魏鴻亮，趙天軍，閆海軍

(中車齊齊哈爾車輛有限公司，遼寧 大連 116052)

長大貨物車是鐵道車輛中的特種貨車，主要用于運輸大型發(fā)電機定子、變壓器、軋鋼機機架、高壓鍋爐、加氫反應器等重型或超限貨物。自20世紀50年代，中國長大貨物車經(jīng)歷了七十余年的發(fā)展歷程，品種數(shù)量和技術性能不斷創(chuàng)新，取得了輝煌的業(yè)績。

1 長大貨物車發(fā)展歷程

中國鐵路長大貨物車的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段，每個階段的產(chǎn)品具有不同時代技術特點，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品所用材料、軸重、載重、自重系數(shù)及分析手段等方面。第1階段是進口國外產(chǎn)品階段，代表車型為前德意志民主共和國進口的D17型落下孔車[1]，載重150 t、自重97 t、自重系數(shù)0.65、軸重20.58 t，構造速度為80 km/h；第2階段是小品種自行研發(fā)階段，代表車型為D35型鉗夾車，載重350 t、自重290 t、自重系數(shù)0.83、軸重20 t、空車最高速度80 km/h、重車最高速度30 km/h，采用16Mn低合金鋼和15 MnVN高強度低合金結構鋼；第3階段是研制開發(fā)結構新穎、性能先進的多品種階段，代表車型為D38型鉗夾車，載重380 t、自重227 t、自重系數(shù)0.60、軸重19 t、空車最高速度90 km/h、重車最高速度50 km/h，采用日本進口的WEL-TEN780A高強度鋼，采用有限元分析計算技術；第4階段是性能達到世界先進水平階段，代表車型為DQ45型鉗夾車，載重450 t、自重205 t、自重系數(shù)0.46、軸重23.39 t、空車最高速度100 km/h、重車最高速度60 km/h，采用國產(chǎn)的HG785E高強度鋼，采用I-DEAS等仿真分析技術。我國長大貨物車發(fā)展歷程見圖1。

近十幾年來，與軌道交通裝備有關的材料、技術和標準又有新變化，因此有必要根據(jù)新材料、新技術、新標準的變化，研究探討我國鐵路長大貨物車在產(chǎn)品功能、性能等方面的發(fā)展趨勢，以便為產(chǎn)品研發(fā)做好技術儲備工作。

圖1 我國長大貨物車發(fā)展歷程圖

2 新技術發(fā)展情況

2.1 新型復合材料

隨著尼龍材料、高分子合成材料、玻璃鋼及碳纖維復合材料等非金屬材料工藝技術成熟，材料成本的逐步降低，復合材料應用越來越廣泛。例如碳纖維復合材料是有機纖維經(jīng)碳化和石墨化處理得到的一種微晶石墨材料，含碳量高達90%以上，力學性能非常優(yōu)異。碳纖維復合材料主要具有以下幾點特性：(1)強度高，抗拉強度最高可達3 500 MPa；(2)密度小，同等強度下碳纖維質(zhì)量是鋼質(zhì)量的1/4；(3)耐腐蝕性好，耐酸耐堿的腐蝕，抗外界惡劣自然條件能力強。因此，車輛采用碳纖維復合材料后可降低產(chǎn)品自重，減振降噪，提升關鍵結構部件的耐磨性，減輕零部件磨耗，提高使用壽命，降低檢修維護成本[2]。復合材料連接部位的設計要比金屬連接復雜，應盡可能采用整體成型技術，實現(xiàn)復合材料的材料、設計、制造一體化[3]。

國外軌道交通類企業(yè)和研究機構針對列車用的碳纖維復合材料開展了系統(tǒng)研究，已實現(xiàn)眾多技術突破，應用范圍從內(nèi)飾、車內(nèi)設備等非承載部件和次承載部件，擴大到車體、轉向架等主承載結構。日本試制成功碳纖維復合材料轉向架構架，減重約40%。法國高速列車TGV雙層車實現(xiàn)了復合材料車體結構的重大突破，較鋁制車減重25%以上，且通過線路運行驗證了其在強度、沖擊、防火、降燥、隔熱等性能方面的優(yōu)點。國內(nèi)軌道交通領域也在開展碳纖維復合材料等的應用研究工作，目前已完成了車體、次承載部件和零部件的樣品研制[4]。

2.2 監(jiān)測技術

世界鐵路貨車的信息化管理與數(shù)據(jù)監(jiān)測很早就已在歐美及澳大利亞等國家得到開展，主要是監(jiān)測軸溫、振動、貨物裝載狀態(tài)等。我國的貨運監(jiān)測以地面監(jiān)測為主，主要有HMIS系統(tǒng)、5T安全監(jiān)控系統(tǒng)、貨車標簽等多個信息系統(tǒng)。近年來，我國研制了具有車載智能監(jiān)測系統(tǒng)的自卸式煤炭漏斗車，在既有5T安全監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，對煤炭漏斗車底門、頂蓋、列車管壓力、制動缸行程和壓力、運行振動等車輛部件和性能參數(shù)開展了車載實時監(jiān)測。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G無線傳輸方式、GPS或北斗衛(wèi)星定位等現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，通過先進的網(wǎng)絡通信、大數(shù)據(jù)分析、云計算等技術與貨車專業(yè)技術融合，可以獲得車輛的動態(tài)數(shù)據(jù)，達到智能監(jiān)測的目的[5]。

2.3 產(chǎn)品數(shù)字化技術

當前，產(chǎn)品設計已逐漸由二維設計向三維設計轉變，設計工具也由CAD軟件轉到CREO、SolidWorks和UG等三維設計軟件，產(chǎn)品數(shù)據(jù)以三維模型、PDF等形式存儲在云平臺，可實現(xiàn)遠程檢索、調(diào)用和設計。三維模型具有可視化、模型信息豐富等特點，三維設計是產(chǎn)品數(shù)字化和平臺化的基礎，也是智能制造的基礎。隨著國家產(chǎn)業(yè)數(shù)字化推進，數(shù)字化技術必將對產(chǎn)品研發(fā)及研發(fā)組織模式產(chǎn)生深遠影響。

2.4 仿真分析技術

鐵道車輛強度數(shù)值仿真時通常把車體、轉向架構架和輪對等均考慮為剛體，不考慮結構彈性變形的影響。但在重載等鐵道車輛仿真時，承載結構的彈性變形對車輛系統(tǒng)振動特性的影響則不能被忽略，應分析考慮承載結構彈性振動的影響[6]。剛柔耦合仿真技術為長大貨物車的產(chǎn)品研制提供了有效技術支持，主要采用模板建模技術實現(xiàn)了整車動態(tài)仿真，應用柔性體接口處理技術對策建立大型柔性體模型，動態(tài)仿真分析時考慮其彈性變形的影響[7]。

通過采用大型剛柔耦合系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，D45型落下孔車在整車建模時，將主要部件視為柔性體進行受力分析，完全由主要約束來確定約束自由度，而輔助約束利用模態(tài)力來建立內(nèi)力約束。通過仿真，模擬空重車在直線和曲線線路工況時各級心盤、旁承動載荷以及旁承力對輪軌動力作用的影響，確保各項性能的安全性[8]。數(shù)據(jù)對比表明，仿真與試驗情況基本吻合，說明大型剛柔耦合系統(tǒng)動態(tài)仿真技術準確性高，能夠較好地反映試驗的真實過程。剛柔耦合系統(tǒng)動態(tài)仿真技術能夠為長大貨物車的產(chǎn)品開發(fā)提供有利的理論支持。

2.5 模塊化平臺技術

20世紀50年代，歐美一些國家正式提出“模塊化設計”概念，隨后逐漸推廣到機械、電工電子、船舶、建筑、電力、武器裝備等行業(yè)，并取得了顯著效益。模塊化設計與參數(shù)化建模、變量化分析相結合，產(chǎn)生了廣義模塊化設計方法，并應用于大型液壓機設計和制造。模塊化設計與大批量定制相結合，實現(xiàn)了用戶的個性化和大批量生產(chǎn)低成本的有機結合，已經(jīng)成為信息時代制造業(yè)的重要生產(chǎn)方式。在模塊化設計的基礎上發(fā)展了產(chǎn)品平臺設計，通過一組產(chǎn)品共享的子系統(tǒng)、模塊及其接口，從而高效地派生出系列新產(chǎn)品。例如，汽車制造業(yè)實現(xiàn)了標準化、模塊化和系列化的全套汽車零部件，通過不同的選擇和匹配，利用統(tǒng)一的標準接口，集裝在同樣的底盤上，可以設計制造出多種不同型號的汽車。

3 新標準制定情況

3.1 列車荷載標準

自1975年，我國設計及建造的橋梁均采用中-活載標準，其集中軸載為22 t，荷載密度不大于8 t/m，特種活載25 t，大秦線橋梁也按中-活載設計建造。圖2為中-活載示意圖。我國既有線的建設年代跨越范圍大，橋梁設計、建設標準不統(tǒng)一，在使用過程中多數(shù)線路經(jīng)過了不同程度地改、擴建，中小跨度橋梁占全國橋梁總數(shù)的大部分。長期以來，橋梁活載標準一直限制著我國長大貨物車發(fā)展和載重噸位的提高。通過研究表明，德國制造的500 t鉗夾車軸重22.375 t、重車車輛長度63 152 mm、每延米質(zhì)量11.34 t/m、重車最高運行速度65 km/h，該車若采用中國的活載標準進行檢算，其過橋能力也將受到限制。我國先后研制的大噸位長大貨物車通過選用高強度鋼材、增加車輛長度、優(yōu)化結構等措施來提高過橋能力。其中，鉗夾車的自重系數(shù)由0.83(D35車)降為0.46(DQ45車)，空車車輛長度由50 168 mm(D35車)增加到53 456 mm(DQ45車)，長大貨物車過橋能力從D35車滿載時無法通過到DQ45車滿載時可以10 km/h的速度通行。

2017年7月，我國發(fā)布實施了TB/T 3466—2016《鐵路列車荷載圖式》，明確了客貨共線鐵路采用ZKH 活載；重載鐵路采用ZH活載。對于有通行長大貨物車需求的線路，規(guī)定了長大貨物車檢算圖式(圖3)[9]。新的列車荷載標準的實施有助于進一步優(yōu)化車輛參數(shù)。

3.2 限界標準

鐵路限界是鐵路貨車設計的一項基本標準，GB 146.1—2020《標準軌距鐵路限界 第1部分：機車車輛限界》和GB 146.2—2020《標準軌距鐵路限界 第2部分：建筑限界》已于2021年5月1日正式實施。新標準強調(diào)了機車車輛的整體設計，明確要求將機車車輛外形輪廓設計與構造特征和運用條件結合起來，限制車體局部輪廓經(jīng)過特定區(qū)段時的偏移量，保障行車安全。新版標準的主要變化：一是修改了上部限界350～1 250 mm范圍內(nèi)的限界半寬值，由1 600 mm調(diào)整為1 675 mm；二是修改了計算車輛，車體長度為26 m，轉向架中心距為18 m，在曲線半徑為300 m的計算曲線上，中部最大偏移量為135 mm，端部最大偏移量為147 mm。這為長大貨物車運輸更超寬、超長貨物提供了空間。

圖2 中-活載示意圖

圖3 長大貨物車檢算圖式

3.3 產(chǎn)品設計標準

2018年，TB/T 2553—2018《鐵路長大貨物車》頒布實施。該標準規(guī)定了一般要求、整車綜合性能要求、結構要求、涂裝與標志、檢查與試驗方法等內(nèi)容。針對長大貨物車的特點，該標準從長大貨物車的結構、運行條件、強度、剛度、許用應力及動荷系數(shù)等方面進行了規(guī)定[10]。具體包括長大貨物車過橋能力檢算、列車編組位置、承載結構材料安全系數(shù)、輪重減載率、加速度檢測位置和濾波頻率以及具有導向側移機構的長大貨物車輪重減載率等內(nèi)容。

4 新一代長大貨物車展望

4.1 復合材料應用

長大貨物車采用復合材料應以解決實際需要為原則，如長大貨物車為解決部件磨耗等問題，車輛各級心盤間采用了含油尼龍或聚四氟乙烯材料的磨耗盤或襯墊，轉向架及制動鉤緩裝置中也部分采用了非金屬復合材料件；為解決車輛穩(wěn)定性，長大貨物車輛各級底架間安裝了常接觸彈性旁承，旁承體為橡膠體等非金屬材料。隨著經(jīng)濟型復合材料的開發(fā)和產(chǎn)品設計、仿真、工藝技術的成熟，長大貨物車采用復合材料也將進一步推進，特別是長大貨物車用的移動心盤(圖4(a))和導向機構的導向銷內(nèi)外座(圖4(b))等磨耗嚴重的部件應優(yōu)先考慮采用復合材料。復合材料在長大貨物車上的應用遵循先非承載部件、次承載部件，再擴大到主承載結構的技術路線。

圖4 采用復合材料的部件

4.2 車輛載重

根據(jù)TB/T 3466—2016標準規(guī)定，橋梁每延米承載能力有了一定提高。在滿足新標準條件下，新研發(fā)的長大貨物車通過采用輕量化材料、新的仿真技術等措施可進一步減小轉向架群距離，縮短車輛長度，降低車輛自重，提高各級車型的載重。未來長大貨物車的最大載重將由現(xiàn)在的450 t提高到500 t及以上。

4.3 裝載寬度

根據(jù)新限界標準的規(guī)定，距軌面350～1 250 mm范圍內(nèi)的車輛半寬尺寸有所增加，長大貨物車的承貨寬度增加150 mm，這對于運輸寬度尺寸更大的變壓器、發(fā)電機定子等貨物提供了條件。

4.4 監(jiān)測功能

大噸位長大貨物車運輸貨物多為專列運輸，專業(yè)技術人員押運。目前，部分長大貨物車具有車輛及貨物狀態(tài)監(jiān)測功能，監(jiān)測內(nèi)容包括車耳應力、液壓旁承壓力、壓柱油缸壓力、側移油缸行程、貨物質(zhì)量、貨物位置狀態(tài)等。隨著互聯(lián)網(wǎng)、5G、北斗衛(wèi)星定位等現(xiàn)代技術的快速發(fā)展，長大貨物車未來可實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控，可實時對車輛數(shù)據(jù)進行采集和數(shù)據(jù)存儲，結合軟件分析功能，長大貨物車運用過程數(shù)據(jù)將具有歷史可追溯性。長大貨物車的監(jiān)測功能將進一步完善，監(jiān)測內(nèi)容可擴展到對制動系統(tǒng)、鉤緩系統(tǒng)及走行等部位的監(jiān)測。監(jiān)測功能不但保證運輸貨物更加安全可靠，還可通過對車輛磨耗部位、老化部位的監(jiān)測，提高智能運維水平。通過地面服務平臺及手機App軟件平臺的開發(fā)和應用，可提高智能服務水平。

4.5 產(chǎn)品模塊化平臺搭建

為降低制造成本，縮短制造周期，歷史上部分長大貨物車通過組合換裝方式變換成不同車輛滿足貨物運輸需要。其中，D32型凹底平車組裝凹底架結構時載重320 t，可以滿足運輸發(fā)電機定子等貨物需要。換裝導向梁和側承梁等結構時載重350 t，可以滿足運輸大型變壓器等貨物需要；D38型鉗夾車通過組裝不同高度尺寸的鉗形梁可以運輸不同種類貨物，上述產(chǎn)品設計體現(xiàn)了模塊化思想，但產(chǎn)品架構沒有頂層設計，接口標準不統(tǒng)一。根據(jù)模塊化理論，未來長大貨物車設計應由單個產(chǎn)品開發(fā)向平臺開發(fā)轉變，逐漸搭建起長大貨物車產(chǎn)品模塊化平臺。根據(jù)各種貨物需求，研究制定產(chǎn)品平臺參數(shù)和平臺功能，開展產(chǎn)品標準接口研究，研發(fā)儲備基于標準接口的大小底架、鉗形梁、側承梁、轉向架等典型產(chǎn)品結構模塊，特別是長大貨物車易損、易耗件更應實現(xiàn)標準化、系列化、模塊化和平臺化。通過信息化技術，實現(xiàn)快速設計制造出平臺化的產(chǎn)品，從而縮短研發(fā)周期，降低制造成本，便于檢修維護，提高產(chǎn)品可靠性。

5 結束語

長大貨物車所裝運的貨物多為電力、冶金、化工、航天、軍事工業(yè)等行業(yè)重點工程建設必要的核心設備，體積和質(zhì)量較大，安全要求高。因此，需要根據(jù)新材料、新技術、新標準的變化，積極儲備綠色、智能、先進可靠的長大貨物車產(chǎn)品，以滿足重要裝備產(chǎn)品運輸需要。