（光学工程专业论文）c70a型运煤敞车设计研究.pdf

摘要 摘要 论文首先对国外运煤货车的情况进行了简要介绍，对国内运煤敞车发展历程进行了 回顾，并讨论了研究新一代的7 0 t 级运煤专用敞车的必要性和意义。随着我国铁路实施 跨越式发展以来，铁路货运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。为满足铁道部技术政策的要求，提高神华集团既有线路的煤炭运输能力，必须 为其研制开发新一代轴重2 3 t 、载重7 0 t 级的运煤专用敞车。 通过对神华集团既有线路、桥梁、站场、装卸货设备等的调研，从用户的实际需要 及现有条件出发，从主要性能参数和结构的选取入手，通过采用新材料、新工艺、新技 术，对车辆结构进行了优化、解决了与翻车机的匹配及既有车辆运用中的惯性质量问题， 确定了该车的设计方案。设计方案不仅达到减轻车辆自重，提高车辆载重能力的目的， 同时提高了其动力学性能及翻卸效率，具有显著的经济效益及社会效益。 论文对方案进行了有限元数值分析，其中包括强度分析、刚度分析。通过这些分析， 改进了设计方案。为提高该车的可靠性，基于m i n e r 线性累积损伤理论及a a r 标准， 在工厂自行开发的疲劳寿命预测平台上，对该车进行了疲劳寿命预测。分析计算和评估 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、刚度试验及车辆动力学试验、与翻车机匹配试 验的试验方法、试验过程及试验结果，进一步提高了车辆性能和运用可靠性，使车辆的 设计更加科学和合理，应该说这些必要的研究工作对c 7 0 a 型运煤敞车的研制做出了重 要贡献。 关键词：7 0 t 级运煤专用敞车；优化设计；分析计算；疲劳寿命预测；试验 大连交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a tf i r s t ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec o a lw a g o n si no t h e rc o u n t r i e s ，r e c a l l st h e h i s t o r yf o rd e v e l o p m e n to fd o m e s t i cw a g o n sa n dd i s c u s s e st h en e c e s s a r yc o n d i t i o na n d s i g n i f i c a n c ef o rt h es t u d yo fn e wg e n e r a t i o no f7 0 tc o a lo p e nt o pw a g o n w i t hs t r i d i n gu p d e v e l o p m e n to fc h i n ar a i l w a y s ，c a p a b i l i t yo fr a i l w a yf r e i g h ts e r v i c eh a sb e e ne n h a n c e di n l a r g es c a l e ，h o w e v e r ，i ts t i l lc a n ts a t i s f yt h eg r e a tn e e do ff r e i g h ts e r v i c e t or e s e a r c ha n d d e v e l o pt h en e wg e n e r a t i o no fs p e c i a lc o a lo p e nt o pw a g o n 、析ml o a d i n gc a p a c i t yo f7 0 ta n d a x l el o a do f2 3 tm u s tb ec a r r i e do u ts oa st os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft e c h n i c a lp o l i c yo f m o ra n de n h a n c et h ec o a lt r a n s p o r t a t i o nc a p a b i l i t yo ft h ee x i s t i n gr a i l w a yl i n eo w n e db y s h e n h u ac o r p b a s e do nt h er e s e a r c ha n ds t u d yo nt h ee x i s t i n gr a i l w a yt r a c k ，t h eb r i d g e ，t h et e r m i n a l ， l o a d i n ga n du n l o a d i n gf a c i l i t yo w n e db ys h e n h u ac o r p ，c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ln e e do ft h e c u s t o m e ra n dt h ec u r r e n tc o n d i t i o n ，t h ew a g o ns t r u c t u r ei so p t i m i z e d 、v i t l li m p l e m e n t a t i o no f n e wm a t e r i a l ，n e wp r o c e s sa n dn e wt e c h n o l o g ya n dc a r e f u ls e l e c t i o no fp r i n c i p a lp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r e i nd o i n gs o ，h a si ts e t t l e dt h ec o m p a t i b l ep r o b l e mb e t w e e nt h ew g o n a n dt h ed u m p e ra n dl o n gt e r mq u a l i t yp r o b l e mi ns e r v i c e ，a n dd e s i g ns c h e m eo ft h ew a g o ni s f i n a l i z e d n 0 to n l yt h ed e s i g ns c h e m ec a nr e d u c et h et a r ew e i g h to ft h ew a g o n ，b u ta l s oc a ni t e n h a n c et h el o a d i n gc a p a c i t yo ft h ew a g o n ，a n dt h es o u n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dh i g h e f f i c i e n c yo fd u m p i n ga n du n l o a d i n ga sw e l l b o t ht h ee c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t s w i l lb ea c h i e v e ds i g n i f i c a n t l y f o rd e s i g ns c h e m e ，f e ah a sb e e nd o n ei n c l u d i n gt h es 仃e n g t ha n a l y s i sa n dr i g i d i t y a n a l y s i s b a s e do ns u c ha n a l y s i s ，t h ed e s i g ns c h e m eh a sb e e ni m p r o v e dt os o m ee x t e n t i n o r d e rt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h ew a g o n ，t h ef a t i g u el i f ef o r e c a s th a sb e e np e r f o r m e do n t h eb a s i so f m i n e rl i n e a ra c c u m u l a t e dd a m a g et h e o r ya n da a rs t a n d a r d s ，a n dt h ep l a t f o r m f o rf a t i g u el i f ef o r e c a s td e v e l o p e db yq r r s s u c ha n a l y s i sc a l c u l a t i o na n de v a l u a t i o nr e s u l t p r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m i z i n gt h es t r u c t u r ea n df i n a l i z i n gt h ed e s i g ns c h e m e i nt h ee n d ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e t a i l e di n f o r m a t i o nr e g a r d i n gt ot h et e s ta p p r o a c h , t h e t e s tp r o c e d u r ea n dt e s tr e s u l t si nt e r m so ft h es t a t i cs 廿e n g t ha n dr i g i d i t yt e s to ft h ew a g o n b o d y ，t h ed y n a m i c t e s ta n d c o m p a t i b l et e s tv v i t l lt h ed u m p e r i ti n d i c a t e st h a tt h er o l l i n gs t o c k 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 yh a sb e e nf u r t h e re n h a n c e d ，t h ed e s i g no ft h ew a g o n b e c o m e sm o r es c i e n t i f i ca n dr a t i o n a l f r a n k l ys p e a k i n g ，t h i sn e c e s s a r ys t u d yh a sp l a y e da v e r yi m p o r t a n tr o l ei nr e s e a r c ha n dd e v e l o p e m t no fc t o at y p ec o a lo p e nt o pw a g o n k e ，rw o r d ：7 0 ts p e c i a lc o a lo p e nt o pw a g o n ；o p t i m u md e s i g n ；a n a l y s i sc a l c u l a t i o n ； f a t i g u el i f ef o r e c m t ；t e s t u 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塞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 知识产权单位属太鎏塞通太堂，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董塞通太堂。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。， 本人授权太蔓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：多i 渤日鹈 只期- 印够年月o 目 导师签名：，们一多夕 _ ，日期：v - ：年月z 口日 兰麓一鲫蝴掘朔删夕 工作单位辩谚秘毖翰谋缈有弘黝电话：纠镗嬲彬7 通讯地址：轩弁蝌中华格肜考 邮编：i l i o o z 电子信箱：勿动泐国彬例 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，也不包含为获得太整塞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：多l 施稻， 日期： a 叼年多月户日 第一章绪论 第一章绪论 11铁路运煤货车的研究概况 1i1 国外运煤货车概述 美国是世界铁路重载运输发达国家之一，也是重载单元列车的发源地，美国重载 运输的发展对世界的铁路重载运输有着方向性的指导作用。 目前美国共有各型铁路货车i 3 0 万辆左右，其中轴重3 2 4 3 t ( 2 8 6 系列) 的煤车、 集装箱车、有盖漏斗车为主型货车。截止到2 0 0 4 年1 月底，美国现有铁路货车中主要 用于完成煤炭运输的敞车和漏斗车占其铁路货车总量的2 6 。2 0 0 4 年其新造货车约45 万辆，预计2 0 0 5 年新造货车为55 6 万辆，主要为轴重3 2 4 3 t ( 2 8 6 系列) 各型货车， 还有少量轴重为3 57 吨( 3 1 5 系列) 的各型货车，其中煤车的比重占2 0 多。 图11美国2 0 0 4 年铁路货车车种构成 f i g 11 p e r c e n t a g eo fd i f f e r e n tf r e i g h tw a g o n sf o r u s ai n2 0 0 4 美国伯灵顿北方圣达菲铁路公司( b n s f 公司) 是美国第二大铁路运输公司，每天 开行约1 0 0 对列车，其中运煤专列多是由1 3 5 辆轴重2 98 t ( 2 6 3 系列) 的运煤敞车组成 的单元重载列车，另有l 3 专列是由1 3 5 辆轴重3 2 4 3 t ( 2 8 6 系列) 运煤敞车组成。 加拿大现有铁路约5 8 万公里，轨距均为1 4 3 5 m m ，主要由加拿大国家铁路公司( c n ) 和加拿大太平洋铁路公司( c p ) 两大铁路公司管理，其营业里程占加拿大现有铁路总里 程的8 6 ，其余约8 0 0 0 k m 的铁路由其它公司经营或暂时关闭。加拿大是发展重载运输较 人连蜘大学工程硕士学位论文 早的国家之一，其模式基本类似于美国。加拿大铁路运煤车辆主要为轴重2 9 8 t 的2 6 3 型全钢单浴盆运煤敞车及轴重3 24 3 t 的2 8 6 型全钢单浴盆运煤敞车、双浴盆铝合金运 煤敞车。其中2 8 6 型铝舍金双浴盆运煤敞车，轴重3 2 4 3 t 、载重1 0 98 t ，自重1 9 9 t ， 总重1 2 97 t 、容积1 3 45 m 3 。采用b a r b e rb2 一h d 一9 c 型交叉支撑转向架，a b d w 或a b d x 空气制动阀、闸瓦间隙调整器、两级空重车调整装置、f s w 型手制动机，车钩缓冲装置 采用f 型固定车钩和旋转车钩、t f8 8 0 型或s f7 6 型或 a r k 5 0 型缓冲器。 图l2 加拿大c p 公司2 8 6 型铝合金双浴盆运煤敞车 f i g1 22 8 6t y p ea l u m i n u md o u b l et u bc o a lo p e nt o pw a g o no fc p ，c a n a d a 南非铁路现役的重载货车主要为轴重2 6 t 的c c rl l 型运煤敞车、少量轴重2 0 t 的 c c r 一4 型运煤敞车及轴重3 0 t 的c r1 4 型矿石车、轴重2 6 t 的c r5 型矿石车。 c c r1 l 型煤车为南非铁路重载运煤主型敞车，其轴重2 6 t 、载重8 4 t 、平均自重2 05 t ( 最小自重2 02 5 t 、最大轴重2 09 t ) 、总重1 0 4 5 t ( 最大达1 0 4 9 t ) 、容积8 5 6 6 矗、 车辆长度1 2 0 7 m 、车辆宽度3 m 。该车车体为单浴盆全钢焊接结构，材质为os 4 5 0 m p a 的3 c r l 2 高强度不锈钢；转向架为m k v 型谢菲尔转向架：制动系统采用a b d x ( 旧型为 a b d w ) 或d b6 0 型空气制动机、两级空重车自动调整装置、高摩合成闸瓦、f s w 型手制 动机，f b 一5 型保持阔：部分车辆还安装了n y a b 公司研制的由司机控制的自动保持阀( 但 需设置专用的连接管路) ：车钩缓冲装置采用f 7 0 c e 型固定车钩和f r 2 0 7 e x 型转动车钩、 s l 一7 6 型大容量橡胶缓冲器，部分车辆采用了4 辆一组的带缓冲器的牵引杆装置。 第章绪论 图l3 南非c c r l l 型煤车 f i gi3c c r i it y p ec o a lw a g o ni ns o u t ha f r i c a 112 国内运煤货车的发展现状 通用敞车是铁路运输中的主型车辆。在我国目前的货车总数中，通用敞车数量最多， 约占6 0 以上。通用敞车即可以装运建材、机械设备、木材及集装箱等箱装货物，更 多地是运送煤炭、矿石、焦炭等散装货物，因此它们也就成为我国铁路煤炭运输的主要 车型。建国初期，我国陆续研制了铆接结构载重为3 0 t 的c 1 型敞车，载重为4 0 t 的c 6 型敞车，载重为5 0 t 的c 5 0 型敞车。其中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。 1 9 5 8 年到1 9 9 0 年期间，在铁道部的组织和安排下，各车辆设计制造工厂又先后研 制了c 6 0 型敞车，c 1 3 型敞车，c 6 5 型敞车，c 6 2 型敞车，钢木结构的c 6 2 m 型敞车，c 6 2 a 型敞车，耐候钢c 6 2 b 型( c 6 2 n ) 及c 6 4 型敞车等。1 9 9 0 年以后，c 6 4 型敞车一直作为 铁路用主型通用敞车而大量生产，后为适应铁路货车提速要求，加装了转k 2 或转k 4 型 转向架车型也随之改为c 6 4 k 或c 6 4 h 型敞车。 2 0 0 6 年，载重7 0 t 级的c 7 0 型敞车研制成功，该车采用屈服极限为4 5 0 m p a 的高强 度钢和新型中粱，载重大、自重轻；优化了底架结构，提高了纵向承载能力，适应万吨 重载列车的运输要求；增加车辆内长，满足较长货物的运输要求；提高了集载能力，满 足装载单数3 8 t 钢卷的要求：采用新型中立门结构，提高了车门的可靠性，可解决现有 c 6 4 车最大的惯性质量问题。该车的研制成功标志着中国铁路货车又完成了一次新的升 级换代。 大连交通大学工程硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代耒期，首条重载运煤专线大秦线开始投入使用。为了解决晋煤外运， 国家决定在新建的大秦线上推广具有国际先进水平的单元列车这一新的铁路运输组织 方式，c 6 3 型敞车就是为此而专门设计、制造的，该车也是我国第一批运煤专用敞车。 该车采用耐候钢的全钢焊接结构、无门，可在特别的翻车机上不摘钩卸车。可与秦皇岛 港第三期工程的两台进口翻车机、拔车机、自动列车定位机相配套使用。1 9 9 0 年，在 c 6 3 型运煤敞车的基础上，增加了四个下侧门，采用国产车钩及制动系统，研制出了c 6 3 a 型运煤专用敞车。 捌14c 6 3 a 型运煤敞车 f i gl 4c 6 3 at y p ec o a lo p e nt o pw a g o n 为满足大秦线开行2 万吨重载煤炭运输专列的要求，2 0 0 0 年研制开发了c 7 6 型钢浴 盆运煤敞车的专用车辆。该车能与秦皇岛三、四期煤码头的拨车机、列车定位机和三车 翻车机相匹配，实现不摘钩连续翻卸作业；并能适应环形装车、直进直出装车和解体装 车作业及运行时机车动力集中牵引要求。 图15c 7 6 型运煤敞车 f i 9 15 c 7 6 t y p e c o a l o p e n t o p w a g o n 第一章绪论 为适应铁路跨越式发展的要求，缓解太秦线煤炭运输紧张局面，加速国家经济建设， 2 0 0 3 年齐车公司又研制了c 8 0 型铝合金运煤敞车，该车采用双浴盆结构，车体除底架外 采用铝合金型材与板材的铆接结构，车体自重轻，容积大载重达8 0 t ：车辆外形尺寸 满足秦皇岛三、四期翻车机及其附属设施的匹配要求，可以实现不摘钩连续翻卸作业； 采用2 5 t 轴重转k 6 型或转k 5 型转向架，具有运行速度高、动力学性能稳定等特点。 画i j 丽垂百否釜运煤醯军 f i g i6 c 8 0 t y p e a l u m i n u mc o a l o p e n t o p w a g o n 为实现大秦铁路2 0 0 5 年运量2 亿吨、2 0 1 0 年运量达4 亿吨的目标，满足大秦线开 行2 万吨重载列车的运输要求，2 0 0 5 年研制了8 0 t 级c 8 0 a 耐候钢和c s o b 型不锈钢运煤 敞车。该车采用传统敞车的侧壁承载、平底结构，简单、可靠，维护检修方便：采用新 型冷弯型钢并优化了断面结构，有效减轻了自重；采用q d 5 0 n q r l 耐候钢或t c s 经济型 不锈钢，有效延长了车辆的使用寿命。 图i7c 8 0 b 型不锈钢运攥敞车 f i g i7 c 8 0 b 脚s t a i n l e s ss i c e lc o m o p e n t o p w a g o n 大连交通大学工程硕士学位论文 1 2 c 7 0 a 运煤敞车研究的必要性及意义 我国现有铁路敞车主要型式为c 6 4 型敞车，由于其轴重为2 1 t ，载重为6 1 t ，已 不能满足铁路货物运输展的要求。因此，为了提高铁路货车运能，进而提高货运经济 效益，2 0 0 5 年铁道部组织开发研制了7 0 t 级的各型通用铁路货车，并于2 0 0 6 年全面 投产，以缓解我国铁路货车运输能力不足的局面。 为满足中国铁路货车提速、重载的总体发展要求，缓解煤、电、油等国家重点物资 运输紧张局面，有效提高运输效率，运装管验电 2 0 0 5 2 3 2 5 号电报要求企业自各车的制 造技术与国铁货车同步。因此，为适应铁路最新技术政策的要求，满足企业对铁路自备 货车的需求，齐车公司拟定为神华集团研制7 0 t 级运煤专用敞车。 神华集团是中央直管的5 3 户国有重要骨干企业之一，在国家计划和中央财政实行 单列，享有对外融资权、外贸经营权、煤炭出口权。集团以能源为主业，集煤矿、电厂、 铁路、港口、航运、煤制油为一体，实施跨地区、跨行业、多元化经营，是我国最大的 煤炭企业，在国民经济中占有重要地位。 神华集团拥有神东煤炭公司、准格尔能源公司等8 家煤炭公司，负责开发陕西和内 蒙两省区的神东、准格尔等五个煤炭矿区，目前实际占有和已基本落实的煤炭资源储量 2 0 5 2 2 亿吨。其中，神东矿区是规模最大的矿区，同时由于神东矿区的煤炭具有煤质好、 开采成本低、市场需求量大等优势，决定了神东矿区大规模开发的可行性。随着新项目 的建成投产，将进一步扩大神东矿区的生产规模，到2 0 1 0 年煤炭产量将达到 1 4 6 0 0x1 0 4 t ，2 0 2 0 年煤炭产量将达到2 0 8 0 0x1 0 4 t 。 然而，神东矿区处于我国的内陆地区，所处偏远、路陆交通不便且运输成本较高， 这样铁路自然成为其煤炭外运的唯一有效、便利和快捷的运输方式，而其运煤车辆均采 用6 0 t 级的c 6 2 系列敞车和c 6 4 系列敞车。目前以神东矿区为基础，神华集团现有包( 头) 神( 东) 、神( 东) 朔( 州) 、朔( 州) 黄( 骅) 三条自营铁路为煤炭运输服务，其线路全长1 0 0 0 多公里，承担了神华集团绝大部分的煤炭出口及国内销售的运输任务，同时也是神华集 团煤炭运输扩能的重要依托。预测到2 0 1 0 年神东矿区和陕西、山西经三条铁路运输的 煤炭将达到1 6 4 0 0x1 0 4 t ，2 0 1 5 年将达到1 9 3 0 0x1 0 4 t ，而线路目前的输送能力已无法满 足煤炭运输需求的快速增长，制约了相关地区经济发展。因此，购置载重量更大的铁路 货车产品，是解决其运输能力不足的有效途径之一。 基于以上原因，齐车公司研制了c 7 0 h 型运煤敞车。该车对车辆长度、高度等技术 参数进行了改进设计，并采用了高强度及现有铁路货车设计的成熟结构和先进技术，有 效延长了该车各部件的使用寿命，从而大幅度降低了整车维护、检修成本。同时，该车 6 第一章绪论 的设计还充分考虑了神华集团现有的线路、桥梁、机车牵引和装卸货设备等的要求，并 完全适应在神华集团自营铁路国铁线路上的运营。 图i 8 神华集团现有线路 f i g i 8e x i s t i n gt r a c k l i n eo fs h e n h u ac o r p 2 0 0 5 年1 2 月，铁道部运输局装备部会同科技司，在齐齐哈尔组织专家对我公司 提出的“神华集团7 0 t 级运煤敞车 设计方案进行了审查。根据审查会的意见及运装 货车 2 0 0 5 4 8 0 号文件要求，我公司完成了神华集团7 0 t 级运煤敞车工作图的设计， 完善了技术条件，并于2 0 0 6 年1 月底完成了四辆样车的试制。2 0 0 6 年2 月3 月由 四方所主持完成了车体静强度试验、冲击试验、动力学试验及在黄骅港码头进行的翻 车机匹配试验。2 0 0 6 年4 月，该车通过了铁道部组织的样车审查，并定型为c 7 0 a 型 运煤敞车。2 0 0 6 年9 月，神华集团招标采购该车4 0 0 0 辆，并于同年投入运用。 c 7 0 a 型运煤敞车投入运用后，满足了神华集团煤炭运量增长的要求，对缓解国 家煤炭紧张形势，对西煤东运，特别是带动地方经济和西部大开发具有重要意义。该 车的研制成功，也实现了神华集团用运煤车辆从6 0 t 级到7 0 t 级的升级换代。 本章小结 本章回顾了国内外铁路运煤车辆的发展和现状，通过对神华集团铁路运输情况的分 析，阐述了研制开发c 7 0 a 型运煤敞车的必要性和意义。 7 大连交通大学工程硕士学位论文 第二章车体的结构设计 2 1车辆主要参数选取 2 1 1 车辆长度的选取 该车车辆长度的选取，主要考虑应与神华集团现有翻车机长度和站线长度相适应。 ( a ) 根据调研情况，黄骅港码头现有的双翻翻车机平台的最大长度为2 7 m ，天津港 南疆码头的双翻翻车机平台的最大长度为2 7 4 m 。由于双翻翻车机工作时，是以车钩中 心为翻转中心，车钩部分并不侵入到卸料坑中，而两车外侧端墙的距离决定了车辆是否 与卸料坑相干涉，煤炭是否可完全倾卸到卸料坑中，且两车外侧端墙的距离越短对翻卸 越有利。因此，为适应翻车机的平台长度，保证翻车机的翻卸可靠，并留有一定安全裕 量的情况下，该车的车辆长度设计为1 3 7 2 6 m m ，两辆车连挂长度为2 7 4 5 2 m m 。经计算， 两车连挂时外侧端墙的距离较两辆c 6 4 型敞车连挂时相当，已现有翻卸情况相同。 ( b ) 包神、神朔、朔黄铁路现有站场的到发线有效长度绝大多数为1 0 5 0 m ，在不改 变现有6 6 辆车编组及站场条件的情况下，该车的车辆长度为1 3 7 2 6 m m 时，其编组长度 为9 0 6 m ，小于1 0 5 0 m 站线有效编组长度9 2 4 m 的要求。 2 1 2 车辆内长的选取 根据美国、加拿大等国外单元运煤货车和大秦铁路的运用经验，车辆使用转动车钩 可提高卸车效率2 5 。因此，该车1 位车的1 位端装用1 6 号转动车钩，2 位车的2 位端 装用1 7 号固定车钩，中间加装牵引杆，可实现不摘钩翻卸车辆，提高了车辆的翻卸效 率。根据黄骅港码头及天津港南疆码头牵车机端部限界的要求，车辆不摘钩牵引时，应 保证拨车臂与车体不发生干涉，为牵车机拨车留有足够的工作空间。因此，该车设计时， 在保证车辆长度与c 6 4 型敞车相同条件下，借鉴了装用转动车钩的c 6 3 型敞车的设计经 验，缩短了该车车体内长，留足了拨车臂正常工作所需空间。计算结果表明：该车内长 确定为1 2 1 9 0 m m ，两车连挂时相邻两端墙外侧距为1 2 4 6 m ；此时，拨车臂距车辆端部各 部件的最小距离为1 2 0 m m 。 2 1 3 车辆容积和高度的选取 神华集团煤炭的主要产地为神府东胜煤田，其开采煤炭的比重为0 8 3 0 9 8 t m 3 ， 大部分比重为o 8 7 t i n 3 左右。根据神华集团现有c 6 4 型敞车的装载量为6 3 5 t ，煤炭装 载后的堆高大部分已经接近或略超出车辆的上侧梁，表明现有c 6 4 型敞车的容积满足神 华集团煤炭载重6 3 5 t 的要求。而c 6 4 型敞车容积为7 3 3 m 3 ，按此计算，煤炭的比重也 应取为o 8 7 t 岔。按车辆载重7 0 t ，煤炭比重o 8 7 t m 3 计算，车辆容积设计时取为8 0 5 m 3 。 8 第二章车体的结构设计 图2 1 与黄骅港翻车机端部限界适应情况 f i g 2 1c o m p a t i b l ec o n d it i o nb e t w e e nt h ew a g o na n de n do fd u m p e ra th u a n gh u ap o r t 图2 2 与天津港南疆码头翻车机端部限界适应情况 f i g 2 2c o m p a t i b l ec o n d i t i o nb e t w e e nt h ew a g o na n de n do fd u m p e ra tt i a n j i np o r t 根据该车的车内长为1 2 1 9 0 r a m ，车内宽为2 9 7 4 m m 计算，车辆的内高确定为2 2 2 0 m m ， 该车的最大高度确定为3 3 1 3 m m ，该高度较c 6 3 型敞车的车辆最大高度低1 3 3 r a m 。 黄骅港码头现有翻车机和天津港南疆码头在建翻车机的压车梁适应车辆的最大高 度为3 5 2 0 m m ，当重车进行翻车作业时，由于弹簧压缩车辆高度将下降4 0 m m 左右，此时 车辆的最高点距压车梁尚有2 4 7 m m 的距离；而自动化装车设备适应的车辆最大高度为 3 6 0 0 n 咖，当空车在自动化装车站进行装车作业时，车辆的最高点距自动化装车设备的最 低点也有2 8 7 m m 的距离。因此，该车完全适应翻车机和自动化装车设备的使用要求。 2 1 4 轴重的选择及自重的确定 最大限度地减轻车辆自重、提高车辆载重是提高铁路货运能力的有效措施；提高轴 重又是提高货车载重的最佳途径，也是我国铁路和世界铁路货车的发展方向之一。根据 铁路最新技术政策，通用线路普遍开行2 3 塌t 轴重货车，专用线路发展2 5 t 轴重货车。 9 大连交通大学工程硕士学位论文 由于c 7 0 a 型运煤敞车既要在专用线上运行，也要在通用线上运行，且神华集团现有的 包神、神朔、朔黄铁路的线路、桥梁及隧道绝大部分可以适应2 3 t 轴重车辆的运用。因 此该车的轴重不应超过国铁推广的7 0 t 级车的轴重( 2 3 4 6 t ) ，确定其实际运用轴重为 2 3 2 5 t 。 在该车的设计时，我们参照了主型通用c 6 4 型敞车及c 7 0 型敞车车体结构的成熟经 验，根据屈服强度为4 5 0 m p a 的高强度钢材的研究结果，中梁采用高强度热轧中梁或冷 弯中梁，上下侧梁、侧柱、角柱、横带及小横梁等采用断面合理、自重较轻的高强度专 用冷弯型钢，端墙板、侧墙板等板材采用4 5 0 m p a 的厚度为5 m m 的高强度钢材，对应力 幅度较大的局部结点进行细部优化设计，尽量降低车辆自重，并使该车自重基本控制在 2 3 t 左右，确保该车的使用可靠。 表2 1 主型通用敞车具体结构表 t a b l e2 1s p e c i f i cs t r u c t u r eo fm a j o rg e n e r a lp u r p o s eu s eo p e nt o pw a g o n 车型侧墙板厚 侧柱厚侧柱数端墙板厚地板中、侧梁材主要板材 度( 衄)度( 唧)量( 根)度( h i m )厚度质 材质 c 6 4 k586570 9 v 、0 9 c u p t ir e 0 9 c u p t i r e c 7 0486上4 下56 0 4 5 0 n q r1q 4 5 0 n q r l c 7 0 a5795 6q 4 5 0 n q r l q 4 5 0 n q r l 由上表可见，该车的的端侧墙板的厚度与c 6 4 型敞车相同，底架的强度等级较c 6 4 型敞车提高，故其可靠性应该较c 6 4 型敞车略好。 由于车辆的转向架重量、风手制动装置、车钩缓冲装置的重量基本固定，若想减轻 车辆的自重只能从车体钢结构入手，即或减小板厚，或减小断面高度。这样必将增加车 辆各相关部位的应力幅度，从而造成车辆大应力点过多，疲劳破坏加剧，同时在腐蚀、 磨耗的影响下，车辆的运用状态及使用寿命必将大打折扣，使车辆的运用故障率增加， 检修成本加大，使用效率降低，综合经济效益下降，给用户带来较大的损失。基于以上 原因，我们认为车体自重的确定，应该在保证车辆性能的前提下，给用户带来综合效益 的最大化。 还需说明的是，根据调研情况，黄骅港码头及天津港南疆码头双翻翻车机工作时， 煤炭倾卸到卸料坑后，通过下部的皮带机传送到料场，皮带机的额定最大传送能力为 4 4 0 0 t h 。为了保证设备的正常运转，降低磨耗和损坏，目前翻车机的翻卸周期控制在 1 0 第二章车体的结构设计 2 8 3 0 次h 之间，当车辆载重为7 0 t 时，皮带机的传送能力为3 9 2 0 4 2 0 0 t h ，距额定 最大传送能力尚有一定的余量。因此，可以说车辆的载重确定为7 0 t ，可适应翻车机及 其配套设备正常运转的要求。 2 1 5 车辆的重心高度 车辆长度、高度和宽度等基本尺寸参数及车辆载重、自重等性能参数确定之后，该 车的车体结构也基本确定。根据现在的车辆结构，车辆的空车重心高为1 0 2 0 m m ，重车的 重心高为1 9 1 7 皿n 。 表2 2 主型通用车辆重车重心高度表 t a b l e2 2g r a v i t yh e i g h to fm a j o rg e n e r a lp u r p o s eu s eo p e nt o pw a g o ni nl o a d e dc o n d i t i o n 车型 c 6 3c 6 4c 7 0c 8 0c 8 0 bp 6 4p 6 4 g kg 7 0g 1 7 重车重心高( 衄) 1 9 1 21 8 1 01 8 7 02 0 2 02 1 2 62 1 8 02 2 0 02 2 3 72 2 6 2 由表可见：该车重心高度与c 6 3 型敞车相当、比c 8 0 型敞车低1 0 3 r a m ，比c 7 0 型 敞车高4 7 r a m ，比c 6 4 型敞车高1 0 7 r a m 。 a a r 标准的规定，北美、南美铁路货车重心高度最大为9 8 ”，即2 4 8 9 m m ，实际为9 3 ” 9 7 ”( 2 3 6 2 - - - 2 4 6 3 m m ) 乜1 ；中国铁路超限货物运输规则中规定，车辆的重心高度一般 不得超过2 m b l 。但在国内棚车、罐车、粮食漏斗车、集装箱平车及大秦线c 8 0 型铝合金 运煤敞车等重心高均已超出2 m 。动力学试验结果表明，以上各种车型在各速度级下动力 学性能良好，且均已经过了长期的运用考验，具有成熟的经验。 为验证7 0 t 级货车及转k 2 、转k 6 型转向架对我国铁路既有桥梁的影响，并与装用 原转8 a 型转向架货车相比较，以确认明年全面转产7 0 t 级货车的可能性。铁道部于 2 0 0 4 - 2 0 0 5 年分别在兰州局管内进行了c 7 0 型敞车、p 7 0 型棚车、n x 7 0 型平车、g q 8 0 型罐车7 0 t 级通用货车和c s o b 型8 0 t 级专用货车的线路、桥梁综合性试验，以及在哈 尔滨、北京、济南、上海铁路局管内7 个典型编组场进行的调车试验；在渝怀线、京广 线、京沪线进行2 5 t 轴重双层集装箱平车、2 1 t 轴重普通集装箱平车的线路动力学运行 试验；在胶济线进行了敞、平、棚、罐四种货车装用2 1 t 轴重转k 2 、转k 4 型转向架的 可靠性试验等。试验结果表明：装用转k 6 型转向架的7 0 t 级货车对线路、桥梁、编组 场调车影响不大，与我国既有的装转8 a 型转向架的货车对线路、桥梁的影响基本相当， 且部分指标略好。 基于以上原因，装用转k 6 型转向架的c 7 0 a 型运煤敝车，虽然其重心高为1 9 1 7 m m ， 但仍能确保该车动力学性能以及耐磨损性能良好、稳定，其根本原因就是：( 1 ) 转k 6 大连交通大学工程硕士学位论文 型转向架加装了交叉杆、轴箱橡胶垫、减振系统高分子摩擦板、弹性常接触旁承、两级 刚度弹簧、组合式斜楔、心盘磨耗盘及耐磨衬套、r e 2 b 型车轴、紧凑型轴承、l m 磨 耗型踏面等新技术、新结构；( 2 ) 该车装用了牵引杆及1 6 、1 7 号车钩，大大减小了车 钩间自由间隙，降低了列车车辆间纵向冲动作用。 2 1 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，我们认为该车在满足现有需求的情况下，应同 时考虑神华集团未来发展万吨列车的要求，具备牵引总重1 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 h 1 的要求，同时应满足总重1 万吨列车牵引的要求，为神 华集团铁路重载运输奠定良好的基础。 因此，根据我国大秦线万吨列车的试验数据，该车的车辆强度、刚度考核时，第一 工况纵向拉伸力取值为1 7 8 0 k n ，压缩力取值为1 9 2 0 k n ；第二工况压缩力取值为2 5 0 0 k n 。 2 1 7 车辆连挂装置的选择 随着铁路货车运行速度、列车周转率的提高和车辆载重、牵引吨位的加大，列车纵 向冲动将呈非线性增长，车钩、缓冲器、车体等关键部件磨耗加剧，故障率明显上升。 根据国外及国内的运用经验，车辆之间采用牵引杆连接可有效的降低车辆之间的纵向冲 动，保护车辆不受损坏，保障运输安全。 根据调研情况，神华集团所属车辆的运用频率较高，一个段修期内车辆的运行里程 为1 9 2 0 万公里。同时由于神朔线线路重车方向多为1 2 的上行坡道，且到发线也位 于上行坡道上，加之司机对机车的操纵原因，多次发生车钩分离、钩尾框断裂和断钩等 事故。因此根据黄骅港卸煤码头和天津港南疆码头双翻翻车机的实际情况，终到站为黄 骅港及天津港码头的c 7 0 a 型运煤敞车可采用一位车的一位端装用1 6 型转动车钩，二位 车的二位端装用1 7 型固定车钩，两车之间装有牵引杆方式的两单元车型式。 牵引杆装置不仅可以降低车辆自重，提高载重能力，而且还可降低运行中车辆之间 的纵向冲动，降低了列车的分离、车钩或钩尾框断裂的危险性，提高了车辆的运行平稳 性和安全性。同时，该牵引杆装置可实现与1 6 、1 7 型车钩的互换。而1 6 、1 7 型车钩连 挂可大大减小车钩间自由间隙，进一步降低了列车车辆间纵向冲动。 2 2 主要结构的选择 c 7 0 a 型运煤敞车结构设计时，参考国内外同类敞车运用情况及c 6 4 型敞车设计的成 熟运用经验，同时考虑了腐蚀、磨耗及方便检修等因素，对结构进行了优化，以达到减 轻自重、提高载重的目的。1 2 2 1 车体板、粱、柱厚( 高) 度选择及车辆腐蚀与磨耗影响的考虑 1 2 第二章车体的结构设计 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。 c 7 0 a 型运煤敞车是用于煤炭的运输，由于煤中含硫，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硫酸根：再者，冬天运煤时，为了防止煤炭冻结，车体表 面要喷洒防冻液，这些都使车辆受到严重的腐蚀环境的侵袭。此外，车辆运输煤炭的装 卸过程中，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 ； 上侧梁：2 4 m m ；门板：2 6 舢。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、 梁平均腐蚀厚度如下表所示： 表2 3c 6 2 b 型、c 6 4 型通用敞车腐蚀厚度调查表( i m ) t a b l e2 3s u r v e yo fm a t e r i a lc o r r o s i o nt h i c k n e s sf o rc 6 2 ba n d c 6 4t y p e so p e nt o pw a g o n