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1、货车车体钢结构设计摘要：根据铁路升级换代的过程，以敞车为例通过对不同吨级车型的对比对货车车体钢结构设计优化 情况进行分析，并提出建议关键词：货车 车体钢结构优化设计 建议1、铁路货车升级换代现况铁路作为国民经济的大动脉和大众化交通工具，在国民经济发展中占据着重要地位，在第 5 次大面积提速后，我国铁路货运能力有了较大提高，但还是不能满足国民经济的持续快速增长的需求，铁路运输能力严重不足已成为制约国民经济发展的“瓶颈”，为提高线路综合运输能力，中国铁路提出了货运重载与提速并举的技术政策，货车提速重载是中国铁路跨越式发展战略和装备技术现代化的重要组成部分，2006 年中国铁路快速推出了 70t 级
2、敞车、棚车等 9 个品种，实现了中国铁路货车由 60t 级向 70t 级的全面升级换代，目前，载重70t通用货车、载重 80t 运煤专用敞车已经批量生产，为缓解“瓶颈”制约提供了强有力的保证，在这个升级过程中，对货车车体钢结构的设计也提出了新的要求，本文以 C64K 型敞车、C70 型敞车、C80B 型敞车分别做为 60t 级、70t 级、 80t 级的代表产品，对货车车体钢结构设计进行分析。2、C64K、C70 与 C80B 车型特点与主要技术参数对比2.1 C64KC64K 型敞车车体为全钢焊接结构，车体主要采用材料采用 09CuPCrNi-A 耐大气腐蚀钢，由底架、侧墙、端墙、车门等部件
3、组成。 底架由中、侧、枕、横、端、小横梁及钢地板组焊而成。中梁由两根 310 乙字型钢组焊而成，侧梁为240809 槽钢；枕梁、大横梁为钢板组焊结构，底架上铺 7mm 厚的耐候钢地板；侧墙侧墙为板柱式结构，由上侧梁、侧柱、侧板、连铁、斜撑、侧柱补强板及侧柱内补强座等组焊而成。上侧梁采用 1401166 冷弯矩形钢管，侧柱采用热轧帽型钢或 8mm 厚冷弯帽型钢。端墙端墙由上端梁、角柱、横带及端板等组焊而成。上端梁采用 1401166 冷弯矩形钢管，角柱由 140586 槽钢 与钢板组焊而成。22 C70C70 型通用敞车该车车体为全钢焊接结构，由底架、侧墙、端墙、车门等部 件组成。车体主要材料采
4、用屈服强度为 450MPa 的耐大气腐蚀钢。底架由中梁、 侧梁、枕梁、横梁、端梁、纵向梁、小横梁及钢地板组焊而成。中梁采用 310 乙字型钢组焊而成（允许采用冷弯中梁），侧梁为 240mm80mm8mm 的槽形冷 弯型钢；枕梁、横梁是由上、下盖板及双腹板组焊而成的变截面箱形结构，小 横梁及纵向梁为 U 型结构，底架上铺 6mm 厚的耐候钢地板；侧墙为板柱式结构， 由上侧梁、侧柱、侧板、斜撑、连铁、侧柱补强板及侧柱内补强座等组焊而成。上侧梁采用 140mm100mm5mm 的冷弯矩形钢管，侧柱采用 8mm 厚冷弯双曲面 帽型钢，斜撑采用槽型冷弯型钢。端墙端墙由上端梁、角柱、横带及端板等组 焊而成
5、。上端梁、角柱采用 160mm100mm5mm 的冷弯矩形钢管，横带采用断 面高度为 150mm 的帽型冷弯型钢。在车体两侧的侧墙上各安装一对侧开式中立 门及 6 扇上翻式下侧门。侧开门采用新型锁闭装置,门边处组焊槽型冷弯型钢， 增强了车门刚度，提高了车门抗外涨能力，并将通长式上锁杆封闭其中以防止 变形与磕碰。下门锁采用偏心压紧机构，当车门关闭后，通长式上锁杆可防止 下门锁串出，操作简单，安全可靠。C70 型敞车车体内长 13m，满足较长货物的运输要求；由于对底架结构进行 了优化，车辆中部集载能力达到 39t，较 C64 型敞车提高 70%，可运输的集载货 物范围更广。2.3 C80B 型不锈
6、钢运煤敞车C80B 型不锈钢运煤敞车主要由车体、车钩缓冲装置、制动装置及转向架等组成。车体为有中梁、平地板全钢焊接结构，主要由底架、侧墙、端墙、撑杆和车门等组成。侧、端墙主要型材、板材及地板采用屈服强度为 345MPa 的 TCS345不锈钢，底架主要型材、板材采用 Q450NQR1 高强度耐候钢。底架由中梁、枕梁、大横梁、小横梁、纵向梁、地板等组成。采用屈服强度为 450MPa 的冷弯中梁，C 级铸钢的整体式上心盘及冲击座与牵引梁组焊在一起；枕梁为双腹板箱形变截面结构，大横梁为单腹板工字形组焊梁，与侧柱相连的小横梁为工字形组焊梁，其他位置的小横梁及纵向梁为压型槽钢。侧墙上侧梁、端墙上端梁均为
7、冷弯矩形方管或 C 型冷弯型钢。侧板、端板厚度为 4mm。为增强两侧墙之间的连结刚度， 防止侧墙外胀,车内设有三组水平撑杆。C80B 型不锈钢运煤敞车自重轻、载重量大、抗腐蚀性能好、便于维护检修，满足了 2 万吨及以上重载运输的要求。与大秦线原主型运煤敞车相比，单车载重量提高了 31.1%、列车载重量提高 118%，提高了车辆运输能力，不锈钢车体 耐腐蚀性能较耐候钢车体提高了 2 倍以上。2.4 C64K 、C70 与 C80B 型敞车技术参数对比每延米商业运营载重 自重 轴重 容积比容车型换长 重速度(/t) (/t) (/t) (/m3) (m3/t)(/t)(km/h)C64K 型敞车C
8、70 型敞车61 2370 23.821 73.723 771.2 1.221.1 1.276.256.69120120C80B 型敞车80 2025 84.8 1.06 1.1 8.331003、70t 及以上级货车货车车体设计的关键技术3.1 新材料应用：C70 型通用敞车，其车身长度由原 C64 的 12.5 m 加长到 13 m，载重量增加了 10 t，即由原 60 t 提高到 70 t 以上，而轴重仅由 21 t 增加到 23 t，这些因素要求车体至少要减重 4 t 左右。为了达到减重的目的，70 吨级货车制造车体的型钢、板材的材料使用了强度等级为 450 MPa 的高强耐候钢板 Q
9、450NQR1，该钢材的屈服强度较 60t 级货车普遍采用的 09CuPCrNi-A 耐大气腐蚀钢高100Mpa，提高了 29%，为 70t 级货车降低车辆自重、提高载重提供了材料保证。C80B 型不锈钢运煤敞车车体侧墙和端墙的主要型材、板材及地板均采用屈服强度为 345Mpa 的 TCS 不锈钢材料，降低了车辆自重，提高了载重，同时具有 良好的耐腐蚀性能，可有效延长车辆使用寿命。3.2 冷弯型钢应用冷弯型钢制造技术的不断成熟和发展为 70t 级新型货车的车体结构优化设计提供了良好的途径。 C70 侧梁、侧墙上侧梁、斜撑及端墙、底架小横梁等及C80B 型不锈钢运煤敞车中梁、侧墙上侧梁、端墙上端
10、梁、横带等广泛采用了冷弯型钢技术。与热轧型钢相比，冷弯型钢可设计为合理的断面形状，且材料强度高，自重轻，没有热轧型钢所必需的轧制圆角、斜度等，通过结构优化，不 但降低了自重，同时提高了强度。3.3结构优化设计及可靠性分析C70 型货车优化了底架结构，提高了纵向承载能力， 采用中立门结构,提高了车门的可靠性.侧柱采用新型双曲面冷弯型钢，提高了强度和刚度，更适应翻 车机作业。C80B 型不锈钢运煤敞车对枕梁、下侧门口连接节点等大应力部位进行了细部 设计，提高了结构可靠性。目前，三维设计、有限元分析计算、疲劳寿命分析预测已成为铁路货车设计不可缺少的技术手段，按等强度设计理论，通过分析计算，在方案阶段
11、即可多方案优化选择，进行细部设计，使车辆整体及局部结构更合理，提高车辆的可靠性，并通过试验验证不断修正计算结果，计算分析为实现车体轻量化设计提 供了技术保障。4、车体钢结构设计建议4.1 70t 货车采用了高强度耐候钢，其强度和耐腐蚀性都有所提高，同时考虑到 C70 侧墙板的设计厚度由原 C64 的 5 mm 减少为 4 mm，因此损耗余量也相应降低，根据对现用 60 t 级铁路耐候钢货车的调查结果，腐蚀、磨损造成的车体钢材的损耗相当严重。通用敞车测量部位钢板的平均减薄速率为 0.07 mm/a 0.25 mm/a，最大减薄速率为平均值的 2 倍5 倍。按腐蚀为钢板主要减薄因素考虑，如果按原用
12、耐候钢的减薄速率计算，可以认为其厂修时截换率将明显提高，对于敞车而言，主要考虑腐蚀对车辆寿命的影响，因此建议探索能否在70t级货车车体上对推广应用不锈钢，开展新型货车延长检修周期及配套技术研究 工作。4.2 新型 70 t 级及以上货车采用强度为 450 MPa 的高强耐候钢，TCS 不锈钢材料也已经用于 80t 级货车制造，但这些材料在实际运用中的长期效果和车型结构设计是否完善有待时间进行验证，因此建议密切跟踪 C70、C80B 等铁 路货车的运用情况，积累运用数据，做好持续改进工作。4.3 在车体结构设计上，应尽可能利用限界空间，缩短车辆长度，提高每延米重指标，车辆的卸净率至少要达到现用车辆的水平，设计方案应同时具 有较好的工艺性4.4 建议修订车体结构强度设计与试验规范，建议参考美国 ARR 标准，结合我国大秦等的运用实践，制定新的强度设计规范，借鉴 AAR 标准，结合我国的实际运用工况，加快我国车辆载荷谱的研究，对车辆的使用寿命进行评估，结合我国铁路的实际运用条件和车辆的使用要求，制定和完善我国铁路货车车体结构疲劳分析规范，开展铁路货车的纵向动力学性能分析研究，制定和完善 我国铁路货车纵向动力学性能设计规范。