李曉偉，張俊林，趙天軍

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發(fā)中心，遼寧大連 116052)

2017年8月中車齊齊哈爾車輛有限公司與澳大利亞GWA公司簽訂了204輛30 t軸重煤炭漏斗車采購合同，進(jìn)行了30 t軸重煤炭漏斗車的研制。

1 研制過程

出口澳大利亞GWA公司30 t軸重煤炭漏斗車(見圖1)在澳大利亞新南威爾士州軌距為1 435 mm的線路上運(yùn)行，采用固定編組運(yùn)輸煤炭，采用地面設(shè)備卸貨，可實(shí)現(xiàn)邊走邊卸的卸貨過程。

圖1 出口澳大利亞GWA公司30 t軸重煤炭漏斗車

2017年10月中車齊齊哈爾車輛有限公司完成了該車方案設(shè)計(jì)，并對(duì)車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞等進(jìn)行了計(jì)算分析。2018年2月完成試制和各項(xiàng)試驗(yàn)。2018年5月完成車輛整備，2018年5月運(yùn)抵澳大利亞進(jìn)行運(yùn)用考驗(yàn)。

2 主要技術(shù)參數(shù)

總重/t 120

自重/t ≤23.5

軸重/t 30

容積/m3106.6

軌距/mm 1 435

車輛長度(每組)/mm 61 430

車輛定距/mm 11 810

車輛最大高度(空車，新輪)/mm 4 120

車輛最大寬度/mm 3 000

車鉤中心線高(空車)/mm 910

裝貨口尺寸/(mm×mm) 1 745×14 156

卸貨口尺寸/(mm×mm) 500×2 357

轉(zhuǎn)向架固定軸距/mm 1 830

車輪直徑/mm 920

旁承中心距/mm 1 270

商業(yè)運(yùn)行速度

空車/(km·h-1) 100

重車/(km·h-1) 80

制動(dòng)率

空車/% <35

重車/% ≥13

車輛通過最小曲線半徑/m 80

限界：符合WOS 01.110之4.12 “窄漏斗”車輛限界尺寸的要求。

3 主要結(jié)構(gòu)

每4輛煤炭漏斗車編為一組，組內(nèi)車輛之間采用牽引桿、MT-2緩沖器連接，每組車的兩端裝用EF車鉤和MT-2型緩沖器。單個(gè)車輛由車體、底門及開閉裝置、制動(dòng)裝置、連掛緩沖裝置、轉(zhuǎn)向架等組成。主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 車體

車體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，主要由底架、側(cè)墻、端墻等組成。底架的牽枕組成和中梁采用屈服強(qiáng)度為450 MPa的Q450NQR1材質(zhì)，與煤接觸的側(cè)墻、端墻、隔板、大橫梁、脊背、端漏斗板、側(cè)漏斗板以及上下側(cè)梁和端柱采用屈服強(qiáng)度為350 MPa的T4003不銹鋼，與煤接觸的中梁采用T4003不銹鋼包裹進(jìn)行防腐。

1-底架組成(1)；2-30 t軸重ZK1-K型轉(zhuǎn)向架；3-側(cè)墻組成；4-底門組裝；5-底門開閉機(jī)構(gòu);6-30 t軸重ZK1-K型轉(zhuǎn)向架；7-底架附屬件；8-底架組成(2)；9-端墻組成；10-標(biāo)記；11-底架組成(3)；12-風(fēng)制動(dòng)裝置；13-牽引桿裝置；14-手制動(dòng)裝置；15-底架組成(4)；16-車鉤緩沖裝置。圖2 出口澳大利亞GWA公司30 t軸重煤炭漏斗車

底架主要由牽枕裝置、中梁、大橫梁、脊背、端漏斗板、側(cè)漏斗板等組焊而成。側(cè)墻由大圓弧形側(cè)墻板、上側(cè)梁、下側(cè)梁、隔板、支撐梁等組焊而成。端墻由端墻板、橫帶、端柱、V形支撐板、支撐梁等組焊而成。

底架兩端的端梁上各裝有2個(gè)緊急牽引座。車體枕梁外端設(shè)有4個(gè)頂車位及起升吊耳。車體端部裝有扶手，首車端部設(shè)有橫向通過臺(tái)和欄桿。

3.2 底門及開閉機(jī)構(gòu)

底門及開閉裝置主要由底門和底門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

底門主要由6061-T6鋁合金型材組焊而成，通過折頁安裝在車輛底架上，底門沿軌道橫向布置。

底門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為四連桿機(jī)構(gòu)，通過連桿機(jī)構(gòu)偏心距的設(shè)置將門鎖閉，主要由開關(guān)門連桿、傳動(dòng)軸、雙聯(lián)杠桿、底門連桿等組成。軸支座與底架大橫梁焊接，軸承座與軸支座之間采用螺栓連接。

3.3 空氣制動(dòng)裝置

空氣制動(dòng)裝置采用Wabtec公司獨(dú)立式有線電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)(ECP)。車組內(nèi)兩輛車共用一套ECP。制動(dòng)系統(tǒng)主要由ABDX控制閥和風(fēng)缸組成、單排風(fēng)折角塞門、集塵器、放風(fēng)閥、ELX型空重車傳感閥、車端軟管、車間連接軟管等零部件組成，采用的Wabtec 305×305制動(dòng)缸和調(diào)整范圍為483 mm的2300DJ型閘瓦間隙調(diào)整器。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置傳統(tǒng)杠桿傳動(dòng)。

每輛車的端部安裝有空氣制動(dòng)軟管和電纜連接器；每組車的空氣制動(dòng)管的端部安裝有具有排風(fēng)作用的折角塞門。

3.4 手制動(dòng)裝置

每輛車上安裝有一個(gè)4493B-Ⅱ型手制動(dòng)機(jī)，并能控制2個(gè)轉(zhuǎn)向架。手制動(dòng)軸與車輛縱向中心線垂直，在車輛兩側(cè)均能操作手制動(dòng)機(jī)。主車、從車手制動(dòng)機(jī)均安裝在牽引桿端。采用非金屬手制動(dòng)輪。

3.5 牽引緩沖裝置

每組車輛兩端裝用EF型車鉤、MT-2緩沖器、17型鍛造鉤尾框、配套17型鉤尾銷和從板；組內(nèi)車輛之間采用FW-2型牽引桿、MT-2緩沖器連接，牽引桿長1 150 mm。

3.6 轉(zhuǎn)向架

采用30 t軸重ZK1-K型四連桿準(zhǔn)徑向鑄鋼3大件式轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架采用四連桿彈性連接裝置；采用八字形軸箱橡膠彈性定位墊；車軸材料為AAR M-101的F級(jí)；采用BM級(jí)鋼整體輾鋼車輪，車輪踏面形狀為WPR2000型；采用符合AAR M-934的K型6 1/2X9 雙列圓錐滾子軸承；搖枕和側(cè)架采用符合AAR M-201的B+級(jí)鋼鑄造,在搖枕上直接鑄出一體式下心盤，采用折頭螺栓將不銹鋼搖枕斜面磨耗板安裝在搖枕上，采用卡入式側(cè)架滑槽磨耗板，側(cè)架立柱磨耗板采用折頭螺栓安裝；采用二級(jí)剛度中央彈簧懸掛裝置，彈簧材料為60Si2CrVAT；采用變摩擦減振器及組合式斜楔，斜楔材料為貝氏體球墨鑄鐵，斜楔主摩擦板采用高分子材料制造；基礎(chǔ)制動(dòng)裝置為下拉桿式單側(cè)閘瓦制動(dòng)裝置，采用符合AAR標(biāo)準(zhǔn)的H4型高摩合成閘瓦；采用符合AAR M-948的STUCKI RetroXT 4500型長行程常接觸彈性旁承。

4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

(1)每4輛煤炭漏斗車編為一組，軸重30 t，總重120 t，提高了車輛的運(yùn)輸能力。

(2)車體側(cè)墻隔板采用矩形管支撐，車內(nèi)增加縱向加強(qiáng)梁，大橫梁采用橫向梁，枕梁采用雙腹板結(jié)構(gòu)，牽引梁腹板及下蓋板增加補(bǔ)強(qiáng)板。這些結(jié)構(gòu)形式大大增強(qiáng)了車體強(qiáng)度，滿足縱向拉伸、壓縮載荷為2 220 kN工況下對(duì)車體強(qiáng)度的要求。

(3)端橫梁采用壓型結(jié)構(gòu)，使端板與端漏斗板實(shí)現(xiàn)搭接配合，降低組裝難度，提高了制造工藝性。

(4)采用地面機(jī)械碰撞式底門開閉機(jī)構(gòu)，在卸貨場(chǎng)地行駛中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸貨，卸貨效率高，運(yùn)營成本低。

(5)在既有成熟結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)底門及開閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，改善了底門偏心距、門縫調(diào)整困難的問題；開門臂、關(guān)門臂采用箱形組焊結(jié)構(gòu)，提高彎曲剛度；優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)，防止門軸卡死。

(6)采用WABTEC公司獨(dú)立式電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)，提供了車輛的制動(dòng)效率，降低了車輛間的縱向力，從而提高了車體及鉤緩系統(tǒng)的使用壽命，減少了車輛檢修工作量。

(7)采用EF-X小間隙車鉤，MT-2型緩沖器，F(xiàn)W-2型牽引桿，滿足既有貨車連掛要求。

(8)車輛磨耗部位采用可拆卸磨耗件，制動(dòng)及附屬件采用非金屬磨耗件，便于檢修和更換，降低了運(yùn)用成本。

5 分析計(jì)算

5.1 靜強(qiáng)度

依據(jù)AAR M-1001-2007《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定及GWA120 t煤炭漏斗車技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)要求，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、屈曲、模態(tài)等進(jìn)行了有限元計(jì)算[1]。計(jì)算結(jié)果表明:(1)在各載荷工況下，車體強(qiáng)度和剛度均滿足要求；計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；(2)線性屈曲分析結(jié)果均滿足規(guī)范要求。4 450 kN 工況第一階屈曲因子為1.085，大于規(guī)范規(guī)定的系數(shù)1；2 220 kN工況第一階屈曲因子為2.147，大于規(guī)范規(guī)定的系數(shù)2；(3)車體自由模態(tài)分析，第一階為車體扭轉(zhuǎn)模態(tài)，頻率為10.668 Hz；之后出現(xiàn)的頻率均在12 Hz以上，滿足要求。

5.2 疲勞計(jì)算

按AAR M-1001-97中第七章“貨車疲勞設(shè)計(jì)”部分的關(guān)于疲勞評(píng)估的方法及BS標(biāo)準(zhǔn)中的S-N曲線數(shù)據(jù)計(jì)算出各個(gè)評(píng)估點(diǎn)的疲勞壽命[1]，由計(jì)算結(jié)果可知，車輛設(shè)計(jì)最低設(shè)計(jì)壽命不少于25年，運(yùn)行的距離不少于325萬km。(50%情形為重車，50%情形為空車)。

6 試驗(yàn)情況

6.1 車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)

2018年1月按照AAR M1001《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》和《GWA120t煤炭漏斗車技術(shù)規(guī)范》要求完成了車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)，包括縱向載荷、垂向載荷、橫向力、扭轉(zhuǎn)載荷、頂車工況和車鉤抬車工況等6個(gè)工況的試驗(yàn)[2]。試驗(yàn)結(jié)果顯示：該車車體結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)載荷的響應(yīng)是線性的，最大應(yīng)力出現(xiàn)在垂向載荷工況，在端墻斜撐下部靠近補(bǔ)強(qiáng)板附近，應(yīng)力值為378.4 MPa；各測(cè)試斷面的實(shí)測(cè)應(yīng)力值均不超過所用材料的需用應(yīng)力，滿足AAR M1001《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》和《GWA120t煤炭漏斗車技術(shù)規(guī)范》要求。

6.2 線路扭曲響應(yīng)試驗(yàn)

為測(cè)試車輛靜態(tài)扭轉(zhuǎn)載荷，測(cè)量心盤搭接量，按AS7509.2-2009《鐵路貨車動(dòng)態(tài)性能 第2部分 鐵路貨車》要求對(duì)樣車完成了線路扭曲響應(yīng)試驗(yàn)[3]。試驗(yàn)結(jié)果顯示：扭轉(zhuǎn)工況最大輪重減載率為51%，上心盤與下心盤搭接量最小值為33.2 mm，滿足AS7509.2-2009中第6.3.4條“扭曲工況下最大最大輪重減載率小于原始靜態(tài)車輪載荷的60%、上心盤與下心盤搭接量大于14 mm”的要求。

6.3 擺動(dòng)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)車體與轉(zhuǎn)向架之間、車體與制動(dòng)系統(tǒng)零部件之間在R70曲線上是否有足夠的垂向、橫向和縱向間隙，在試驗(yàn)室R70曲線上進(jìn)行了模擬彈簧壓死情況的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：車輪與端側(cè)梁之間、立杠桿組成及下拉桿組成與枕梁下蓋板之間、側(cè)架端部與端漏斗板之間均無干涉。其轉(zhuǎn)向架零部件和制動(dòng)裝置零部件與車體最小間隙均大于50 mm，未與車體各零部件干涉，滿足《GWA120t煤炭漏斗車技術(shù)規(guī)范》要求。

6.4 閘瓦壓力試驗(yàn)

按照《GWA120 t煤炭漏斗車技術(shù)規(guī)范》要求對(duì)樣車完成了閘瓦壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：空氣制動(dòng)系統(tǒng)的空車靜態(tài)制動(dòng)率分別為28.1%，空車緊急制動(dòng)率為33.56%；重車靜態(tài)制動(dòng)率為16.7%，重車緊急制動(dòng)率為20.14%；手制動(dòng)系統(tǒng)的重車靜態(tài)制動(dòng)率為13.18%。滿足《GWA120 t煤炭漏斗車技術(shù)規(guī)范》要求的空車靜態(tài)制動(dòng)率不大于35%，重車靜態(tài)制動(dòng)率不小于13%，手制動(dòng)系統(tǒng)的重車靜態(tài)制動(dòng)率不小于13%的要求。

6.5 車輛裝載、卸載試驗(yàn)

在澳大利亞新南威爾士完成了車輛裝載、卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝載過程順利，卸貨速度滿足用戶要求。

6.6 車輛噪聲試驗(yàn)

在澳大利亞新南威爾士完成了車輛噪聲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試車輛符合澳大利亞測(cè)試環(huán)境中的噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。

7 結(jié)束語

出口澳大利亞GWA公司30 t軸重煤炭漏斗車已于2018年5月投入使用，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用表明，車輛性能良好。該車的出口將推動(dòng)我國大軸重煤炭漏斗車的技術(shù)輸出，對(duì)我國大軸重貨車研制和出口具有重要的借鑒和參考作用。