新型重载铁路通用棚车技术参数探讨

张超德,潘树平,傅茂海,李 芾

(1 中国南车集团 眉山车辆有限公司 产品开发部,四川眉山620032;2 西南交通大学 机械工程学院,四川成都610031)

建国以来,我国逐步形成了自主开发和制造铁路棚车的能力。迄今为止,棚车的载重能力已经达到70 t,为国民经济的发展做出了巨大的贡献。总结我国棚车开发的经验和教训,积极开展新型重载铁路通用棚车技术方案研究,合理确定其主要技术参数,做好客货分线后货车技术储备,满足我国铁路运输发展的需要,成为目前十分紧迫的课题。下面谈谈新型重载铁路通用棚车主要技术参数确定的一些想法。

1 比容系数

比容系数是设计容积与标记载重的比值,比容系数的确定与该货车装运的货物有关。不同类型的货车因装载货物种类不同,要求不同的比容系数[1]。如果车辆的比容系数取值小于货物的比容时,载重不能充分利用,产生计费亏吨;如果车辆的比容系数取值大于货物的比容时,车辆的有效容积未能充分利用,浪费车内空间。对于通用货车,车辆的比容系数应该尽可能等于所装运货物的加权平均比容。

我国铁路通用棚车主要用于运输免受日晒、雨雪侵袭的成件货物、零担货物以及各种袋装、箱装等包装货物,目前在用车型主要为 P62、P64、P64A和P70,其主要技术参数如表1所示[2]。从表1可以看出,P62、P64的比容系数为2.0 m3/t,P70的比容系数为2.07 m3/t。2009年3月和2010年8月两次赴成都铁路局对棚车运输进行专门调研,发现通用棚车日装车数量少得惊人,泡菜、饮料等箱装货物大多改为P65型行包快运棚车或PB型棚车运输,运输距离较短的有些货物干脆改为汽车运输。究其原因,主要在于充分利用有效容积之后经常达不到其额定载重,用户觉得不划算。因此新型重载铁路通用棚车的比容系数应在现有通用棚车的基础上尽可能取大,以利于运输泡菜、饮料等箱装货物。经过测算,新型重载铁路通用棚车的比容系数取为2.1～2.15 m3/t,可以兼顾大多数货物的运输需要。

表1 国产通用棚车的主要技术参数

2 自重系数

自重系数是运送每单位标记载重所需的车辆自重,其数值为车辆自重与标记载重的比值。在载重一定的情况下,车辆的自重应适当减小,因为机车牵引的自重是一种无效质量,并不产生经济效益。在一般情况下,一辆车的自重绝大部分为车辆4大部件中金属件所占的质量,在一定的时期内转向架、车钩缓冲装置及制动装置的质量变化不会太大,影响自重最大因素便是车体钢结构[1]。车辆自重系数太小,自重太轻,车体钢结构的强度余量特别是磨耗、腐蚀后的余量不足,会给行车安全带来不利影响,减轻车辆自重的前提是保证车体钢结构的强度和刚度,避免车辆在运用过程中产生故障。

1957年设计试制的两辆P13型全钢棚车(总图号为308-00-00-00)载重60 t,有4个横拉式滑动车门,每侧2个,自重系数为0.377,经过两年多运用考验,发现该车强度不足,车门处下侧梁有垂直下沉现象,外侧墙板在车门上角部附近有凸包现象,门孔上部补强铁端部发生裂纹。1958—1965年在设计序号为308的P13型棚车基础上设计并生产的P13型棚车(图号为315-00-00-00),主要变动为每侧车门改成一个,自重系数仍为0.377,在运用过程中表现出端板刚度不足,端板压筋失稳变形外涨。1965年起制造的P60型全钢棚车载重60 t,基本结构和主要尺寸与P13型棚车相同,自重系数0.37,在运用过程中出现枕梁强度不足,枕梁腹板和上盖板产生裂纹,端墙普遍外涨。1967—1974年间设计制造的P61型棚车以及此后在P61型棚车基础上改进设计的P62型棚车载重均为60 t,门孔宽度约3 m,自重系数均为0.4,车体钢结构的强度和刚度整体表现较好[2]。

我国棚车的设计和运用实践表明,新型重载铁路通用棚车的自重系数应在0.35～0.43范围内,考虑车体钢结构采用高强度型钢和板材以及冷弯压型件、内衬采用新型轻质材料,估计自重系数可以降低到0.35～0.37。

3 轴重、自重和载重

轴重是铁路车辆的一个标志性指标,也是衡量铁路重载运输的一个重要指标之一。轴重的提高是提高运输效率的重要措施之一。按照国际重载的标准要求,在牵引质量、运行里程和年运量方面我国均属世界前列,然而,我国铁路重载货车在轴重上与国际重载发达国家有较大差距。从国外铁路货车发展趋势和我国铁路发展需求与货车发展技术平台来看,提高我国铁路货车的轴重非常迫切[3]。

我国25 t轴重货车已在太原、呼和浩特、兰州、西安、北京、上海、郑州、济南等铁路局开行,25 t轴重的和谐型大功率机车已在全路主要干线广泛使用。实践表明,在我国既有线路货车轴重由23 t提升到25 t是可行的;对既有部分线桥梁、涵洞加固后,可开行27 t轴重货车[3]。考虑到实际线路还可能存在各种病害,所以新型重载铁路通用棚车的轴重尽量在25 t的基础上不要超过太多,待条件成熟后再逐步提高,经测算此种情况下载重确定为75 t较为合理。表2为新型重载铁路通用棚车轴重、自重等参数的测算结果。

表2 新型重载通用棚车主要技术参数方案

4 车辆高度

为充分利用机车车辆限界,确定车辆高度时尽可能用满限界。如图1所示,限界顶部最大高度4 800 mm,为保证棚车安全运行,考虑制造误差,车顶通风器顶部与限界顶部需预留安全间隙30 mm左右,因此本车最大高度可以取4 770 mm。

图1 机车车辆限界轮廓图

5 车辆宽度和长度

车辆宽度主要受限界的限制,原则上只要在限界允许的范围内,都应尽量做大车辆宽度,做短车辆长度,这样既可以减小车辆自重,又可以提高列车编组数量和牵引吨位,提高对既有站场的适应性。

由于我国货物站台高度为1 100 mm,为方便叉车等机械化设备进出装卸作业,棚车地板面距轨面的设计高度应尽量接近这一数值。因此,棚车车门的下部距轨面高度应该低于1 250 mm,从图1可知,在此范围内车辆半宽小于1 600 mm。

依据GB 146.1-1983的有关规定,当车体长度或转向架中心距超过计算车辆的规定时,需相应地缩减其最大容许制造宽度[4]。新型重载铁路通用棚车转向架固定轴距标准接口尺寸为1 860 mm,表3列举了不同的车体长度对应的最大容许制造宽度缩减量的计算结果。

表3 不同车体长度对应的最大容许制造宽度缩减计算结果 mm

表4 需缩减最大容许制造宽度时新型重载铁路通用棚车两种限界测算结果

表5 不需缩减最大容许制造宽度时新型重载铁路通用棚车两种限界测算结果

根据表1的缩减计算结果,考虑车辆每侧与限界预留安全间隙5 mm左右,并扣除每侧车门滑轮罩等零部件占用的横向空间180 mm,新型重载通用棚车底架宽度可以取为2 790 mm。如果考虑采用电力机车限界,在350～1 250 mm范围内限界半宽为1 675 mm,经测算车辆底架宽度可以取到2 940 mm。表4为需缩减最大容许制造宽度时,新型重载铁路通用棚车采用常规限界和电力机车限界主要技术参数测算结果。

从表4可以看出,对于同样载重75 t,容积做到159 m3,采用常规限界车体长度要做到17 600 mm,采用电力机车限界车体长度只需做到16 800 mm,相差800 mm。

以上方案依据GB 146.1-1983第4.2条将计算车辆车体长度按13.22 m,转向架中心距为9.35 m,考虑缩减其最大容许制造宽度,如果计算车辆车体长度按括号内数值26 m,转向架中心距为18 m考虑,新型重载铁路通用棚车车体长度和转向架中心距不超过计算车辆的规定,不需缩减其最大容许制造宽度,此时采用常规限界底架宽度可以做到2 820 mm,采用电力机车限界底架宽度可以做到2 970 mm[4]。表5为计算车辆车体长度按括号内数值考虑,不需缩减最大容许制造宽度时,新型重载铁路通用棚车采用常规限界和电力机车限界主要技术参数测算结果。

从表5可以看出,计算车辆车体长度按括号内数值26 m,转向架中心距为18 m考虑,新型重载铁路通用棚车不需缩减最大容许制造宽度,对于同样载重75 t,容积做到159 m3,如果采用常规限界,底架宽度为2 820 mm,车辆长度可以取为17 400 mm;如果采用电力机车限界,底架宽度为2 970 mm,车辆长度可以取为16 700 mm。

6 车辆编组与列车牵引吨位

由于客货分线运输后仍然存在既有线运营的问题,在不改变车站既有到发线长度的情况下,缩短车辆长度会增加车辆编组数量,提高列车牵引吨位。同时,车辆长度缩短还会减小车辆自重。所以,在确定新型重载铁路通用棚车车辆长度时,还应考虑车辆长度增加对车辆自重和列车编组的影响。表6列举了1 700 m车站到发线上新型重载铁路通用棚车不同车辆长度与车辆可编组数量及列车牵引吨位的测算结果。

从表6可以看出,车辆长度为17 566～17 766 mm时,牵引吨位约为9 000 t,加上机车质量,列车质量比较接近10 000 t。当前我国铁路主要干线已经完成电气化改造,因此采用电力机车限界设计新型重载铁路通用棚车是可行的,好处显而易见。如果既有线建筑限界已经按GB 146.1-1983第4.2条括号内数值进行加宽,那么新型重载铁路通用棚车宽度还可以不进行缩减,车辆长度还可以做短,列车编组质量可以尽量接近10 000 t。

7 结束语

新型重载铁路通用棚车的技术参数是一种综合性的指标,必须借鉴既有棚车的设计和运用经验,立足国内实际,统筹兼顾各种影响因素,合理确定比容系数、轴重、自重、载重和车辆尺寸,前期可以按照常规限界和传统宽度缩减方法确定车辆技术参数,取得经验后可以考虑采用电力机车限界和宽度不进行缩减的方法确定车辆技术参数。

[1] 严隽耄.车辆工程(第二版)[M].北京:中国铁道出版社,2005.

[2] 葛立美.国产铁路货车(修订版)[M].北京:中国铁道出版社,1997.

[3] 王新锐.大轴重货车技术研究报告[R].中国铁道科学研究院机车车辆研究所,2009.

[4] GB 146.1-1983标准轨距铁路机车车辆限界[S].1983.