（机械工程专业论文）70t级无中梁罐车牵枕结构设计及分析.pdf

嚣薅交遴文拳王程琰士研究生学饿谂文繁l 页 摘要 随着审莺残珐媲麴入鬣赛贸荔缀缓( 霉善蛰) ，孛鬻经济裴褥了空 前的的高遴发展。豳家投资基础设施建设的力度越来越大，备种物 资戆浚逶运输窝瘸转耋逐年壤热，缀济发袋辩交逶遴凌露监提爨了 更高的要求和挑战。铁道运输作为圜民经济发展的大动脉，赞车运 麓遗远不戆溃是携炎运辕的爨求，铰遵运赣“重载纯”已成为现除 段铁路运输的重要课题。 为提嵩运能，逑应国民经济发鼹的需娶，近年来，铁道酆实施 了跨越式发展战略，铁路赞车向“薰载化、快捷纯”的方向发展， 出台了7 0 t 级货车的重载技术政箢，先后研制成功了7 0 t 级新型敞 车、平车、棚车等藏载货车，为全鬣开行重载列车剁造了条释。 7 0 t 缀新型轻、粘油罐率是按照铁路货翠熏载技术政策要求设计 开发豹辘薰2 3 t 鹣熏载罐举，该车袋用无审粱结稳，载重较g 7 0 帮 g 1 7 b 型罐牟提高8 t 和7 t 。为适应黧载，提商了车辆强度校核标准， 掰鍪罐车瓣摹羲缀褥静哥纛毽提窭了受褰赘要求，孝撬结擒锌夤罐 率承上启下的关键部件，传递着牵引和各项冲击载精，承载蓿各种 蘩自、横囱载莓，受力 常复杂，该绩擒鳃霹靠性囊接关系裂罐车 整车的运杼安全。本文通过对7 0 t 级新型巍中梁罐率牵枕结构的设 诗、选型裰开发愚路作以谂述，探讨无中粱罐车牵栋结构熬一般规 律，从而对一般无中梁罐擎的设计和选型提供帮助。 装键词：7 0 t 级；无中梁罐车；举枕结构 设计；分析 西南交通大学工程硕士研究生学陂论文第1 | 页 a b s t r a c t 秘l 峨鼬e 妇蠲h 髓w 羚，氇i 靛a 酝sa c c c 恻赫b e d a u n p r e c e d e r l t e dd 酬o p m e n ti ne c o n o r n y 。d u e t ot 1 1 e e 印a n d i n g o f n 嶷越由卫蕊斑w l 畦鞭羽建，氇e 鼬s 弹建融l o 珏a 砖c 纛戚a 曩。魏o f m 珏怂磊越s 氧 i n c r e 舔i i l gy e a rb yy e a r 1 l l ee c o n o m i cd e v d o p m e n th a sp u tf o r t l lm o r e r e q u i r e m e n ta n dc h a h e n g ef 啪出p o 擞瞄0 ni n d 姒s 姆a s 魏m a i nb 避n c hf o r n 敷i o n 采e c o n o m i em 懒m e 嫩，t h e 乜a 越s p o 商n gc a p a c i 锣o fr a 诅w a y sc a nn o t m e e t 也er 杼q 1 】i r e m e n to fn 馥d o n a le c o n 锄i ed l w e l o p m e n t t m 姻，也e “b 睦霹黟珏a 堪拄毫l 犁麟。妒纛黼b e c o 黼e8 珏黼a 鞋s 喇e 蛙遮p 擎e 弛n t r a i 】w a yh 引鹪p o r t a 廿o ns t u d 弘 t oi i i e r e a s e 畦l et r a n s p o r t i n gc a p a c 酶髓d 协m 瞅也er e q t l i r e m e n t 嚣美蛀o n 越e n o m i c 如v 蘸h 叩m e 酶也em o 敝( 瓶n 融搿o fr 琏删h 猫p u t 也e “l e a po v e ，黼斟i n t 0p r a c t i 黼i n 姗n ty e a r s “h i c h1 e a d sm ed e v e l o p m e n t 碟攮e 氛哇g 敬w 箍g o 魏铷& 镪盼一噫i g o 琏堍粕d 蠢& e _ 溅落毪葚”。曩瓣艇。鼗 h a 8b r o u g h to l l tt h er e l a t e dh i 曲0 0 a d i n g p o l i c yf o rc l a s s7 0t o nf i e i g h tw a g o 吐 嫡以碱n ga a s s7 0t o ng o n d 横拄c a r ，羲城c a ra n 娃b o xc a rw h 浊e r e a t e s 袅 f o u n 酾o nf o r 也e 烈n n i n go f a v y 吨a u l 矗堍h tt r a i n s 。 a 勰s7 0t o nn e w 呻et a n kc a rf o r 1 i g h to i l a l l d v i s c o l l so j li sa 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n _ t ot h eg e m r a lr u l e sf o rd r a 矗s ma n db o d yb ( l s t e rs 岫l c t l l m0 f 觚b s i l lt a i l kc a rt l l 吣 d i s c u s s i n g t h e d e s 自昏1 1 ，s t m c t i l r e s d e c t i n g 蛆d d 帆l o p m e n t i d e a so f a a 鹞7 0 t o n n e w t y p e 啦l bs m t a 】咄c a r 锄d t o p r 0 岍d e g e n e r a l 弘s i s t a n c et ou l ed 器逗na n ds t r u 咖弛s e l e c t i n g0 fg e n 嘲ls n l bs m t a n k ( 墙r k e yw d r d s ： c l a s s7 0 - t o n ；s t l 曲s mt a n kc a r ；d r a f ts ma n db o d yb o l g t e r s 虹u c h l r e ；d e s i g n ；a n a l y s i s 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 一问题的提出 改革开放以来，随着中国成功地加入世界贸易组织( w t o ) ，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2 l 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2 5 t 轴重转k 6 和转k 5 型转向架；7 0 t 级敞车、平车、棚车等2 3 t 轴 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 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： 1 7 型车钩及配套钩尾框、m t 一2 大容量缓冲器、k z w a 型空重车自动调整 装置、1 0 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2 0 0 3 年起开始研制开发无中梁7 0 t 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2 3 t ，载重比g 7 0 k 型罐车提高8 t ，商业运营速度从1 0 0 k m h 提 高到1 2 0 k m h ，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7 0 t 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，材料利用率高，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。 1 2 本论文所作的工作 本工程硕士研究生学位论文的研究课题就是通过对7 0 t 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 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 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7 0 t 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7 0 t 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a n s y s 有限元 计算分析软件，依据7 0 t 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t b t 1 3 3 5 的标准要求。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a a r 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。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 第2 章国内外无中粱罐车的发展概述 2 1 国外无中梁罐车的发展历史 无中梁罐车起源于德国，2 0 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1 7 ，罐车的最初运用应归功于宾夕法尼亚州 米德维尔德d e n s o r e 兄弟。为了将宾夕法尼亚油田的原油高教地运出， 他们亍1 8 6 5 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1 3 2 5 m 3 ( 35 0 0 9 a 1 ) 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d e n s m o r e 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。1 8 6 9 年，为防止桶板间的泄漏，宾夕法尼 亚约克市的e m p i r e 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。e m p i r e 公司的车辆采用了这种设计型式，在以后的9 0 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，再将精炼产品运输给批发商。正是在 这一阶段，“罐车”这一名词开始使用。 1 9 0 0 年，随着对更长、更快列车的强烈需要，标准石油公司的j o h nv a n d y k e 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v a nd y k e 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。 v a nd y k e 所设计的结构起初并没有得到人们真正的认识，随着设计 v a nd y k e 所设计的结构起初并投有得到人们真正的认识，随着设计 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 手段的提高以及对罐车结构的深入了解j 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，提高了运输效率，简化了检修作业。因此，从2 0 世纪5 0 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a a r 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2 0 世纪9 0 年代初期，至少有12 个 梁断裂发生在此时期的无中梁罐车上。1 1 0 0 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( s s w g ) ”。 它的成员包括一些制造厂商和车主，f r a 、从r 、铁道发展学会( r p i ) 、 加拿大运输公司以及化学制造商协会，该委员会雇用了相当于一个独立的 第三方项目管理的西南研究学会( s w r i ) ，采用失效容限分析的方法对无 中梁牵枕结构进行全尺寸疲劳裂纹扩展预测验证试验，目标是用试验方法 验证失效容限分析研究办法。通过大量的试验验证，对无中梁罐车牵枕结 构有了更深入的了解，提出对每一罐车均要进行失效容限分析的要求，目 前此项工作仍在进行中“”。 2 2 国外无中粱罐车牵枕结构的结构组成及特点 国外研究无中梁罐车起步较早，2 0 世纪中期无中梁罐车在美国开始 大量使用。经过几十年的运用考验和理论研究，各罐车设计、制造厂先后 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 研制开发了具有各自特点的无中梁罐车，积累了大量的设计制造经验，形 成了相关的无中梁罐车牵枕结构的从r 标准“。几种无中梁罐车的牵枕结 构，形式各异、各具特点，现将北美几种常见的牵枕结构形式及特点介绍 如下： 2 2 1 牵引粱腹板 美国无中梁罐车为了提高罐内运输介质的卸净率，方便清洗作用，罐 体结构经历了从圆柱形筒体结构向直角斜锥圆截面斜底罐体结构和浅“v ” 形圆柱简体结构的改进。改进后罐车罐体底板由罐体两侧封头处向中部倾 斜，早期的斜底罐体结构采用直锥结构，结构对罐体板材的前期下料、焊 接等预处理工序要求较高，工艺相对较为复杂：为改善其工艺性，美国罐 车又设计了浅“v ”形圆柱简体结构，由两截圆柱形筒体拼焊成对称布置 的“v ”形结构。 因为罐车牵枕结构是通过牵引梁与罐体底部牵引梁上盖板焊接成为 一体，因此随着罐体形式的不同，牵引梁腹板各异，常见有“截面不变型” 和“截面渐变型”两种。“截面不变型”牵引梁主要用于圆柱形筒体结构， “截面渐变型”牵引梁主要用于斜底罐体结构和浅“v ”形圆柱简体结构。 但罐体尾部的腹板均相同，呈线性递减。 2 2 2 前从板座 美国罐车的前从板座结构的发展经历了“焊接式前从板座”、“分体 式铸造前从板座”以及“一体式铸造前从板座”等阶段的改进恤。 车辆载重的不断提高，万吨列车普遍开行，车辆承受的纵向冲击力不 断提高，使“焊接前从板座”经常在从板座根部焊缝处出现焊接裂纹，影 响到铁路罐车的运行安全。为保证运输安全，提高前从板座结构的可靠性， 解决焊接结构焊接应力较大的问题，随着铸造水平的提高，铸造材料的机 械性能更加优越， b 级钢、c 级钢材质的“铸造前从板座”被广泛应用到 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 罐车牵枕结构中，很好地满足了因牵引力的不断提高对前从板座结构强度 的要求。 同时，前从板座与牵引梁直接的连接形式也从原来的焊接连接变成拉 挤铆钉连接形式，采用铆接结构提高了前从板座的抗剪切性能，避免了因 焊接裂纹造成的车辆检修次数，同时方便了检修作用。 2 2 3 后从板座和上心盘座 随着铸造水平的提高和贯彻一体化设计的思想，北美铁路罐车后从板 座和上心盘座的结构设计经历了较大的变化和改进，由过去相对独立的后 从板座和上心盘座改进成将后从板座和上心盘座铸造成一体，有的罐车则 将后从板座、上心盘座及上心盘铸造成一体，通过焊接与牵引梁、枕梁连 接起来共同承担车辆载荷，这样改进的最大优点是从设计上简化了制造， 节约了成本，同时提高了结构的可靠性；但是，一体式结构也对铸件的质 量、焊接缺陷的检验、控制以及检修作业提出了更高的要求在美国通常 对该部结构实施与整车等寿命设计，实现免维护、零检修，当然这样做起 来很不容易心“。 2 2 4 枕梁结构 罐车所装运的介质多为易燃、易爆、有毒、 腐蚀等危险的石油化工产品，罐车在运行中的安 全性和可靠性直接危及铁路运输安全和铁路沿 线公民的生命安全。因此，北美铁路一直致力于 铁路罐车的可靠性研究，降低因罐车事故对周围 环境的破坏和人员、财产损失。图2 1 枕梁结构是罐车的主要传力和承力的安全部件，各生产厂均对枕梁的 受力状况进行优化分析和研究，设计出了多种型式枕梁，经分类汇总可分 为以下几种： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 1 “单腹板+ 侧盖板+ 顶车箱形”结构( 见图2 1 ) 。为n a t x 公司的无中梁罐车枕梁结构。由枕 梁腹板、“7 ”形侧盖板和顶车用箱形结构组成。 该结构的特点是：侧盖板与枕梁腹板间的施焊空间 小，对焊缝要求较高；采用双腹板顶车箱形结构， 焊缝多，压型件多，工艺性较差。在早期的无中梁 罐车上使用。 2 “单腹板+ 侧盖板( 无顶车箱形) ”结构( 见 图2 2 ) 。为c e l x 公司。、r e l x 公司的无中梁 罐车枕梁结构多采用单腹板侧盖板结构。结构简 单，但对腹板和盖板的强度、刚度有更高的要求。 是无中梁罐车枕梁的主要形式之一。 3 “单腹板+ 侧盖板+ 矩形型钢起吊连杆( 无 顶车箱形) ”结构( 见图2 3 ) 。该结构在单腹板、 侧盖板结构的基础上增加了矩形型钢起吊连杆结 构，在满足枕梁受力的同时，方便制造、检修过 程中的吊装罐体作业( 如g a t x 公司采用该结构作 为主型结构) 。 4 “单腹板( 小) + 顶车筋板和盖板( 无侧盖 板) ”结构( 见图2 4 ) 。该车枕梁在鞍座边角处 取消了侧盖板，枕梁仅由单腹板和下盖板组成，为 保证罐车在承受心盘冲击、侧滚、扭转、顶车工况 条件下的可靠性，因此枕梁腹板和下盖板均被设计 的比较强大来保证安全。 5 “单腹板+ 短侧管+ 下盖板+ 顶车腹板”结构 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 ( 见图2 5 ) 。为改善 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ l _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。- 。一 侧盖板和无侧盖板单腹板枕梁鞍座边角处的受力 状况，鞍座边角处采用了圆管结构，枕梁下盖板 下侧焊接单腹板、顶车下盖板结构。 6 “单惺板+ 下盖板+ 侧管支柱”结构( 见图 2 6 ) 。p r o c o r 公司的主型罐车采用单腹板、侧 管支柱结构，用钢管代替侧盖板，既优化了结构、 图2 6 简化了工艺，又提高了顶车工况的稳定性，改善 了鞍座边角处的应力水平。 7 “双腹板+ 下盖板+ 宽侧盖板”结构( 见图 2 7 ) 。针对低重心、压力罐车采用了双腹板、宽 侧盖板结构，增强了枕梁的结构强度和刚度，降 图2 7 低了鞍座边角处的应力水平，提高了牵枕结构的可靠性“。 2 3 国内无中梁罐车的发展历史 解放后，随着社会主义建设事业的发展，特别是石油工业的迅猛发展， 要求铁路车辆部门提供大量质量良好的罐车，以解决运能和运量的矛盾。 因此，我国铁路车辆部门于建国后不久即着手设计、制造铁路罐车。1 9 5 3 年以前制造的罐车是仿照日伪图纸进行的。1 9 5 3 年以后开始自行设计和 制造。多年来，经过不断地实践、认识及改进，使罐车的技术性能逐步提 高，结构日趋完善。 铁路罐车从大结构上可分为有中梁罐车和无中梁罐车。我国早期的罐 车产品均为有中梁结构，罐体通过罐带和上下鞍结构安装在底架上，由中 梁来传递牵引力。1 9 5 3 年设计制造的g 5 0 型轻油罐车和g 1 0 型浓硫酸罐 车的底架，其中梁采用 3 0 0 8 9 1 1 5 的槽钢和8 m m 厚的上、下盖板， 侧梁采用 2 0 0 7 3 7 的通长槽钢，两枕粱之间设有两对大横梁。考虑到 罐体的刚度比较大，罐体的自重与载重等垂直载荷绝大部分又是直接经心 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 盘传给转向架的；同时我国的铁路车辆都是采用自动车钩和中央缓冲器来 传递纵向力的，中梁主要承受牵引力和冲击力，这就给逐步简化罐车底架 结构提供了根据。1 9 5 6 年设计、制造的g 5 0 型轻油罐车，侧梁改为 1 4 0 5 8 6 的槽钢。1 9 5 7 年设计、制造的g 5 0 型轻油罐车，端侧梁改为 2 0 0 7 3 7 的槽钢，取消了两枕梁间的侧梁和两对大横梁及中梁下盖板。1 9 5 9 年设计、制造的g 5 0 型轻油罐车，改变了枕梁两端的罐带座和顶车支架部 分的结构，同时采用 1 6 0 6 3 7 槽钢的端侧梁。多次改进过的底架结构， 经过多年来的运用实践，表明它有着足够的强度和刚度，同时它还具有自 重轻、便于生产与检修等优点，是我国铁路有中梁罐车底架的主要结构形 式。 随着生产的不断发展和焊接工艺水平的提高，同时考虑到罐体的强度 和刚度比中梁的强度和刚度大的多，纵向力可由罐体来承受，因此这就给 设计制造无中梁罐车提供了依据。1 9 5 8 年以来，为了探索既适合运用、 方便检修，又可减轻车辆自重的无中梁罐车结构，先后共设计、制造了十 余种无中梁罐车。我国的第一辆无中梁轻油罐车是大连机车车辆厂于1 9 5 8 年试制成功的( g 6 0 型轻油罐车) 。该车罐体采用3 号普通碳素钢焊接而 成，各部分板厚为：上板9 m m ，端板l l m m ，除鞍座部分1 2 m m 外，底架中 部1 1 m m 。罐体内径为2 8 0 0 m m 端板曲率半径为3 5 0 0 m m ，端板过渡半径为 1 0 0 m m 。罐体总容积为8 0 7 9 m 3 ，空气包为椭圆形。这种罐车共试制了两 辆，运用两年以后经静强度试验表明，无中梁罐车结构是合理和可行的， 可以投入生产。但由于当时水压机设备的原因，大批生产罐体内径为 2 8 0 0 m m 的罐车尚有困难，因此，大连工厂于1 9 6 0 1 9 6 1 年间又设计并批 量生产了罐体内径为2 6 0 0 m m 的g 1 6 型无中梁、无空气包轻油罐车。 在总结无中梁罐车设计及制造等方面经验的基础上，大连机车车辆厂 和四方车辆研究所共同设计并试制成功了无空气包、倾斜底、罐体内径为 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第11 页 2 8 0 0 m m ，端板曲率半径为3 5 0 0 m m ，端板过渡半径为2 5 0 m m ，容积为8 0 m 3 的g 1 9 型无中梁轻油罐车。g 1 9 型轻油罐车试制完成后，在寒冷地区投入 运用，并进行了静强度试验。试验结果再次肯定了罐体是能够承担纵向载 荷作用的。此后，大连工厂先后设计了罐体总容积为1 1 0 m 3 的d l h 9 型无 中梁液化气体罐车及援坦赞铁路用的无中梁轻油罐车。1 9 7 0 年设计、试 制了两列g 1 7 a 型无中梁粘油罐车专列，并投入运用考验。与此同时，又 设计并批量生产量容积为6 0 m 3 的g 6 0 a 型无中梁轻油罐车。 无中梁轻油罐车与有中梁轻油罐车相比，不仅降低了自重系数，而且 罐体中心至轨面的距离也降低了3 0 8 0 m m ，从而改善了罐车的运行平稳 性。由于无中梁罐车取消了罐带、罐体托板及垫木等，因此大大地减轻了 自重并方便了制造和检修，同时减小了木材的大量使用。 但均因计划经济时期的种种原因没有形成规模，并没有针对无中梁罐 车运用中发现的问题做进一步深化分析、研究和完善，直到2 0 世纪九十 年代初，油品的运输仍然以g 6 0 轻油罐车和g 1 7 型粘油罐车为主；真正意 义上的无中梁罐车的代表车型是2 l t 轴重的g 7 0 型轻油罐车以及随后研制 的g 1 7 b 型粘油罐车，作为“铁道部科技发展计划”项目，g 7 0 型轻油罐 车由西安车辆厂与四方车辆研究所联合开发，通过试制和小批量的运用考 验后，针对生产和运用中存在的问题，进行了大量的分析研究工作，并对 其结构、强度( 特别是牵枕装置及其与罐体的连接) 和动力学性能进行了 大量计算、试验、研究及其他尝试性试验工作，对牵枕结构做了相当多的 探索和改进，通过该车近十年的实践运用，使西安厂对无中梁罐车牵枕结 构有了更深入的认识和掌握，积累了一定的实践经验，截止2 0 0 4 年底该 ， 车已累计生产8 0 0 0 辆，使我国铁路罐车步入了无中梁罐车时代，大量的 轻、粘油改用g 7 0 和g 1 7 b 型无中粱罐车进行运输：随后开发的2 l t 轴重 g 7 5 型轻油罐车吸取了g 7 0 型罐车的成熟结构，学习借鉴美国同类罐车的 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第12 页 技术，牵枕装置采用侧管支柱结构，罐体采用对称布置的圆截面直锥斜底 结构，提高了罐车的卸净率，目前该车已成为继g 7 0 型罐车之后，又一 2 l t 轴重的无中梁主型轻油罐车；随着中国铁路实施跨越式发展战略，铁 路货车向重载化、快捷化发展，根据铁道部货运重载技术要求，西安厂又 研制开发了2 3 t 轴重的7 0 t 级无中梁轻、粘油罐车，成为中国铁路罐车划 时代的产品，下面将我国几种有代表性的无中梁罐车牵枕结构作以介绍。 2 3 1g 16 型轻油罐车 g 1 6 型轻油罐车是大连机车车辆厂1 9 5 8 年设计制造的我国第一辆无 中梁轻油罐车的基础上，于1 9 6 0 年1 9 6 1 年问设计制造并成批生产的有 效容积为5 0 m 3 的无中梁轻油罐车。主要装运汽油、煤油、轻柴油等轻质油 类的石油产品。由罐体、牵枕装置、外梯、内梯空气及手制动装置、制动 吊、车钩缓冲装置和转向架等组成“。 j 7 1 八 1 l 如! a 7 3 ， 盎办1 8 、7 l j f 图2 8g 1 6 牵枕结构 由a 3 钢材制成的牵引梁、端梁、枕梁、端侧梁等部件组焊成为一体 的小底架，直接焊在罐体上以承受纵向力( 见图2 8 ) 。 由于生产中的材料供应关系，牵引梁结构曾采用过三个方案：第一方 案中的牵引梁上盖板由一块1 9 0 0 6 5 0 1 0 m m 的钢板压成与罐体外圆相符 的弧面，直接焊在罐体底架上，牵引梁杆件采用 3 0 0 9 0 1 0 的槽钢， 上翼板压成符合上盖板的弧面并与上盖板焊接；第二方案中的牵引梁上盖 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第13 页 板和第一方案相同，而牵引粱是由1 4 m m 厚的钢板焊成的l 形杆件，总高 为3 5 0 m m ，翼板宽为l o o m m ；第三方案中的牵引梁上盖板为1 9 5 0 x6 5 0 1 2 m m 的钢板，牵引梁杆件由1 4 5 0 1 5 0 1 1 5 的工字铜割成总高为3 1 8 m m 的上形钢，其伸出罐体部分焊有厚1 2 m m 、宽1 0 0 m m 的上翼板。 该车枕梁为双腹板焊接到封闭箱形结构，包角1 2 0 。上盖板贴靠于 罐体底板。牵引梁、枕梁上盖板连接处的四个角都加焊了厚1 0 m m 的三角 板。 该车在1 9 6 0 年成批生产并投入运用后，发现有几个部位的焊缝产生 裂纹。1 9 6 2 年8 月由铁道部组织了工作组，调查了从1 9 6 0 年1 0 月至1 9 6 1 年9 月生产的5 3 辆g 1 6 型轻油罐车。检查后发现裂纹的焊缝多数是三角 板与牵引梁、枕梁上盖板连接处的焊缝；牵引梁腹板与上盖板连接焊缝的 端部结点；枕梁腹板与牵引梁腹板连接处的立焊缝。经分析认为：在结点 处的裂纹原因是牵引梁用的代用材料多，前部又没有上盖板，结构是不够 合理的；另外制造中，牵引梁腹板按罐体研缝切割时造成的凹坑及焊接时 产生的弧坑未能消除，而导致结点处裂纹。其余部位的裂纹原因主要是当 时工艺流程混乱、制造质量低，特别是焊接质量差、检验不严等造成的。 如三角板与牵引梁、枕梁上盖板的连接焊缝在生产过程中就不断出现过裂 纹。由于上述焊缝开裂较多，为了慎重起见，铁道部曾将g 1 6 型轻油罐车 改运粘油。在经过较长期的运用后，裂纹情况没有扩展，因而又恢复装运 汽油。 2 3 2g 1 9 型轻油罐车 大连机车车辆厂和四方研究所在综合g 1 6 型等无中梁轻油罐车有缺 点的基础上，于1 9 6 5 年设计了容积8 0 m 3 、倾斜底、防腐蚀的g 1 9 型无中 梁轻油罐车。它具有以下特点：一是容积大；二是采用下卸式排油装置； 三是倾斜底，油卸得干净：四是罐体内涂有防腐层，所以不会因锈垢而影 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 4 页 响油品的质量：五是罐体采用斜底结构便于洗刷。从制造和运用的实践可 以看出，g 1 9 型轻油罐车与g 5 0 、g 6 0 、g 1 6 等型轻油罐车相比较，不但装 载量大、运用效率高、运输费用低，而且在制造中可以节省大批钢材。 j n 一 、 m 。 c _ ， 图2 9g 1 9 ( 大连厂) g 1 9 型轻油罐车的牵枕装置是用0 9 m n 2 低合金钢板组合成的焊铆结 构。牵引梁和枕梁均为l o m m 厚的钢板。牵引梁是压成l 形的杆件，其腹 板呈与罐体底板相同斜度的变高度断面。牵引梁上盖板呈燕尾形，它与罐 体的连接部位为两条宽1 2 0 m m 的燕尾，燕尾间距2 4 0 m m ，悬出部分是宽为 4 8 0 m m 的平直板。燕尾压成与罐体底板同心的弧面，两者之间自然过渡。 端部为平直板与端梁上翼板对接焊。枕梁采用单腹板结构，盖板及侧盖板 都较以前设计制造的无中梁罐车的枕梁盖板窄。枕梁端面也改小了，因而 改善了制造工艺。枕梁外侧设有顶车筋板。端侧梁用厚度为5 m m 的钢板压 成交高度的1 形钢，并焊有下翼板，组成变断面的槽形结构。采用铸钢从 板座，后从板座为整体式o ，。 g 1 9 型无中梁轻油罐车试制完成后即于寒冷地区进行了运用考验，分 别在一1 2 、一2 0 、一2 4 6 的气温下，运送7 0 号汽油，油温为一1 2 、 一9 、一1 2 。经过一年半的运用考验后，对该型车又进行了静强度试验， 试验结果再次肯定了罐体是能够承担纵向载荷作用的，传递纵向载荷的牵 引及枕梁装置的结构是比较合理的。该车截止1 9 6 9 年共生产量3 2 辆，经 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第15 页 过十几年的运用，1 9 8 2 年起对g 1 9 型罐车运用情况进行调查，先后走访 了修理厂及站、段检修。调查结果反映：( 1 ) 底架因无中梁，便于钻车检修， 作业条件好，对确认车辆事故，更换配件都方便；( 2 ) 因罐底板为倾斜式， 使残油或蒸洗罐体的冷凝水能自动汇集在罐体底部，卸油干净，无需人工 扫聚清舱，减轻了体力劳动；( 3 ) 容积大，2 个g 1 9 可顶3 个g 6 0 使用，减 少了工人作业和劳动强度。但调查中也发现了不少问题，如个别车罐体与 牵引梁上盖板一、四位处有长约2 0 咖左右的焊缝开裂，由于焊缝开裂延 及腹板造成大面积补强。再如手制动操作部位太少，调车作业不方便等。 针对出现的问题修改了设计内容： 1 总体尺寸及材质变更。( 1 ) 改侧梯为端梯，并增加了通过台；( 2 ) 为 保持总重不变，罐体长缩短1 8 0 m m 。罐体总容积受总重限制，改为7 9 4 m 3 。 端板距枕梁中心的距离由1 6 7 0 m m 缩短为1 3 4 0 m m ，加强了枕梁结构。 2 牵引梁长度由2 9 l o m m 增长到3 2 1 4 m m 。材料改用3 1 0 型乙字型钢， 牵引梁尾部倾角改为2 0 。，增加了枕后的长度。同时将枕梁下盖板( 中) 进行了加长，侧梁采用 1 6 0 型钢。 3 罐体与牵枕装置的连接。为克服罐端板与牵引梁上盖板连接处焊 缝的开裂，增加了楔形连接板，将牵引梁连接起来。 4 心盘座结构。心盘座开裂是原g 1 9 存在的严重问题。修改设计后， 采用了c 6 2 a 型敞车心盘座结构，增设了一块连接板将两块隔板连在一起， 以达到加强的目的“。 其牵枕结构见图2 9 。该车枕梁采用单腹板结构，包角1 2 0 。；枕梁 断面减小，侧盖板变窄。牵引梁采用厚1 0 m m 的0 9 m n 2 低合金钢压成l 形， 尾部斜直线，上盖板为宽度1 2 0 m m 的燕尾形。存在的主要问题是心盘隔板 上没有盖板一心盘座焊缝开裂严重。 1 9 8 3 年，西安车辆厂对原g 1 9 型轻油罐车进行了改进设计，其牵枕 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第16 页 结构见图2 一1 0 。枕梁为单腹板结构，包角1 2 0 。，牵引梁采用3 1 0 乙字 钢，上盖板燕尾形，尾部斜直线。为了克服端板与牵引梁上盖板连接处焊 缝的开裂，增加了楔形连接板。采用c 6 2 a 型敞车心盘座结构，增设1 块 连接板将2 块隔板连在一起。 ”i 丫f 蓑豢l t ；e 姜 f j a 。 图2 1 0 g 1 9 ( 西安厂) 2 3 3g 17 a 型粘油罐车 为改革粘油罐车的结构，大连厂在总结1 9 5 8 年以来生产无中梁轻油 罐车经验的基础上，于1 9 7 0 年首次设计试制了g 1 7 a 型粘油罐车。 该车牵枕装配为普通低合金钢焊接结构。牵引梁是1 0 m m 后的钢板压 成l 形。上盖板分成两部分：伸出罐体的部分用l o m m 厚的钢板压成l 形。 上盖板分成两部分：伸出罐体的部分用宽4 8 0 m m 、厚1 0 m m 的钢板做成倒 燕尾形；在简体的部位用两条宽1 2 0 m m 、厚1 0 m m 的钢板作罐体加强板( 即 牵引梁上翼板) 。为了加强心盘座隔板处的连接刚度，此处的加强板是整 块的。为适应粘油罐车加温套的特点，牵引梁的伸出部分比直接与罐体连 接到部位低6 0 m m ，因而上盖板有半径为3 0 m m 的小圆弧，弯成9 0 。后与加 强板焊接。枕梁采用单腹板结构。枕梁各板厚均为1 0 m m 。上盖扳宽2 3 0 3 4 0 m m ，端部割成半径为1 1 5 m m 的半圆形；下盖板宽3 4 0 5 4 0 m m ；侧板宽 2 0 0 2 5 0 m m 。侧梁用 1 6 0 x 6 3 x 6 5 的槽钢；端梁为5 m m 厚钢板的压型件。 牵引梁与端侧梁焊成一体，组成一个包括端梁和枕梁在内的牵引小底架， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第17 页 牵引梁上盖板直接焊在罐体上。为了加强两牵引梁之间的联系与枕梁腹板 的刚性，分别在牵引梁前部加焊一上盖板并在上旁承处加焊四块向心筋 板。为解决心盘座隔板上端部裂纹的问题，后来又在心盘座隔板上加一小 盖板，各板的厚度均为l o m m 。 为解决心盘座隔板上端部焊缝裂纹的问题，在第二次小批量试制中， 采用了在心盘座隔板上加焊一块1 0 x 3 5 0 x 3 5 0 m m 的小盖板。为进一步试验 研究无中梁罐车的结构，还试制了五辆取消枕梁上盖板，即枕梁腹板和枕 梁侧盖板与罐体直接组焊点结构。投入运用后，于1 9 7 2 年由大连机车车 辆厂和四方车辆研究所共同对上述五辆车进行了鉴定，发现该种车由于取 消枕梁上盖板，因而在枕梁侧盖板上端与罐体的角焊缝处多数有毛细裂 纹，但尚未发现罐体板产生裂纹的情况，其牵枕结构及测点布置见图1 3 。 枕梁为单腹板结构，包角9 2 。牵引梁采用厚l o m m 的钢板压成l 形，尾 部斜直线。上盖板用。该车存在的主要问题是心盘隔板端部焊缝裂纹。采 用在心盘隔板上加焊3 5 0 m m x 3 5 0 m m 小盖板的改进措施后又试制了5 辆取消 枕梁上盖板的罐车，1 年后检查发现枕梁侧盖板上端与罐体的角焊缝存在 毛细裂纹”1 。 j 7 、如7 厂一 t “ 、 ，。 一蕊d “ ， 图2 1 1g 7 0 型罐车牵枕结构 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第18 页 2 3 4g 7 0 型轻油罐车 西安厂1 9 9 2 年设计制造的g 7 0 型轻油罐车是目前轻油运输的主型罐 车，其牵枕结构见图2 一l l 。该车牵枕结构设计充分借鉴了以往无中粱罐 车的经验教训，采用3 1 0 型乙字型钢、上心盘座和后从板座为整体b 级铸 钢结构，加强了该部位的强度，枕梁采用单腹板，板厚1 0 咖，包角1 2 0 。， 上盖板燕尾形，尾部圆弧过渡。牵引梁尾部距离心盘中心1 3 4 3 m m ，燕尾 采用r 5 0 0 m m 大圆弧过渡改善尾部的受力，采用侧盖板顶车筋板结构，罐 体封头与牵引梁之间采用楔形连接板连成一体。通过运用发现了一些问 题：( 1 ) 牵引梁与一体式后从板座之间的塞焊缝部分车辆出现裂纹；( 2 ) 部分车辆枕梁上盖板与罐体之间焊缝开裂；( 3 ) 枕梁腹板与牵引梁腹板、 枕梁上盖板的焊缝端部部分车出现裂纹( 4 ) 一体式铸钢后从板座的连接筋 板出现裂纹。为此西安厂对g 7 0 车出现的问题进行了认真的分析和研究， 从设计、工艺、生产、原材料采购等方面查找原因，采用了有限元分析、 焊接残余应力实验、线路动力学分析、结构装配应力实验等计算和实验手 段进行了深入的研究，最终认为造成裂纹的原因是：1 焊接方法和施焊顺 序造成局部焊接应力较大造成的开裂：焊工的焊接质量没有达到图纸要 求，存在焊接缺陷。这些问题后来都通过改进工艺，加