铁路货车的发展与关键技术

文章编号:1002-7602(2004)02-0001-07

铁路货车的发展与关键技术

侯卫星

(中国北车集团四方车辆研究所,山东青岛266031)

摘 要:分析研究了国内外铁路货车发展的现状,介绍了目前铁路货车进步的主要技术措施,并根据我国铁路市场的需要和技术发展现状,提出了我国铁路货车技术进步的发展趋势和有关对策。

关键词:铁路货车;重载列车;货车转向架;试验研究;仿真;述评

中图分类号:U272 文献标识码:A

为了适应铁路货运市场的激烈竞争,满足货主对铁路货运快捷、重载、安全、可靠、优质、环保等越来越高的要求,可以预测,在今后一段时间内,随着国民经济的发展和技术的进步,我国铁路货车及关键部件的技术将会有一个持续的发展,铁路货车的品种、档次与质量都会有一个较大的提高。这个机遇将会给我国铁路货车带来一个广阔的发展空间。只有认真吸取国内外的成功经验,加快技术进步的步伐,才能不断满足市场的竞争要求,主动适应国民经济发展的需要,以谋求长远的发展并赢得可观的社会和经济效益。

1 我国铁路货车的基本技术现状

近年来我国铁路货车取得了较大的技术进步,全面采用了B级钢摇枕和侧架,C级钢车钩,50钢车轴, MT 2型大容量缓冲器,120型空气制动阀,完成了滚动轴承化,推出了120km/h的转K1型、转K2型、转K3型、转K4型提速转向架,提出了转8A型转向架提速改造方案,新研制的时速120km P65型行包快运棚车和X1K型集装箱快运专用平车批量投入运用,25t轴重全钢浴盆式C76A(B、C)型运煤专用敞车已在大秦线投入运用考验,目前正在抓紧整改完善。经过多年的努力,我国铁路货车的开发水平、制造技术和运用检修能力得到了显著的提高。

尽管我国铁路货车的基本技术状况比以往有了较大的改观,但是,从总体上讲,我国铁路货车与国外铁路货运发达国家相比还存在明显的差距。在与其他运输方式尤其是公路的竞争中,铁路正在失去以往传统的优势。货车的装备技术水平难以满足经济发展和运输市场竞争的要求。在技术上突出表现为货车行车速度慢、车辆单车载重低、专用车辆品种少、重载技术水平落后、关键部件可靠性差。

收稿日期:2003-04-18

作者简介:侯卫星(1958-),男,高级工程师(教授级)。1.1 货车运行速度慢

我国铁路货车旅行速度为31 4km/h,大部分货车的最高运行速度仅为60km/h。普遍使用的转8A型转向架最高运行速度重车为80km/h,空车为70km/h。仅有为数不多的装有转K2型转向架的P65型快运行包列车最高运行速度可达120km/h。而在北美快运货车运行速度多数达到了120km/h,个别区段最高速度可达160km/h。欧洲铁路快运货车运行速度普遍达到120km/h~160km/h,并已出现了200km/h的高速货车。货车运行速度慢已成为制约我国铁路发展的主要因素之一。

1.2 车辆单车载重低

目前我国铁路在役货车主要采用21t轴重。美国铁路货车的平均载重已达到84 3t。俄罗斯已普遍采用23 5t轴重。欧洲一般采用22 5t轴重,并正在向25t轴重过渡。我国铁路货车单车载重低,与国外的差距是比较大的。

1.3 专用车辆品种少

我国铁路专用货车数量约占货车总数量的5%。美国专用车的品种和数量都居世界首位,其数量占货车总数量的60%以上。俄罗斯铁路专用货车数量约占货车总数量的32%。随着我国市场经济的成熟和发展,专用车辆品种少将会使铁路在日益开放的运输市场上受到进一步冲击和挑战。

1.4 重载技术水平落后

目前,我国大秦线开行的重载列车牵引总吨位还停留在10000t以内,而国外早已实现了20000t以上,甚至40000t的铁路货物重载运输。我国铁路重载技术水平与国际先进水平比较是落后的,其差距是明显的。

1.5 关键部件可靠性差

我国货车的主要部件如制动机、制动梁、缓冲器、

1

综述 述评铁道车辆 第42卷第2期2004年2月

车钩、轮对及转向架相关部件的性能和可靠性都比较差,均难以满足当前和今后货车发展的需要,部件可靠性急需提高。

2 铁路货车的技术发展趋势

2.1 加强提速改造,发展货车快运

欧洲铁路快速货运是在与公路运输的激烈竞争中积极借鉴高速客车的成功经验发展起来的。快运货车的速度一般在120km/h~160km/h,以集装箱运输、小汽车运输、家用电器、鲜活物品等附加值高的货物为主。法国还开行了货运TGV(图1)。快速货运专列在制动、转向架、车辆外形等方面都借鉴了客车的经验。快运货车的关键部件是货车转向架。欧洲典型的货车转向架有法国的Y25型、Y37型,德国的DB-661型、DRRS 型,英国的TF25型等。其中,Y37型和DRRS 型还可以满足200km/h 以上的运用需求,也被称为高速货车转向架,其采用的技术发展趋势越来越客车化。快运货车转向架的另一个发展方向是在保留三大件式铸钢转向架优点的基础上,采用超临界设计理论设计的美国Swing Motion 摆动式转向架(转向架组成见图2,盘形制动装置见图3),采用径向设计技术设计的南非Scheffel 径向转向架等,这些转向架也可实现120km/h 以上的快速货运。实践证明,货车快运除了要解决好转向架这一关键技术外,还必须解决好转向架与车体的匹配问题,否则其良好的运行性能难以得到保

证。

图1 法国高速货运

TGV

图2 美国Swing Moti on

摆动式货车转向架

图3 美国Swing Motion 摆动式货车转向架盘形制动装置

我国铁路为了实现近50万辆既有货车的提速,必须对既有的转8A 型转向架进行全面改造。目前主要采用的是交叉杆技术。虽然该技术对提高临界速度是有效的,但由于受结构的限制,其受力条件恶劣,改造困难,运用中交叉杆的疲劳问题很突出。尽管经过不断改进,但是,交叉杆的疲劳问题仍然是最令人担忧的问题。另外,提速货车的制动问题现已成为困扰货车提速的重大课题。试验表明,当车辆采用21t 轴重,速度达120km/h 时,如果要保证800m 的停车制动距离,目前车轮的热负荷满足不了要求。货车的120阀、空重车调整阀、机械式防滑器、高摩闸瓦等制动系统关键部件有待改进。从目前货车局部提速情况来看,车辆脱轨问题比较突出,根本原因在于货车的运行品质差,临界速度低。既有转8A 型转向架如果不加以改造是无法实现提速的。解决这一技术难题的关键在于加强对交叉杆的可靠性研究。

图4为我国数量最多的装有转8A 型转向架的C 64型敞车,图5为速度最快的装有转K2型转向架的P 65型棚车。

图4 装有转8A 型转向架的C 64型敞车

近年来,为了满足货车提速的需要,在铁道部的组织下先后从美国引进了BARBER 公司的交叉杆转向架(图6)和NAC O 公司的摆动式转向架(图7)技术,开发

了21t 轴重转K2型、转K3型和转K4型转向架。虽然经过了一定的试验,但其性能和可靠性仍未经大量

2 铁道车辆 第42卷第2期2004年2月

实际运用试验和考验,尤其是包括摇枕、侧架、弹性旁承、弹簧托板、摆块等主要部件的可靠性试验是不充分的,需进行进一步的考验和改进。目前有望成为今后主型转向架的转K2型和转K4型转向架正在进一步

完善之中。

图5 装有转K2型转向架的P 65

型棚车

图6 美国BARBER

公司的交叉杆转向架

图7 美国NACO 公司的摆动式转向架

为了满足今后货车快运的需要,我国铁路货车开发部门已开始从焊接构架式和铸钢三大件式2种形式入手探讨速度在160km/h 以上的货车转向架。这种技术在欧美是成熟的,相信开发、应用成功后会给中国铁路的货运带来可观的经济效益。2.2 加大车辆轴重,提高运输效率

增加车辆单车载重是提高运输效率的重要途径之一。根据国外的经验,加大车辆轴重是必然趋势。美国铁路约65%的货车采用F 轴(轴重为29 8t)、部分

采用G 轴(轴重为35 7t),货车平均载重已达84 3t;俄罗斯已普遍采用了23 5t 轴重;欧洲一般采用22 5t 轴重,并正在向25t 轴重过渡。图8为美国约翰斯顿公司制造的轴重32t

重载货运浴盆式敞车。

图8 美国约翰斯顿公司制造的重载货运浴盆式敞车

从20世纪70年代起我国铁路就一直在探讨如何提高轴重的问题,先后研究了23t 轴重的2E 轴转向架和25t 轴重的低动力转向架。但是由于轴重与速度的关系,转向架动力作用的改善没有得到很好解决,至今我国铁路还没有推广23t 和25t 轴重的货车。我国铁路货车主要采用21t 轴重,如C 62型敞车载重为60t,自重系数为0 36;近年来采用25t 轴重开发的全钢单浴盆C 76A(B 、C)型敞车载重为76t,自重系数为0 309;铝合金双浴盆敞车(图9)载重为81t,自重系数为0 22,目前正在大秦线运用考验,尚未推广。最近投入运用考验的200辆C 76A(B 、C)型敞车正在返厂改造,通过总结运用考验的结果,有关厂家将在此基础上设计开发新一代25t 轴重的C 76型敞车。25t 轴重的转向架预计将采用交叉杆和摆动式2种。如果运用成功,对于今后干线全面提高轴重将产生积极的意义。应该指出,除了提高轴重外,要提高货车单车载重能力还应积极采用新材料和优化车辆结构。

图9 我国开发的重载货运铝合金双浴盆敞车

2.3 增加专用货车品种,满足市场需求

由于历史的原因,我国货车品种的比例严重不合理,通用车的比例过大。专用货车除了车辆品种少、速

3 铁路货车的发展与关键技术 侯卫星

度低外,由于转向架与车体匹配后垂向和横向运行品质差,钩缓性能不良,使列车纵向冲动严重,运输品质不能适应高档货物的要求。总体上讲,目前我国铁路专用货车无论是品种还是档次都满足不了市场的需求。专用货车(集装箱运输车、小汽车运输车、冷藏运输车、特种装备(军用)运输车、大件运输车等)远远落后于国外铁路发达国家。我国铁路还没有适应特定线路上提高运输效率的双层集装箱运输车、高边敞车、高体棚车等超限界专用货车。随着运输市场的发展,对铁路专用货车运输提出了更高的要求。可以预测,铁路专用货车运输的发展将会有十分广阔的前景。图10为我国货车分布情况。图11为载重16 8t 的SQ 1型小汽车运输车。图12为载重95t 、构造速度80km/h 的K 18A 型矿石漏斗车。图13为载重62t 、容积72m 3

的G 70型轻油罐车。图14为载重45 5t 、构造速度120km/h 的B 23型机械保温车。图15为载重260t 、构造速度90km/h 的D 26

型凹底平车。

图10 中国各种货车比例分布

图11 SQ 1型小汽车运输车

美国专用货车的比例很高,欧洲的专用货车发展也比较快,这是运输充分市场化的结果。开发运用专用货车的目的是为了满足装运便捷的需要,提高运输品质和效率。其关键技术在于车辆要有合理的车体结构,功能齐全、性能可靠的车内装备,性能良好的转向架、制动及钩缓系统和完善的监控系统等。图16为美国货车分布情况。图17为在美国铁路运输试验中心

TTCI 试验的美国3层小汽车运输车。图18为由TRINI TY 制造的美国关节式汽车拖车或集装箱运输车。图19为美国的双层集装箱运输车。图20为由德国RE XW AL 制造的容积为95m 3

的无底架大容积罐车。图21为法国SNCF

的加篷平车。

图12 K 18A

型矿石漏斗车

图13 G 70

型轻油罐车

图14 B 23型机械保温车

2.4 开行重载货运,扩大专线运能

美国、加拿大、南非、澳大利亚和俄罗斯等国的经验表明,开行重载单元列车可以有效地增加运输能力,

带来可观的经济效益。

加拿大太平洋铁路用了5年时间开发了第2代重载单元列车,随后又用3年时间将样车投入运用。其主要目的是提高安全性,减少设备更新,降低改造成本,增加运营效益。第2代单元列车采用了3项改进技术:

4 铁道车辆 第42卷第2期2004年2月

图15 D 26型凹底平车

图16 美国各种货车比例分布

图17 美国3

层小汽车运输车

图18 美国关节式汽车拖车或集装箱运输车

(1)将部分90 7t 浴盆式敞车(总重119 5t,自重24 1t)改装无间隙转动牵引杆,以降低列车的间隙作用。

图19 美国的双层集装箱运输车

图20 容积为95m 3

的无底架大容积罐车

图21 法国SNCF 的加篷平车

(2)采用多路遥控机车控制系统(MRLCS),以使牵引力沿列车方向均匀分布。

(3)现有货车改装可导向转向架。

实践表明,自1989年10月投入运用以来,第2代单元列车达到了设计的预期目标,取得了很好的经济效益。

近年来开行的重载单元列车(图22)由于采用了

高新技术,如美国的CSX 和南非的Spoornet 采用了ECP 电空制动系统等,其运输能力和品质不断提升,令世人刮目相看。

我国第1条运煤重载专线 大秦线虽然开行了运煤重载单元列车,在引进消化了部分美国铁路重载

5 铁路货车的发展与关键技术 侯卫星

图22 北美的重载货运单元列车

技术并结合国内实际的基础上,开发了C 61型、C 63型、C 63A 型(图23)运煤重载单元列车用敞车,以及以MT 2型大容量缓冲器、16号转动车钩、17号固定车钩、2D 控制型转向架、120型制动阀、FSW 型手制动机等为代表的重载车辆新型部件;但是,我国尚未采用美国、加拿大的第2代重载单元列车及南非、澳大利亚等国的重载列车新技术,如无间隙牵引杆、60kJ 以上的大容量缓冲器、车辆电空制动ECP 技术、铝合金车体等。轴重25t 及以上的新型车辆和转向架还有待开发和完善,运输效率和能力还有待进一步提高。为了适应今后大秦线扩能的需要,目前我国铁路正在着力进行大秦线开行20000t 以上重载单元列车的攻关,这对车辆提出了更高的要求,应该在消化吸收国外先进技术、完善25t 轴重的C 76型敞车及其交叉杆和摆动式转向架的基础上,积极采用无间隙牵引杆、60kJ 以上的大容量缓冲器、车辆电空制动ECP 技术等重载单元列车的新技术,并同时研究铝合金车体及25t 以上轴重的重载车辆,探讨如何进一步扩大运能,为今后其他重载

专线和干线的重载运输积累经验。

图23 大秦线重载货运单元列车用C 63A 型敞车

3 货车技术开发与对策

铁路货车技术发展的大趋势决定了其关键技术必须不断创新,确立新的理念的同时要积极采用当代的先进技术,努力开发新型铁路货车,以满足铁路货物运输的需要。

3.1 树立新的设计理念

近年来,我国铁路开展了一系列货车的技术攻关,虽已取得了一些阶段性成果,但是要真正树立以货主为中心的市场观念,开发出满足市场需求的货车,还必须进一步解放思想,突破旧观念,树立新的设计理念。

(1)改变 铁老大 作风,主动适应运输市场的需

求,货车的开发以满足货主要求为目标。

(2)试验研究以满足运用条件为目标,尤其是性能和可靠性试验绝对不能以满足试验标准为目标。

(3)突破铁路标准神圣不可改变的观念,有些标准如车辆限界、车轮直径、轨距等在条件允许的情况下可以有所突破。

(4)只要设计合理,参数选择得当,在提高轴重的同时就可以实现降低轮轨作用力的目的。

(5)现代车辆设计必须建立在试验和计算机仿真的基础上,而不是依靠传统的方法。

(6)必须积极采用新技术、新材料、新工艺。3.2 采用现代开发技术

根据我国铁路货车存在的问题和技术发展趋势,要促进货车的技术进步以满足运输市场的需求,必须加大对关键技术的攻关。在货车开发过程中,除了要继承传统技术、采用计算机辅助设计外,还要特别注重以试验和计算机仿真技术为代表的现代开发技术的应用,积极采用电子信息及控制技术、新材料和新工艺等。就试验和计算机仿真技术而言,近年来发展较快,尤其是以四方车辆研究所、铁道科学研究院、西南交通大学等为代表的车辆试验研究基地,建立了较完整的车辆性能和可靠性试验手段。这些手段在许多方面已达到了国际先进水平。如四方车辆研究所的整车滚动振动试验台、车体静强度试验台、转向架疲劳试验台、轮轴试验台、车辆动力学试验车、车辆制动试验台等均通过了美国AAR 的技术评估,可以较完整地按照AAR 、UIC 等标准进行试验。同时,还引进了美国NI 动力学数据处理软件、比利时LMS 振动控制和数据处理软件、ANSYS 、I -DE AS 结构分析软件、NUCARS 车辆动力学仿真软件、n -Code/FE -FATIGUE 疲劳分析软件等。这些试验和计算机仿真技术在近年来客车提速、动车组开发和高速列车研制中发挥了重要作用。实际上,应用仿真技术的目的是为了预测设计的准确性,减少失误,提高技术开发的效率。相信在今后铁路货车的开发中,这些现代开发技术手段将会发挥不可替代的作用。

6 铁道车辆 第42卷第2期2004年2月

四方车辆研究所的振动试验台、转向架疲劳试验台、缓冲器落锤试验台分别见图24~图26

。

图24 车辆振动试验台

图25

转向架疲劳试验台

图26 缓冲器落锤试验台

3.3 货车研究主攻方向

今后铁路货车技术研究的主攻方向应该紧紧围绕

提高运能和市场竞争能力,必须从根本上改变目前货车行车速度慢、车辆单车载重低、专用车辆品种少、重载技术水平落后、关键部件可靠性差的局面。为此,在加大

货车及其关键部件产品品种开发的同时,对于货车开发中的重大技术问题应加紧研究。根据国外的经验,技术上的突破往往对车辆产品的开发起到关键作用。应该利用已有的试验研究手段积极开展带有共性的技术基础研究工作。货车的研究可以考虑以下主攻方向:

(1)转向架性能和疲劳可靠性仿真研究。通过试验与计算仿真,研究提出可满足转向架要求的性能参数优化和疲劳可靠性评估方法。

(2)车辆脱轨安全性研究。通过试验研究提出动态脱轨的评价标准,用于指导车辆的安全性设计。(3)货车的轮轴技术研究。如车轮踏面制动热负荷研究、提高车轴和轴承安全性研究、货车轴重与速度对线路影响的研究等。

(4)车体轻量化技术研究。通过采用新结构、新材料开发货车铝合金车体,努力降低车辆自重系数。

(5)专用货车特殊技术的开发。包括开发集装箱运输车、小汽车运输车、冷藏运输车、特种装备(军用)运输车、大件运输车等专用货车,以及双层集装箱运输车、高边敞车、高体棚车等超限界专用货车所需的特殊技术。

(6)车体与转向架的动态匹配的试验和仿真技术。选择合理的匹配参数,满足车辆不同品种的要求。(7)货车制动系统研究。要围绕快运货车和重载货车的特点,研究用于快运货车的防滑器、盘形制动、高摩闸瓦等关键部及用于重载货车的ECP 电空制动系统。(8)货车钩缓系统研究。要围绕快运货车和重载货车的特点,研究用于快运货车新型可靠的车钩和缓冲器及用于重载货车的大容量缓冲器、无间隙牵引杆、新型车钩。

(9)技术标准和试验检测规范研究。修订或制定铁路货车技术标准和试验检测规范,并使之与国际接轨。

4 结束语

铁路货车技术进步对我们来说是一次机遇。应该认真吸取国外的先进经验,充分发挥已有的国内车辆开发技术基础,密切关注铁路运输市场的变化和需求,积极采用先进技术,解放思想、调整思路,只要正确把握技术发展的趋势和市场的需求,牢固树立以货主为

关注焦点的理念,发扬产、学、研结合的优良传统,努力开发创新,就一定能不断推出满足中国铁路市场需求的货车新产品,为促进中国铁路货运的发展做出应有的贡献。

(编辑:李 萍)

7 铁路货车的发展与关键技术 侯卫星

ABSTRACT

Development and Key Technology of

Railway Freight Cars

HOU We-i xing

(male,born in1958,senior engineer(professorial), Sifang Rolling Stock Research Institute of China Beiche Group,Qingdao266031,China)

Abstract:The present conditions of development of railway freight cars in our country and abroad are analyzed and researched.The main technical mea-sures in progress of railway freight cars at present are described.On the basis of the necessity of the railway market in our country and the present state of technical development,the development trend and the relevant countermeasures in the technical progress of railway freight cars in our country are put for-ward.

Key words:railway freight car;heavy haul train; freight car bogie;test and research;simulation;review

Discussion of the Development Orientation

of Railway Passenger Cars in C hina

LI Ru-i chun,et al.

(male,born in1956,senior engineer professo-rial), Railway Passenger Car Development Department of Changchun Rail Passenger Car Co.,Ltd.,Changchun 130062,China)

Abstract:The development le vel and existing cond-i tions of railway passenger cars in our country and abroad are compared.The gap between railway passenger cars in our country and those in developed countries are found.Several suggestions are given on using experience of other c ountries for reference to develop passenger cars in our country.

Key words:railwa y passenger car;development;sug-gestion

The Basic Function of Data Code in the

Management Information System

YU Ming-gui,et al.

(male,born in1963,gradua te student,Beijing Jiao-tong University,Beijing100038,China)

Abstract:On the basis of the construction technical regulations,data c ode design basis and principle,data code composition,data code application of the railway freight car technical management information system(HMIS),the fun-damental functions of data code in the process of informa tion construc tion of rolling stock industry are analyzed.

Key words:data code;technical management informa-tion system for railway freight cars;car

Design of Air-Conditioning System for

the Second Class Seat Car in the

270km/h High Speed Train

LI Jian,et al.

(male,born in1965,engineer,Technical Deve-lopment Center of Nanche Sifang Loc omotives&Rolling Stock Co.,Ltd.,Qingdao266111,China)

Abstract:The technical parameters,c omposition and working principle of the air-conditioning and ventilating sys-tem for the second class seat car in the270km/h high speed train are described.The new technique applied in the sys-tem is mainly e xplained.

Key words:high speed train;air-conditioning system; design

Manufacture Technology of the

Alum inum Alloy Roof Cover of the Motor Car

in the270km/h Multiple Units

LI Zheng-fan,et al.

(male,born in1969,engineer,Zhuzhou Electrical Lo-comotive Works of China Nanche Group,Zhuzhou412001, China)

Abstract:The structure and material of the aluminum alloy roof cover of the motor car in the270km/h multiple u-nits are analyzed.The manufacture technology of the roof cover is described from such aspects as the technology e-quipment,asse mbly sequence,welding method and welding defor mation correction.

Key words:270km/h motor car;aluminum alloy; roof cover;technology

Brief Description of the W eighing Valve

for Y32(Ra)Bogies

LIU Wen-song,et al.

(male,born in1975,engineer,Zhuzhou Shidai New Material Science and Technology Co.,Ltd.,Zhuzhou 412007,China)

Abstract:The fundamental structure and func tional principles for weighing valve assemblies for Y32(Ra)bogies are expounded.The main technical parameters of the weigh-ing valve are given.The trial manufacture process and test results of the valve are described briefly.

Key words:Y32(Ra)bogie;weighing valve;struc-ture;technical parameter

Development of the Mechanical

Thermal Tank Car w ith Special Medium for

Railway Transportation