适用米轨线路的石砟漏斗车关键技术研究及装备研制

李响响，段元勇

（中车山东机车车辆有限公司，济南250022）

中车山东公司针对国际市场尤其是米轨线路国家用户对石砟漏斗车的需求，研制开发了一种适用米轨线路的石砟漏斗车。该车于2016年11月完成工作图设计，2017年1月底完成样车试制及相关型式试验，同年3月份完成批量生产并通过用户的工厂验收，并于2017年5月及2018年9月分两批次交付用户投入运用。

1 项目难点

（1）石砟漏斗车主要供铁路线路新建、维修时铺设石砟或工矿企业装运类似散粒货物之用，具有边走边卸和向轨道内、外侧卸砟的功能。目前，我国石砟漏斗车主要为载重60 t的K13系列石砟漏斗车、载重70 t的KZ70型石砟漏斗车和载重80 t的KZ80型石砟漏斗车［1］。以上车型为国内主型漏斗车，适用准轨线路，具有成熟运用经验，对于米轨石砟漏斗车的研制具有借鉴作用。但其车体结构对于米轨线路的适应性不强，需要进行改进设计。根据米轨线路的特点，对车辆装备的轮廓尺寸提出了更苛刻的要求，同时米轨漏斗车对整车轻量化也提出了更高的要求，漏斗的结构设计也要适应米轨线路的作业要求。

（2）国内主型石砟漏斗车开闭机构的共同特点是均采用两级传动的风动及手动卸载方式，2种卸载方式既可兼容亦可实现独立作业。手动卸载方式通过设置在车辆地板上部减速器手轮及车下连杆机构来实现底门的开闭，但中间底门无手动操作［2］。针对米轨漏斗车车体宽度尺寸较小的问题，若采用国内成熟的减速器及车下连杆机构，空间布局存在一定的困难，尤其是纯手动卸货的漏斗车，需要配置3套减速器方可满足使用，因此对米轨漏斗车卸货系统的设计提出了新的要求。

2 解决方案

（1）针对米轨线路特点及严格的车体轮廓尺寸，在国内成熟结构基础上改进设计，研究开发了新的车体钢结构。设计了适用米轨线路维修的新的车体结构，结构合理；参照KZ70端部底架结构，根据米轨漏斗车结构需要，取消枕内轮对上部地板及小横梁，轻量化车体的同时可开阔操作员视野，操作卸货时便于观察卸货系统状态及线路状况，如图1、图2所示；因不设置端部地板，优化了端隔板处大横梁结构，大横梁与牵引梁及侧梁连接处采用大圆弧结构，增加与牵引梁及侧梁的焊缝长度，该结构强度满足米轨漏斗车的强度要求，如图1、图2所示；依据漏斗结构的强度要求，优化设计隔板加强板结构，匹配新的漏斗结构，如图3、图4所示；漏斗板的加强铁采用冷弯角钢，满足米轨漏斗车强度要求，降低车辆自重。

图1 KZ70底架端部结构

图2 米轨车底架端部结构

图3 KZ70漏斗结构

图4 米轨车漏斗结构

（2）针对国内漏斗车复杂的传动机构，研究开发了全新的手动卸货传动机构，3套独立的手动卸货装置分别独立控制左、中、右底门；采用焊接结构减速箱；手动卸载方式可作为一个独立的机构设置在石砟漏斗车上，实现漏斗车底门开闭的操作，如图5所示。

图5 手动卸货系统结构

该系统主要特点：结构简单、制造成本低、维修简便、操作简便、稳定可靠、自重较低、传动效率高。

3 装备研制

3.1 主要技术参数及结构特点

主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

（1）采用成熟的板柱结构端侧墙，轻量化车体钢结构，满足使用的强度要求；侧柱采用U形双曲面冷弯型钢；上侧梁采用冷弯异形钢管，以防止石砟残存伤及作业人员。1位端墙上设有观察孔，推开观察孔盖可观察车内余砟情况。2位端墙上设有扶梯，通过扶梯人员可进入到车内。其中扶梯与端墙及地板采用螺栓连接方式，车辆外观结构如图6、图7所示。

图6 石砟漏斗车外观

图7 米轨石砟漏斗车结构图

（2）全车主要板材及型钢采用高强度耐腐蚀钢，采用适合目标用户当地高温潮湿气候的油漆涂装方案，采用聚氨酯面漆，适应当地特殊的环境要求。

（3）该车配置国内成熟运用的空气制动系统，采用120型制动机，并在车辆两端分别设置一台NSW型手制动机，可在车辆任意一端进行操作，满足用户的使用要求。

（4）采用上文所述全新的手动卸货传动机构；主要由卸砟门、手动操纵系统等组成；该车共设有6个卸砟门，车体每侧各2个、中间2个；手动操纵系统由减速器、空心传动轴、联轴节及拉杆等组成；手动操纵分别控制两侧卸砟门和中间卸砟门，可实现货物在轨道中间或轨道两侧同时卸货。

（5）车辆端部护栏采用不锈钢钢管制作，外观精美，安全可靠，耐腐蚀能力强，延长使用寿命。

（6）其他结构，车钩缓冲装置采用E级钢13B型下作用车钩、13B型锻造钩尾框、ST型缓冲器。钩尾框托板、钩托梁螺母采用BY型防松螺母，配套用螺栓强度10.9级；

转向架采用17 t轴重铸钢三大件式货车转向架，主要由轮对、侧架、摇枕、减振装置、基础制动装置、轴承、承载鞍和旁承等组成。

3.2 相关计算分析及试验情况[3-4]

3.2.1 车体静强度及刚度计算

根据TB/T 1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》规定的考核工况及技术规范的要求，采用ANSYS14.5有限元分析软件，对该车车体进行了静强度计算，各工况下车体各处应力均小于许用应力，在垂向静载荷作用下，该车车体侧梁中央挠度满足挠跨比≤1/2000的要求。因此，该车车体静强度及刚度满足设计要求，工况4下车体应力云图如图8所示。计算结果见表2。

图8 工况4下车体应力云图

表2 车体钢结构有限元计算结果

3.2.2 动力学性能计算

采用SIMPACK9.5多体动力学软件，依照GB/T 5599-1985《铁道车辆动力学性能评估和试验鉴定规范》对该车的动力学性能进行计算分析。结果表明，该车在空车和满载工况下的蛇行稳定性、直线运行品质及安全性、曲线通过时的安全性等性能均满足GB/T 5599-1985的要求。

3.2.3 车体静强度及刚度试验

2017年1月，中车山东机车车辆有限公司对该车进行了车体静强度、刚度试验。试验结果表明，各工况的最大应力均小于材料的屈服强度。车体刚度试验的结果显示，下侧梁中部挠度为2.38 mm，挠跨比为0.595/2000，满足挠跨比≤1/2000的要求。车体静强度及刚度符合TB/T 1335-1996及与技术规范的要求。

3.2.4 模拟曲线通过试验

为保证车辆通过80 m曲线时各部件的正常相对运动不受限制、车体与转向架间的连接装置及其他各部分不发生碰撞和损伤，对该车进行80 m曲线通过试验。试验结果表明，车辆各部件的正常相对运动未受到限制，车体与转向架间的连接装置及其他各部分未发生碰撞和损伤。

3.2.5 底门卸货试验

根据与用户签订的试验大纲的要求，对该车进行了底门卸货试验。试验结果表明，空车两侧侧门及中间底门的最大开门及最大关门力矩不大于80 N⋅m，重车两侧侧门及中间底门的最大开门及最大关门力矩不大于150 N⋅m，均符合试验大纲要求。

4 结束语

此次开发的石砟漏斗车卸砟系统为纯手动操纵作业，卸货操纵端预留了充足的操纵空间，可根据用户的个性化需求，在此漏斗车技术平台上增加风控卸货系统及操纵间，可以快速响应市场的需求，满足不同用户的使用。该车辆于2017年5月及2018年9月两批次交付用户共计35辆，如图9所示，投入运用前，在用户线路上，对车辆进行了连挂及制动试验、货车卸砟功能试验，均符合试验大纲的要求。截止2019年11月末，该批车辆最长的已经服役2年有余，根据现场运用情况及用户反馈，该车性能稳定，安全可靠，具有良好的经济效益。

图9 用户现场