（车辆工程专业论文）我国铁路第一代双层集装箱车的研制.pdf

北京交通人学门譬硕士学位论文 y 8 7 8 8 3 2 摘要 本文基于铁道跨越式发展及我国集装箱运输的需要，论述了双层集装箱 车的定义及其特点，阐述了双层集装箱车的先进性，分析论证了我国铁路研 制双层集装箱车研制的必要性，设计研制了我国铁路第一代双层集装箱车。 本论文的重点工作如下： l 通过借鉴国外双层集装箱车的先进经验、结合我国铁路的实际情况， 提出适合我国铁路的双层集装箱车的车辆型式、主要技术指标及主要结构。 2 对关键技术问题进行研究，并对车体结构进行优化设计。 3 通过对虚拟样机的车体强度、车辆动力学、车辆空气动力学性能进 行计算机模拟仿验算，从理论上掌握其性能特征，为产品设计及样机试制提 供技术基础。 4 按照科学程序，进行一系列完整的型式试验，对样机性能作全面验 证，从而确保双层集装箱车性能符合我国铁路有关要求。 5 通过车辆试运营及提速试验，完成双层集装箱车的研制，使我国铁 路跨入集装箱双层运输的先进行列。 6 并对车辆的技术经济性、推广前景进行了分析，对车辆的主要技术特 点及技术参数进行了总结，完成了我国铁路第一代双层集装箱的研制任务。 关键词：双层集装箱车辆研制 北京交通人学：i ：程硕十学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h e d e v e l o p m e n ts n 咖g e m o fr a i l w a yc o n t a i n e r w a g o n t r 觚s p o r t i n g ，f i r s t l yd i s c u s s t h ed e f i n i t i o na n dc h a r a c t e ro fm ed o u b l e - l a y e r c o n t a i n e rw a g o n ，s e c o n d l yi n t r o d u c em ea d v a i l c ea i l dn e c e s s i t yt om a k et h e d o u b l e l a ”rc o n t a i n e rw a g o ni nc h i n a f i n a l l yd e s i g l la n dm a n u f k t l l r et h ef i r s t g e n c r a t i o nd o u b l e - 1 a y e rc o n t a i n e rw a g o n t h em a i nc o n t e ma r ea sf 0 l l o w si nm i sa r t i c l e ： a c c o r d i n gt ot h ea b o a r de x p e r i e n c eo ft h ed o u b l e l a y e rc o n t a i n e rw a g o n a n dt h es i t i l a t i o no fac o u n t r y t h et y p e sa n dt h em a i nt e c h n i c a li n d e xa n dm a i n s t r u c t u r ct l l ed o u b l e l a y c rc o n t a i n e rw a g o na r ep u tf o n a r d mt h i sp a p e r ，s t u d y 也ec r i t i c a lt e c h n o l o g y 甜l do p t i m i z em eb o d ys t m c t u r e u s i n gc a et e c h n o l o g yf 如mt h eb o d ys t l g m ，t h ev e h i c l ed ”a 1 1 1 i ca n dt h e a e r o d y n a m i c ss i m u l a t ea n dv a l i d a t et h ed e s i g ns u b j e c ta n df e a s i b i l i t yi no r d e rt o s u p p l yt h et e c s u p p o n i n gf o rt h ep r o t o t y p e s i na c c o r dw i t ht h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，as e r i a lt y p et e s ti sm e a s u r e dt o e n s u r et h a ct h es a m p l ec o m p l yt h et e c r c q u i r e m e n t s b a s e do nt h et e s t a p p l i c a t i o na n dr a i s i n gs p e e dt e s t ，t h ed o u b l e 一1 a y e r c o n t a i n e rw a g o ni s 丘n i s h e d ，m e r e b y m ec h i n e s er a i l w a y d o u b l e l a y e r c o n t a i n e rw a g o nc o m eo u t t o pi nt h ew o r l d a u t h o rm a k e sab r i e fi n t m d u c t i o na n dp u t st h ee m p h a s i so nt h ea n a l y s i so ft h e m a i nt e c h n i c a li n d e x ，k e yt e c h n 0 1 0 9 ya n dw a g o n st e c h n i c a la n de c o n o m i c a l a t t r i b u f eo f m en a t i v ed o u b l e l a y e rc o n t a i n e rw a g o n k e yw o r d s ：d o u b l e - l a y e r c o n t a i n e r w a g o n t e c l l i l i c a l i l l 北京交通大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 双层集装箱运输车的定义及其特点 铁路双层集装箱运输车( d o u b l e s t a c kc o n t a i n e rt r a n s p o r t a i i o n w a g o n ) 是一种采用特殊专用凹底结构、将集装箱双层叠装后进行运输的 新型车辆。集装箱在车辆上分上、下两层，下层集装箱位于车体凹底部， 上层集装箱位于下层集装箱之上，上、下层之间采用双头旋转箱锁装置联 接，然后编组运输。车辆示意图如图1 ： o士三三=：斗、=主三壬刁 、一7 j 一一一j l 、7 、一一1 图1 1 车辆示意图 由于其装箱方式的特殊性，该车有如下特点： 1 车辆装箱能力大。一辆双层集装箱车能装箱4 4 6 t e u ，而同样 长度的单层集装箱车仅能装箱3 t e u ，双层集装箱车装箱能力提高3 0 5 0 左右。 2 车辆装载后货物超高。按集装箱高度叠装计算，上层集装箱箱 顶距轨面高为5 8 5 3 m m 一6 1 2 7 m m 。 3 车辆重心超高。按集装箱形心叠装计算，车辆重心距轨面高为 2 2 3 0 一2 5 2 1 m m 。 4 集装箱承载面低。为了充分利用下部限界，减少上部限界的改 l 北京交通大学工程硕士学位论文 造量，集装箱承载面一般距轨面3 0 0 m m 左右。 5 车辆侧向面积大。按集装箱侧面积叠装计算，车辆侧面积最大 达7 5 m 2 ) 。 6 车辆载重大、自重小。为减少对集装箱限重，车辆自重尽量小， 载重要尽能大。一般2 5 t 轴重的四轴车辆，其载重在7 5 8 0 t 之间。 7 车辆装箱工况多。为提高集装箱的适装性，双层集装箱车般下 层装载2 0 f t 和4 0 f t 集装箱，为利用上部空削，上层装载4 0 f t 、4 5 f t 、 4 8 f t 、5 3 f t 等多种箱型的装载需要。 1 2 研制双层集装箱运输车的必要性 双层集装箱运输车是一种先进的运输车辆。与单层车相比，双层集装 箱运输车在充分利用铁路限界、增加铁路每延米载重、提高铁路运输能力、 降低铁路运输成本等方面具有更大的优势。国外铁路专家研究后认为，集 装箱属于载重较轻、装载面积较大的一种特殊货物，采用双层集装箱运输 车，单车运输成本可以节约三分之一，而运输能力可提高4 0 左右。 我国铁路集装箱运输由于受铁路限界、车辆轴重等技术因素限制，一 直采用单层运输型式，所用车辆均为单层集装箱专用平车( 如：x 6 a 、 x 6 b 、n x l 7 a 、n x l 7 b ) 。单层运输时，存在着以下问题：一是轴重利用 不充分。如单层集装箱专用平车装载2 个总重2 4 吨的2 0 r 集装箱或1 个 总重3 0 4 8 吨4 0 f t 时，实际载重仅为允许载重的8 0 、5 1 ，尚有2 0 、 4 9 的载重量被浪费。二是铁路上、下部空间存在着浪费。如单层集装箱 专用平车装载1 a a a 箱型时，箱顶部距轨面高仅为4 0 0 0 m m ，按最大超限 货物限界计算，则上部空间浪费约1 3 0 0 m m ，而下部因单层集装箱专用平 车的结构原因浪费空间约8 5 0m m 。三是运输能力较低。一列单层集装箱 北京交通大学工程硕士学位论文 列车按编组5 0 辆计算，只能装载1 0 0 1 e u 左右，而美国万吨双层集装箱 列车能装载4 0 0 t e u 左右。 在市场经济中，我国铁路集装箱运输面临着公路、水运和航运的激烈 竞争，急需采取有效对策。而发展双层集装箱运输则是最为有效的措施之 一。铁道部己将双层集装箱运输列入“十五”规划，并列为铁路跨越式发 展的项目之一。 为适应我国开展双层集装箱运输的需要，设计、研制一种适应中国铁 路、拥有自主知识产权的双层集装箱车是很有必要的。该课题已列入铁道 部、中国南车集团重大科研计划。 1 3 本论文的工作 由于双层集装箱车的特点，研制双层集装箱车涉及到铁路限界的适 应、集装箱装箱方案匹配、车体结构的可靠、车辆动力学性能、列车会时 车辆安全稳定性、上层集装箱的安全等重大技术问题，因此，本论文的工 作包括： 1 通过借鉴国外双层集装箱车的先进经验、结合我国铁路的实际情 况，提出适合我国铁路的双层集装箱车的车辆型式、主要技术指标及主要 结构。 2 对关键技术问题进行研究，并对车体结构进行优化设计。 3 通过对虚拟样机的车体强度、车辆动力学、车辆空气动力学性 能进行计算机模拟仿验算，从理论上掌握其性能特征，为产品设计及样机 试制提供技术基础。 4 按照科学程序，进行一系列完整的型式试验，对样机性能作全 面验证，从而确保双层集装箱车性能符合我国铁路有关要求。 3 北京交通大学工程硕士学位论文 5 通过车辆试运营及提速试验，完成双层集装箱车的研制，使我 国铁路跨入集装箱双层运输的先进行列。 4 北京交通大学工程硕士学位论文 第二章国外双层集装箱车简介 国外从2 0 世纪七十年代开始研发双层集装箱车至今，已有3 0 多年。 经过3 0 多年的发展，双层集装箱车在美国得到了空前的发展，并加拿大、 澳大利亚、墨西哥等多个国家得到推广。现在仅美国双层集装箱车达到1 万多辆，每周开行2 0 0 多列，运输径路几十条，运送全美9 5 以上的集装 箱。双层集装箱车在国外取得了巨大的成就和发展。 2 1 国外双层集装箱车的起源及发展 2 0 世纪7 0 年代末期美国铁路与公路之间的竞争日益激烈，特别是美 国国会通过法案放宽了对公路车辆长度的限制，公路运输出现了一部牵引 车拖带2 节甚至3 节半挂车的集装箱公路列车，开始向传统上铁路占有优 势的长途运输挑战，铁路集装箱运量逐年下降。为扭转这一局面，美国铁 路开始了双层集装箱叠装列车的试制和试验。 2 0 世纪七十年代末期美国铸钢公司( a c f ) 开始研制双层集装箱货 车。这种车辆的车体为落下孔凹底框架结构，但车体两端带有固定的、强 大的端挡墙，用于上层集装箱的定位。这种车辆车体比较庞重，载重相应 较小。2 0 世纪八十年代美国总统铁路和西太平洋铁路的研究部门经过一 系列试验后认定，通常在船上用于支承和约束上层集装箱的连接装置可以 直接应用在铁路双层集装箱运输上，这样，这种落下孔式双层集装箱车就 取消了笨重的固定端墙，减小了自重，增加了载重。 由于美国双层集装箱运输获得了巨大效益，加拿大、澳大利亚、墨西 哥等国纷纷仿效，开展双层集装箱运输。1 9 8 5 年，加拿大开始试行双层 集装箱列车，在不到1 0 年时间内，双层集装箱运输在北美铁路已成为主 北京交通大学工程硕士学位论文 要方式。澳大利亚双层集装箱运输起步于1 9 8 0 年，最初采用“一层半”方 式，到1 9 8 9 年，在澳大利亚不存在限界问题的西部铁路，双层集装箱运 输已十分普遍。目前，俄罗斯也正在研究双层集装箱运输及车辆。 2 2 美国双层集装箱车结构及参数 美国双层集装箱货车多为单元列车组形式( 一般为每单元3 5 辆) ， 车辆由多辆关节式落下孔形式车体组成，也有单节四轴落下孔形式车。关 节式车中间车辆共用个转向架，有利于减轻车辆自重，缩短车辆长度， 但需要大轴重的转向架，如1 1 3 8 t 的关节式车采用的是轴重为3 5 7 t 的 g 轴转向架。车辆中部落下孔尺寸，早期设计时，一般下层只能装载一个 4 0 f t 国际标准箱或2 个2 衄国际标准箱。后来根据市场需求，开发出落下 孔尺寸能装载4 5 f 、4 8 f t 集装箱的更长大的双层集装箱货车。双层集装箱 货车设计时，为了充分利用限界，一般将集装箱支承面设计为得尽量低。 车辆侧墙板，早期车辆在内侧，经过运用，车体承载点处( 即车体与 集装箱角件作用点) 较易发生疲劳裂纹。后经过疲劳研究，对车体结构进 行改进设计，将侧墙由原来的内侧改为外侧，内侧采用强大的铸钢或锻钢 弯角。经过运用，车体受力良好，裂纹基本消除。这种结构已成为美国双 层集装箱车辆的主要型式。 为适应车辆设计和开行，美国制订了双层集装箱运输限界( a a rh 限界，见图2 1 ) 。该限界对原有铁路限界上、下部进行了扩展，扩展后的 双层集装箱车限界为h 限界，其下部宽度为2 7 9 4 m m ，下部高度为7 0 m m ， 上部限界高度为6 1 4 7 m m ，而集装箱承载面高度在3 0 5 m m 左右。 国外双层集装箱专用车的主要结构见表2 1 和图2 2 。 北京交通大学工程硕士学位论文 表2 1国外双层集装箱货车的主要结构参数表 车型结构特点 装箱方式主要技术参数 l o p a c i i每组5 辆，无端头下层：2 个2 0 f t 或1车辆自熏1 9 9 t 载重5 5 t 落下孔尺寸 个4 0f t 每组车长8 8 8 5 m 4 8 f t 8 f t 6 i n上层：1 个4 5 f t 或 承载面距轨面高3 0 0 哪 4 8 f t 或5 3 f t g u n d e r s每组4 辆下层：2 个2 0 f t 或1 车辆自重2 3 8 3 t o n 载重7 0 t 转向架 个4 0 f t 、4 5 f t 或4 8 f t载重7 5 8 t 落下孔尺寸4 8 f t 上层：5 3 f t 每组5 辆下层：2 2 0 f t 或1 个 4 0 f t 上层： 4 0 f t 4 5 f t t h r a l l 每组5 辆下层：2 2 0 f t 或1 个车辆自重1 3 8 4 t 两端e 轴转向架 4 0 f t 载重4 6 7 t 中间车f 轴转向上层： 4 0 f t 、4 5 f t 架( 9 0 7 t )或4 8 f t 落下孔尺寸4 0 f t 每组3 辆下层：2 0 f t 2 或1 车辆自重2 5 t 载重7 4 8 t 落下孔尺寸4 8 f t个4 0 f t 、4 5 f t 或4 8 f t车辆总长6 5 8 m 上层：4 0 f t4 5 f t4 8 f t承载面距轨面高： 5 3 f t 3 0 6 5 r 姗( 名义) 3 2 0 肿( 最大) 7 北京交通大学工程硕士学位论文 图2 1a a rh 限界 图2 2 国外双层集装箱专用车 北京交通大学t 程硕士学位论文 第三章双层集装箱车方案设计 3 1 我国双层集装箱车主要技术指标的确定 3 1 1 轴重 根据g b l 2 8 1 4 9 l 的规定，我国铁路用于货车的滚动轴承轴型分为b 、 c 、d 、e 四种，轴重分别为1 2 t 、1 6 t 、2 1 t 和2 5 t 。目前我国铁路上通用 货车绝大部分使用d 轴，轴重为2 1 t 。少数专用车( 如长大货物车、煤炭 漏斗车、自翻车等) 使用e 轴、轴重为2 5 t ，机车轴重一般为2 3 t 。 我国2 0 0 0 年公布的铁路主要技术政策中明确规定“使用轴重2 5 t 低动力作用的大型四轴货车，进一步提高列车重量和运输效益”。可以认 为，采用和发展2 5 t 轴重的四轴货车势在必行，因此，新研制的双层集装 箱货车选用2 5 t 轴重的2 e 轴转向架是符合主要技术政策规定和发展趋势。 3 1 2 装箱方案 我国铁路自2 0 世纪5 0 年代初开始运输集装运输，现已淘汰了铁标 1 t 、3 t 、5 t 。丽根据铁道部铁路集装箱运输发展规划，加速淘汰1 0 t 箱，大 力发展2 0 f t 、4 0 f t 国际标准集装箱及特种集装箱。最近几年铁路国际标准 集装箱的拥有量为9 2 8 万个t e u ，拥有铁标箱1 1 6 万个，折合5 8 万个 t e u 。铁路拥有的集装箱箱型及数量见表3 1 。 9 北京交通大学工程硕+ 学位论文 表3 1 铁路产权主型集装箱的保有量及主要技术参数 箱型额定重数量外形尺寸m m数量所占 e 量( t ) ( 个) 长 宽 高 例 1 a a a3 0 4 8 3 0 0 01 2 1 9 2 2 4 3 82 8 9 6 1 4 8 1 a a3 0 4 83 1 2 01 2 1 9 22 4 3 82 5 9 11 5 4 1 a3 0 4 81 2 1 9 22 4 3 82 4 3 8 1 c c 2 4 6 6 5 9 16 0 5 82 4 3 82 5 9 13 2 8 5 1 c c3 0 4 81 4 0 0 06 0 5 82 4 3 82 5 9 16 9 1 t b l o1 01 1 6 0 0 03 0 7 02 5 0 02 6 5 05 7 2 2 除了国际标准的2 0 f t 、4 0 f t 集装箱外，美国等西方发达国家将集装箱 逐步发展到了4 5 f i 、4 8 f t 、5 3 f t 。美国是世界上集装箱运输最发达的国家， 也是世界上集装箱数量和箱型最多的国家，国际集装标准的制定受到美国 标准的较大影响，世界经济的一体化和经济发展规律使得世界各国经济受 到发达国家越来越多的影响，集装箱箱型也必然朝着大型化发展。 根据我国集装箱的箱型和循序渐进的原则，我国铁路第一代双层集装 箱车的装箱方案为： 工况一：下层：2 个2 0 f t 集装箱上层：1 个4 0 f i 5 3 f t 集装箱 工况二：下层：1 个4 0 f t 集装箱上层：1 个4 0 f t 5 3 f t 集装箱 工况三：下层：2 个2 0 f t 集装箱上层：2 个2 0 f t 集装箱 1 0 北京交通大学工程硕士学位论文 3 1 3 速度 集装箱运输是我国铁路确定的三种快速货运之一( 行包、集装箱、 鲜活冷藏) 。按照铁路主要技术政策的规定，快速货运的速度为 1 2 0 k m h ，少数可达1 6 0 k m m 。美国双层集装箱车最高速度为7 5 英里，j 、时 ( 合1 1 3 k m m ) 。 根据我国铁路新造货车从2 0 0 3 年起均需达到1 2 0k m l l 的要求，双 层集装箱车的速度确定为1 2 0k m h 。 3 1 4 集装箱承载面高度 按照铁道部安排，我国铁路双层集装箱叠装方案采取近期和远期相结 合的方案。远期方案为：一个9 6 ”( 2 8 9 6 m m ) 高度的集装箱( 俗称超高箱) 和一个8 6 ”( 2 5 9 1 m m ) 高的集装箱叠装，并按此叠装方案修订双层集装箱 装载限界，对新建或改扩建铁路按双层集装箱装载限界进行。近期的过渡 方案为：在现有线路条件稍作调整或不调整的情况下，采用一个 8 6 ”( 2 5 9 1 m m ) 高度的集装箱( 俗称标准箱) 和一个8 ( 2 4 3 8 m m ) 高的集装 箱( 俗称矮箱) 叠装方式开行。 g b l 4 6 1 8 3 标准轨距铁路机车车辆限界和建筑限界规定，最大级 超限货物装载限界高为5 3 0 0 m m ，基本建筑限界高为5 5 0 0 m m ，电气化接 触网悬挂高度5 7 0 0 m m ，其安全绝缘距离为3 5 0 m m 。如果下层集装箱承载 面高度2 9 0 m m ，一个2 5 9 1 m m 高度的集装箱和一个2 4 3 8 m m 高的集装箱 叠装再加上两箱之间的联接锁的厚度约3 0 m m ，则装箱后总高 h = 2 9 0 + 2 5 9 1 + 3 0 + 2 4 3 8 = 5 3 4 9 m m ，此高度仅比最大超限货物限界超出约 5 0 m m ，距基本建筑限界沿差1 5 l m m ，距电气化接触网低3 5 1 m m ，在安 1 1 北京交通大学工程硕士学位论文 全范围内。 ff u 一一一 警垂：譬霉专羚、- ：1 0 j 譬l i 、：。i 薯l ，i _ ：鬈l ij ；t ：【。1 7 r - 。 g l # “ ij 、! i 。： ，：1 - - v i 曩：。童i j 、誓0 一r _ _ = | ；1 “ j 。一8 。：“_ j ”爿 霞薯蓉窘譬蠢；囊。 瞳i 爱霭菇；露 。臻垂薹筝蠢 i ；：；二i o ? 。- j8 ：4；“ 曩- 。 、 ! ， 。 1 ：! ， 0 0 7t 。1 ， l 。h “】_ ：- 一j 一一一 图3 1 过渡方案的叠装高度与限界关系 3 1 5 车体下部距孰面间隙 要使集装箱承载面高度降低到2 9 0 唧，在保证下边梁的强度条件下， 应尽量加大车体下部距轨面的安全间隙。 间隙值由机车车辆下部限界高度、车体承载后向下的变化量以及车 辆运用后的磨耗量等三部分构成。按照g b l 4 6 1 8 3 的规定，机车车辆下 北京交通大学工程硕士学位论文 部限界为9 0 m m ；车体承载后，车体会产生向下的弹性变形，转向架弹簧 会压缩，根据计算，其总量为7 0 m m 左右；车辆在运用中，随着运行里程 的积累，会产生各种磨耗。按照铁道部铁路货车厂修规程的规定，并 按半磨耗限度加严控制，可得出各磨耗总量约为3 0 m m 左右。则其间隙值 总计为9 0 + 7 0 + 3 0 = 1 9 0 m m 。对于发生更大磨耗量，可在厂、段修时采 用调整心盘高度的办法加以调整。 图3 2 车体下部距轨面间隙 3 ，1 6 车辆载重、自重 2 0 f t 国际标准集装箱额定重量为2 4 t 、4 j 0 f i 国际标准集装箱额定重量 为3 0 4 8 t ，按照下层两个2 呲、上层1 个4 集装箱运输，可车辆载重应 为7 8 4 8 t ，则车辆自重仅为2 1 5 t 。对于2 5 t 轴重的长大集装箱车来讲，设 计上非常困难。为提高车辆的可靠性，将车辆自重确定为2 2 t 、载重7 8 t 较为合理。 如果上、下两层均装载1 个4 0 f c 集装箱，则其额定总重为6 1 i ，小于 j b 京交通人学工程硕士学位论文 车辆载重。如果上、下两层均装载2 个2 0 f i 集装箱，则其额定重量为9 6 t ， 大于车辆载重。对此问题，可采取轻、重箱搭配的方式解决。美国双层集 装箱车就是采取的这一方法。 3 1 7 通过限界 双层集装箱车装载后，其上部轮廓已超出现有机车车辆限界，需重新 制定上部限界，而下部限界则采用现有g b l 4 6 卜8 3 的车限一l b 。 g b l 4 6 卜8 3 中对车宽计算规定了长计算车辆( 2 6 m ) 和短计算车辆 ( 1 3 m ) 两种型式。该规定主要是考虑车辆在曲线上偏移会侵入限界的问 题，短计算车辆适用于全国铁路，长计算车辆适应于5 9 年以后修建的铁 路，因为5 9 年以前修建的铁路在曲线上的加宽量小于g b l 4 6 2 8 3 标准 轨距铁路建筑限界中规定的曲线加宽量。由于双层集装箱车车体长度为 1 8 5 0 0 m m ，下部距轨面高在空车时仅1 9 0 n 】f l ，加之我国铁路下部限界两侧 为4 5 0 的斜线，按短计算车辆计算在重车状态下因曲线上车体的偏移会侵 入下部限界。如果车辆要适应全国铁路，集装箱承载面高度将加高8 0 册 左右，会加大上部限界的改造量。考虑到双层集装箱车是在主要干线运行， 故下部限界采用5 9 年以后修建铁路的g b l 4 6 卜8 3 中的车限一1 b ，见图 3 3 。 1 4 北京交通大学工程硕士学位论文 图3 3 通过界限 3 2 我国双层集装箱车主要结构选型 美国双层集装箱车多为三联或五联关节式集装箱车，此类车为两车体 共用一个转向架，牵引梁长度为零，对于减少车辆的无效长度有利( 注： 因双层集装箱车承载范围为中间凹底部分，两端牵引梁部分不能承载，仅 为安装车钩缓冲器及转向架使用，对装载功能来讲属无效长度) 。但关节 式车辆需要大轴重的转向架在我国运用条件不具备，如果关节式采用三轴 或四轴转向架，一是转向架本身占用一定的车辆长度，二是多轴转向架速 度有限，且关节式车辆使用分解不便。 采用单节四轴式车辆型式，技术上比较成熟，也便于制造和运营管理。 北京交通大学工程硕士学位论文 3 2 1 车体 为降低集装箱承载面高度，车体为落下孔凹底型式，枕后无中梁，为 曲型的侧壁承载结构。为减少无效长度，牵引梁应尽可能缩短。为减轻自 重，应采用高强度耐侯钢材，并对关键受力部件进行疲劳分析。 侧墙板相对于侧柱有内、外两种结构形式，这两种结构型式与空气动 力学性能及侧墙整体受力有关。根据理论计算和试验测试，侧墙板在外侧 比在内侧可减少空气动力学载荷3 0 左右。为提高车辆的安全稳定性，采 用侧墙板设置在侧柱外侧的流线性方案，一是可提高侧墙抵抗由于垂向载 荷产生的向外弯矩的能力；二是提高空气动力学性能，减小列车交会时的 空气作用载荷。 3 2 2 转向架 由于双层集装箱车装箱后重心较高，因此，必须采用性能优良的转向 架。从美国引进的超临界速度的摆式转向架( s w i n gm o t i o n ) ，通过摇动 座、弹簧托板、摆块等将左、右侧架连接在一起并形成一个摆动机构，增 加了车辆的横向柔性，降低了车辆侧滚转动中心，这对提高具有较高重心 的双层集装箱车的横向动力学性能和脱轨安全性有很大作用。从铁科院动 力学试验来看，摆动转向架的性能在1 4 0 k m h 试验速度范围内，其运行稳 定性、平衡性、动强度的有关指标均属优良，符合g b 5 5 9 9 8 5 铁道车 辆动力学性能评定和试验鉴定规范的规定，其动力学性能满足1 2 0 k m h 的运行要求，且与k 3 焊接构架转向架无明显差别，在直道运行时的该各 项指标，均优于交叉支撑式转向架。 北京交通大学工程硕士学位论文 3 2 3 车钩缓冲装置 双层集装箱列车，总重1 0 0 吨，重心高达2 5 0 0 m m ，且上层集装箱 与下层集装箱之间、下层集装箱与车体之间存在着一定的间隙。而1 7 号 联锁式车钩，比1 3 号车钩间隙小5 0 、强度大，且能联锁，m t 2 大容 量缓冲器，最大容量8 0 k j 对降低双层集装箱车的冲击力，保护上层集 装箱运输安全，具有重要作用。 3 3 双层集装箱车车体结构优化 双层集装箱车中，转向架、车钩缓冲、制动装置等均为现行成熟技术， 只需进行匹配性验证，无需进行设计。而车体是主要承载件，受力、结构 较为特殊，国内无任何经验。双层集装箱车车体长1 8 m 多，载重7 8 t ，中 部4 5 0 m m 长度范围内集中载荷最大达3 9 t ，而车体自重须控制在1 0 5 t 以 下，在车体轻量化的前提下既要达到功能要求又要安全可靠，须对车体结 构进行优化，解决以下关键技术问题： 1 t b 厂r 1 3 3 5 9 6 铁道车辆强度设计和试验鉴定规范所规定的纵向 力传递问题。 2 在纵向力和垂向载荷作用下的侧墙压杆失稳问题。 3 集装箱角件作用处的结构疲劳失效问题。 4 侧墙下边梁与铁路下部限界的适应性问题。 5 侧墙两端下拐角的受力与列检员进出空间的问题。 1 7 北京交通大学工程硕士学位论文 3 3 1 车辆纵向力传递 由于双层集装箱车车体为落下孔式的凹底结构，枕后无中梁，侧壁承 载，钩纵向力只有通过端部底架传递给侧墙。因此，将端部的各种梁件用 上盖板连接起来，形成个较大的刚性结点，以传递纵向力。为使纵向力 通过侧墙上边梁传递，将端部刚性结点升起一定的高度，与侧墙上边梁成 为一体整体。 3 3 2 侧墙上边梁压杆失稳问题 美国、加拿大等国家的双层集装箱车很少或不装载4 个2 呲集装箱， 因此其侧墙不高，一是稳定性较好，二是侧墙上边粱相当于底架侧梁来传 递纵向力。而我国双层集装箱车需要满足4 个2 箱的装载、中央的集中 载荷达3 9 t 的特殊工况。侧墙主要承担纵向力和垂向力及各种弯矩，而上 边梁又是其中的关键部件。上边梁长1 5 m 多，在垂向力和纵向力的作用 下，存在着压杆失稳的可能性。 为防止这个问题的发生，一是按照压杆失稳性与其长度的平方成正比 的原理，我们将两侧的上边梁用后端梁联接成一整体，将压杆失稳的长度 由1 5 3 m 减少为1 2 3 m ，抗失稳能力提高了1 5 5 倍。二是中央断面加强、 提高横向刚度的办法，保证了侧墙上边粱的稳定。 3 3 3 集装箱承载处结构焊缝的抗疲劳 由于双层集装箱车双层装载后，其角件作用在车体上的最大静载荷 达到1 5 2 5 t ，而角件的大小仅为1 8 0 m m x l 7 0 m m 。在如此小的面积上作用 如此大的作用力，极易产生裂纹。美国以前的双层集装箱车发生过类似的 北京交通大学工程硕士学位论文 问题。因此，我们采用了集装箱角件作用处加厚3 0 m m 的锻钢弯角的方案， 一是增加下边梁与侧墙的联接强度，改善下边粱与侧墙联接处的受力状 况；二是改变该处焊缝的受力性质，使关键受力焊缝由原横向焊缝改为纵 向焊缝，从而提高了下边梁的可靠性。对于中部底架中的横粱，虽然美国 双层集装车采用横梁加斜梁的衍架结构，但我们经过计算分析，斜梁连接 处受力不好，故我们采用了横向梁结构。 3 3 4 侧墙下边梁与铁路下部限界的适应 由于集装箱承载面距轨面高度较低，加之我国铁路下部限界两侧为 4 5 0 的斜线，导致了下边梁的设计较为困难。美国双层集装箱车下部限界 高为7 0 m m ，比我国低2 0 m m ；宽度为2 7 9 4 m m ，比我国宽2 7 4 m m ，故美 国双层集装箱车下边梁多为角形，而我国下部限界不允许采用该结构。经 多方案比选，我们采用了冷弯乙型钢加冷弯槽钢封底的形式，在适应了铁 路下部限界的同时，又提高了下边梁的刚度。 3 3 5 侧墙两端下拐角的受力与列检员进出空间 侧墙两端下部拐弯处的设计：受垂向载荷产生的弯矩应力与第一工 况拉应力相叠加的影响，侧墙两端下部拐弯处是整个侧墙受力的关键部 位，且该处又是列检员进出车体进行列检作业的必经通道，需要一定的空 间尺寸。为解决这个问题，我们共进行了增加上部高度、降低下部高度、 拐弯圆弧点前移、增加内外加强板、增加圆弧盖板厚度等多方案的对比计 算及试验，经过优化，既确保了列检员进出车内的所需空间，又保证了侧 墙下部拐弯处的强度，见图3 4 。 1 9 北京交通大学工程硕士学位论文 r 声：_ 7一i _ _ 。，i 一一 乩三 d i 、-：3、一：!，!、一：_ n l 。 图3 4 侧墙两端下部拐弯处的设计 北京交姬大学工程硕士学位论文 第四章双层集装箱车的仿真计算 为保证双层集装箱车的运行安全，针对该车的使用特殊性，需要进行 车体强度、车辆动力学、车辆空气动力学的仿真计算，并将空气动力学计 算出的空气作用载荷和载荷普旖加到车辆强度、车辆动力学仿真计算中。 4 1 车体强度有限元仿真计算 为保证大载重、高重心的双层集裟箱车车体结构强度及其合理性， 需要按t b t 1 3 3 51 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范的规定及该 车空气动力学载荷， 4 1 1 模型建立 本车采用大型有限元分析软件卜d 卧s 和有限元法进行强度和刚 度的分析计算。 车体的结构主要由钢板组成( 型钢可以视为钢板拼组而成) ，为空间 结构，承受空间载荷，结构既承受拉压变形又承受弯曲扫转变形，因所用 钢板厚度尺寸与常宽尺寸之比小于l 6 。可作为薄板，所以在离散时所有 部件均采用空间弯曲板壳单元离散，离散图基线取在薄板的中心线或中性 面上。离散时，主要采用八节点四边形板单元辅之以六节点三角形板单元， 单元边长小于l5 0 m 。 考虑到车体非完全对称及在某些载荷工况下的非简化载荷的不对称 性，为计算准确，采用整车离散模型，在上心盘及上旁承处用弹性单元模拟 转向架支撑弹簧及常接触旁承。车体结构离散模型如图4 ，1 所示。最后 将车体离散成3 6 0 9 8 个节点，3 9 7 2 9 个有限单元： 将车体离散成3 6 0 9 8 个节点，3 9 7 2 9 个有限单元： 北京交通人学工程硕士学1 ：i ) = 论文 图4 ，1 双层集装箱车车体离散模型 4 1 2 载荷及计算工况 根据t b t 1 3 3 5 一1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范的规定及 空气动力学载荷，作用在平车车体上的载荷包括以下几部分： 1 垂向载荷 垂向载荷由垂向静载荷、垂向动载荷及侧向力引起的垂向增减载三部 分构成。 2 侧向力( 包括离心惯性力和风力，并增加交会空气冲击力) 车辆所受侧向力应包括离心惯性力和侧向风力，集装箱的惯性离心力 按自重的7 5 取值，侧向风压力按5 4 0 p a 取值，一部分作用在侧墙上， 另一部分作用在侧墙之上的集装箱侧面上。集装箱上的离心惯性力与侧向 风力叠加后作为总侧向载荷施加到集装箱承载面上，并考虑所引起的垂向 载荷的增减载。 根据中南大学对双层集装箱车空气动力学的计算分析结果，在明线 上空气压力冲击载荷为一7 5 0 p a 5 5 0 p a ，作用在交会面侧墙上。该载荷与 2 2 北京交通大学工程硕士学位论文 垂向动载荷叠加，按第二工况评定。 3 扭转载荷 扭转载荷为4 0 枷。 4 纵向力 1 ) 第一工况：纵向拉伸力取1 1 2 5 k n ；压缩力取1 4 0 0 k n 。该力分别沿车 钩中心线作用于车辆两端的前、后从板座上。这种力与垂向静载荷、垂向 动载荷、侧向力、扭转载荷相加，其计算应力不得大于第一工况的许用应 力。 2 ) 第二工况：纵向压缩力取2 2 5 0 k n ，该力有两种作用方式：一是沿车 钩中心线作用于车辆两端的后从板座上；二是沿车钩中心线作用于车辆一 端的后从板座上，而为车辆及其所载货物的惯性力所平衡。因第二种作用 方式发生于车辆进行驼峰调车作业时，而双层集装箱车禁止通过驼峰，因 而计算车辆纵向惯性力的影响时按t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 中6 7 1 2 项进行校 核，取车辆纵向惯性加速度为o 2 5 9 ，在此加速度下车辆的惯性力与垂向 静载荷相加，其计算应力不得大于第二工况的许用应力。 综上所述，每一种装箱方式下的计算工况包括： 1 刚度工况：垂向静载荷； 2 强度工况1 ：垂向静载荷+ 垂向动载荷+ 扭转载荷+ 侧向力+ 1 1 2 5 k n 纵向拉力； 3 强度工况2 ：垂向静载荷+ 垂向动载荷+ 扭转载荷+ 侧向力+ 1 4 0 0 k n 纵向压力； 4 强度工况3 ：垂向静载荷+ 2 2 5 0 k n 纵向压力。 5 强度工况4 ：垂向静载荷+ 纵向加速度引起的纵向惯性力+ 纵向惯 性力产生的集装箱垂向增减载+ 2 2 5 0 k n 纵向压力。 北京交通大学工程硕士学位论文 6 强度工况5 ：垂向静载荷+ 垂向动载荷+ 侧向压力一7 5 0 p a ( 作用在 交会面侧墙及高出侧墙以上的集装箱侧面上) + 1 1 2 5 k n 纵向拉力( 以第二 工况标准考核) 。 4 1 3 评定标准 刚度：双层集装箱车为集中载荷，挠跨比小于或等于1 7 0 0 。 强度：小于或等于材料许用应力表。各材料的许用应力表4 1 。 表4 1 材料许用应力表( m p a ) 材料及其牌号第一工况第二工况 低合金钢 q 3 4 5 ( o 。= 3 4 5 )2 1 62 9 3 耐候钢q 4 5 0 n q r l ( o ：= 4 5 0 ) 2 8 13 8 0 低合金铸钢b 级钢( o 。= 2 8 0 ) 1 5 0 2 0 0 4 1 4 计算结果 1 刚度 不同装载方式下车辆相关挠度数值见表4 2 表4 2 不同装载方式车辆的相关挠度数值 装载方式许用挠度( 衄)实际挠度挠跨比 ( m m ) 装载方式一( 7 8 吨) 2 2 3 81 8 3 7o 8 2 7 0 0 装载方式二( 7 8 吨) 2 2 3 82 1 8 lo 9 7 7 0 0 装载方式三( 6 1 吨) 2 2 3 81 0 5 6o 4 7 7 0 0 北京交通大学工程硕士学位论文 车体在各种装载方式下的变形情况如下所示，变形图进行了适当放大 以便于清晰显示变形情况。 图4 2 下层装载2 个2 0 f t 箱上层装载1 个4 0 f t 以上箱车体变形图 2 强度 通过计算可知对于各种装载方式，车体最大应力发生于第一工况 1 1 2 5 k n 拉伸力作用下，应力值2 6 4 m p a ，在第一工况1 4 0 0 k n 压缩力作用下 车体最大应力为2 0 3 m p a ，在第一工况各种载荷的作用下车体各部位的应 力值均小于表4 中规定的第一工况下的材料许用应力。在第二工况2 2 5 0 k n 压缩力作用下车体最大应力为2 1 4 m p a ，0 2 5 9 制动冲击惯性作用下车体最 大应力为1 3 7 i p a ，与高速客车会车工况下车体最大应力为2 6 l m p a ，此三 种工况的车体应力均小于表4 中第二工况下的材料许用应力。 表4 3 显示了装箱方式一( 下层装载2 个2 0 f t 箱上层装载1 个4 0 f t 以上箱) 在载荷工况l 下车体计算应力值及应力云图。由于篇幅有限，其 它工况的计算应力值及应力云图在此省略。 表4 3 车体在载荷工况1 下应力分布值( m p a ) 位置应力值 位置1 ( 枕内端部地板孔周) 2 0 6 位置2 ( 上枕梁上面) 1 3 7 位置3 ( 上边梁上加强板外端) 1 0 6 位置4 ( 下边梁与中央大弯角外侧焊缝处) 1 4 2 位置5 ( 上边梁中央部位与上加强板内侧焊缝处) 1 1 6 北京交通大学工程硕士学位论文 位置6 ( 下边梁与内墙板压弯处焊缝) 1 5 2 位置7 ( 后端梁外侧上边梁上面) 1 2 0 位置8 ( 端部外墙板圆弧处) 2 0 9 位置9 ( 靠近前从板座处牵引梁腹板) 1 2 0 位置1 0 ( 心盘垫板枕外侧边缘与牵引梁下翼面焊缝处) 1 5 4 位置l l ( 端斜板圆弧处内边缘) 2 2 7 位置1 2 ( 封底梁中央部位下面) 1 4 l 位置1 3 ( 大横梁下面中央部位) 1 0 2 位置1 4 ( 大连接板圆弧边缘) 1 5 2 位置1 5 ( 枕内侧枕梁下盖板边缘靠近心盘处)1 2 5 位置1 6 ( 枕梁下盖板枕内侧边缘与侧墙内墙板焊缝处) 2 7 1 图4 3 装载方式l 在载荷工况1 下车体计算应力( 车体正向) 北京交通大学工程硕士学位论文 图4 4 装载方式l 在载荷工况1 下车体计算应力( 车体反向) 4 1 5 结论 由刚度及强度计算表明，车体在各神规定的装载方式及载荷工况下 车体刚度及车体强度满足t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆及强度试验鉴定规范 的要求。 4 2 车辆动力学仿真计算 为保证1 2 0 k m h 的双层集装箱平车良好的动力学性和运行安全性， 需根据g b 5 5 9 9 8 5 铁道车辆动力学性能试验及鉴定规范的规定和双层 集装箱车的特点，对该车的蛇行运动稳定性、运行平稳性与快速客车交会 时的安全性、车辆静态工况时在曲线上的倾覆稳定性等进行计算评估。 北京交通大学：l 程硕士学位论文 4 2 1 计算模型 机车车辆是一个复杂的多体系统，不但有各部件之间的相互作用力和 相对位移，而且还有轮轨之间的相互关系。因此，理论计算分析模型只能 根据研究的主要目的和要求，对一些次要因素进行人为的假定或简化，而 在对动力学性能影响较大的主要因素上尽可能作出符合实际情况的模拟。 根据双层集装箱平车的结构特点，忽略各部件本身的弹性