（机械工程专业论文）g75型大容积轻油罐车设计、分析及试验.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 ll 页 摘要 罐车是我国主要车种之一，约占货车总数的1 8 ，用于液体、液化气体 和粉状货物的运输。经过多年的努力，我国罐车技术已经有了长足的进步， 但与发达国家的技术还有一定差距。随着社会的发展，国民经济水平不断提 高，铁路运输压力逐年增加，铁道部因此提出铁路跨越式发展和货车提速、 重载的战略要求，并于2 0 0 4 年7 月颁布了新的铁路主要技术政策。 国内轻油罐车运用表明，原有轻油车存在容积小导致的小密度介质运量 低、罐体中部易上挠造成卸不净等性能不足的问题，已滞后于发展需求。因 此提出了新型轻油罐车设计任务。 本文通过简介国内罐车的发展进程、国内轻油罐车的主要结构和美国罐 车的演化历史，回顾了罐车发展中的经验教训，经分析，提出了轻油罐车采 用先进、成熟、经济、适用、可靠的技术，在安全可靠的前提下，不断创新， 满足市场需求，并适应重载化、快捷化的发展方向，进一步确定了g 7 5 型 轻油罐车的大容积斜底罐体结构和车辆长度等主要结构与参数。在随后的内 容中，还介绍了该车的车体静强度计算、车体静强度试验、冲击试验及车辆 动力学性能试验情况，对结构设计予以验证。最后，对g 7 5 型轻油罐车整 车设计予以肯定，并对罐车进一步的发展进行了展望，提出了新的研究方向， 如重载技术、安全性结构设计和罐车特性对动力学性能的影响等。 关键词：设计、发展、试验、大容积轻油罐车、斜底结构 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l v 页 a b s t r a c t 7 i a n kc a rw h i c hu s e df o rt r a n s p o r t a t i o n0 fl i q u i d s 、l i q u i d so fg a sa n db u l k g o o d si nf o mo fp o w d e r ，i so n eo ft | l em a j o rc l a s so fc h i n e s er a i l r o a d 行e i g h t c a r s a n dt h et a i l kc a rm a k e sa b o u t1 8 o ft h et o t a la m o u to ff r e i g h tc a r s w j t h t e n so fy e a r s e f f o r t s ，t h et a n kc a rt e c h n i q u eo fo u rc o u n t r yh a sh a daq u i t e g r e a tp r o g r e s s ，b u tt h e r es t i l lh a sac e n a i ng a pc o m p a r e dw i t hs o m ed e v e l o p e d c o u n t r i e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，t h er a i l f o a dt r a f f i c p r e s s u r ei si n c r e a s e da n n u a l l y s 6t h em i n i s t r yo fr a i l w a yo fc h i n ab r i l l g s f o r w a r das t r a t e g yc a l l e ds t r i d eo fr a i l w a y a n df f e i g h tc a rs h o u l dr a i s es p e e da n d l o a d i n g a sar e s u l t ，n e w“r a i l w a yp r i m a r y i f e c h n i c a lp o l i c i e s ” w a si s s u e di n j u l y ，2 0 0 4 a c c o r d i n gt ot h es e r v i c es i t u a t i o no f1 0 c a l t a n kc a r ，t h e r ea r es o m ed e f e c t s f o rt h el i 曲to i lt a n kc a r sa tp r e s e n t n l ec a p a c i t yi sn o tl a r g ee n o u 曲，w h i c h c a u s e sl o wl o a d i n gw h e nc a r r y i n gs m a nd e n s i t ym e d i u m s ；t h ec e n t r a lp a r to f t h et a n kb o t t o mo f t e nb e n d st ob eh i g h e rt h a nt h eo t h e rp a n s ，w h i c hr e s u l t sj n t h ep m b l e mo fn o tc o m p l e t e l yu n l o a d i g t h e s ep r o b l e m sc a u s et h a tt h eo i lt a n k c a rc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ed e v e l o p m e n t ，a n dt h e r e f o r eb r i n gu pt h e d e s i g nm i s s i o n0 fn e wl i g h t0 i 1t a n kc a r t h i st h e s i sg i v e sb r i 9 fi n t r o d u c t i o no ft h et a n kc a rh i s t o r ya n dt h es t m c t u f e o fl i g h to i lt a kc a r si nc h i n a ，t h ea m e r i c a nt a n kc a rh i s t o r y a n dr e v i e w st h e e x p e r i e n c eo b t a i n e di nt h ep a s t a f t e ra n a l y z i n g ，t h et h e s i s i n n d d u c e st h a tt h e t a n kc a rd e s 培ns h o u l da s s u r es a f e ty ， a d 叩ta d v 柚c e d ， m a t u r e ，e c o n o m i c ， a p p l i c a b l ea n dr e “a b l et e c h n i q u e s ，p e r s i s ti n i o v a t i o n t om e e tt h em a r k e t d e m a n d t h e n ，t h em a i ns t m c t u r c sa dp a r a m e t e r so ft y p eg 7 5l i 曲to j lt a n kc 盯， s u c ha sl a r g ev o l u m es l o p eb o t t o mt a n ka n dt h el e n g t ho v e rp u l l i n gf h c e s ，a r e c h o s e n t h e nt h ec a r b o d ys t a t i cs t i 己n g t hc a l c u l a t i o n ，s t r e n g t ht e s t ，i m p a c tt e s t a n dt h ed y n a m i cp e r f o m a n c et e s ta r eu n d e r t a k e 五t ov e r i f yt h ed e s i g n f i n a l l y ， a f i r m a t i o no ft h eg 7 5t a n kc a rd e s i g ni sm a d e ，a n dd e v e l o p m e n to ft a n kc a ri s p r e v i e w e d k e yw o r d s ： d e s i g n ，d e v e l o p m e n t ，t e s t ，l a r g ec a p a c i t yl i g h to i lt a n kc a r ， s l o d eb o t t o ms t m c t u r e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 随着社会的发展，国民经济水平不断提高，铁路运输压力逐年增加，铁 道部因此提出铁路跨越式发展和货车提速、重载的战略要求，并颁布了新的 铁路主要技术政策。 罐车是我国主要车种之一，约占货车总数的1 8 ，用于液体、液化气体 和粉状货物的运输。经过多年的努力，我国罐车技术已经有了长足的进步， 但与发达国家的技术还有一定差距，并且随着国民经济的发展，我国石化产 品品种数量与产量大幅增长，对运输量和运输品质的需求也不断提高。这就 给罐车提出了新的要求。 1 1 国内铁路主要技术政策 新的铁路主要技术政策【1 1 ，提出“铁路技术发展的总原则是：在国 家发展战略指导下，以市场为导向、效益为中心、运输安全为前提，积极采 用先进、成熟、经济、适用、可靠的技术，强化专业基础理论的研究，重视 技术的综合集成，坚持系统最优和综合效益最大的原则，立足国产化，引进 和吸收国外先进经验和技术，增强自主创新能力，推动新技术快速转化为生 产力。” 货物运输技术发展方向是：重载化、快捷化。 货物列车运行速度：快运货物列车1 6 0k m h 普通货物列车1 2 0k m h 主要干线应逐步实现牵引定数5 0 0 0 t 。运煤专线可开行1 0 0 0 0 t 或2 0 0 0 0 t 的重载货物列车，快运货物列车重量不大于1 5 0 0 t 。 快运货车轴重1 8 t 普通货车轴重 2 1 t 重载货车轴重2 5 t 1 。2 本文的主要工作 按照新的铁路技术政策要求，中国北车集团西安车辆厂( 以下简称西安 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 厂) 面向市场需求，结合铁路罐车的现状及发展趋势，于2 0 0 3 年接受用户 委托开始研制新型大容积轻油罐车，在结构上较原有车型进行了多处创新突 破，探索了今后罐车结构可能的发展方向。2 0 0 4 年8 月2 6 日该车成功通过 了铁道部运输局组织的技术审查，定型为g 7 5 k ( h ) 。 本文主要对国内罐车的发展进程、国内轻油罐车的主要结构和美国罐车 的演化历史进行了分析比较，回顾了罐车发展中的经验教训i ，提出了g 7 5 型轻油罐车的大容积斜底罐体结构和车辆长度等主要结构与参数，并对该车 进行了车体静强度计算，通过车体静强度试验、冲击试验及车辆动力学性能 试验，对结构设计予以验证。同时对轻油车进一步的发展进行了展望，提出 了新的研究方向，如重载技术、安全性结构设计和罐车特性对动力学性能的 影响等。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 第二章国内外罐车发展概况 随着我国国民经济的发展，石化产品的品种迅速增加，用户的需求也不 断增多，而国内现用轻油罐车品种少，没有形成系列，难以适应多样化的运 输需求。 接受设计任务后，我们课题组首先通过查阅资料和外出调研对国内外罐 车发展历史及轻油罐车运用情况进行了了解。 2 1 国内外罐车运用情况 目前，用户用于装运轻油类介质，主要是以g 7 0 为代表的铁路轻油罐 车。这些车型在运用中，结构性能等方面已显示出一些不足：装运密度较 小的轻油类介质时，罐体容积小。据各大炼厂反映，一般汽油运量占轻油运 量一半以上。而由于汽油、煤油密度较小( 煤油约o 8 2 “c m ；汽油约 0 6 5 0 7 5 9 锄3 ) ，造成车辆总重距8 4 吨的允许总重相差1 0 吨左右，囚而铁 路的运输能力浪费严重；卸不净。在生产运用中经常发现罐车筒体有上 挠现象，导致罐车卸不净，介质残留量约3 0 4 0 k 辆，需要人员下罐清扫， 造成大量的人力物力浪费，对用户的使用有很大影响；用户的储运装卸 台位，都按照石油化工建设标准建造，适用于现有车辆长度，造价在几百万 到数千万不等1 2 】。我们走访的用户都要求车辆长度不宜发生变化，否则，会 影响批量使用。 而在国外，随着技术的进步，罐车不断向大载重( a a r 已将罐车总重限 制由2 6 3 k l b s ( 1 2 0 t ) 修订为2 8 6 k l b s ( 1 3 0 t ) ) 、大容积方向发展( d o t l l l a l 0 0 w 1 类通用罐车最大已达3 3 0 0 0 加仑约1 2 5 m 3 ) 【2 6 】，并且存在系列通用罐车：对 不同密度介质有不同容积；对不同要求有不同结构( 斜底、保温、加热、绝 热、涂层、内衬等) ，不同的附件( 如清洗口、下卸阀、抽液管等1 ，可在 极大程度上满足用户需要【2 7 】。 极大程度上满足用户需要【2 7 1 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 2 2 国内既有轻油罐车车型简介 近年来，我国铁路货车取得了较大的技术进步，一大批新技术、新工艺、 新材料被应用于货车。 作为铁路行业的主要车种之一，随着铁路货车整体技术水平的提高，罐 车也得到了长足发展。截至2 0 0 4 年上半年，中国铁路货车总数约6 1 万辆， 罐车总数约1 1 万辆，占货车总数的1 8 。 自解放初期开始，我国依次设计了g 5 0 、g 6 0 、g 6 0 a 、g 1 6 、g 1 9 、g 7 0 、 g 7 0 a 、g 7 0 b 等轻油罐车【4 1 。 1 ) g 5 0 型轻油罐车 图2 1g 5 0 型轻油罐车 g 5 0 型轻油罐车是1 9 5 3 年设计、1 9 5 4 年以后批量生产的，是我国1 9 5 4 1 9 6 7 年间生产的主型轻油罐车( 图2 1 ) ，现已基本淘汰。其原型基本结构是 沿用苏联四十年代生产的容积为5 0 m 3 的四轴罐车的结构，后续结构改进的 内容主要有：1 9 5 6 年罐体由搭接焊接结构改为对接焊接结构；空气包由圆 形改为椭圆形，后又因稳定性差导致空气包变形，改为圆形；1 9 5 7 年取消 了两对大横梁间的一段侧梁及中梁下盖板；中梁内侧距由3 3 0 m m 改为 3 5 0 m m 并增加了缓冲器磨耗板，避免中梁磨耗；缩小了端梁断面；端梁与 中、侧梁的连接由铆接改为焊接；适当加长罐体，容积增大；1 9 5 9 年将外 梯由侧梯改为端梯；1 9 6 0 年根据全国货车修改设计会议的决定，取消了空 气包，并相应加长了罐体。 2 ) g 6 0 型轻油罐车 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 图2 2g 6 0 型轻油罐车 g 6 0 型轻油罐车于1 9 5 8 年7 月设计，是继g 5 0 之后，直到上世纪9 0 年代初期我国的主型轻油罐车( 图2 2 ) ，目前正在逐步淘汰。早期生产的罐 体上设有空气包；1 9 6 7 年取消了空气包，罐体底部设置聚液窝：1 9 7 3 年将 呼吸式安全阀通径由中6 0 改为中9 0 ，两侧梯改为端梯，在罐体上增加了排 油管座和进风管座各一个，随后对该车进行了大批量生产；1 9 8 9 年在多年 运用的基础上，并根据有关部文指示，又将底架中梁由3 0 0 槽钢改为3 1 0 乙型钢，增加了中木座，罐体取消了抽油管座和进风管，制动增加了闸调器。 3 ) g 6 0 a 型轻油罐车 图2 3g 6 0 a 型轻油罐车 g 6 0 a 型轻油罐车于1 9 5 8 年7 月设计，是我国最早设计的无底架轻油 罐车( 图2 3 1 ，其罐体上设有椭圆形空气包；两侧梯；牵引梁用两根3 0 0 槽 钢组成，上翼板压弧，直接焊在罐体上；枕梁为双腹板，包角1 2 0 。同年 该车试制两辆，运用两年后经静强度试验表明其结构合理。但由于其内径为 2 8 0 0 m m ，当时的设备能力难以满足封头批量生产，故未投入批量生产。直 到1 9 7 1 年4 月，大连机车车辆厂在g 1 7 a 型无底架粘油罐车的基础上，取 消暖气加温管路和加温套后，才批量生产了g 6 0 a 型轻油罐车。由于当时用 于轻油罐车的下卸阀尚未成熟，因而仅保留下排油口，用法兰堵死。在运用 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 中发现这种车有心盘隔扳裂纹现象。 4 ) g 1 6 型轻油罐车 图2 4g 16 型轻油罐车 g 1 6 型轻油罐车是大连机车车辆厂在1 9 5 8 年设计制造的我国第一辆无 底架轻油罐车的基础上，于1 9 6 0 年1 9 6 1 年间设计制造并成批生产的有效 容积为5 0 m 3 的无底架轻油罐车( 图2 4 ) 。 罐体由上板、底板和端板三部分组成，采用对接焊，罐体为无空气包结 构。罐体上设有一个人孑l ，两个通径为中1 2 8 的安全阀，一个中5 1 的进风 管和抽油管座；抽油管座内插入一个的抽油管，直达灌底聚液窝。制动装置 各吊均直接组焊在罐体上。 牵引与枕梁装置由牵引梁、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。 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 中的上盖板由一块1 9 0 0 x 6 5 0 x 1 0 m m 的钢板压成与罐体外圆相符的弧面，牵 引梁采用 3 0 0 x 9 0 x 1 0 的槽钢；第二方案中的牵引梁上盖板和第一方案相 同，而牵引梁是由1 4 m m 厚的钢板焊成的l 型杆件，总高为3 5 0 m m ，翼板 宽为1 0 0 m m ；第三方案中的牵引梁上盖板为1 9 5 0 x 6 5 0 x 1 2 m m 的钢板，牵 引梁杆件由i4 5 0 x 1 5 0 x 1 1 5 的工字钢割成总高为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。 枕梁为焊接的封闭箱形结构。包角为1 2 0 。的上盖板贴靠于罐体底板， 它和侧板的厚度均为1 0 m m ，腹板厚8 m m ，下盖板厚1 2 m m 。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。 端侧梁采用 1 4 0 x 5 8 x 6 的槽钢。端梁采用l 7 5 x 5 0 x 8 的角钢，围成两 个三角形的框架结构。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 g 1 6 型无底架轻油罐车在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9 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，特别是焊缝质量差j 检验不严格等造成的。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。在经过较长的运用后，裂纹情况没有扩展，因而又恢复装运轻油。 5 ) g 1 9 型轻油罐车 图2 5g 1 9 型轻油罐车 g 1 9 型轻油罐车f 图2 5 ) 是大连机车车辆厂和四方车辆研究所综合g 1 6 等无底架轻油罐车的优缺点，于1 9 6 5 年设计制造的，其容积为8 0 1 3 、倾斜 底、防腐蚀，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，所以不会因锈垢影响油品的 质量；五是罐体便于洗刷。其罐体内径2 8 0 0 m m ，罐体长度为1 2 9 6 0 m m ，两 车钩连接线间距离为1 4 0 8 2 m m 。为了缩短罐车的长度，取消了通过台，使 两端梁间的距离仅比罐体长1 8 0 m m ，为了方便吊车员作业，在罐体一位端 板焊有扶手。 g 1 9 型无底架轻油罐车由罐体、牵引梁与枕梁装置、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。 罐体采用低合金钢焊接结构，底部有两端向中央倾斜，中央较两端低 1 5 2 m m ，斜率为1 4 0 。筒体端部内径为2 8 0 0 m m ，中部上下两板半径均为 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 1 4 0 0 m m ，但在上下部分间存在1 5 2 m m 过渡区域。上板厚8 m m ，底板及端 板厚1 0 m m 。罐体底部中央焊有一个通径为1 0 0 m m 的铸钢排油阀座。罐体 上部设有人孔一个，两个呼吸式安全阀。罐顶中部设有工作台和安全栏杆。 外梯设在罐体中部的两侧，制动吊均焊在罐体上。罐体内壁涂有双组分聚氨 甲酸脂防腐层，具有较高的耐油性能，并与钢板黏附牢固。 牵枕装置采用低合金钢板压型焊铆结构。牵引梁与枕梁均为1 0 m m 厚钢 板，牵引梁压成l 形，牵引梁上盖板呈燕尾形，燕尾压成与罐体底板同心 的弧面，端部悬出部分为平直板( 与端梁上翼板对接焊) ，两者之间自然过 渡。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底架罐车的 枕梁盖板窄。枕梁外侧设有顶车筋板。端梁用厚度为5 m m 的钢板压成不等 边r 形，并含有下翼板。采用铸钢从板座，后从板座为整体式。 排油装置采用下卸式排油装置。试制时是由排油阀座、两个串连的球阀、 排油三通管及端盖等组成，通径为1 0 0 m m 。小批量生产时，为了适应“下 装下卸”试验的需要，装有活塞式排油阀、球形侧排油阀。 整车试制完成后，即于寒冷地区进行了运用考验，分别在1 2 、一2 0 、 一2 4 6 的气温下，运送7 0 号汽油，油温为1 2 、9 、1 2 。根据当时 的初步考验证明：下卸阀无泄漏现象，操作灵便，罐内防腐涂层效果良好， 卸油后罐内无残余，全车各部结构未发现异状。经过一年半的运用考验后， 对该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，传递纵向载荷的牵枕结构是比较合理的。 该型截至1 9 6 9 年共生产3 2 辆，1 9 7 3 年根据铁道部( 7 3 ) 交机辆字2 8 2 0 号文要求，憋压阀拆除改为0 9 0 中7 5 呼吸式安全阀；两侧梯改为端梯；拆 除下卸阀，堵死排油口，改为上卸式。 1 9 8 2 年，西安车辆厂应部工业局要求，对g 1 9 型轻油罐车运用情况进 行了调查，先后走访了修理厂及站、段检修。调查综合反映：( 1 ) 底架无中 梁，便于钻车检修，作业条件好：( 2 ) 因罐底倾斜，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，无需人工扫聚清仓，减轻了体力劳 动：( 3 ) 容积大，两个g 1 9 可顶3 个g 6 0 使用，减少了工人作业和劳动强 度。但调查中也发现了一些问题：个别车罐体与牵引梁上盖板一、四位处有 长约2 0 m m 左右的焊缝开裂，由于焊缝开裂延及腹板造成大面积补强；手制 动操作部位太小，调车作业不方便；心盘座开裂；车辆长度与地面装卸设施 不配套等。 1 9 8 3 年，根据调查情况，西安车辆厂对g 1 9 作了局部修改，试制1 辆。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 主要修改内容为：改侧梯为端梯，并增加了通过台；缩短端板与枕梁间 距；罐板材质由低合金钢改为a 3 钢，板厚增加1 m m ，为保持总重不变， 罐长缩短1 8 0 m m ，总容积减小。牵引梁采用3 1 0 乙字钢，尾部倾斜角度 变小，枕后长度相应增加。为克服端板与牵引梁上盖板连接处的开裂，在 端板与牵引梁间增加了楔形连接扳。采用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。 1 9 8 4 年在四方车辆研究所进行了车体静强度试验和有限元计算，结果 都表明牵引梁腹板尾部局部超出许用应力。随后，将牵引梁腹板尾部斜直线 形状改为圆弧形，改进后应力下降幅度很大。 从实践中可以看出，g 1 9 型轻油罐车与前述各型轻油罐车相比，不但装 载量大、运输效率高、运输费用低，而且按同等运量条件，在制造中可节省 大批钢材，但是由于车长过长，与地面装卸设施不配套，难于大批量推广。 6 ) g 7 0 型轻油罐车 图2 6g 7 0 型轻油罐车 g 7 0 型轻油罐车( 图2 6 ) 是西安车辆厂和四方车辆研究所根据铁道部科 技发展计划和铁科函【1 9 9 1 】5 3 5 号文下达的“关于新型轻油罐车设计任务书” 的通知而设计研制的。该车于1 9 9 5 年通过铁道部科技司技术审查，2 0 0 2 年 适应1 2 0 k m 1 l 提速要求，装用转k 2 型转向架，改型为g 7 0 k 。由于该车车 辆长度1 1 9 8 8 m m ，适应地面设施；容积7 2 m 3 ，运量大增，6 辆g 7 0 等于7 辆g 6 0 ，深受用户欢迎，生产量较大，成为继g 6 0 之后我国的主型轻油罐 车。 g 7 0 型铁路罐车采用无中梁结构。车体一位端设有通过台和手制动装 置。 罐体材质选用q 2 9 5 a 低合金钢板，由上、下罐板与封头组焊成直筒式 结构，内径中3 0 0 0 m m ，封头为标准椭圆形，厚度1 0 m m 。罐体上板厚8 m m ， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1o 页 下板厚1 0 衄。罐体顶部设置一个人孔，两个呼吸式安全阀，底部设有聚液 窝，罐体内部设置内梯，罐车一位端设置外梯，罐顶设有走板，人孔周围设 有工作台及安全栏杆，栏杆安装于走板外侧，其高度为5 3 0 m m ，罐体外部 焊有连接板，便于牵引梁、枕梁和制动吊与罐体焊接。 牵枕装配中，牵引梁采用3 1 0 m m 乙字钢焊接结构，内侧距为3 5 0 m m ， 枕梁采用低合金钢板压型件组焊成变截面的工字形单腹板结构，与牵引梁焊 接组成牵引装置。牵引梁、枕粱与罐体焊接成一个整体。为改善罐体与牵枕 装置连接处的受力状态，借鉴g 1 9 的经验，设楔形连接板。上心盘座与后 从板座采用整体铸钢结构，并与牵引梁焊接。前从板座与牵引梁铆接。端梁、 侧梁基本上与g 6 0 型轻油罐车相同。 投入运用后，在首批厂修g 7 0 车上发现以下部位有裂纹产生：牵引 粱与罐体间的连接板对接焊缝。经分析初步认定牵引梁与罐体间的连接板对 接焊缝裂纹是由于制造中未按要求开坡口，接头焊不透，容易形成裂纹源， 并且焊后残余应力较大。在改进设计中，取消了该焊缝，将两块连接板合为 一块。铸钢一体式上心盘座与后从板座的心盘座隔板。分析认为该处存在 较大的由于重载罐车垂向力作用造成的拉伸载荷和由于不合理强力组对造 成的拉伸载荷；加上铸钢的铸造质量不过关，经常出现气孔疏松，造成结构 承载能力下降。在改进设计中，提高了铸钢质量要求，在一体式心盘座上部 增加了一块低合金钢上盖板与两牵引梁艘板直接焊接在一起。枕梁腹板与 牵引梁腹板的立焊缝。调查中发现该处在枕粱腹扳上开的倒角都由于制造中 与罐体组对时的研割而消失或很小，造成焊缝交叉，易形成裂纹源。在改进 设计中，增加了枕梁腹板上开的倒角尺寸，保证研割后的焊接质量。 7 ) g 7 0 a 型轻油罐车 图2 7g 7 0 a 型轻油罐车 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第11 页 g 7 0 a 型轻油罐车( 图2 7 ) 是西安车辆厂在按照辆技函【1 9 9 8 】0 2 1 号文件 要求，在g 7 0 型轻油罐车基础上加装押运间设计而来，采用无底架结构， 设押运间，罐体稍短，其余结构与g 7 0 相同。 8 ) g 7 3 型轻油罐车 图2 8g 7 3 轻油罐车 g 7 3 ( g 7 0 d ) 轻油罐车( 图2 8 ) 是西安车辆厂根据用户要求设计的总容积 为7 3 5 m 3 的低重心轻油罐车，罐体采用变截面结构以降低车辆重心。2 0 0 0 年通过中车公司技术审查。 g 7 3 ( g 7 0 d 、型轻油罐车由罐体装配、牵枕装配、钩缓装配、制动装置装 配、端梯及车顶走板装配、转向架等组成。 罐体材质为q 2 9 5 的低合金钢，罐体采用五节式结构，两边为内径 2 8 0 0 m m 的小圆筒，采用上板8 m m ，下板1 0 m m 的上、下板拼接结构，中间 部分为内径3 2 0 0 m m 的大圆筒，板厚1 0 m m ，大、小圆筒以直角斜圆筒相连， 直角斜圆筒板厚1 0 m m 。为保证罐体强度，在大圆筒与斜锥间增加了补强结 构。罐体顶部设人孔一个，呼吸式安全阀两个，罐体内部设内梯。装卸方式 为上装上卸。 牵引梁采用3 1 0 型乙字钢焊接结构，内侧距为3 5 0 m m ，枕梁采用q 2 9 5 a 低合金钢板压型件组焊成变截面的工字形单腹板结构，与牵引梁组焊成牵引 装置。牵引梁、枕梁与罐体焊接成一个整体。罐体与牵枕连接处设楔形连接 板。 罐体一位端设置端梯，罐体顶部设有走板，人孔周围设工作台及安全栏 杆，栏杆安装于走板外侧，栏杆高度为6 0 0 m m 。 该车主要特点是重心低，容积大。但制造较为复杂，罐体斜圆台处形状 突变较大，应力集中表现突出，处理不好易造成隐患，因而没有进行批量生 产。同时期济南机车车辆厂曾批量生产类似车型g 7 0 b ，后因罐体截面突变 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 处牵引梁批量发生裂纹，严重危及行车安全，停止生产。 2 3 国内罐车发展综述 在几十年的发展过程中，我国罐车呈现出以下发展特点： 1 ) 容积增大，载重提高 解放初期我国只能生产载重2 5 t 、有效容积仅为3 0 5 m 3 的罐车，1 9 5 3 年设计、制造了有效容积5 1 m 3 、载重5 0 t 的罐车。此后，罐体容积逐渐增 大，载重逐步提高。目前我国生产的容积最大的罐车是g q 型液化气体罐车， 罐体为鱼腹型，总容积达1 1 0 m 3 。 值得注意的是，尽管容积在不断增大，但一些通用车仍存在装运小密度 介质时的“亏吨”现象。如当前国内铁路用户用于装运汽油、甲醇介质的罐 车主要是以g 7 0 为代表的铁路轻油罐车。这些车型用于装运甲醇、汽油等 小密度轻油类介质时，罐体容积显得偏小，由于介质密度( 甲醇约0 8 c m 3 ， 汽油约o 7 c m 3 ) 较小，造成车辆总重距8 4 吨的允许总重相差8 1 0 吨左 右，罐车的运输能力没有得到充分利用，并且铁路运输部门按标记载重收取 运费，用户的运费损失较大。 2 ) 罐体结构逐步完善 早期制造的罐体结构均为搭接焊接，1 9 5 7 年以后采用了对接焊接结构； 1 9 6 0 年开始取消空气包，改为无空气包人孔结构，改善了罐体的力学性能， 方便了制造、检修。近年来，碟形封头也正在逐步被椭圆形封头取代，进一 步提高了罐体结构的可靠性。 但是，在罐体结构上依然存在有待完善的地方。如：用户反馈经常发现 罐车简体有上挠现象，导致罐车卸不净，介质残留量约数十公斤辆，往往 需要人工抽扫，造成一定量的资源浪费，对用户的使用有很大影响。 3 ) 无中粱结构成为主流 无中梁罐车通过将罐体与牵枕有机地结合，充分利用罐体的剐度与强 度，省掉了枕梁之间的中梁、罐带等零部件，具有自重小、相对重心低、运 行平稳性好、便于制造和检修等优点。1 9 5 8 年我国研制了第一辆无底架罐 车一g 6 0 a 型轻油罐车，其后，先后研制了g 1 6 、g 1 9 、g q 、g 1 7 a 等1 0 余 种车型，1 9 9 2 年研制的g 7 0 型轻油罐车，继承和发展了以往无底架罐车的 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第13 页 设计经验，以先进的技术性能迅速成为运输轻油的主型车。此后，除酸碱介 质外，无底架罐车的应用日益广泛。 随着铁路提速和重载政策的不断实施，无中梁结构在新条件下的可靠性 还有待于作进一步深入研究。 4 ) 零部件不断完善 加温、排油、人孔、安全阀、外梯等罐车零部件结构不断改进、完善， 技术性能不断提高。 5 ) 运行速度迅速提高 随着近几年我国一系列货车转向架、制动装置新技术、新产品的研制成 功并装车运用，使得罐车运行速度迅速提高。目前，新造罐车的商业运营速 度为1 2 0 k 蚰。 6 ) 罐车车型品种迅速增多 我国罐车由解放前的进口到解放初期的仿造，再到后来的独立自主开 发、设计和制造，走过了一个不断改进和完善的过程。特别是近十几年来， 罐车得到了前所未有的发展，车型显著增多，目前，我国铁路罐车的车型数 量已达1 0 0 余种。按用途可分为轻油、粘油、酸碱等通用类及军用、液化气 体、精细化工、粉状货物、沥青、食用油等专用罐车；按结构特点可分为有 中梁、无中梁以及上卸式、下卸式等罐车。 2 4 美国罐车的发展 截至1 9 9 7 年，北美罐车总数2 2 万辆，约占货车总数的1 7 ，每年运输 达3 0 0 万辆次。美国铁路罐车有近1 4 0 年的历史，其发展随着产业需求的发 展、材料的进步及技术的不断提高而不断完善，整个过程比较完整，目前的 结构体系也和我国比较接近，对我国罐车发展有较大的借鉴意义。 美国铁路罐车的发展可分为5 个阶段【2 6 】： 1 ) 1 8 6 5 19 0 3 年，萌芽阶段。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第14 页 最初应美国石油工业需求，于1 8 6 5 年生产了“两立式木筒配木制平车” ( d e n s m o r ec a r ) ，随后有“卧式木制筒体配木制平车”、“e m p i r ec a r ”( 铆 接铁制罐体配木制底架) 。“e m p i r ec a r ”装有气包、通气孔、下卸阀，其运 用将近9 0 年。在此期间，钢材以其优良的性能逐步取代了铁；安全释放阀、 走板、扶手也都出现在罐车结构上；同时，底架材质由木变为铁。 图2 9d e n s m o r ec a r 图2 1 0e m p ir ec a r 随着石油运输的成功，逐渐有其他介质采用罐车运输，一批新的罐车形 式随之出现。1 9 0 0 年，、d y k e 极具创意的采用双排铆的钢制罐体，充分 利用罐体的强度，取消了底架，把罐体直接铆在鞍座上，形成了现代无中梁 罐车的雏形。后来v a nd y k e 又设计了蒸汽管道加热装置成功解决了沥青与 石蜡长途运输融化卸车问题。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第15 页 图2 1 1v a nd y k es t y i e 2 ) 1 9 0 3 1 9 2 7 年，铆接罐体与罐车规范阶段 1 9 0 3 年前，美国罐车设计制造没有特别规定。1 9 0 3 年，由新成立的罐 车委员会起草了首份罐车设计制造建议准则，其规定包括定期的罐体压力试 验、安全阀的使用、缓冲器最低容量6 0 0 0 0 磅r 约2 7 3 k n l 等。并把1 9 0 3 年 前造的罐车定为i 类罐车，以后制造的定为类罐车。在1 9 1 0 年建议准则 升级为标准，其后，于1 9 1 2 、1 9 1 4 又进行了修订将液化气罐车纳入范畴， 并要求提供罐体与安全阀检测文件。 1 9 1 7 年，车辆制造联合会( a r a ) 又开始着手制订标准以适应各种介 质。其中规定i 类罐车限用于不燃、无危险性介质；i i 类罐车停止制造；新 划定了i 、类罐车。类罐车要求罐体设计破裂压力不小于3 0 0 d s i ( 2 0 6 7 m p a ) ，试验压力为6 0 p s i ( 4 1 3 4 k p a ) ，除气包外的所有接缝密封都应双 排铆并嵌缝，气包必须有不小于2 的空容积。类罐车除设计为运输易爆 介质外，其余与类罐车要求相同。到1 9 1 8 年，又划定了装运有毒液化气 ( 液氯、二氧化硫) 的v 类罐车，这类车罐壁厚，设计最小破裂压力为 9 6 0 p s i ( 6 6 1 4 m p a ) 。 铆接罐体尽管历经多年有很大改进，仍有很多缺点：一是漏泄；二是清 洗困难；并且当采用内衬运输腐蚀介质时，往往在铆钉处与重叠处难以完全 密封。这些问题的解决办法是以焊代铆。1 9 2 7 年出现了第一个锻焊罐体。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第16 页 3 ) 1 9 2 7 1 9 5 0 ，规范演变阶段 1 9 2 7 年，联邦商业委员会( i c c ) 负责危险品罐车设计授权。i c c 采取 了7 个罐车规范，与原罐车划类相同：a r a 类罐车成为i c c l 0 3 ，a r a 类 罐车成为i c c l 0 4 等等。1 9 2 8 年，为适应运输各种不同蒸汽压力液化气的需 求，i c c 将1 0 5 规范扩展，包括罐车试验压力1 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 和6 0 0 p s i ( 6 8 9 、 2 0 6 7 、2 7 5 6 、3 4 4 5 和4 1 3 4 l d p a 、，这些车型被划定为1 0 5 a 1 0 0 ，1 0 5 a 3 0 0 等 等；这一分类方法延续至今。 到1 9 3 0 年，美国罐车已有1 4 万辆，运输超过1 0 0 种介质。1 9 3 4 年， a a r 成立，原a r a 规范化转为a a r 规范。 1 9 4 1 年，罐车罐体采用熔化焊被批准。i c c 在原规范号添加“w ”以表 示熔化焊罐体。到1 9 5 1 年，批准采用铝合金制造罐体时，又添加“a l ”以 示区别。这样规范1 0 5 a 2 0 0 a l w 描述了罐车种类、罐体试验压力、罐体材 料及制造方法。 4 ) 19 5 0 19 6 9 ，全面成长阶段 上个世纪5 0 年代，美国铁路工业无比繁荣，日新月异。铁路建设、机 车、轨道、车辆、材料全面发展。 自“e m 口i r ec a r ”时代开始，所有的罐车都设有侧面走台、气包。这些 特征都限制了罐体的直径，进而限制了罐体容积。传统的认识一直认为当罐 车受到碰撞时，若罐体没有满装，封头会受到液体冲击破坏，因此运行中的 罐体必须或满或空。然而，经a a r 芝加哥试验中心一系列的冲击试验后， 结果出乎人们意料，试验表明罐体未满载时，仅受相当小的应力。研究发现， 载荷因装载液体在冲击条件下的流动而大幅减弱。这就说明可以通过罐体预 留空容积，替代气包。同时，在经过大量讨论后，i c c 规定通长的走板不是 必需的。这两项改变使得更大直径的罐体可行，罐体容积从1 0 0 0 0 加仑 ( 3 7 8 5 m 3 ) 迅速增至2 0 0 0 0 ( 7 5 7m 3 ) 与3 0 0 0 0 加仑( 1 1 3 5 5m 3 ) 。 通过对无中梁罐车进行的全面测试，表明当采用新材料、新的熔化焊方 法制造时，这种设计提供了与传统有底架罐车相同的可靠性，同时减轻了自 重与成本。 在罐车用材料方面，研发了a a rt c l 2 8 一种中碳、低合金高强度钢， 至今还在罐车罐体上使用。 在此期间，还取得了许多其他发展，如：镍、不锈钢、镍复合板制造的 罐体；罐体内壁铺衬铅、玻璃、橡胶复合材料的技术。罐体内壁喷涂技术也 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第17 页 取得了进展，有待进一步提高。 有些项目不太成功。人们一直以为罐子越大就越有成效，因此，研制了 容积超过4 0 0 0 0 加仑( 1 5 1 4m 3 ) 的罐车，并投入使用。这些车事后被证明难 于运作，纷纷被减至传统尺寸。曾出现过大至6 0 0 0 0 加仑( 2 2 7 1m 3 ) 的8 轴 巨型罐车，随后被放弃了，见图2 1 2 。另几种运输过程中加热罐体的方案也 曾被试过，但都没有成功。 图2 1 2 八轴巨型罐车 值得一提的是，由全美运输公司g a t x 倡导开发的罐车组直到今天仍在 成功的使用，现已拓展到油品、酸、碱等一系列介质运输领域。 1 9 6 7 年美国运输部创建，铁路和危货运输规范由i c c 移交至d o t ，转 为d o t 规范，其内容没有实质变化。 5 ) 1 9 6 9 至今，提高安全性阶段 1 9 6 9 年，在美国发生了一系列因罐车脱轨事故导致的火灾、爆炸和人 员伤亡。因而a a r 与铁路发展署r p i 联合启动了提高铁路罐车安全性项目。 该项目引发了多项新技术的采用：为保护罐体封头而设的封头护板和上下挡 车钩：在火灾条件下的绝热保护：减少脱轨时介质泄漏可能性的下卸保护装 置。丸妞瓜p i 罐车安全项目至今仍在运作，积累罐车事故破坏数据，研究 对罐车安全性的改进措施。上世纪8 0 年代到9 0 年代，罐车安全继续作为重 点问题被关注。联邦条例几次修订完善关于压缩气体、有毒及可能造成环境 危害的介质的包装要求。新设计要求、增加定期检查及罐车重新认证的规则 已经生效【1 7 】。 6 ) 发展趋势 美国现在大量的研究与开发工作都是旨在提高安全性。一些主要的趋势 有：新车型应按1 0 0 万英里f 1 6 1 万公里) 疲劳寿命设计；对无中梁罐车进行 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第18 页 失效容限分析1 7 】；提高危害环境介质的包装要求：为降低危险材料的非事故 释放，安全阀与爆破片的泄放压力明显升高；总重达2 8 6 0 0 0 磅( 1 3 2 8 t ) 的 大型罐车已投入使用；严格要求进行定期检修及罐车、附件与主要构件的重 新确认【9 l 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第19 页 第三章g 7 5 罐车结构选型 通过对国内外现有的各类轻油罐车结构及使用情况进行分析比较，我们 提出了g 7 5 的设计方案。该型车采用一系列新结构，具体如下： 3 1 总体特点 1 ) 为满足国内已形成的地面装卸设施并与之配套，车辆长度1 1 9 8 8 m m 不变，与目前使用的g 6 0 、g 7 0 型轻油罐车的车辆长度相