（光学工程专业论文）载重61t集装箱专用平车的研制.pdf

摘要 摘要 本文从分析载重6 1 t 集糟瞥朔拇i 珊审啪q 行 生入手，进行了载重6 l t 集 装待专胃平i 车方案设计，进行了载重6 1 t 集嬲管钥抨车主要技术特点和车辆 经济技术分析，对车体结构进行了优化设计，通过一系列的计算机模拟仿 真计算、机样的各种型式试验，从理论和实践上确保了载重6 l t 集槲转用 平车的各项性能指标符合我国铁路有关技术要求。 关键词：集装箱车辆研制 a b s t r a c t a b s t r a c t i l lt h i st h e s i s ，p r o c e e d i n gw i t h 卸a l y s i so fi h ef e a s i b i l i t yt od e v e l o p6 1 t c o n t a i n e rf l a tw a g o n ，i tc a i r i e so u tt l l ep r o j e c td e s i g no ft h e6 1 tc o n t a i n e rb a t w a g o n ，a n a l y z e st h em a i nt e c h n i c a lc h a r a c t e f sa n de c o n o m i ct e c h n o l o g yo ft h e 6 1 tc o n t a i n e rf l a tw a g o n ，a n dm a k e sa no p t i m i z i n gd e s i g nt ot l l eb o d ys t m c t u f e b yas e r i e so fc o m p u t e rs t i m u l a n te m u l a t i o nc a 】c u l a t j o na l l dm a n yk i n d so f m o d e lt e s t st ot h em a c h i n es a m p l e s ，i te n s u r e st h a te v e r yc a p a b i l i t yi n d e xo f t h e6 1 tc o n t a i l l e rf 】a tw a g o nm e e t st h et e c h n j c a 】r e q u i r e m e n t so ft h es t a t e r a i l w a v k e yw o r d s ：c o n t a i e r w a g o n ；d e v e l o p m e n t 第一章绪论 第一章绪论 集装箱运输是种先进的运输方式，它具有运输效率高、运输成本低、 联运方便、货损少、门对门等优点，已被世界各国广泛采用。我国铁路集 装箱运输虽然取得了长足的发展，但与先进发达国家相比，还有很大的发 展空间。对此，铁道部高度重视集装箱运输，在铁路主要技术政策和中长 期发展规划中提出大力发展集装箱运输。 集装箱车辆是集装箱运输的载体，直接影响着集装箱的运输能力。从 国际铁路集装箱运输看，现有车辆有普通式、长大式、关节式、双层式、 驮背式、公铁两用式等多种型式，关节式还有二联、三联、四联、五联等 多种结构，其运输条件、运用线路、装箱工况各不相同。车辆型式决定了 运输能力。为开发我国新型集装箱车辆，必须对适应我国困情的车辆型式 进行全面分析研究。 1 1 国外集装箱车辆型式及应用条件 美国、加拿大、澳大利亚、德国等发达国家的集装箱车辆发展较快， 车型较多，按运输方式可分为可交换集装箱和( 半) 拖车两种类型，如下 图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 国外普通集装箱车主要向一车三个2 0 f t 箱或一车四个2 0 f t 箱的长大 型发展，关节式集装箱车主要向三联或五联超长型发展，驮背集装箱车、 公铁两用车更方便地实现了门到门运输。 国外集装箱车辆的发展是与其运输货物、集装箱重量相适应的。西方 发达国家处于后工业化时代，集装箱运输的主要是轻浮货物，2 0 f t 集装 箱的平均重量在2 0 t 左右，很少超过2 4 t 。所以，单层集装箱车采用一车 三箱或四箱的长大型结构，如：美国的b e t h l e h e m 平车，载重6 3 5 t ，装 载3 个2 0 f t 箱，每箱重量仅为2 1 6 t ；法国a r b e lf a u v e l 集装箱车，载 重6 1 5 t ，装载3 个2 0 f t 箱，每箱重量仅为2 0 5 t 。德国四轴s g n s 6 9 4 型 集装箱车，轴重2 2 5 t ，装载3 个2 0 f t 箱，每箱重量仅为2 2 7 t 。对于大 轴重、高限界运输条件的美国，主要发展关节式，甚至连双层集装箱车也 采用了关节式，如：l o p a c i i 五联关节式车，但其中部车辆仅能载重5 5 t ， 折算到下层2 个2 0 f t 、上层一个4 0 f t 箱，其平均箱重仅为1 8 3 t ，上述 各国集装箱车辆情况见表l _ l 所示： 表1 1 各国集装箱车辆情况 每箱重 国家车型 自重( t ) 装箱数 载重t 量t 美国b e t h l e h e m3 x 2 0 f t6 3 52 1 6 法国 a r b e l2 0 53 x 2 0 f t 2 0 5 6 1 5 f a u v e l 德国s g n s 田42 2 5 ( 轴重) 3 x 2 0 f t6 8 22 2 7 美国 下层：2 x 2 0 f t l o p a c i i 1 9 95 5 t1 8 3 双层上层：h 4 8 f t 对于集装箱实际装载重量小于额定重量的情况，各国普遍做法是装 箱前对集装箱进行称重筛选。 长大型、关节式集装箱车的优点是：运输同样的集装箱可用较少的 车辆，每箱平均车辆采购成本较低；在列车编组长度可以较长时，可增加 2 第一章绪论 一些装箱数。缺点是：集装箱重量较小，单位编组长度下的集装箱列车运 输总重量较小。 1 2 我国主型集装箱车辆的选型分析 我国铁路集装箱专用平车一直是伴随着集装箱箱型的发展而发展的。 1 9 8 0 年北京二七车辆厂研制了我国第一代n j 4 a 型集装箱专用平车，用于 运输5 d 型5 t 集装箱、1 0 d 型1 0 t 集装箱和2 0 f t 、4 0 f t 国际标准箱。2 0 世纪8 0 年代中后期到9 0 年代，我国铁路集装箱运输专用车辆得到快速发 展，我厂先后研制出x 6 、x 6 b 、x 6 c 和x l k 等多种型号车辆，其装载功能 也是根据当时铁路集装箱运输的箱型而确定的，主要运输1 0 t 铁路标准集 装箱和额定总重为2 0 t 、2 4 t 的2 0 f t 国际标准箱以及额定总重为3 0 4 8 t 的4 0 f t 国际标准箱。2 0 0 3 年我厂成功研制出x 2 h ( x 2 k ) 型双层集装箱运 输车辆，其总载重7 8 t ，主要用于运输2 0 f t 和4 0 f t 国际标准箱，同时还 可装载4 5 f t 、4 8 f t 、5 0 f t 及5 3 f t 非国际标准长大集装箱，是铁路跨越 式发展的成果之一。 随着我国铁路集装箱运输事业的蓬勃发展，铁路集装箱在运输箱型、 数量、载重等方面发生了很大变化，采用单一车型已很难满足市场多元化 的需求。 据调查，2 0 0 4 年以来，5 t 集装箱已完成其历史使命，铁标1 0 t 箱仅 剩约8 万只，根据中铁集装箱公司的规划，2 0 0 8 年以后我国将全部淘汰 1 0 t 箱。本着与国际接轨的目标，目前中铁集装箱公司正大力发展以2 0 f t 为主的国际标准集装箱。从统计数据看，“十五”末期我国2 0 f t 箱己发展 到约1 4 万只，是“九五”末期的2 8 倍，其额定总重也由2 0 t 、2 4 t 发展 到符合i s o 标准的3 0 4 8 t 。 由于我国正处于国民经济发展建设阶段，国情与西方发达国家有所不 同，生产资料、初级产品的运输量较大，粮食、化肥、工业原料、机械配 件、建材等重质货物占集装箱运输的绝大部分。据我们对北京、广州、上 海、成都等国内几个主要集装箱承运站调查统计，2 0 f t 箱的利用率远高 北京交通大学工程硕士专业学位论文 于4 0 f t 箱，特别是一些重质货物普遍采用2 0 f t 箱装载，虽然有数据表明 2 0 0 4 年铁路集装箱平均箱重约1 7 t ，但由于不同线路不同区段集装箱运输 货物的重量不同，双向运输时货物重量也不均衡，造成2 0 f t 箱箱重偏高。 综合以上情况，根据国务院批复的铁路中长期发展规划关于大力发展 集装箱运输的精神以及中铁集装箱公司在全国范围内对集装箱运输的整 体运营策划和作业站场布局规划的实旌，作为集装箱的主型专用车，必须 满足以下两个条件： 1 该车主要用于装载2 0 f t 、4 0 f t 国际标准集装箱，装载时无需限重 或配重，即装载2 0 f t 箱时满足其总重3 0 4 8 t 的要求。 2 该车可在我国所有铁路线路上运行。综合我国现有轴重、线路条件 等条件，考虑到集装箱运输的综合经济性，其轴重确定为2 1 t ，装箱方式 确定为可装载2 个总重为3 0 4 8 t 的2 0 f t 箱或1 个总重为3 0 4 8 t 的4 0 f t 箱，其载重为6 l t ，与我国现有绝大多数货车可以混编、联挂。 综上，我国主型集装箱专用车应为6 l t 的新型车辆。对于部分货源相 对集中的轻质货物，考虑到其运输经济型，可适当发展部分专线运输车辆。 1 3 关节式集装箱车型的比较 关节式有二联、三联、四联、五联等多种型式，目前在我国由于线 桥条件限制了车辆轴重，其中央必须为2 5 t 轴重的三轴转向架，其可能的 车型方案如下： ：三习e 工习e 王三习i 三工习e ： 三】 要。 磊 。 一- u u ” u “。 _ 一”。 4 第一章绪论 关节五联式车 广厂一一 r r| r 一丁1 厂一5一 土；= 兰= ：= 二；毒车= = 二= 二二生二= i = = ：_ _ i ；土# 二j = = ；其下_ = _ _ _ ：= 二= 二二= = _ ；，二七 关节四联式车 r 一_ 厂t 一1 厂t _ ，】= = ；二些= = ，未；二_ j 二：- j 上皂= 二二- 二= 二= i _ _ _ l 关节三联式车 厂j 厂一? 厂一 r 一 i【i f = ；= 吾2 _ 二= = 2 习亭；= 二_ = 二；亏j 2 土 ，v1 lk - ? 关节二联式车 表1 2 是上述各种方案运输2 0 f t 集装箱时的列车总装箱数和总载重 的比较表，其中，2 0 f t 集装箱的额定重量按3 0 4 8 t 、2 4 t 两种情况进行 分析。 表1 2 各型集装箱车技术参数、装载能力表 车辆技术参数8 5 0 m 站线长( 计长7 0 ) i 车型每箱轴重t转向运用车辆装箱总总载总轴 北京交通大学工程硕士专业学位论文 重量架型线路总数 数t e u重t数根 t 式辆 关节端部：2 1端部： 1 21 2 03 6 6 01 9 2 五联中部2 5二轴 关节 中部：1 51 2 03 6 6 01 9 5 四联 3 0 4 8 三轴专线 关节 2 01 2 03 6 6 02 0 0 三联 关节 2 5 二轴 3 01 2 03 6 6 01 8 0 ：联 关节端部： 1 21 2 02 8 8 01 9 2 五联二轴 关节中部：1 51 2 02 8 8 01 9 5 四联 2 4 2 l 三轴所有 关节2 0 1 2 0 2 8 8 0 2 0 0 三联 关节二轴 3 01 2 0 2 8 8 0 1 8 0 二联 从上表可以看出，在既有8 5 0 i n 站线长度内，在装箱数、载重量相同 条件下，关节二联车比三联、四联、五联车轴数少，经济效益显著。这与 国外发展多联车正好相反。主要原因是我国目前允许的车辆轴重比较小， 在三联以上车辆组合情况下，除端部为二轴转向架外，中央必须为三轴转 向架，但三轴转向架从其制造、维护成本和运用的通用性来看，显然制约 了多联关节式集装箱车的推广采用。 6 第一章绪论 1 ，4 我国新型集装箱车辆选型分析结论 1 、综合考虑我国线路运用情况及轴重、运输货物等现状，今后一段 时期内，我国新一代主型集装箱车应为载重6 1 t 集装箱专用平车。 2 、关节式集装箱车虽然具有良好的技术经济性，但受轴重限制，多 联关节式不宜发展，二联关节集装箱车优势更明显，应对此进行极积探索， 一旦时机成熟，可以尽快推广应用。 3 、用专列方式运输轻浮货物，其2 0 f t 集装箱的额定重量在2 4 t 以下， 所用车辆可采用2 3 t 轴重的长大集装箱车。 1 5 本论文的工作 本论文的工作为： 1 、载重6 1 t 集装箱专用平车可行性分析。 2 、载重6 l t 集装箱专用平车方案设计。 3 、载重6 l t 集装箱专用平车动力学和有限元设计计算。 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，从而确保载重6 1 t 集装箱专用平车性能符合我国铁路有关要求。 7 第二章载重6 1 t 集装箱专用平车方案设计 第二章载重6 1 七集装箱专用平车方案设计 2 1 概要 为适应我国铁路集装箱运输的发展、满足集装箱车辆更新换代的需 要，在铁道部运输局装备部、中铁集装箱运输有限责任公司的大力支持下， 根据中铁集装箱运输有限责任公司对车型需求意向，通过借鉴国外的先进 经验，与我国铁路实际情况相结合，完成了载重6 l t 集装箱专用平车设计。 2 2 研制过程 1 、可行性分析和方案设计 2 、工作图设计和车体有限元分析、车辆动力学仿真及制动计算 3 、样机试制 4 、车体静强度和刚度试验、冲击试验和车辆动力学试验 2 3 解决的主要关键技术 2 3 1 车型的选取 根据前述的车型研究，在我国铁路上通行的2 0 f t 集装箱将以3 0 4 8 t 为主。如果一车三箱，车辆总载重将达到9 l t 以上，二轴转向架无法满足， 而三轴转向架结构复杂，通用性差。虽然铁道部运输局运装管验电2 0 0 5 2 3 2 5 号电报要求停止6 0 级货车制造，但考虑到集装箱运输的特殊性和经 济性。我国目前通用的主型集装箱车是装载两个2 0 f t 箱或1 个4 0 f t 箱、 载重6 1 t 的集装箱专用车。 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 3 2 主要参数的选取 a ) 车辆长度 6 0 9 6 c m 集装箱外长6 0 5 8 m m ，4 0 f t 集装箱外长1 2 1 9 2 哪，底架长度取 为1 2 3 0 0 咖，箱项外表距底架端距离仅为：( 1 2 3 0 0 - 1 2 1 9 2 ) 2 = 5 4 m ，这 个空间供安装门挡用。 这样，车辆长度：1 2 3 0 0 + 4 6 5 x 2 = 1 3 2 3 0 m b ) 载重 随着集装箱运输的发展，2 0 f t 箱的载重在不断增加，目前2 0 f t 箱 的总重已由1 9 8 6 年以前的2 0 3 2 t 提高至2 4 t ，又进一步提高到了3 0 4 8 t ， 并得到了国际标准化组织( i s o ) 的认可。因此，车辆载重按2 0 f t 箱总重 3 0 4 8 t 计，共3 0 4 8 x 2 = 6 1 t 。 c ) 轴重 目前我国铁路货车轴重主要有2 l t 、2 3 t ( 2 5 t 轴重按2 3 t 用) 、2 5 t 等 三种，根据车辆载重6 1 t ，加上车辆自重1 8 t ，运用轴重为( 6 1 + 1 8 ) 4 = 1 9 7 5 t ，选择2 l t 轴重，国内所有线路均可通用，且尚有一定的安全 裕量。 d ) 速度 按铁路主要技术政策的要求，轴重2 l 的普通货物列车的运行速 度是1 2 0 k m h ，因此，该车的商业运行速度确定为1 2 0 k m h ，以适应铁路 提速的要求。 e ) 纵向力值 随着铁路运输的发展，一些主要干线上将开行万吨列车。为使该车能 够混编运用不受影响，车辆纵向力按铁道部科技司科技装函( 2 0 0 5 ) 6 6 号文所要求的力值选取，即：第一工况拉伸力：1 7 2 0 k n 第一工况压缩力： 1 9 2 0 k n ，第二工况压缩力：2 5 0 0 k n 。 3 3 提高车辆动力学性能 考虑到6 1 t 集装箱专用平车自重较轻( 1 8 t ) 、长度较短( 底架长 第二章载重6 1 i 集装箱专用平车方案设计 1 2 3 0 0 m m ) ，影响车辆动力学性能、特别是空车动力学性能的提高。为改善 动力学性能，采取了加大车辆定距、提高空车弹簧挠度等措施。 a ) 加大车辆定距 该车底架长1 2 3 0 0 唧，为安装车钩缓冲装置及前、后从板座的需要， 牵引梁最小长度应为1 7 0 0 m ，这样车辆定距8 9 0 0 m ，且牵引梁长度比其它 通用车辆均短，如表2 1 所示： 表2 1 车型c 6 4 kn 1 7 kx 6 a载重6 1 t 车 底架长一 1 2 5 0 01 3 0 0 01 3 0 0 01 2 3 0 0 车辆定距m8 7 0 09 0 0 09 3 0 08 9 0 0 牵引梁长m】9 0 02 0 0 01 8 5 0 1 7 0 0 为加大车辆定距，重新设计了缩短型后从板座。该后从板座仍设有五 排铆钉孔，但长度比c 7 0 车后从板座缩短了4 5 m 。 b ) 提高空车弹簧挠度 该车采用目前国内2 1 t 轴重通用的转l ( 2 型转向架。该转向架为二级 为刚度弹簧结构，其空车弹簧总刚度为1 1 5 4 0 n m m ，配载6 1 t 集装箱车时， 空车当量挠度仅为9 7 唧。为提高空车挠度，依照从r 标准的办法，去掉 一组中央外簧，空车弹簧总刚度降为9 5 8 4 n m ，空车当量挠度加大到了 1 1 6 册，提高了1 9 6 ，这相当于空车自重增加了约2 t 。委托西南交大进 行的动力学对比计算表明，抽簧后可明显改善空车工况下的横向、垂向平 1 1 北京交通大学工程硕士专业学位论文 衡性。 转向架抽簧后，在重车状态下的当量挠度4 0 1 啪，比c 6 4 k 车的重车 当量挠度3 9 4 m 仅增加了1 7 ，经计算重车弹簧的剪切应力分别为：外 簧为5 7 0 帅a ，内簧为4 5 6 m p a ，减振外簧为5 船m p a ，减振内簧为5 8 2 m p a ， 与c 6 4 k 车基本掘当，可以保证重车安全。 由于转k 2 摇枕圆脐高为3 5 哪， 内簧增加定位挡。为运用检修方便， 标记。 己进入内簧里。抽掉外簧后，无需对 在转向架侧架上涂打“中央无外簧” 2 3 3 降低集装箱承载面高度 降低集装箱承载面高度，一是可以降低车辆重心，二是可提商特种超 高箱的装载适应性。原有的集装箱车，是在底架横梁、枕梁、端粱上平面 安装锁闭装置，集装箱承载面高等于底架上平面高度与锁座厚度之和。为 进一步降低承载面高度，设计了新型锁闭装置并将其埋入底架内，使集装 箱承载西与车体上平面平齐，集装箱承载面高等于底架高度，为1 1 3 0 唧， 比原来的集装箱车低3 0 至3 5 咖。 2 3 4 提高集装箱锁闭装置的锁固能力及防丢能力 随着我国铁路运输进一步提速，集装箱运输的安全性日益受到铁道部 门的关注。集装箱锁闭装置对集装箱运输安全性起重要作用。 锁闭装置型式较多，按锁头对集装箱的锁固方式分有平面锁头、凸台 锁头、手动旋转锁头、全自动扭转锬头等，按活动箱锬避让方式分有翻板 1 2 第二章载重6 1 i 集装箱专用平车方案设计 式、升降式、翻转式、移开式等。 国内应用情况表明，平面锁头锁固能力较弱。手动旋锁虽然锁固能力 强，但需要专用人员开、闭锁。一旦操作有误，该开锁没开，锁将被拉断： 该闭锁没闭，锁固功能丧失，且很难解决闲杂人员在运输途中的开锁问题。 全自动扭绞锁闭装置结构较为复杂，磨耗性、防盗性比普通锁严重，对集 装箱装卸提出了更高的要求，其适应性还需进一步验证。 为此，借鉴u i c 标准锁头的经验，结合国内n x l 7 b k 车锁闭装置的使 用情况，设计了一套新型锁闭装置。该锁闭装置采用无需人工开闭锁、有 一定锁固力的凸台锁头，锁座对锁头向上限位，锁头转动方向与集装箱倾 覆方向相反，能有效地防止集装箱跳起和倾翻。 为防止该锁装置丢失，采用了7 x 3 0 扁钢制成的u 型安全吊、用两个 直径1 6 一的铆钉销与锁头焊接牢固，提高了锁头防盗性。 2 4 车辆技术方案简介 2 4 1 车辆主要用途 载重6 1 t 集装箱专用平车是在中国标准轨距线路上运行、可装运 i s 0 6 6 8 ：1 9 9 5 系列1 集装箱一分类、尺寸和额定重量所规定的1 a a a 、 l a a 、1 a 、1 a x 、1 c c 、1 c 、1 c x 型国际标准集装箱的专用车辆。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 2 4 2 主要性能参数及基本尺寸 载重 6 1 t 装箱工况 1 只l a a a 或l a a 或1 a 或1 a x 国际标准集装箱 3 0 4 8 t 2 只1 c c 或1 c 或1 c x 国际标准集装箱 2 3 0 4 8 t 自重 1 8 t 轴重 2 1 t 换长 1 2 空车重心高6 9 5 m m 自重系数 o 3 0 每延米重5 9 7 t m 通过最小曲线半径1 4 5 m 商业运营速度l2 0 k m h 限界：符合g b l4 6 卜8 3 标准轨距铁路机车车辆限界的规定 车辆长度 l3 2 3 0 m m 车辆定距 8 9 0 0 m m 底架长度 l2 3 0 0 m 1 i 】 底架宽度2 7 5 0 m m 国际集装箱装载面距轨面高( 空车) l l3 0 m m 车钩中心线距轨面高( 空车)8 8 0 m m 车轮直径8 4 0 m 2 4 3 主要结构 本车由底架、集装箱锁闭装置、车钩缓冲装置、制动装置及转向架等 部分组成。 1 4 第二章载重6 1 t 集装箱专用平车方案设计 2 4 3 1 底架 底架为全钢焊接结构，由端梁、中梁、侧粱、枕梁、中横梁、端横梁 等组焊而成。中梁为h 6 0 0 x 2 0 0 x l l x l 7 型钢加上、下盖板拼焊成鱼腹形的 箱型结构，侧梁为3 0 0 x 8 7 x 8 5 槽钢，设有中央大横梁以及工字形端横梁， 端部设有纵向辅助梁，采用锻钢上心盘及材质为c 级铸钢的前、后从板座。 前、后从板座与中梁间采用符合运装货车 2 0 0 4 6 6 号文件要求的专用拉 铆钉连接，装用铁路货车车号自动识别系统车辆标签。 2 4 3 2 集装箱锁闭装置 底架上设有集装箱锁闭装置，两端为固定式锁头，中部为原位翻转式 锁头，端部设有门挡。 2 4 3 3 车钩缓冲装置 采用符合运装货车( 2 0 0 4 ) 2 1 5 号文件要求的c 级钢1 3 a 型车钩及加 强型钩尾框、合金钢钩尾销、m t 一2 型缓冲器，采用符合运装货车( 2 0 0 4 ) 3 7 1 号文件要求的含油尼龙钩尾框托板磨耗板。 2 4 3 4 制动装置 采用主管压力满足5 0 0 k p a 和6 0 0 k p a 的空气制动装置。主要由1 2 0 型 控制阀、直径为2 5 4 嘞的整体旋压密封式制动缸、s t 2 2 5 0 型双向闸瓦间 隙自动调整器、符合运装货车( 2 0 0 5 ) 8 0 号文件要求的k z w a 型空重车 自动调整装置、符合运装货车( 2 0 0 5 】3 3 3 号文件要求的货车脱轨自动制 动装置等组成。采用编织制动软管总成、奥一贝球铁衬套、符合运装货车 ( 2 0 0 2 ) l l 号文件要求的高摩擦系数合成闸瓦、符号运装货车( 2 0 0 1 ) 8 4 号文件和运装货车( 2 0 0 2 】2 4 8 号文件要求的不锈钢制动配件和管系。 采用n s w 型手制动机。 北京交通大学t 程硕士专业学位论文 2 4 3 5 转向架 采用转k 2 型转向架，且转向架中，每侧减少枕簧中央的一个外簧。 转k 2 型转向架为铸钢三大件式货车转向架。摇枕、侧架材质为b 级 铸钢，两侧架之间加装下交叉支撑装置：采用带变摩擦减振装置的中央枕 簧悬挂系统，摇枕弹簧为两级刚度，侧架立柱磨耗板材质采用微合金奥贝 球铁( a d i ) ，斜楔配套采用贝氏体球墨铸铁( a d i ) ；侧架立柱磨耗板材质采 用4 5 号钢，滑槽磨耗板采用t 1 0 或4 7 m n 2 s i 2 t i b ：采用锻造支撑座、j c 型 双作用弹性旁承、5 0 钢车轴、l m 磨耗型踏面的h d z c 轻型铸钢或h d s a 轻 型辗钢车轮、s k f l 9 7 7 2 6 型或装用工程塑料保持架的3 5 2 2 2 6 x 2 2 r z 型滚 动轴承；基础制动装置采用符合运装货车( 2 0 0 4 ) 2 6 5 号文件( l a ，l b 型制动梁同时应符合运装货车电( 2 0 0 5 ) 1 3 9 1 号电报要求) 的组合式制动 梁、奥一贝球铁衬套。 2 4 4 车辆使用寿命和检修周期 车辆使用寿命：2 5 年。 车辆检修周期：厂修为8 年，段修为2 年，取消铺修。 2 5 车辆主要技术特点 1 、采用新型底架结构并优化设计，减轻了车辆自重，提高了车辆载 重，缩短了车辆长度，降低了集装箱承载面高度，车辆技术性能明显提高。 2 、通过增加强度贮备，满足万吨列车使用的要求，适应于专列运输 或混编运输。 3 、转向架采用抗菱刚度大的转k 2 型转向架，并每侧减少中央一个外 簧，加大车辆定距，提高了车辆动力学性能，满足铁路货车商业运行速度 1 2 0 k m h 的提速要求。 4 、新型箱锁结构具有防集装箱倾覆和跳起功能，提高了对集装箱的 锁固能力，保证了铁路提速后集装箱的运输安全。 1 6 第章载重6 n 集装箱专用平车方案设计 5 、车辆的转向架、车钩缓冲、制动装置均采用我国目前成熟技术， 符合标准化、系列化、模块化的要求，方便运用和维护。 2 6 车辆经济技术分析 1 、提高了集装箱的装载重量。在8 5 0 m 站线长度内，6 1 t 集装箱列车 总载重量为3 5 9 9 t ，比x 6 a 、x 6 b 车分别提高了9 1 1 t 和1 2 9 5 t ，总载重量 分别提高了3 3 7 和5 6 2 ，且该车可满足8 5 0 m 列车站线长内开行5 0 0 0 t 级重载列车的要求。 2 、提高了国际标准集装箱的装箱数量。与x 6 a 、x 6 b 车相比，在8 5 0 m 站线长度内，6 1 t 集装箱列车总载箱数量1 1 8 t e u ，比x 6 a 、x 6 b 车分别多 装箱6 t e u 和2 2 t e u ，装箱数分别提高了5 4 和2 3 0 。 3 、提高了集装箱的适装性。该车取消了铁标1 0 t 的装箱工况，专门 运输国际标准集装箱，且2 0 f t 集装箱额定重量达到3 0 4 8 t ，且承载面的 降低，提高了对特种超高箱的适装性。 4 、集装箱运输更加安全可靠。该车采用了对集装箱有防倾覆和防跳 功能的新型箱锁结构，保证了铁路提速后集装箱的运输安全。锁头采用了 7 x 3 0 扁钢制成的u 型安全吊、与锁头用两个直径1 6 m 的铆钉焊接牢固的 防盗方式，提高了锁头防盗性。 5 、车辆的检修周期由现有车辆的6 年延长至8 年，节省了检修成本 和停运时间，提高了车辆的运用效益。 具体分析计算见表2 2 ： 表2 2 载重6 1 t 集装箱车与x 6 a 、x 6 b 车技术经济性比较表 3 x 2 0 车 6 l t 车x 6 ax 6 b ( 我厂) 轴重( t ) 2 l2 3 2 12 1 载重( t ) 6 17 26 06 0 自重( t ) 1 8 2 l1 8 32 2 3 北京交通大学工程硕士专业学位论文 速度( k n l h ) 1 2 01 2 01 0 01 0 0 装载2 0 箱 2 x 3 0 53 x 2 42 x 2 02 x 2 4 4 0 与2 0 装载4 0 箱 1 x 3 0 5l x 3 0 51 x 3 0 5 配装 装载4 0 以上箱 4 5 5 3 4 5 装载2 0 箱每延米载重 4 6 13 7 23 4 42 9 4 ( t m ) 站线长8 5 0 m列车载重( t )3 5 9 92 8 8 02 6 8 8 2 3 0 4 ( 计长7 0 ) 2 0 箱总数 1 1 81 2 01 1 29 6 站线长列车载重( t )4 2 7 03 4 5 63 2 1 62 7 3 6 1 0 5 0 m 2 0 箱总数 1 4 01 4 41 3 41 1 4 ( 计长8 4 ) 牵引定数5 0 0 0 t 、站线长 能否否否 8 5 0 m 车辆长度( 咖) 1 3 2 3 01 9 3 6 61 3 9 3 81 6 3 3 8 底架长度( 哪) 1 2 3 0 01 8 4 0 01 3 0 0 01 5 4 0 0 承载面高( m ) 1 1 3 01 1 3 01 1 6 61 1 6 6 转8 a 改 转向架 k 2 k 6 k 5转8 a 进 1 3 号普1 3 号c 车钩1 3 a 号1 7 号 通级钢 缓冲器 m t 一2m t 一2m x l 2 号 制动阀1 2 0 阀1 2 0 阀g k 阀1 2 0 阀 厂修8厂修8 厂修6 厂修6 检修周期段修 段修2段修2段修1 5 1 5 第三章载重6 1 l 集装箱专用平车设计计算 3 1 车体强度有限元计算 3 1 1 载荷分析及合成 在车体底架结构计算巾所考虑的计算载荷主要包括：车体结构本身的 自重及各种工况下结构所受到的不同载荷的组合。在对结构进行各种载荷 作用下的受力分析基础上，各种载荷的处理情况及作用于计算模型上的方 式如下： ( 一) 垂向载荷： 垂向载荷由垂向静载荷和垂向动载荷两部分构成。 垂向静载荷： 垂向静载荷是由自重和载重引起的。在计算过程中，自重按其材料的 重量密度由a n s y s 程序自动计算并垂直向下作用于各单元上。平车底架的 自重通过施加重力加速度来实现：车体的载重根据不同的装载方式，有不 同的值。 垂向动载荷： 垂向动载荷由垂向静载荷乘以垂向动载荷系数而定。即： p d = k d y p 垂向动载荷系数k d y 按如下公式计算： k 寺w h 赤 式中：f j 一车辆在垂向静载荷下的弹簧当量静挠度； v 一车辆的构造速度，v = 1 2 0 k m h ： b 一系数，取值为o 0 5 ； b 一系数，取值为o 0 5 ； 北京交通大学工程硕士专业学位论文 d 一系数，货车取值为1 6 5 ； a 一系数，簧上部分取值为1 5 0 ； c 系数，簧上部分取值为o 4 2 7 ； 此次计算的不同装载工况下的弹簧当量静挠度以及相应的k d y 值如 表3 1 表所示： 表3 1 各种装载方式当量静挠度表 装载工况装载载荷( t )弹簧当量静挠度( m )动荷系数 2 个2 0 f t 箱 6 14 1 9o 2 9 1 个4 0 f t 箱3 0 4 82 4 4o 3 5 1 个2 0 f t 箱 3 0 4 8 2 4 4 0 3 5 ( 二) 纵向载荷 作用于车体上的纵向载荷由整个车体的受力平衡关系确定。根据铁 道车辆强度设计及试验鉴定规范( t b t1 3 3 5 1 9 9 6 ) 及铁道部有关车辆 纵向力的有关规定。 a 第一工况 纵向拉伸力取1 7 8 0 k n ；压缩力取1 9 2 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。 这种力产生的应力与垂向总载荷、侧向力、扭转载荷等所产生的应力 相加，其和不得大于第一工况的许用应力。因第一工况的所有载荷及约束 对称于车体横向中心线，计算时取横向l 2 车体进行计算。 b 第二工况 纵向压缩力取2 5 0 0 k n 沿车钩中心线作用于车辆两端的后从板座上， 或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。 所载货物的惯性力平均等效到载荷作用处的节点上。因为此作用方式 的所有载荷及约束对称于车体纵向中心线，计算时取纵向l 2 车体进行计 算。 第三章载重6 1 l 集装箱专用平车设计计算 由这两种纵向压缩力作用方式产生的应力分别与垂向静载荷所产生 的应力相加，其和不得大于第二工况的许用应力。 ( 三) 侧向力( 包括离心惯性力和风力) 根据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 中规定，车辆所受侧向力应包括离心惯性力和 侧向风力，计算时车体的离心惯性力按垂向静载荷的7 5 取值，侧向风 力按集装箱侧面积乘以5 4 0 p a 取值，离心惯性力与侧向风力叠加后作为侧 向总载荷施加车体上或锁座上，并考虑由于侧向力的作用点相对于锁座的 距离，计算侧j q 力引起的锁座垂向载荷的附加增减载。底架所受侧向风力 按均布5 4 0 p a 施加到车体侧梁上。 ( 四) 扭转载荷 根据t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 中规定，心盘支重式结构的车体不考虑斜对称 载荷，但必须在下面的第一工况中考虑4 0 k n m 的扭转载荷。 m k = ( f 1 + f 2 ) b l 2 式中：f 1 ，f 2 分别为枕梁处侧梁下翼面的集中载荷，一般取f 1 = f 2 ： b 1 一枕梁侧梁中心间距，b l = 1 3 7 6 唧。 得集中载荷为：f l = f 2 = 7 3 7 k n 。 ( 五) 载荷综合 按照铁标要求，每一种装载方式下将以下载荷进行综合，得出以下几 种综合载荷工况： a 刚度计算工况：垂向静载荷； b 强度计算工况1 ：垂向总载荷+ 扭转载荷+ 侧向力+ 1 7 8 0 k n 纵向拉 力； c 强度计算工况2 ：垂向总载荷+ 扭转载荷+ 侧向力+ 1 9 2 0 k n 纵向压 力； d 强度计算工况3 ：垂向静载荷+ 2 5 0 0 k n 纵向压力。 e 强度计算工况4 ：垂向静载荷+ 压缩力引起的平衡惯性力。 北京交通大学：1 = 程硕士专业学位论文 3 1 2 车体结构强度及刚度评定标准 铁道车辆的结构强度及刚度评定标准应根据铁道车辆强度设计及试 验鉴定规范( t b t1 3 3 5 1 9 9 6 ) 的规定执行，在这里我们根据该规范 的要求来评定及校核该车体的结构强度及刚度。 强度评定标准 6 1 t 级集装箱专用平车底架为型钢、板材拼组的全钢焊接结构，主要 承载型钢、板材均采用0 9 c u p t i r e b 耐大气腐蚀钢。根据t b t 1 3 3 5 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范规定，平车车体应在各个工况的载 荷综合作用下，当量应力应不大于t b t 1 3 3 5 9 6 第9 5 1 节中表3 规定 的许用应力。当量应力按如下公式计算： 。：( q 一2 ) 2 + ( 盯2 一口，) 2 + ( 吒一q ) 2 式中：o 。一当量应力，m p a ： ，一主应力( i = 1 ，2 ，3 ) ，m p a 。 其材料的许用应力如表3 2 所示。 表3 2 材料许用应力表( m p a ) l材料及其牌号第一工况第二工况 耐候钢 0 9 c u p t i r e b ( o 产3 4 5 ) 2 1 62 9 3 刚度评定标准 根据t b t 1 3 3 5 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范规定： 集中载荷的平车，中侧梁挠跨比应小于1 9 0 0 。 3 1 3 有限元分析计算模型 根据以上结构及参数，我们在i n t e lp e n t i u m 4 微机上用a n y s ( 9 o 版) 有限元分析软件对6 l t 级集装箱专用平车车体底架建立了有限元分析 计算模型，并进行结构有限元分析计算。 第三章载重6 1 t 集装箱专用平车设计计算 1 结构离散 在结构分析模型中，我们对结构进行了适当和必要的简化，并忽略了 对车体结构强度、刚度计算影响较小的一些因素。在单元选择时，考虑到 车体受到的变形以弯曲变形为主，我们选用了4 个节点弯曲板单元；另外， 考虑到车体底架纵向约束并不对称所以选取整个结构作为分析计算的模 型。在该计算模型中，有限元离散结构的节点总数为3 6 7 8 8 ，单元总数为 3 6 6 8 2 。结构的离散总图见附图3 1 。 附图3 1 车体结构离散图 2 约束处理 该车体为心盘支重式结构。对于上述的离散结构，在对结构进行分析 的基础上，我们充分考虑了该车体心盘的位移特点及车体结构的变形受力 情况，在两个心盘垫板4 2 0 x 4 5 0 的面上分别施加了如下约束( 设底架枕梁 纵向为y 轴，横向为x 轴、垂向为z 轴) ： 一个心盘垫板： 6x = 0 ，6 y = o ，6z = o ，oz = o 北京交通大学t 程硕十专业学位论文 另一个心盘垫板： 6y = o ，6z = 0 ，oz = o 枕粱对称轴线上：ox = o ，oy = o 3 1 4 有限元计算结果 1 底架刚度 6 1 t 集装箱专用平车的三种装载工况下的车体变形如下图3 2 3 4 ， 其中、侧梁最大变形如表3 3 表3 3 中、侧梁最大变形 装载工况中粱挠度哪侧梁挠度m 2 个2 0 f t 集装箱 5 0 2 64 4 6 7 1 个4 0 f t 集装箱 0 8 6 5 4 1 32 5 9 6 中央o 个2 0 f t 集装箱 2 2 5 72 2 5 7 2 底架应力结果 6 l t 级集装箱专用平车车体底架结构在这三种载荷工况下的应力分布 情况见图3 4 到图3 1 6 ；应力计算结果为v o nm i s e s 等效应力。 1 、装载2 个2 0 f t 集装箱工况 在强度工况1 下，结构的最大等效应力为1 7 5 1m p a ，应力分布见图 3 5 ： 在强度工况2 下，结构的最大等效应力为1 8 3 3 6 m p a ，应力分布见图 3 6 ： 在强度工况3 下，结构的最大等效应力为2 1 9 8 0 5m p a ，应力分布见 图3 7 ： 在强度工况4 下，结构的最大等效应力为2 6 1 3 6 0m p a ，应力分布见 图3 8 ： 2 、装载1 个4 0 f t 集装箱工况 在强度工况1 下，结构的最大等效应力为1 9 3 6 3m p a ，应力分布见 图3 9 ： 在强度工况2 下，结构的最大等效应力为1 8 4 9 5 9 m p a ，应力分布见 图3 1 0 ； 在强度工况3 下，结构的最大等效应力为2 2 0 9 7 4m p a ，应力分布见 第三章载重6 1 t 集装箱专用平车设计计算 图3 1 1 ； 在强度工况4 下，结构的最大等效应力为2 5 6 3 2 4 m p a ，应力分布见 图3 1 2 ： 3 、中央装载1 个2 0 f t 集装箱工况 在强度工况l 下，结构的最大等效应力为1 8 7 2 5 4 m p a ，应力分布见 图3 1 3 ； 在强度工况2 下，结构的最大等效应力为1 9 0 2 9 5m p a ，应力分布见 图3 1 4 ； 在强度工况3 下，结构的最大等效应力为1 9 2 0 4 7 m p a ，应力分布见 图3 1 5 ； 在强度工况4 下，结构的最大等效应力为2 6 3 2 6 8 m p a ，应力分布见 图3 1 6 ； 3 1 5 底架强度及刚度校核 1 强度校核 在各种装载条件的第一工况下，第1 强度计算工况的最大合成应力 最大，为1 9 3 6 3 m p a ，小于许用应力l 口i 一2 1 6 m p a ，其他工况均远远小于许 用应力。 在各种装载条件的第二工况下，第4 强度计算工况的最大合成应力 最大，为2 6 3 2 6 8 m p a ，小于许用应力l 盯l = 2 9 3 m p a ，其他工况均远远小于 许用应力。 2 刚度校核 在三种载荷工况下，装载2 个2 0 f t 集装箱时车体中央变形最大，最 大垂向变形值为5 7 6 7 m 。车体两个支撑心盘间的距离k 的值为8 9 0 0 咖。 因此，车体挠跨比为： ， 5 0 2 611 一一 一 l 8 9 0 01 7 7 l9 0 0 因此可知，该车体的挠跨比满足对结构垂直弯曲刚度的要求。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 1 6 结论 根据设计图纸及主要技术参数，对6 1t 级集装箱专用平车底架进行 了结构的有限元分析及强度、刚度计算。在计算模型的处理中，所有的考 虑都是偏于安全的。根据计算结果及上述的分析，可以得出如下的结论： 在各种计算工况下，该车体底架的最大应力均低于所用材料在相应工 况下的许用应力。该车体的强度满足t b t1 3 3 5 一1 9 9 6 铁道车辆强度设 计及试验鉴定规范有关车辆强度要求及铁道部所规定的加大纵向力的要 求。同时，该车体底架的挠跨比也能满足铁道车辆强度设计及试验鉴定 规范对于该结构垂直弯曲刚度的要求。 附图3 22 个2 0 f i 集装箱车体变形 第三章载重6 1 l 集装箱专用平车设计计算 附图3 31 个4 0 f t 集装箱车体变形 附图3 4 一个2 0 f t 集装箱车体变形 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图3 5 装载2 个2 0 f i 集装箱强度工况1 下的应力云图 附图3 6 装载2 个2 0 n 集装箱强度工况2 下的应力云图 2 8 第三章载重6 1 t 集装箱专用平车设计计算 附图3 7 装载2 个2 0 f i 集装箱强度工况3 下的应力云图 附图3 8 装载2 个2 0 f t 集装箱强度工况4 下的应力云图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 附图3 9 装载1 个4 0 f t 集装箱强度工况1 下的应力云图 附图3 1 0 装载1 个4 0 f t 集装箱强度工况2