賀茂盛 李華 張淵

（1齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司大連研發(fā)中心 高工，遼寧 大連 116052；2齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司大連研發(fā)中心 副主任、教授級高工，遼寧 大連 116052；3大連交通大學交通運輸工程學院 講師，遼寧 大連 116028）

1 中國鐵路通用貨車現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展歷程

1949年新中國成立后，我國鐵路貨車經(jīng)歷了仿制國外產(chǎn)品、自主創(chuàng)新設計兩個階段，實現(xiàn)了三次大的升級換代。第一階段是從1949年至1957年，第二階段是從1957年至今（參見圖1）。

圖1 我國鐵路貨車發(fā)展階段示意圖

1）從1956年開始，新中國第一個自主設計載重50 t的P13型棚車誕生，載重30 t貨車在我國全面停產(chǎn)，標志著我國鐵路貨車實現(xiàn)了載重由30 t級向50 t級的第一次升級換代。這一時期，我國鐵路貨車主要采用滑動軸承、K型空氣控制閥和2號車鉤，車體材料為普通碳素結構鋼，鋼木混合結構，車輛自重大、承載能力低。

2）從1976年開始，載重60 t的C62A型敞車落成和載重50 t級貨車在我國全面停產(chǎn)，標志著我國鐵路貨車實現(xiàn)了載重由50 t級向60 t級的第二次大的升級換代。這一時期，轉8A型轉向架研制成功，推廣采用滾動軸承、103型空氣控制閥和13號車鉤，車體材料采用了耐候鋼，車輛承載能力和性能有了較大提升。

3）從2003年開始，載重80 t級運煤專用敞車、70 t級通用貨車研制成功，120 km/h貨車技術全面應用，載重60 t級貨車全面停產(chǎn)，標志著我國鐵路貨車實現(xiàn)第三次大的升級換代。隨著第三次升級換代，鐵路貨車在速度、載重和技術性能上有了質(zhì)的飛躍，車輛綜合技術性能達到了世界先進水平。

1.2 發(fā)展成就[1]

1.2.1 80t級專用貨車實現(xiàn)了2萬t重載組合列車運輸

大秦線從軸重21 t、載重60 t的C63A型敞車升級為軸重25 t、載重80 t的C80型鋁合金、C80B型不銹鋼運煤專用敞車；車輛商業(yè)運營速度達到了100 km/h；采用了鋁合金或不銹鋼車體，轉K6、轉K5型轉向架，120-1型空氣控制閥，16、17型車鉤，RFC型牽引桿及大容量緩沖器。重載組合列車牽引重量達到2萬t，大秦線年運量突破4億t（參見圖2）。

圖2 大秦線

1.2.2 通用貨車全面向70 t級升級換代

從2006年開始，載重60 t貨車停止生產(chǎn)，全面生產(chǎn)時速120 km、載重70 t新型貨車，“時速120 km、軸重 23 t、載重 70 t、列車編組 5 000～10 000 t”四大技術指標同步集成，適應了中國鐵路“客貨共線、高效周轉、安全第一”的特殊條件和要求，使貨物運輸能力大幅提升。

1.2.3 開行雙層集裝箱車專列

2004年4月18日，X2K(X2H)型雙層集裝箱班列正式投入商業(yè)運營，填補了我國雙層集裝箱運輸空白，標志著我國集裝箱運輸進入了一個嶄新階段。X2K(X2H)型雙層集裝箱車軸重25 t、載重78 t、商業(yè)運營速度120 km/h、重心高2 400 mm，充分利用線路的上部限界條件，實現(xiàn)了在電氣化線路條件下集裝箱雙層運輸，集裝箱裝載能力提高40%以上。

1.2.4 120 km/h提速轉向架技術全面應用

1999年，商業(yè)運營速度120 km/h的P65型行包快運棚車投入使用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益。2002年，新造貨車開始全面裝用120 km/h提速轉向架。2004年，既有貨車開始全面進行換裝轉K2型轉向架120 km/h提速改造。到2008年底，既有貨車提速改造工作全面完成，滿足120km/h商業(yè)運營要求的鐵路貨車超過60萬輛。

1.2.5 制造工藝技術全面提升

全面推廣應用新技術、新工藝、新裝備、新材料，建成了車體焊接、轉向架組裝、大部件鑄造、輪對加工組裝等先進生產(chǎn)基礎工藝線，形成了我國鐵路貨車專業(yè)化、規(guī)?；纳a(chǎn)、檢修能力。

2006年以來，以B+級鋼搖枕側架整體芯鑄造、不銹鋼焊接、制動系統(tǒng)模塊化組裝為代表的工藝技術創(chuàng)新與應用，使我國鐵路貨車制造技術、產(chǎn)品質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，貨車生產(chǎn)開始向精益化轉變（參見圖 3）。

圖3 搖枕、側架整體芯

1.2.6 可靠性分析和試驗研究能力大幅提升

1）全面應用計算機仿真分析手段。進行結構強度、疲勞壽命、動力學性能和工藝數(shù)值模擬分析，優(yōu)化設計結構，縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。

2）室內(nèi)試驗能力全面提升。采用疲勞試驗臺、強度試驗臺、落錘試驗臺、沖擊試驗線、滾振試驗臺、轉向架參數(shù)測試臺等室內(nèi)試驗設備，可以完成除線路試驗外的全部產(chǎn)品性能驗證和試驗研究。

3）大量開展線路綜合性試驗。對各型重載提速貨車進行了上百次的線路動力學性能試驗，為系統(tǒng)驗證各種線路條件對新型貨車的適應性，在膠濟線、京秦線、遂渝線及隴海線等進行了大規(guī)模的線路綜合性試驗。

2003年底至2007年，在鐵道科學研究院（以下簡稱鐵科院）環(huán)行試驗基地對載重60 t提速貨車、70 t級通用貨車和80 t級運煤專用貨車等各型貨車，進行了持續(xù)4年、運行里程達36萬km的可靠性試驗研究，開創(chuàng)了貨車線路可靠性試驗研究先河。

1.2.7 建立了貨車產(chǎn)品技術平臺和標準體系

在提速、重載、可靠性三大技術全面提升的基礎上，逐步建立并完善了載重70 t級通用、80 t級專用貨車產(chǎn)品技術平臺和120 km/h提速轉向架技術平臺，形成了核心的設計、制造技術、管理模式和標準體系，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計、制造的系列化、標準化、模塊化、信息化，開發(fā)了以C70型通用敞車、C80B型運煤專用敞車為代表的系列化產(chǎn)品和關鍵零部件。

2 提高軸重是我國通用貨車發(fā)展方向

2.1 提高軸重是鐵路貨運發(fā)展趨勢

客運高速和貨運重載是世界鐵路的發(fā)展趨勢，幅員遼闊、資源豐富、工業(yè)發(fā)達的國家，為進一步降低運輸成本、提高線路運輸能力和綜合經(jīng)濟效益，先后采用了適合本國國情的鐵路重載貨物運輸方式。美國、加拿大、澳大利亞、南非等重載發(fā)達國家軸重均在30 t以上。

以快捷運輸為發(fā)展特點的歐洲鐵路，也于2001年以國際鐵路聯(lián)盟(UIC)團體名義加入國際重載運輸協(xié)會(IHHA)，開始在歐盟內(nèi)部發(fā)展重載運輸。德國鐵路從2003年、法國南部鐵路從2005年開始，正式開行軸重25 t的貨運列車。

2.2 提高軸重是提升我國鐵路貨運能力的必由之路

我國鐵路貨運網(wǎng)絡主要采取“速密重”協(xié)調(diào)發(fā)展的戰(zhàn)略。貨車速度已普遍達到120 km/h的世界先進水平，干線列車追蹤時間已達到6~7 min的運輸飽和密度[2]，既有線路站場長度850 m、1 050 m已經(jīng)確定，難以繼續(xù)增加列車編組長度來提高運能。提高貨車軸重、研制重載貨車、發(fā)展重載運輸，是進一步提高我國鐵路貨運能力的唯一途徑。

2.3 提高軸重發(fā)展重載運輸效益顯著

世界重載運輸幾十年的發(fā)展經(jīng)驗證明，重載運輸可以大幅提高運輸能力和運營收入，降低維修成本，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢明顯，各國通過發(fā)展重載運輸均取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益[3]。

美國發(fā)展重載運輸，不僅大大降低了鐵路運輸?shù)某杀荆矠槠鋷砹丝捎^的經(jīng)濟效益。1981—2000年，I級鐵路總生產(chǎn)率提高了173%，運價降低了29%，勞動生產(chǎn)率提高了317%，每營業(yè)公里線路約0.87人，機車生產(chǎn)率提高了121%。

大秦線是我國首條煤炭運輸通道，1992年開通運營時年設計運輸能力1億t，采用軸重21 t、載重60 t的C63A型敞車。2004年，軸重25 t、載重80 t的專用敞車開始全面取代C63A型車，年運量由1億t提高到4億t，成為世界上年運量最高的重載線路。

2005年開始，通用線開始實施60 t級向70 t級的升級換代。到2009年，鐵路貨運總發(fā)送量提高23.8%、貨運總周轉量提高22.18%、煤炭運輸總量提高26.3%，貨車周轉時間縮短了5.1%[4]。

3 大軸重通用貨車相關技術研究

3.1 基礎理論和邊界條件

1）貨車軸重與橋梁、線路匹配關系。車輛與線路、橋梁之間的相互作用關系，是限制重載貨車發(fā)展的關鍵因素，需要對軸重提高后線路、橋梁的適應性進行全面分析評估，從而確定在既有線橋條件下綜合經(jīng)濟效益最優(yōu)的軸重。

2）制動熱負荷、列車速度與制動距離。速度和緊急制動距離是是影響線路閉塞區(qū)間設置和列車追蹤間隔的重要指標，也是制動熱負荷的主要影響因素。必須合理匹配制動熱負荷、列車速度和緊急制動距離，在保證車輛性能和運行安全的同時，提高線路通過能力和運輸效益。

3）輪軌磨耗和低動力作用關系。通過建立輪軌耦合動力學模型和分析鋼軌與車輛踏面配合關系，研究軸重提高后對輪軌動作用力、輪軌磨耗的影響，減小因軸重提高對線路動作用力增加的幅度，減輕輪軌磨耗，降低線橋改造和維護成本。

4）線路譜、載荷譜及疲勞可靠性。我國目前尚未形成系統(tǒng)的線路譜和載荷譜，進行疲勞壽命評估主要借鑒北美AAR標準，計算結果存在一定偏差。通過在大秦線和典型通用線路開展線路譜、載荷譜測試，將逐步形成符合我國路情的疲勞評估標準，為開展貨車疲勞可靠性研究提供準確的輸入條件。

5）考核標準。我國部分既有標準僅適用于25 t及以下軸重鐵路貨車，隨著軸重增加，需要開展大量的試驗研究，確定符合我國線路條件和使用環(huán)境的重載貨車考核標準。

6）鐵路限界。我國現(xiàn)行的《標準軌距鐵路機車車輛限界》標準兼顧了建國早期遺留下來的尺寸較小的建筑限界，對車輛結構設計造成了較大制約。有必要對我國鐵路限界進行系統(tǒng)調(diào)研和分析，研究通用貨車采用“長車”標準核算車寬尺寸、專用貨車按電力機車限界設計的可行性。

7）車輛設計標準接口。我國鐵路貨車長期存在客貨混跑、無固定配屬、統(tǒng)一檢修的特點，為方便檢修和技術管理，需要對貨車運用條件、制造及檢修要求進行系統(tǒng)研究，制定統(tǒng)一的標準接口。

3.2 關鍵技術

3.2.1 低動力轉向架技術[5]

以車線橋為整體，基于車輛－軌道耦合動力學理論建立動力學模型，對比研究典型不平順激擾下的輪軌動力作用性能，研制大軸重低動力作用轉向架。新型轉向架具有以下特點：

1）優(yōu)化車輛懸掛性能，實現(xiàn)輪軌低動力作用。對比分析不同轉向架懸掛系統(tǒng)參數(shù)下，車輛對軌道、橋梁的影響，優(yōu)化彈性懸掛系統(tǒng)，降低輪軌之間的垂向、橫向動作用力，提高轉向架低動力性能。

2）減小輪對沖角，降低輪軌磨耗。采用交叉支撐裝置或輪對徑向裝置，提高轉向架抗菱剛度，優(yōu)化輪對彈性定位，減小輪對沖角，降低輪軌磨耗。

3）兼顧直線穩(wěn)定性和曲線通過性能。通過仿真分析，優(yōu)化一系軸箱彈性定位和中央懸掛系統(tǒng)，減小導向輪對平均沖角，在保證低動力性能、直線穩(wěn)定性的同時，進一步提高轉向架曲線通過性能。

4）無焊接、低磨耗，長期運行穩(wěn)定可靠。主要磨耗部位均采用非金屬-金屬摩擦副，實現(xiàn)無磨耗，低磨耗，長期運行動力學性能不衰減；轉向架消除焊接結構，支撐座、橫跨梁托座與側架鑄造一體，磨耗板均采用螺栓連接，支點座采用鉚接連接，實現(xiàn)轉向架無焊接組裝和檢修，轉向架的使用可靠性更高。

3.2.2 縱向動力學

隨著編組輛數(shù)和列車長度的增加，列車縱向沖動也必然增加，車鉤緩沖裝置和車輛縱向承載結構的受力狀態(tài)也更加惡劣，降低長大列車縱向沖動成為世界重載運輸?shù)年P鍵技術之一。

從美國、澳大利亞、南非等國家重載運輸發(fā)展來看，主要從兩個方面降低縱向沖動：一是采用動力分散布置、LOCOTROL機車同步操縱牽引技術，或者采用ECP電空制動技術，提高列車制動、緩解一致性。二是采用牽引桿技術，減小列車聯(lián)掛間隙，同時采用高強度車鉤和大容量緩沖器，提高車輛抗沖擊性能。

為降低大軸重貨車帶來的列車縱向沖動，對長大列車的編組方式和各種情況下的車鉤力及牽引能力進行分析，對鉤緩系統(tǒng)特性、制動系統(tǒng)特性、列車編組和操縱等方面進行系統(tǒng)研究，合理選擇重載貨車鉤緩系統(tǒng)、制動系統(tǒng)參數(shù)，改善車體承載部件受力狀態(tài)，從而提高列車運行可靠性、平穩(wěn)性和穩(wěn)定性，保障運輸安全。

3.2.3 疲勞可靠性仿真分析和試驗研究

隨著貨車軸重、列車編組噸位的提高，車體承受的縱向和垂向載荷顯著增大，通過仿真分析優(yōu)化設計和試驗驗證，在保證車輛輕量化設計的同時，保證車輛結構可靠性。

1）借鑒AAR標準的名義應力法和ASME-2007標準的等效結構應力法，開發(fā)基于虛擬樣機的鐵路車輛疲勞仿真系統(tǒng)（參見圖4）。

圖4 ASME名義應力法疲勞可靠性評估

2）應用大部件疲勞試驗臺和整機強度、沖擊試驗線，采用大秦線實測載荷譜或AAR等效載荷譜，開展大部件和整機的強度、疲勞試驗研究（參見圖5）。

圖5 室內(nèi)試驗臺試驗

3）齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司建設完成了中國首臺、世界第二臺整車疲勞與振動試驗臺，根據(jù)車輛實際運行中測試的載荷譜和應力譜，編制試驗譜，短時間內(nèi)對車輛全壽命周期運行情況進行模擬，從而準確、快速地發(fā)現(xiàn)車輛薄弱結構并進行改進（參見圖6）。

圖6 我國首臺整車疲勞與振動試驗臺

3.2.4 新材料開發(fā)和應用

1）高耐腐蝕性高強度鋼。為滿足輕量化設計要求，滿足板厚減小后對材料耐腐蝕性能提高的需要，研制高耐腐蝕性、高強度鋼和配套的焊材。

2）環(huán)保涂裝體系。通用敞車和運煤專用敞車的涂層在運用1～2年后即逐漸失效，為進一步提高油漆涂層對車體鋼結構的防腐保防作用，研究環(huán)保、無毒的水溶性油漆，不僅提高車輛耐腐蝕性能，也符合環(huán)保的發(fā)展方向。

3）非金屬材料。全面應用尼龍、橡膠、彈性體、復合材料和高分子材料等非金屬材料，開發(fā)滿足大軸重貨車運用環(huán)境要求的耐磨、輕型零部件，降低磨耗，減輕自重，進一步提升新型貨車的可靠性和檢修性能。

4 80 t級通用貨車研發(fā)

4.1 研制目標

1）軸重27 t、載重80 t，每延米重不大于8 t/m，商業(yè)運營速度100 km/h。

2）延長檢修周期，提高車輛使用效率，第一個廠修期10年，第二個廠修期8年，段修期2年。

3）適應既有運輸組織方式，滿足單列牽引萬t的要求。

4.2 研制歷程

1）2008—2010年，鐵道部依據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，適時提出了發(fā)展25 t軸重以上通用貨車的發(fā)展方向。各科研院所、車輛設計單位開展了一系列前期調(diào)研、理論分析和試驗驗證工作，制定了大軸重貨車標準接口。

2）2011年6月，車輛設計單位完成各型80 t級通用貨車及其轉向架設計和樣機試制，在產(chǎn)品試驗室完成了整機強度、剛度、沖擊試驗和關鍵零部件的強度、疲勞可靠性試驗。

3）2011年9月，中國鐵道學會車輛、工務委員會在齊齊哈爾組織召開《發(fā)展重載運輸工務暨車輛學術研討會》，200多位專家學者參會，首次實現(xiàn)工務、車輛兩大專業(yè)同一平臺交流，從車橋系統(tǒng)角度深入探討既有線開行80 t級通用貨車問題并形成共識。

4）2012年7月，鐵道部正式下發(fā)《大軸重鐵路貨車總體技術條件》（鐵科技 〔2012〕154號）。2012年9月，第一批共計10輛80 t級通用敞車在哈爾濱鐵路局完成線路動力學試驗，鐵科院鐵建所對試驗線路典型橋梁、涵洞進行了實時監(jiān)測。

4.3 80 t級通用貨車主要特征

4.3.1 車輛運輸能力大幅提高

1）載重80 t、軸重 27 t，單車載重較既有貨車增加10 t，提高了14.3%；按照每天裝車10萬輛計算，全路每天多運100萬t，年增運3.6億t。

2）在既有1 050 m、850 m站場條件下，80 t級通用敞車可實現(xiàn)列車牽引重量6 900 t、6 000 t，在不進行站場改造的情況下，列車增運15%～20%。

4.3.2 技術水平實現(xiàn)新提升

1）采用高耐蝕性、高強度耐候鋼等新型材料和輕量化車體設計技術，車輛自重系數(shù)進一步降低。

2）采用優(yōu)化懸掛系統(tǒng)、一系彈性定位的新型轉向架，具有更優(yōu)的低動力作用性能，對軌道的動作用力和輪軌磨損與25 t軸重貨車相當。

3）通過全面的仿真分析和試驗驗證，提高整機及零部件疲勞可靠性，延長檢修周期。

4）全面采用非金屬磨耗件、可拆卸金屬磨耗件，實現(xiàn)換件修、無焊修，方便運用、檢修。

4.3.3 工藝保證能力全面提升

1）建立工藝與設計并行開發(fā)模式，保證產(chǎn)品設計、制造的一致性，提高產(chǎn)品制造質(zhì)量和商品化程度。

2）推行工藝工程化，保證設計合理、工藝成熟，實現(xiàn)不同廠家、不同車間制造的貨車產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、一致。

3）實施精益制造，實現(xiàn)工藝精細化、檢測智能化、過程信息化，全面提升鐵路貨車現(xiàn)場管理水平和制造質(zhì)量。

5 結束語

提高軸重發(fā)展重載運輸是快速提高我國貨運能力和技術水平最直接的途徑，重載貨車與線路基礎條件之間的相互作用關系則是發(fā)展重載運輸?shù)暮诵囊蛩?，需要鐵路車輛、工務、運輸組織等多學科協(xié)同發(fā)展。我國應盡快開展線路適應性綜合試驗和線路譜、載荷譜等基礎研究，優(yōu)化軌道橋梁結構，提升機車車輛性能，發(fā)展先進的監(jiān)測和維護技術，從而全面提高我國重載運輸技術和綜合效益。

[1]王春山.陳雷.鐵路重載提速貨車技術[M].北京：中國鐵道出版社，2010

[2]楊紹清.中國鐵路重載運輸貨車技術發(fā)展[J].鐵道車輛，2009（12）:1-5

[3]鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院.鐵路發(fā)展回顧與展望[J].鐵道經(jīng)濟研究，2007（3）:26-37

[4]楊棟，石群.加快鐵路發(fā)展 完善綜合交通體系[J].鐵道經(jīng)濟研究，2011（3）:33-35

[5]邵文東，李立東,等.我國鐵路重載貨車轉向架技術及發(fā)展[C]//鐵路重載運輸貨車與工務學術研討會論文集，2011