鄒紅亮

呼和浩特鐵路局包頭西車輛段

鐵路貨車輕量化應(yīng)用研究與分析

鄒紅亮

呼和浩特鐵路局包頭西車輛段

鐵路貨車的運輸效率與效率提升作為當今世界鐵路貨運發(fā)展主題，鐵路貨車輕量化應(yīng)用研究與分析勢在必行。因此文章主要針對鐵路貨車輕量化應(yīng)用現(xiàn)狀，對完善鐵路貨車輕量化應(yīng)用的具體措施進行分析，以供業(yè)界參考、完善。

鐵路貨車；輕量化應(yīng)用；分析

鐵路貨車發(fā)展都是以提升運輸效率和效益為最終目的，而鐵路貨車輕量化應(yīng)用研究與分析是提升鐵路運輸效率和節(jié)約能源的重要內(nèi)容，減輕鐵路貨車車體、行走質(zhì)量和附屬設(shè)備，不僅能夠降低原材料的消耗和牽引能耗，節(jié)省能源，提升列車運行速度，對列車啟動與制動性能進行改善，提升列車運行的安全性與可靠性。還可減少輪軌之間的動力作用，減少振動與噪聲，從而延長列車與線路的使用期限。

1、鐵路貨車輕量化應(yīng)用現(xiàn)狀

鐵路貨車輕量化是指在承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量有限范圍內(nèi)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載的最大化，從而確保結(jié)構(gòu)具有安全性和可靠性。鐵路貨車輕量化應(yīng)用的基本原理主要是在達到功能性與安全可靠性的基礎(chǔ)上，通過合理分配結(jié)構(gòu)質(zhì)量，充分利用材料機械性能，防止結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中效應(yīng)，對鐵路貨車整體的結(jié)構(gòu)強度進行調(diào)整，選擇合理的材料，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

在鐵路貨車輕量化應(yīng)用方面，美國主要以重載運輸為主要發(fā)展方向，應(yīng)用特點具有貨車軸重大，載重相對較高，運行效率高，自重輕，原材料成本費用經(jīng)濟，列車牽引總質(zhì)量達到1萬～3萬t，軸重為29t。德國以快速運輸為主要發(fā)展方向，列車編組相對較少，貨車運輸速度快和軸重低。而我國鐵路貨車運輸主要以“速，密，重”協(xié)調(diào)方向發(fā)展，但和世界鐵路運輸發(fā)達國家相比，在軸重和車輛輕量化技術(shù)研究方面還存在明顯差別。對于鐵路貨車輕量化而言，我國70t貨車自重系數(shù)和80t專用車自重系數(shù)是0.34、0.25；美國大部分專用貨車的自重系數(shù)是0.17；而澳大利亞40t軸重礦石車的自重系數(shù)達到了0.159。除了上述的鐵路輕量化技術(shù)存在明顯差距外，還包括材料、環(huán)境和結(jié)構(gòu)等影響因素。其中，實現(xiàn)鐵路貨車輕量化的方法主要是減少鐵路貨車中組成部件板材的厚度，但是因為受車輛性能、檢修年限、板材厚度的選取與結(jié)構(gòu)強度影響，因此鐵路貨車使用比重小和具有較強耐腐蝕性的新型材料已經(jīng)成為解決車體輕量化問題的有效途徑。隨著全球世界各地提倡節(jié)能環(huán)保的前提下，鐵路貨車輕量化逐漸成為世界鐵路貨車制造業(yè)的發(fā)展趨勢。因此，鋼質(zhì)貨車如何在保障安全性情況下不斷向快捷、載重高和自重輕的方向發(fā)展，對鐵路貨車輕量化應(yīng)用具有重要意義[1]。

2、完善鐵路貨車輕量化應(yīng)用的具體措施

2.1 更新設(shè)計手段

在優(yōu)化結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方案上，設(shè)計師一般會按照結(jié)果分析、結(jié)果與經(jīng)驗對結(jié)構(gòu)方式進行調(diào)整，這一方式的應(yīng)用已經(jīng)無法適應(yīng)發(fā)展需求。因此，在設(shè)計方面應(yīng)通過分析結(jié)構(gòu)與優(yōu)化理論、方法相互結(jié)合方式，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模式已經(jīng)成為車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，這一方法的使用逐漸被應(yīng)用到我國鐵路機車車輛行業(yè)中。例如某車輛有限公司出口的軸重為40t礦石敞車在車輛自重方面提出嚴格要求，在設(shè)計車體承載結(jié)構(gòu)方面，對于輕量化設(shè)計，在確保車輛符合設(shè)計規(guī)范標準同時，為達到減少車體承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的，按照結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求不斷優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。又如在有限元分析軟件ANSYS二次開發(fā)平臺上，中南大學交通運輸工程學院以車體承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量為主要設(shè)計函數(shù)，通過部件板厚設(shè)計的變量，以鐵路實際載荷的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和撓度為依托，借助參數(shù)化設(shè)計語言APDL對車體承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量進行優(yōu)化設(shè)計，最終經(jīng)過優(yōu)化后1/4車體承載結(jié)構(gòu)質(zhì)量由最初設(shè)計方案的1.9395t減輕了0.1836t，減重率達到9.47%，優(yōu)化后自重系數(shù)為0.159，結(jié)構(gòu)各個部位的最大應(yīng)力低于材料允許應(yīng)力值，取得了車體自重量小的設(shè)計方案。這一結(jié)構(gòu)表明，通過有效元分析技術(shù)，能夠充分利用結(jié)構(gòu)各個部件承載能力，確保車體結(jié)構(gòu)強度和剛度符合設(shè)計標準要求[2]。

2.2 完善設(shè)計方案

敞車車體中梁作為鐵路貨車重要的承載部件，在車體中這一部分的自重占有較大的比例。對于材料強度等級與制造方便而言，我國敞車的中梁大部分使用乙型鋼；從輕量化技術(shù)應(yīng)用方面，C76型和C80型的敞車使用的是焊接中梁，通過焊接中梁方式對斷面進行優(yōu)化，有效分配板厚，充分利用材料的價值，滿足強度設(shè)計理念，從而減輕質(zhì)量，提升材料使用的剛度。例如C70型車側(cè)使用屈服極限為450MPa的雙曲面冷彎側(cè)柱，以此改善車體側(cè)柱剛度，提升側(cè)墻抗外脹能力。和帽型鋼相比，每1根側(cè)柱均減輕了15.3kg。又如C80B型不銹鋼與C80A全鋼等運煤敞車，優(yōu)化了獨立下側(cè)梁，借助側(cè)墻板、地板和圓弧形加強板圍成一個封閉區(qū)域，以此減少質(zhì)量，讓受力更加均勻合理，從而充分利用限界，拓寬車輛容積有效降低車輛自重。

2.3 引進先進技術(shù)

在優(yōu)化鐵路貨車輕量化方面，可通過引進牽引桿技術(shù)、ECP電空制動技術(shù)和轉(zhuǎn)向架集成制動技術(shù)，降低車輛自重和列車間縱向作用力，節(jié)約制造成本，減少短鉤和脫軌事故發(fā)生率，確保結(jié)構(gòu)緊湊，提升傳動效率，有效利用車輛空間。例如C80系列的運煤專用敞車通過運用牽引桿技術(shù)，減少車輛的自重，使每個車鉤緩沖裝置重量減輕了280kg，然后輔助轉(zhuǎn)向架集成制動裝置，確保結(jié)構(gòu)緊湊型，從而提升傳動效率，充分利用車輛空間，節(jié)約了制造成本[3]。

2.4 使用新型材料

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，通常情況下，車體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量占車輛總體重量的50%。實踐證明，在鐵路貨車輕量化設(shè)計方面，使用高強度耐候鋼、非金屬材料、鋁合金和不銹鋼等新型材料，能夠有效減輕車體質(zhì)量，例如大秦線中C80B型運煤專用敞車，通過使用不銹鋼材料，增強了車體的耐蝕性，以此降低車輛自重，提升車輛的載重，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。除此之外，棚車還可使用中密度和韌性良好的竹編板作為端墻、車頂和側(cè)墻內(nèi)襯材料，通過低密度和高強度竹材層壓板替代鋼地板，從而減輕車輛自重，達到優(yōu)化鐵路貨車輕量化的目的。

結(jié)束語

鐵路貨車輕量化實際上是一個提升鐵路貨車輕量化性能，降低貨車重量，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的過程，因此設(shè)計師應(yīng)不斷學習新的技術(shù)知識，以此更新設(shè)計手段、完善設(shè)計方案，同時引進先進的設(shè)計技術(shù)，通過新型材料達到鐵路貨車輕量化的目的。

[1]饒庶,劉霞.鐵路貨車輕量化應(yīng)用研究與分析[J].中國鐵路, 2015,(1):37-41.

[2]張俊林,汪明棟,于躍斌，等.鐵路貨車制動裝置輕量化技術(shù)研究[J].鐵道車輛,2015,53(12):60-63.

[3]張俊林.鐵路貨車制動系統(tǒng)輕量化分析與思考[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)（下半月）,2015,34(9):118,120.