20 t轴重米轨集装箱平车车体设计.pdf

2023 年 6 月（总第 440 期）56研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS第 51 卷Vol.51第 6 期No.6铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2023-01-05作者简介：李晓月，高级工程师；李丽宁，高级工程师；张世颖，高级工程师1设计要求及分析某国铁路集装箱平车大部分为 20 世纪 90 年代初生产，车辆最大轴重为 16 t，最大载重为 48 t，最高运行速度为 80 km/h，运输能力较低。2015年，受该国国家铁路局委托，为该国研制轴重 20 t集装箱专用平车（以下简称“米轨平车”）。根据合同相关要求，以及该国铁路实际运行工况，借鉴我国集装箱专用平车技术，明确米轨平车设计要求。（1）轨距为 1 000 mm。（2）符合 Dwg.No.1966-36米轨铁路限界的要求。与我国标准轨距铁路限界相比，米轨平车铁路限界的宽度、高度均较小。（3）轴重为 20 t，载重为 62 t，最高运行速度为 100 km/h。（4）装载方式有 3 种：1 只 40 ft 集装箱，2 只20 ft 集装箱，在车体中部装载 1 只 20 ft 集装箱。装载工况与我国集装箱专用平车不同。集装箱单箱总重不超过 31 t、外形尺寸符合 ISO 668：1995系列 1 集装箱分类、尺寸和额定质量的规定。（5）车体静强度和垂向弯曲刚度满足 TB/T3550.22019 机车车辆强度设计及试验鉴定规范车体第 2 部分：货车车体以及合同要求。根据合同要求，开展车体垂向弯曲刚度试验时，在20 t 轴重米轨集装箱平车车体设计李晓月，李丽宁，张世颖（中车齐齐哈尔车辆有限公司北京科技分公司，北京 100072）摘要：介绍出口 20 t 轴重米轨集装箱平车的设计要求、总体结构和主要技术参数，重点阐述车体组成部件底架、集装箱锁闭装置的设计。对车体垂向弯曲刚度、车体静强度和锁闭装置的静强度计算结果表明：在额定载荷及超过额定载荷 50%工况下，车体下挠均不大于 10 mm，在车体预上挠 10 mm14 mm 的工艺设计条件下，车体未出现下挠，挠跨比小于 1/700；在额定载荷与纵向力合成工况下，车体最大应力点出现在装载 2 只 20 ft 集装箱在重车顶车工况下的侧梁下翼面处，应力为 254 MPa，小于材料许用应力；在超过额定载荷 50工况下，车体最大应力小于材料屈服应力，车体未发生永久变形和裂纹。在不同载荷作用下锁闭装置产生的应力，均小于材料许用应力。整车的限界通过试验、车体强度试验结果均符合要求。关键词：集装箱平车；窄轨车辆；车体设计；强度校核；强度试验中图分类号：U272.66U270.2文献标识码：A文章编号：1006-9178（2023）06-0056-07Abstract：The design requirements and the overall structure and main technical parameters of 20 t axle weight metre gauge container flat car are introduced,and the focus is the design of the underframe and container locking device,which are components of the car body.The calculation results of car body vertical bending stiffness,car body staticstrength and locking device static strength show that under the rated load and 50%over the rated load,the downwarddeflection of the car body is not more than 10 mm,and under the design condition of 10 mm14 mm pre-deflection ofthe car body,no negative deflection of the car body occurs,and the deflection span ratio is less than 1/700.Under therated load and longitudinal force synthesis condition,the maximum stress point of the car body occurs at the lowerwing surface of the side beam loaded with two 20 ft containers and under heavy vehicle topping condition,the stress is254 MPa,which is less than the allowable material stress;Under operating conditions exceeding 50%of the ratedload,the maximum stress of the car body is less than the material yield stress,and no permanent deformation andcracks occur in the car body.The stress of the locking device under different loads are less than the material allowablestress.The limit of the car passed test and the strength test results of the car body meets the requirements.Keywords：Container Flat Car;Narrow-gauge Car;Car Body Design;Strength Check;Strength Test57铁道技术监督第 51 卷第 6 期额定载荷及超过额定载荷 50%工况下，车体均不应出现下挠；车体通过牵引装置承受 1 764 kN 的纵向拉伸力或压缩力，并且在额定载荷与纵向力合成工况下，各部位应力应小于材料的许用应力；在超过额定载荷 50%工况下，车体不应出现永久变形，且任何部件不应出现裂纹。（6）采用旋转开闭式可伸缩锁闭装置，与Dwg.No.1-7BCF19-001旋转式锁中的旋转式锁类似或等同，以适应集装箱堆场装卸工人的操作习惯，方便工作位和非工作位的转换，满足多种集装箱装载工况要求。锁头和锁座应能承受相关规定要求的作用力。（7）针对米轨平车轴重、载重的增加，车辆运行速度的提高，应提高车体结构强度和垂向弯曲刚度。针对牵引总重的提高，应提高车体牵引梁和枕梁的强度和可靠性。从板座、冲击座等应符合该国对车钩缓冲装置及配套零部件的相关要求。2总体结构和主要参数2.1总体结构米轨平车主要由车体、底架附属件、制动装置、车钩缓冲装置和转向架等组成。其中，车体由底架、锁闭装置等组成。米轨平车总体结构如图 1 所示。底架锁闭装置制动装置底架附属件转向架车钩缓冲装置图 1米轨平车总体结构2.2主要参数米轨平车主要参数见表 1。载重62 t自重18 t轴重20 t底架长度12 500 mm底架宽度2 450 mm承载面距轨面高（空车）1 017 mm车钩中心线距轨面高（空车）850 mm空车重心高634 mm最高运行速度100 km/h表 1米轨平车主要参数3车体底架和锁闭装置设计3.1底架底架为全钢焊接结构，由中梁、侧梁、端梁、枕梁、中央大横梁、大横梁、小横梁等通过组焊而成。中梁材质为 Q345NQR2，其他主要部件材质均为 Q450NQR1。底架设计要点如下。（1）受车辆限界、集装箱高度的限制，集装箱承载面距轨面距离仅为 1 005 mm。受转向架自由高的限制，中梁组成的牵引梁部分可用高度仅为250 mm。相比我国通用集装箱平车牵引梁高度350 mm，减小了 100 mm。为了避免与车钩缓冲装置干涉，增大牵引梁内部空间，切除车钩缓冲装置处的中梁上翼面。为了提升车体和牵引梁的刚度及强度，增大中梁各断面的截面面积，中梁选用我国铁路货车常用的 H6302002013 型钢，与上盖板、下盖板拼焊成鱼腹形箱型结构。同时，为了改善牵引梁以及中梁鱼腹过渡处的强度，在牵引梁外侧增加补强板。牵引梁结构如图 2 所示。补强板中梁上翼面图 2牵引梁结构（2）受车辆限界限制，底架宽度为 2 450 mm。由于集装箱角件中心在车辆宽度方向的距离为2 260 mm，锁闭装置布置空间受到限制。因此，在侧梁上翼面开槽孔，将锁头固定盖板嵌入槽孔内。侧梁内侧设置辅助顺梁，使侧梁、辅助顺梁、锁座筋板、大横梁，形成井字形结构，保证锁座部位结构强度和刚度。侧梁井字形结构如图 3 所示。锁头固定盖板锁座筋板侧梁大横梁辅助顺梁图 3侧梁井字形结构5820 t 轴重米轨集装箱平车车体设计研究与交流（3）采用一体式前后从板座，与该国既有集装箱平车保持一致，以便于检修和维护。但考虑编列牵引总重增加，车辆纵向冲击力增大，为了提升一体式前后从板座的铸钢材质等级，采用 C 级铸钢。一体式前后从板座如图 4 所示。图 4一体式前后从板座（4）与我国通用集装箱平车相比，米轨平车车体中部需装载 1 只 20 ft 集装箱。因此，在中央大横梁两侧各设置 1 组大横梁组成，用于安装 20 ft 集装箱的锁闭装置，并对该结构进行轻量化设计。大横梁结构如图 5 所示。中央大横梁大横梁图 5大横梁结构（5）上心盘与车体采用螺栓螺母连接。在枕梁腹板根部开工艺孔，以方便安装和拆卸螺栓。开孔处同时设置加强板，以保证枕梁强度。上心盘螺栓连接结构如图 6 所示。枕梁加强板上心盘螺栓图 6上心盘螺栓连接结构（6）车辆在交付用户前，需经过多次陆运、海运等转运。为了方便整车吊装，将车体与转向架连接成一体，在中梁上对应转向架车轴的位置设置车轴吊座。吊装时，在车轴吊座上组装 U 形吊，连接车轴和车体。U 形吊和车轴吊座结构如图 7 所示。车轴U 形吊车轴吊座图 7U 形吊和车轴吊座结构为了便于车辆吊装，还在枕梁上增加了吊装环。吊装环结构如图 8 所示。吊装环图 8吊装环结构（7）在枕梁上盖板上开心盘销装卸孔，并加盖密封。在车体与转向架未分离状态下，通过装卸孔可以方便地安装或拆卸心盘销，避免心盘销在车辆落车或分离时磕碰上心盘。无心盘销便于落车。枕梁密封盖如图 9 所示，心盘销如图 10 所示。3.2锁闭装置锁闭装置为手动伸缩旋转式，全车设置 12套。为防止集装箱底角件意外脱出锁闭装置，锁杆设计为可绕锁座旋转 90的结构。锁闭结构中的锁59铁道技术监督第 51 卷第 6 期心盘销图 10心盘销枕梁上盖板密封盖图 9枕梁密封盖杆操作柄开叉槽，将限位挡插入叉槽，防止锁头在锁闭工作位时，因车辆运行时振动意外旋转开锁，变成开锁位。锁闭装置锁闭工作位和开锁位状态如图 11 所示。操作柄限位挡锁杆锁座锁头（a）锁闭工作位状态（b）开锁位状态图 11锁闭装置锁闭工作位和开锁位状态4车体垂向弯曲刚度和静强度计算为保证车体性能满足设计要求，计算车体垂向弯曲刚度和强度，并根据计算结果，优化车体结构或零部件材质。为减轻车体自重，车体采用轻量化设计，以提升车辆载重，节约制造成本。4.1车体垂向弯曲刚度米轨平车车体垂向弯曲刚度计算评判标准为：在额定载荷及超过额定载荷 50%工况下均不发生下挠，挠跨比小于 1/700。车体预制上挠为 10 mm14 mm，取挠度最小值 10 mm 作为判定标准。各装载工况下车体垂向弯曲刚度计算数据见表 2。表 2各装载工况下车体垂向弯曲刚度计算数据载荷工况额定载荷超过额定载荷 50%装载情况1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱装载载荷130.48 t130.48 t230.48 t130.48 t1.5130.48 t1.5230.48 t1.5挠度/mm-2.2+3.2-2.9-5.0+5.5-4.0注：+表示上挠；-表示下挠。由表 2 可见，在额定载荷工况下，车体下挠最大值出现在装 2 只 20 ft 集装箱工况条件下，挠度为-2.9 mm，挠跨比为 0.23/700；超过额定载荷 50%6020 t 轴重米轨集装箱平车车体设计研究与交流工况下，车体下挠最大值出现在装载 1 只 20 ft 集装箱工况条件下，挠度为-5.0 mm，挠跨比为0.40/700。在以上 6 种计算工况下，下挠均不大于 10 mm，在车体预上挠 10 mm14 mm 工艺设计条件下，车体不会出现下挠，满足垂向弯曲刚度评判标准；同时满足 TB/T 3550.22019 中关于挠跨比小于1/700 的要求。4.2车体静强度车体静强度计算评判标准为：在额定载荷与纵向力合成工况下，计算应力应小于材料的许用应力，即材料屈服极限的 75。材料 Q450NQR1 的许用应力为 337 MPa，材料 Q345NQR2 的许用应力为 259 MPa。纵向力分为 1 764 kN 的纵向拉伸力和1 764 kN 的纵向压缩力。各装载工况下计算最大应力及其位置见表 3。载荷工况额定载荷超过额定载荷 50%重车顶车装载情况1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱纵向力/kN拉伸 1 764压缩 1 764拉伸 1 764压缩 1 764拉伸 1 764压缩 1 764最大应力/MPa177123167200163226110169137104172254最大应力位置中梁前从板座附近的腹板及翼面中央大横梁处中梁上翼面枕梁上盖板枕后侧梁上翼面鱼腹起始点中梁下翼面中梁前从板座附近的腹板及翼面前八字板端头中梁鱼腹附近鱼腹起始点中梁下翼面枕梁上盖板与中梁交接处顶车点侧梁下翼面顶车点侧梁下翼面顶车点侧梁下翼面许用应力/MPa259259337259259259259259337337337337表 3各装载工况下计算最大应力及其位置注：重车指装载额定载荷的货物加车体重量。由表 3 可见，车体最大应力点出现在装载 2只 20 ft 集装箱、在重车顶车工况下的侧梁下翼面处，最大应力为 254 MPa，小于材料许用应力。车体各部位的应力均满足设计要求。在超过额定载荷 50工况下，各工况最大应力均未达到材料的屈服极限。4.3锁闭装置静强度集装箱总重 30.48 t，载荷均布 4 个锁座或锁头，锁闭装置主要部件的材料 Q345D 屈服强度即许用应力，为 345 MPa。根据合同约定，计算锁闭装置承受最大载荷的加速度，见表 4。表 4计算锁闭装置承受最大载荷的加速度锁闭装置部件锁座锁头纵向2g横向1g垂直向下2g2g垂直向上1g经计算得出：（1）在纵向 2g 载荷作用下，锁座应力最大，最大应力为 215 MPa，在锁座的圆孔周边。在纵向2g 载荷作用下锁座应力云图如图 12 所示。图 12在纵向 2g 载荷作用下锁座应力云图（2）在垂直向上 1g 载荷作用下，锁头最大应力为 209 MPa，在锁头根部。在垂直向上 1g 载荷作用下锁头应力云图如图 13 所示。（3）在垂直向下 2g 载荷作用下，锁头最大应力为 260 MPa，在锁头根部。在垂直向下 2g 载荷61铁道技术监督第 51 卷第 6 期作用下锁头应力云图如图 14 所示。图 14在垂直向下 2g 载荷作用下锁头应力云图由上述计算结果可见，在不同载荷作用下，锁闭装置产生的应力，均小于材料许用应力 345 MPa，满足设计要求。5试验5.1限界通过试验依据 Dwg.No.1966-36 要求制定限界通过试验规范。由于车轮磨耗极限为 42 mm，重车弹簧压缩量为 40 mm。因此，车辆簧下部分距限界大于42 mm 为合格，车辆簧上部分距限界大于 82 mm为合格，车体横向距限界大于 0 为合格。限界通过试验结果见表 5。表 5限界通过试验结果mm检测位置侧架底部（垂向）下拉杆安全吊底部（垂向）手制动机手轮（横向）接制动缸 DN20 管吊座（垂向）脚蹬（垂向）脚蹬（横向）牵引钩（横向）侧梁（横向）要求424208282000检测数据5560819312173969判定结果合格合格合格合格合格合格合格合格试验结果表明，车辆各部位与限界的间隙均大于规定值，符合 Dwg.No.1966-36 的要求。5.2车体弯曲刚度试验车体预制上挠 12 mm，各装载工况下车体垂向弯曲刚度试验数据见表 6。表 6各装载工况下车体垂向弯曲刚度试验数据载荷工况额定载荷超过额定载荷 50%装载情况1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱装载载荷130.48 t130.48 t230.48 t130.48 t1.5130.48 t1.5230.48 t1.5挠度/mm-3.7+2.5-2.9-5.6+3.8-4.4注：+表示上挠；-表示下挠。试验结果表明，在额定载荷工况下，车体下挠最大值出现在装载 1 只 20 ft 集装箱工况条件下，挠度为-3.7 mm，挠跨比为 0.29/700；超过额定载荷 50%工况下，车体最大下挠出现在装载 1 只20 ft 集装箱工况条件下，挠度为-5.6 mm，挠跨比为 0.45/700。在额定载荷及超过额定载荷 50%工况下均未出现下挠，挠跨比均小于 1/700。车体垂向弯曲刚度满足设计要求。5.3车体静强度试验各装载工况下试验最大应力及其位置见表 7。试验结果表明：车体最大应力点出现在装载 2只 20 ft 集装箱压缩工况下的枕中处的侧梁下翼面，最大应力为 279.7 MPa，小于材料许用应力。车体各部位静强度均满足设计要求。在超过额定载荷 50工况下，各工况最大应力均未达到材料屈服极限。经检查发现，车体未发生永久变形和裂纹。6结语米轨平车车体采用我国铁路货车常用的型钢和板材，材料强度、刚度和耐腐蚀性均较好，适应该国使用环境。上心盘、从板座、冲击座、锁闭装置等铸锻件结构形式与该国集装箱货车通用配置类似，标准化程度高，方便制造和检修；提高了配件的材料性能等级，以适应更高的性能要求。我国集装箱铁路平车部分技术的成功应用，耐候钢材料标准的成功推广，提高了中国标准的国际地位。米轨平车填补了该国米轨集装箱平车最高运行速度图 13在垂直向上 1g 载荷作用下锁头应力云图6220 t 轴重米轨集装箱平车车体设计研究与交流100 km/h、载重 62 t 集装箱运输装备的空白，大幅提高该国米轨铁路集装箱平车的运输效率，具有良好的社会效益和经济效益。米轨平车共计生产 308 辆，自 2016 年投入使用以来，运用情况良好。到目前为止，这批车没有出现制造商承担责任的质量故障和换件，车辆的设计、制造满足合同要求，产品性能优越性和运行稳定性得到该国国家铁路局的认可。参考文献1 机车车辆强度设计及试验鉴定规范车体第 2 部分：货车车体：TB/T 3550.22019S 2 孙晓云，张忠，戴安国出口泰国米轨集装箱平车的研制J 铁道车辆，2010，48（1）：18-203 米轨铁路限界：Dwg.No.1966-36S 4 旋转式锁：Dwg.No.1-7BCF19-001S 5 系列 1 集装箱分类、尺寸和额定质量：ISO 668：1995S（编辑牛建利）载荷工况额定载荷超过额定载荷 50%重车顶车装载情况1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱纵向力/kN拉伸 1 764压缩 1 764拉伸 1 764压缩 1 764拉伸 1 764压缩 1 764最大应力/MPa168.2195.5135.7227.6107.8279.7120.371.3126.0103.449.177.2最大应力位置端锁座处的侧梁下翼面枕中处的侧梁下翼面端锁座处的侧梁下翼面枕中处的侧梁下翼面靠近冲击座处的端梁连接板枕中处的侧梁下翼面大横梁外侧侧梁上翼面中梁中心下翼面枕中处的侧梁下翼面大横梁外侧侧梁上翼面1 位旁承内侧枕梁下翼面中梁中心下翼面许用应力/MPa337337337337337337337259337337337259表 7各装载工况下试验最大应力及其位置全亮状态的使用时间，减少了对灯具的热冲击，延长灯具寿命，提高照明系统的寿命周期。（5）方便管理。智能照明系统通过网络技术实现远程监控与管理，能够及时、准确地发现问题，如某一车厢的灯具出现故障时，司机或机械师通过智能操作控制屏就可及时知晓，从而迅速、准确地处理故障，方便维护。6结语智能照明系统和产品众多，各有千秋，但是缺乏统一标准，还有许多需要研究和解决的问题。例如：LED 灯具具有广阔的发展前景，应考虑可调光和可寻址能力；在接口上与使用环境自动化系统的整合；LED 驱动电源的散热，以及LED 驱动电源的模组化、规格化和标准化；电磁兼容。未来随着科技的不断进步，相信会给照明系统所面临问题提供越来越大的发挥和创新空间，使其不论在公共建筑，还是轨道车辆上都会有令人满意的发展前景。参考文献1 马小军智能照明控制系统 M 长沙：东南大学出版社，20092 肖辉电气照明技术M 北京：机械工业出版社，2009.3 北京照明学会委员会照明设计手册M 北京：中国电力出版社，19984 彭妙颜智能照明与艺术照明系统工程M 北京：中国电气出版社，20105 文尚胜LED 照明技术应用 M 北京：电子工业出版社，2016（编辑牛建利）（上接第 55 页）