i o na n dt e s t ，r e s u l t i n gi ni m p r o v e m e n to fc a r p e r f o r m a n c ea n ds e r v i c er e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：s p e c i a lf r e i g h tc a ro f7 5 tl o a d i n gc a p a c i t yf o rt r a n s p o r t a t i o n o fi r o no r ea n ds t e e lp r o d u c t s ，o p t i m i z a t i o no fd e s i g n ，a n a l y s i s ，c a l c u l a t i o n a n dt e s t 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蔓銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蔓奎通态堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期：矽贸午彭月目 导师签名：ho 日期：y a 脾石月zo 日 学位论文作者毕业后去向： 工作鞭饷兹一铲嵫秒够l 删盯 通讯地址：备刍哆丢孑、侔辱蠼。弓 、 邮编：钐2 电子信箱：z 婚矿锣汐修幻矾 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蔓交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 黼 日期：胡年月纱日 第章绪论 第一章绪论 11中国铁路货车发展历程简介 1 9 4 9 年新中国成立后，中国铁路货车经历了两个阶段、实现了三次大的升级换代。 第一阶段是从1 9 4 9 年至1 9 5 7 年的仿制国外产品阶段，第二阶段是从1 9 5 7 年至今的自 行设计、自主创新阶段。在两个阶段中，中国铁路货车实现了三次大的升级换代： ( 1 ) 1 9 5 6 1 9 5 7 年，新中国第个自主设计的p 1 3 型棚车在齐齐哈尔诞生和载重 3 0 吨货车在中国全面停产，标志着中国铁路货车实现了载重由3 0 吨级向5 0 吨级的第一 次升级换代。 ( 2 ) 1 9 7 6 1 9 7 8 年，载重6 0 吨c 6 2 a 型敞车在齐齐哈尔落成和载重5 0 吨级货车 在中国全面停产，标志着中国铁路货车实现了载重由5 0 吨级向6 0 吨级的第二次大的升 级换代。 ( 3 ) 2 0 0 5 2 0 0 6 年，c 7 0 型敞车等载重7 0 吨级货车研制成功和载重6 0 吨级货车 在中国全面停产，标志着中国铁路货车实现了载重由6 0 吨级向7 0 吨级、时速由7 0 8 0 公里向1 2 0 公里的第三次大的升级换卜 自主创新( 7 0 - 8 0 吨级) ，蕊盥邕茹。篙点黧厂一 鲤骱繁篆厂习 仿制阶段( 3 0 5 0 吨级) 广叫 1 9 n l 缸1 9 , n 4 缸l 靠7 年1 9 7 8 年2 0 0 6 f - 图1 中国铁路货车发展历程示意图 f i g1i l l u s t r a t i o no f d e v e l o p m e mh i s m r yo f c h i n e s er a i l w a yf r e i g h tc a r s 大连交通大学i ：程硕士学位论文 1 2 铁路敞车及车辆主要部件发展历程回顾 ( 1 ) 我国铁路敞车发展9 历程 自2 0 世纪8 0 年代改革开放以来，我国铁路货车呈现出了快速发展的良好势头。目 前，我国拥有各型铁路货车约6 4 万辆，其中国铁货车约5 5 万辆。货车的轴重由建国初 期的1l t 普遍发展到2 3 t ，新型货车正在向2 5 t 和3 0 t 发展。货车载重由3 0 t 发展到5 0 t 、 6 0 t ，进而发展到7 0 t ，大秦线运煤专用敞车载重已达到8 0 t 。货车商业运营速度也从7 0 年代的7 0 k m h - 8 0 k m h 提高到现在的1 0 0 k m h 1 2 0 k m h 。 敞车做为铁路运输中的主型车辆，目前约有3 6 万辆，在我国目前的货车总数中约 占5 6 以上。 建国初期，我国铁路上使用的敞车多数是解放前遗留下来的旧车，车型较复杂，吨 位都很小，多数为3 0 t 级的，少数为2 0 t 、4 0 t 和5 0 t 级的。这些旧车的共同缺点是：运 行性能差、载重量小、强度低、零部件复杂、检修不便等。在其后的运用中，这些车的 一部分经检修后进行了改型，另一部分则被逐步淘汰，而国产的新型敞车则大量地投入 了运用。 5 0 年代初期，我国设计了铆接结构的载重为3 0 t 的c 1 型敞车，1 9 5 6 年改为焊接结 构。该型车为底架承载，钢、木混合结构。长期运用后由于底架强度不足， 1 9 6 1 年起 停止生产。该型车虽然生产年限较长，但生产数量并不多。 1 9 5 9 年至1 9 6 0 年期间制造了一批结构与c 1 型相类似的载重为4 0 t 的c 6 型敞车。 投入运用后发现其中梁强度不足，严重下挠，厂修时需要加装改造，该型车生产数量也 不多。 为了提高敞车的载重吨位，1 9 5 2 年原铁道部厂务局根据当时装卸条件，在c l 型敞 车的基础上设计了载重为5 0 t 的c 5 0 型敞车。该车为底架承载式钢木混合结构。c 5 0 型 敞车的生产年限很长，自1 9 5 3 年由齐齐哈尔车辆厂试制并投产以来一直生产到1 9 7 6 年， 生产量也较大( 约3 5 0 0 0 辆) ，是当时敞车中的主型车。在长达2 4 年的生产期间内， 因材料和工艺的变更，c 5 0 型敞车作过多次变更设计，仅齐齐哈尔车辆厂成批生产过的 就有1 0 多种。除齐齐哈尔车辆厂外，生产过c 5 0 型敞车的工厂也不少。虽然使用同一 套图纸，但各工厂生产的车也因各自工艺的不同而有差别。所以，在线路上运用的c 5 0 型敞车，型号虽为一种，但结构不尽相同。c 5 0 型敞车在多年运用中暴露出不少质量问 题，有些还是较难解决的惯性质量问题。 1 9 5 8 年，在铁道部组织的修改设计会议上，由十五个工厂的设计人员联合提出了底 架为单中梁结构、桁架式侧壁承载的载重为6 0 t 的c 6 0 型敞车设计方案。经过一系列的 试验后投入了批量生产。该型车具有自重轻、载重大的优点，采用了独特的单中梁结构。 但运用几年后发现，上侧梁f - ：l 处的刚度不足，极易失稳而使侧壁失去承载能力，中梁 2 第章绪论 严重下挠。后期在上侧梁上方加焊另一根槽钢，解决了这一问题。但门孔的布置对装卸 货物仍感不便。由于这些先天性缺陷，c 6 0 型敞车仅生产了一小批。 1 9 5 9 年齐齐哈尔车辆厂在总结c 5 0 型敞车运用经验的基础上设计了c 1 3 型敞车。 它的主要特点是缩小了心盘距，加长了牵引梁，这样使中梁中央断面弯矩减小，断面减 小，自重减轻，载重提高到6 0 t 。为了克服当时c 5 0 型敞车端部卸货困难，即装卸工称 之为“老虎头”的问题。c 1 3 型敞车在端部增设了下侧门，同时取消了侧柱连铁，方便了 大件货物在中、小站的装卸。但是c 1 3 型敞车投入运用后，发现其中梁横向弯曲变形大， 牵引梁下垂甩头严重，造成修程大，原型修复出厂后仍不能解决根本问题。因此，在生 产一批后也就不再继续生产了。 1 9 6 5 年由铁道部科学研究院、四方车辆研究所、齐齐哈尔车辆厂组成联合调查组赴 站段、货场作了广泛调查，并作了结构模拟试验，在此基础上设计完成了全钢结构侧壁 承载的新型敞车，当时称为6 5 t 低合金钢全钢敞车。该型车采用了0 9 m n 2 、0 9 m n 2 c u 低合金钢。经试制、试验、鉴定后，自1 9 6 6 年起由株洲车辆厂和齐齐哈尔车辆厂投入 批量生产，定型为c 6 5 型敝车。它是我国在大量生产的货车上采用低合金钢的第一个车 型，具有自重轻、载重大的特点。c 6 5 型敞车运用后也暴露出一些质量问题，如燃轴切 轴事故多、端墙外涨、枕梁裂纹等。据此，1 9 7 1 年铁道部决定将c 6 5 型敞车的载重由 6 5 t 减为6 0 t ，容积也相应减小。同年即由株、齐、眉三厂进行联合设计，在c 6 5 型敞车 的基础上缩短底架、减矮车体，定型为c 6 2 型敞车，1 9 7 2 年起投入大批生产。 为了充分合理地利用我国现有资源，并取代较陈旧的c 5 0 型敞车，提高敞车装载性 能，以适应铁路运输事业的发展，1 9 7 2 年齐齐哈尔车辆厂在c 6 2 型敝车的基础上设计 了车内高为2 m ，侧、端墙及车门为钢木结构的c 6 2 m 型敞车，1 9 7 4 年至1 9 7 5 年间小 批量试制运用考验。1 9 7 6 年c 5 0 型敞车停产，大批生产c 6 2 m 型敞车。当时c 6 5 、c 6 2 、 c 6 2 m 型敞车曾成为我国的主型敞车( 至1 9 8 0 年，这3 种车型分别生产了约8 5 0 0 、2 0 0 0 0 、 1 4 0 0 0 辆) 。1 9 7 9 - - - 1 9 8 0 年，为了节省木材，各型c 5 0 型敞车进行以钢代木改造，经过 5 年的时间，c 5 0 型敞车的木地板改为钢地板，木质端墙改为具有两根槽钢横带的钢质 端墙。 1 9 8 0 年还在c 6 2 m 的基础上，设计了c 6 2 a 型敞车。c 6 2 a 型敞车的主要尺寸和c 6 2 m 型敞车基本相同，仅将车体的端、侧墙及车门由钢架木衬改为全钢结构。但在设计上， 总结了旧型敞车设计中的经验，考虑了检修中存在的问题，对车体钢结构做了适当的改 造和加强。改进后的c 6 2 a 型敝车，结构坚固耐用，很受用户欢迎。该车由齐齐哈尔车 辆厂于1 9 7 8 年设计，1 9 7 9 年生产。1 9 8 0 年大连一及眉山转产c 6 2 a 。1 9 8 3 年通过部 级鉴定后，株洲、沈阳、西安等多家工厂生产( 至1 9 9 4 年共生产近9 0 0 0 0 辆) 。c 6 2 a 型敞车的底架长为1 2 5 m ，底架宽为2 9 m ，车体中央设有对开侧门，可供叉车装卸货物， 因此，它具有较强的通用性，是当时的主型敞车。为提高敞车的使用年限，延长厂修周 3 大连交通大学1 ：程硕十学位论文 期，齐齐哈尔车辆厂于1 9 8 6 年将该车的主要零部件改用耐候钢，相应车型也改为c 6 2 b 型( c 6 2 n ) ( 至1 9 9 4 年该型车约有4 8 0 0 0 辆) 。【1 】 为了使通用敞车也能造应重载组合列车和翻车机卸货的要求，19 8 8 年在原c 6 2 n 型 敞车的基础上，对端侧墙、车门做了较大的改进和加强，制动装置采用引进消化国外及 国内研制的新制动技术，转向架采用改进过的转8 a 型转向架，改进后定型为c 6 4 型敞 车。此后，c 6 4 型敞车开始投入批量生产，并已成为我国铁路主型通用敞车。2 0 0 1 年， 为适应我国铁路货车提速的发展要求，在c 6 4 型敞车的基础上研制了采用转8 a g 、转 8 g 的c 6 4 t 、采用转k 2 型转向架的c 6 4 k 、采用转k 4 型转向架的c 6 4 h 系列通用敞车。 2 0 0 5 年至2 0 0 6 年，齐车公司自主研制开发了载重7 0 t 的新型敞车。 ( 2 ) 主要部件发展 1 ) 转向架 建国前留下来的货车转向架，大多为拱板式转向架。建国初期，参照建国前的转2 型转向架设计制造了载重3 0 t 车用的转l 型转向架( b 轴) 和载重5 0 t 车用的转3 型转向架 ( d 轴) ；参照建国前同类转向架设计制造了载重5 0 t 车用的转4 型转向架( d 轴) 和载重 6 0 t 车用的转5 型转向架( e 轴) 。由于铸造能力不足，建国初期也生产了一批拱板式转向 架，包括载重3 0 t 车用的b 轴转1 5 型转向架、载重4 0 t 车用的c 轴转1 6 型转向架和载 重5 0 t 车用的d 轴转1 7 型转向架【2 】。 1 9 5 6 年，参照m t 5 0 型( 即后来进口的转7 型) 转向架设计制造了转6 型转向架。1 9 5 8 年，参照u h h h x s 型转向架设计制造了转8 型转向架。1 9 6 4 年，对转8 型转向架改进 设计后称为转8 a 型转向架。另外，1 9 5 9 年，设计制造了h z e 型转向架；1 9 7 2 年，试 制了复式制动转8 a 型转向架；1 9 6 5 年，试制了转6 a 、转6 b 、转6 c 型转向架及转6 改 造方案转向架，6 0t 曲梁转向架和载重3 0 t 车用的b 轴转9 型转向架；1 9 6 9 年，试制了 载重3 0 t 车用的b 轴转1 0 型转向架。1 9 7 6 年，试制了用于漏斗车的2 5 t 轴重复式制动 2 e 轴转向架。1 9 7 9 年，设计制造了3 0 t 米轨铸钢转向架。1 9 8 4 年和1 9 9 2 年，设计制造 了米轨控制型转向架。1 9 9 6 年，研制了米轨自导向转向架。1 9 8 6 年、1 9 8 7 年，设计制 造了2 d 轴常摩擦减振装置的控制型及曲梁型转向架。1 9 9 0 年，研制了z d 轴控制型转 向架和焊接转向架以及转2 6 型客车式d 轴转向架。建国初期，货车转向架基本上采用 滑动轴承，6 0 年代开始装用滚动轴承，7 0 年代开始，大量装用滚动轴承。至今，所有 车辆装用了滚动轴承。1 9 7 9 年至今，对转8 a 型转向架进行了各方面的研究，并于1 9 9 8 年引进了美国交叉杆技术，研制了转k 2 、转k 6 型转向架，到2 0 0 8 年全路所有四轴货 车全部采用转k 2 或转k 6 型转向架。 2 ) 车钩缓冲装置 我国货车车钩形式很多。建国后，大量生产2 号车钩。6 0 年代，开始生产材质为 z g 2 3 0 4 5 0 的1 3 号车钩( 至今已有9 0 以上的货车装用) 。8 0 年代，研制了材质为 4 第一一章绪论 z g 2 4 s i m n v t i 的1 3 号车钩和材质为z g 2 3 0 - 4 5 0 的2 3 号车钩，但均未推广。9 0 年代， 研制了材质为z g 2 5 m n c f n i m 0 和z g 3 2 m n m o n i c u 的1 3 号车钩，因其能满足5 0 0 0 t 列 车的需要而得到推广。为满足大秦线运煤敝车用翻车机不摘钩卸货的需要，研制了1 6 号转动车钩和1 7 号固定车钩。今后，新研制的车钩将逐步替代尚未淘汰的2 号车钩和 一部分材质为z g 2 3 0 4 5 0 的13 号车钩。 货车缓冲器的型式也很多。建国后，大多货车装用3 号缓冲器及2 号缓冲器。6 0 年代末，研制了m x 1 型橡胶缓冲器，同时对3 号缓冲器进行了改造( g 3 ) ，7 0 年代后， 大量装用m x 1 型橡胶缓冲器。8 0 年代中期，曾对2 号和m x 1 型缓冲器进行改造，但 未推广。8 0 年代末，研制了m t 2 型大容量缓冲器，用于大秦线运煤敞车。9 0 年代， 研制了m t 3 型大容量缓冲器，用于通用货车。最近，有一部分货车装用s t 2 型苏式 缓冲器。另外，我国也开展了橡胶泥缓冲器的研究。随着货车构造速度的提高、各种专 用车的出现及重载运输的需要，货车缓冲器将进一步得到发展 3 】。 3 ) 制动系统 g k 型、1 0 3 型制动阀已全部淘汰，现有货车全部采用1 2 0 型货车空气控制阀。随 着货车重载、提速的发展，s t 2 2 5 0 闸调器、k z w 4 a 型空重车自动调整装置、货车脱 轨自动制动装置、新型高摩合成闸瓦等新技术得到了广泛的应用。同时，各种制动配件 也不断发展，如新型组合制动梁【4 】、不锈钢组合式集尘器、不锈钢球芯折角塞门、不锈 钢储风缸及制动管系、奥贝球铁衬套、尼龙管卡垫等。 1 3 研制载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车的可行性 铁路作为国民经济大动脉和大众化交通工具，在国民经济发展中占据着重要地位。 我国铁路线路总里程有7 3 万公里，占世界1 2 0 万公里的6 ，但货运周转量却占世界 铁路总运量的2 4 ，也就是说中国铁路用6 的线路资源完成了世界铁路2 4 的运量。 中国铁路经过多年的发展，特别是在经历了第六次大面积提速后，我国铁路货运能 力有了较大提高。2 0 0 6 年货运量比2 0 0 5 年增幅1 2 。尽管这样，铁路运力不足所形成 的对国民经济的“瓶颈”效应在我们国家仍然凸现明显。 根椐铁道部运输局装备部2 0 0 4 年l o 月1 1 日于北京召开的钢材矿石专用车技术方 案讨论会精神及运装货车电 2 0 0 4 1 9 4 2 号文要求，我公司会同太原机车车辆厂技术人员 一起赴大连港集团公司等用户进行了调研。调研路线是：沈阳铁路局一鞍山钢铁集团一 大连港集团公司。 ( 1 ) 沈阳铁路局调研情况 沈阳铁路局根椐运输局装备部1 0 月1 1 日召开的会议精神，对大连港需求的钢材矿 石车的运行区段进行了检算。该车运行的区段为大连至沈阳、金窖线、辽溪线、沈丹线、 大连交通大学 ：程硕士学位论文 沈吉线、梅集线6 个区段。沈局根椐齐车公司提供的设计参数对这部分线路的检测结论 是： a 桥梁方面 桥梁的检算是在理想状态下承载理论计算，因技术条件原因，无法进行疲劳和动力 响应计算。沈局的桥梁设备已运行6 0 多年，病害较多，特别是梅吉线和梅集线。运行 重载列车将加剧桥梁病害的发展，为确保车辆运行的安全，建议2 5 t 轴重列车限速6 0 k m h 运行( 沈大间按7 0 k m h ) ，列车运行后应利用专项资金对该区段的病害桥梁进行改造， 重点优先解决桥枕失效问题。 b 线路方面 该车运行区段采用6 9 型及i 型轨枕的线路，都是按照2 1 t 和8 5 k m h 的速度设计的， 且使用年久，因此需限速6 0 k m h 运行( 沈大间按7 0 k m h ) 。 列车运行后，应利用专项资金，对严重伤损和失效的轨枕以及6 9 型及i 型轨枕有 计划的逐步更换，以满足2 5 t 轴重列车运行的需要。 ( 2 ) 大连港集团公司调研情况 通过与大连港有关项目负责人交流，了解到大连港需求的钢材矿石自备车主要是用 来运输钢板卷及矿石粉，目前用来运输钢板卷的通用敞车集载能力较低，不能满足运输 规格较大的钢板卷的需求，因此新设计的车辆要提高车辆的集载能力，满足同时运输三 个2 5 t 重规格的钢板卷的要求。对方提出希望在车体的底架上设置三个固定的鞍座，用 来运输钢板卷，这样在运输时只需简单的捆绑或不需捆绑，以便节约捆绑加固的费用。 至于车辆的主要参数，大连港集团建议车辆长度参照c 6 4 型敞车，高度参照c 1 6 型敞 车设计，因为通过多年运用，用户认为这两种车型的外形尺寸可以很好的满足钢材及矿 石粉的运输要求。另外大连港提出需在侧墙上设有下儇t jl - j 。 ( 3 ) 鞍钢调研情况 鞍钢对大连港购置的钢材矿石专用车比较认可，但矿石粉运到钢厂后需用翻车机翻 卸，因此该车受翻车机制约较大，鞍钢目前翻车机作业的车型主要是c 1 6 及c 6 4 ，通过 多年的运用，鞍钢认为新设计的钢材矿石车的主参数参照这两种车型即可，根椐翻车机 的要求及用户多年的运用经验，建议该车的高度不能低于c 1 6 型敞车，长度参照c 6 4 型敞车。鞍钢目前有7 台翻车机，翻车能力为l o o t 。2 0 0 5 年计划新上3 台新的翻车机， 翻车能力为ll o t ，新设计的车辆必须同时满足新、老翻车机的使用要求，也就是说总重 不能超过1 0 0 t 。 按照多年的运输经验，鞍钢认为，载重7 5 t 的钢材矿石专用车能够适应钢厂的使用 要求，但由于钢厂至港口运输的货物是不定性的，不只是矿石粉及钢板卷，同时需要能 够运输线材，钢板等钢材，因此但需提高车辆中部的集载能力，以满足同时运输三个2 5 t 重钢板卷的使用要求。 6 第一章绪论 通过调研，我公司认为，设计载重7 5 t 的钢材矿石车是非常可行的。综合用户的意 见，我们在方案设计时车辆的高度和长度参照c 1 6 及c 6 4 两种车型，以满足鞍钢翻车 机的使用要求，同时在车体底架上设有三个活动的鞍座，可以用来运输不同规格的钢板 卷，满足了用户的使用要求。由于该车运行的区段为国铁线路，在运用时可能与其它车 型混编，因此其最高运行速度按1 2 0 k m h 设计，以满足铁路货车的提速要求。 本章小结 本章回顾了我国铁路敞车的发展历史和现状，通过对钢厂和港口的调研，阐述了研 制开发载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车的必要性。 7 大连交通大学工程硕士学位论文 第二章载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车设计方案 2 1载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车研究目标 根椐铁道部运输局装备部2 0 0 4 年1 0 月1 1 日于北京召开的矿料、钢材运输专用车 技术方案讨论会精神及运装货车电 2 0 0 4 1 1 9 4 2 号文要求，我公司会同太原机车车辆厂技 术人员一同赴大连港集团公司等用户进行了调研，结合用户对该车的使用要求，7 5 t 矿 料、钢材运输专用车的研制应达到以下研制目标： a 载重7 5 t ； b 轴重2 5 t ； c 运行速度1 2 0 k m h ： d 车辆强度按2 5 t 轴重考核，在运行速度为1 2 0 k m h 时，纵向力应满足牵引吨位 5 0 0 0 t 的要求，在运行速度为l o o k m h 时，纵向力应满足牵引吨位1 0 0 0 0 t 的要求； e 集载能力满足装载单数2 5 t 钢卷的要求； 各项配件质量保证期达到1 个厂修期，车辆寿命达到2 5 年。 2 2 主要参数及结构的选取说明 2 2 1 主要参数的选取 车辆载重、容积及商业运营速度是车辆的主要技术参数。它是一个国家技术水平的 综合体现，我国铁路车辆发展的过程，便是车辆技术性能不断进步和适应运输要求的过 程，同时也是车辆载重及商业运营速度不断提高、车辆结构逐步优化的过程。 ( 1 ) 载重及自重的确定 为提高铁路货运能力，随着我国铁路重载运输的发展，轴重提高到2 5 t 是我国铁路 发展的方向，同时，由于该车必须适应鞍钢等钢厂的翻车机翻车能力( 1 0 0 t ) 的要求， 因此2 5 t 轴重的多用途敞车能更好的适应用户的要求，与现有的2 1 t 轴重的c 6 4 敞车相 比，7 5 t 敞车总重有了较大的提高，为了保证该车具有足够的强度、刚度。车辆自重必 然随之增加。我公司在方案设计中，合理优化了结构，采用高强度耐候钢降低自重。通 过有限元分析，改进了局部结构，部分梁件采用了新型冷弯型钢。为了保证车辆运行的 安全性及可靠性、，减少车辆的维修费用，对车辆的强度、刚度均有一定的储备，在综合 了各项分析计算的基础卜，确定车辆自蕈小于2 5 t ，载审7 5 t 。 ( 2 ) 集中载荷值的确定 8 第二章载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车设计方案 由于车辆材质和结构原因，各大钢厂现有的运输专用车的集载能力较小。随着我国 钢铁市场的不断发展，卷制钢材的运输日渐增多，车辆运用部门强烈要求提高敞车的集 载能力。 目前国内主要钢铁企业生产的钢卷，其运输重量通常为1 2 - - - - 2 5 t 。主要钢铁企业生 产钢卷及进口钢卷常用吨位见表2 1 ： 表2 1 主要钢铁企业生产钢卷及进口钢卷常用吨位 t a b 2 1t o n n a g eo fc o m m o n u s e ds t e e lv o l u m ei nc h i n aa n da b r o a d t a b 2 1 宝钢鞍钢太钢本钢进口 1 2 2 8 5 t1 2 2 8 t1 2 2 2 t1 2 2 4 t1 2 2 6 t 考虑到用户的实际运用情况，目前2 5 t 以上的钢卷很少，因此，车辆中部集载能力 达到2 5 t 即能满足用户的使用要求。 ( 3 ) 车体内长1 3 m 的确定 由于该车主要用于大连港集团与各大钢厂之间运行，其长度受到钢厂翻车机的限 制，目前鞍钢翻车机上作业的车辆大部分为c 1 6 及c 6 4 型敞车，翻车机能翻转的车辆 最大长度为1 4 m ，而且采用人工定位，因此将车长定为1 3 5 m 。 ( 4 ) 容积5 2 m 3 的确定 当载重确定后，确定合理的比容数值是非常重要的，如果比容过大容易造成超载现 象，对车辆造成较大的损害，威胁行车安全，如果比容过小，在装运部分货物时无法达 到标记载重，载重利用率低，提高了运输费用。由于该车在大连港与鞍钢等各大钢厂之 间运行，主要用来装运矿石粉及钢板卷，因此，其其容积不仅受到装运货物的限制，同 时受到钢厂翻车机的限制，目前鞍钢翻车机上作业的车辆大部分为c 1 6 及c 6 4 型敞车， 该车设计时主要参数参照这两种车型，车内长与c 6 4 相同，车高在c 1 6 的基础上加高， 最后确定该车的有效容积为5 2 m 3 。 ( 5 ) 空车地板面高度的确定 空车地板面高度主要取决于站台高度，我国目前广泛运用的敞车( 包括c 6 2 a 、 c 6 2 b 、c 6 4 ) 的空车地板面高度均为1 0 8 1r e a l ，与站台高度相匹配。为保持车辆结构及 参数的连续性，车辆空车地板面高度不做较大变动为宜，我们确定空车地板面高为 1 0 8 5 m m 。 ( 6 ) 纵向力考核数值的选取 综合考虑我国重载车辆的发展趋势，新研制的通用车辆，在满足现有需求的情况下， 应同时超前考虑未来发展要求，具备牵引总重l 万吨的强度储备，即车辆强度不仅要满 足t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 的要求【5 】，同时应满足总重1 万吨列车牵引的要求，为我国铁路重载 运输奠定良好的基础。 9 大连交通大学 ：程硕士学位论文 根据我国大秦线万吨列车的试验实测最大拉、压钩力，第一工况拉伸力取为1 7 8 0 k n ，压缩力取为1 9 2 0 k n 。第二工况压缩力按2 5 0 0 k n 选取。 ( 7 ) 商业运营速度1 2 0 k m h 的确定 根据当前铁路货车提速的要求，我国铁路货车的运行速度将要提高到1 2 0 k m h ；另 外，速度的提高又受到制动距离长短和车辆本身制动系统的制约。该车在运用时可能与 其它车型混编，这就要求该车制动系统尽量与通用车型保持一致，便于运用、检修和管 理。因此，鉴于以上情况，该车商业运营速度确定为1 2 0 k m h 为宜。这样既符合我国铁 路货车提速的目标，又能与现有车辆的制动系统一致，便于运用和管理。 2 2 2 主要结构的选择 纵观我国敞车发展历史，侧壁承载结构最为可靠，特点是侧墙采用桁架式结构，设 置中立门和下侧门。因此，在研制新型敞车结构时，参考国内外同类敞车运用情况，考 虑腐蚀、磨耗等因素及便于检修的设计思路，优先采用了桁架式结构的侧墙，在c 6 4 型敞车成熟经验的基础上，进行结构优化，以达到减轻自重、提高载重和集载的目的。 【6 】 对于运输矿料的敞车而言，须考虑以下几方面影响因素： a 车辆腐蚀与磨耗的影响 铁路货车的腐蚀通常是大气腐蚀，无论表面是否涂装油漆，都将发生腐蚀，差别只 是程度不同而已。 矿料是专用敞车运输的主要货物之一，在有氧气和水的情况下，要产生对钢有较强 化学腐蚀作用的一些物质。此外，车体内表面还将受到货物的磨耗。 根据铁科院金化所和齐齐哈尔、二七、沈阳、石家庄四厂近期调研敞车腐蚀数据的 初步统计，c 6 4 型通用敞车一个厂修期车体的腐蚀情况为：最大腐蚀厚度角柱加强 板：3 2 m m ；上侧板：2 m m ；端板：2 2 m m ；地板：2 1 m m ；下侧梁：0 9 m m ；连铁：2 2 m m ； 上侧梁：2 4 m m ；门板：2 6 m m 。c 6 2 b 型、c 6 4 型通用敞车和c 6 3 a 型运煤专用敞车各 板、梁平均腐蚀厚度如表2 2 、2 3 所示： 铁科院对0 9 c u p t i r e 、0 9 c u p c r n i 两种材料的耐候性能进行了周期浸润试验，结 果是： 0 9 c u p c r n i 材料的相对腐蚀速率是0 9 c u p t i i 也材料的8 6 6 7 。 由上述数据可见，0 9 c u p c r n i 料的耐腐蚀性能与0 9 c u p t i r e 材料的耐腐蚀性能基 本相当。 美国研究测量结果表明：当敞车内侧裸露使用时，耐候钢的减薄速度为 0 3 0 5 0 5 0 8 m m 年；前苏联铁路车辆计算和设计规范中提出，耐候钢在内表面涂层良好 的条件下，平均腐蚀速度为o 1 m m 年。 1 0 第二章载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车设计方案 表2 2c 6 2 b 型、c 6 4 型通用敞车腐蚀厚度调查表( m m ) t a b 2 2c o r r u p tt h i c k n e s si n v e s t i g a t i o no fc 6 2 ba n dc 6 4g o n d o l ac a r 车型 c 6 4 c 6 2 bc 6 2 b 材质 0 9 c u p t i r e0 9 c u p t i r e0 9 c u l ) t i l 迎 设计厚度 生产年份9 6 ( 8 年)9 6 ( 8 年)8 8 ( 1 6 年) 调查辆数 8 1 3 42 7 侧柱加强板 1 5 21 7 82 5 98 上侧板0 90 6 3o 8 95 端板 1 3 41 3 92 1 85 地板 1 0 71 1 6 1 7 58 下侧梁 0 4 5o 2 90 7 49 连铁 0 9 51 11 6 6 5 5 上侧梁 o 5 5o 2 9o 6 56 表2 3c 6 3 a 型敞车腐蚀厚度调查表( r a m ) t a b 2 3c o r r u p tt h i c k n e s si n v e s t i g a t i o no fc 6 3 ag o n d o l ac a r 9 09 19 29 39 49 59 79 8 生产年份设计 ( 1 4 年) ( 1 3 年)( 1 2 年)( 11 年)( 1 0 年)( 9 年)( 7 年) ( 6 年) 调查辆数 88683 053 63 0 厚度 侧板 11 1 0 9 1 1o 9 o 7o 60 45 端板0 8o 5l10 50 50 2o5 地板 1 10 70 4o 80 3o 2o 30 38 下侧梁 0 1 0 1o0 10 10 10 30 49 根据我国耐候钢腐蚀情况的初步调查结果和美国、前苏联关于耐候钢腐蚀方面的经 验数据，在考虑钢板实际厚度及0 9 c u p c r n i 相对0 9 c u p t i r e 腐蚀速率的情况下，经初 步统计，各种耐候钢材质在经过不同厂修期后，各部件推算腐蚀深度如表2 4 所示： 表2 4 敞车各部件推算腐蚀深度表 t a b 2 9r e c k o nc o r r u p tt h i c k n e s so fp a r t so fg o n d o l ac a r 厂修期 12 侧柱加强板 1 22 4 上侧板 0 5 91 1 8 端板 1 1 22 2 4 地板o 71 4 下侧梁 o 40 8 连铁 0 9 91 9 8 上侧梁 0 3 60 7 2 b 焊接结构疲劳强度的影响 大连变通大学i 程硕士学位硷立 对于母材来讲，材料屈服强度提高，其疲劳强度也提高：但对焊接结构而苦则不然， 焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属 强度匹配没有多大的关系，也就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢和低碳铡的疲劳 强度是一样的。田外簟家曾对屈服强度在3 8 6 6 3 6 m p a 之间的碳锰钢和用6 种焊条施焊 的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况进行了研究，结果表明：材料的力学性能对 裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不人。 当焊接接头承受静载时，其疲劳性能一般并不低于母材：当受交变载荷时，其承受 能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。 焊接结构疲劳强度远低于母材疲劳强度的主要原囡是，由于焊接接头焊趾处的焊接 缺陷、应力集叶1 和残余拉伸应力的作用。所以焊接结构的疲劳强度取决于焊接接头的抗 疲劳性能。为保证焊接结构可靠性，在设计承受交变动载荷的焊接结构时，应以焊接接 头的疲劳强度作为整体结构的疲劳强度，而不采用基本金属的疲劳强度。 实际在普通焊接结构的接头焊趾害i i 位沿溶合线存在有类似咬边的熔渣楔块缺陷，其 厚度在0 0 7 5 r a m 一0 5 m r n ，尖端半径小丁0 0 1 5 n u n 。竣尖锐缺陷是疲劳裂纹丌始的地方， 相当于疲劳裂纹形成阶段，因而接三l 在定应力幅值f 的疲劳寿命，主要由疲劳裂纹的 扩展阶段决定。这些缺陷的 h 现使得所有钢材的相同类型焊接接头具有同样的疲劳强 度，而与母材及焊接材料的静强度关系不大。 7 过去车体焊接结构设计以静载强度设计为主，考虑抗疲劳设计较少，且在设计和制 造过程中过于追求结构的低成本、轻量化，以至于出现了如p 6 5 枕梁盖板裂纹、转8 g 交叉杆盖板裂纹等许多不台理的焊接结构设计。 综合上述崮素，7 5 t 矿料、铡材运输专用车的材料及结构确定如下( 车体结构如图 2 1 所示) ： ( 1 ) 材料的确定 为保证上述车辆性能参数的实现，载重7 5 t 矿料、钢材运输专用车车体钢结构的主 要型材和扳材采用屈服强度为4 5 0 m p a 高强度耐侯钢。 f i g21b o d ys t m c t u r e 第二章载重7 5 1 矿料、钢材运输专州车硅计方案 ( 2 ) 底架组成 底架由端粱、枕梁、大横粱、小横粱、中粱、下侧粱及钢地板等组焊而成( 底架结 构如图2 , 2 所示) 。中粱由两根3 1 0 乙型钢组焊而成；侧粱为热轧槽钢；枕梁为双腹板 结构，大横梁为单腹板结构，底架上组焊8 m m 厚的钢地板，采用直径为3 5 8 m m 锻造上 心盘及材质为c 级铸钢的前、后从板座。 图2 , 2 底架结构 f i g22 u n d e r f r a