27t轴重铁路货车发展及相关技术研究
发布时间：2014-12-02 14:28:28 编辑：jinrui
本文摘要：——齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司副主任刘海鹏
齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司副主任刘海鹏
铁路运输是国民经济发展发挥非常重要的作用。无论大宗货物运输，还是从战略物资的运输，以及生活物资的运输。由于铁路具有低成本全天侯，还有能耗少、污染小等特点，在铁树运输中发挥重要的支撑作用。重载运输是提高铁路运输能力的有效手段，也是当今世界铁路货物运输发展的重要趋势。美国、加拿大、澳大利亚、南非等国通过采用提高轴重等主要措施来发展重载运输，均取得了良好的综合经济效益。
到2013年底，中国铁路货车总保有量约86.1万辆，95%以上的货车满足运行速度120km/h的要求。列车最小时间间隔达到6-7分钟。在速度和密度方面已达到世界领先水平。但目前车型主要集中为21t、23t轴重货车，占总保有量的94%以上，车辆轴重仍有较大发展空间。
借鉴国外重载运输发展经验，立足我国国情和路情，适时研究在我国既有路网条件下发展27t轴重通用货车运输，以快速提升货运能力，解决瓶颈制约，更好地满足国民经济和社会发展的需要具有十分重要的现实意义。
因此，自2008年开始，我国开始研究在通用线开行27t轴重货车。在既有70t级通用货车、80t级专用货车技术平台和出口大轴重货车基础上完了既有线运用27t轴重货车技术经济论证、关键技术研究、运输组织技术研究、适应性试验研究等5项重要课题研究及试验。
先后研制了27t轴重敞、棚、平、罐、漏斗等多种车型，整体技术全面达到世界一流水平，初步搭建了我国27t轴重通用货车标准体系和技术平台，更好地适应经济社会发展需要。
一、国外重载运输发展概况
国外重载运输技术已发展多年，美国是世界重载运输首创国。从1960年开始，美国发展29.8t轴重货车，1965年停止生产25t轴重货车。1988～1995年期间，美国在普韦布洛FAST环线上进行了35.7t轴重的重载列车与线路相互作用运行试验，累计运量超过10亿t，并对开行35.7t轴重的重载列车安全性和经济性进行了研究，对制约增加轴重的主要因素如桥梁、钢轨、道碴、路基等进行重点而详细的检测。
目前，美国和加拿大的重载列车普遍采用32.43t轴重，部分线路采用35.7t轴重，正在进行39t轴重的重载列车安全性运行试验。澳大利亚普遍采用35.7t轴重，部分线路采用40t轴重。巴西和瑞典采用30t轴重，南非运煤专线采用28t（旧车26t）轴重，矿石专线采用30t轴重。欧洲铁路重载列车也在向25t轴重发展。
二、中国铁路货运发展概况
中国铁路运输采用“速、密、重”并举的技术路线，运输密度和效率居世界先进水平，铁路货车速度已全面具备120km/h运行条件，居世界领先水平。在“速、密、重”三要素中，仅货车轴重和列车牵引重量方面尚存在差距，具有较大发展空间。从下面图可以看到，我国铁路货车轴重21t货车占60%，轴重23t货车占34.2%，轴重25t的货车占5.7%。
2005年，为提高我国通用线路运输能力，研制了23t轴重70t级系列通用货车，并在全路推广应用，21t轴重60t级通用货车全面停止生产。2003、2006年，为进一步提高我国西煤东运能力，研制了25t轴重C80、C80B运煤专用敞车，在大秦线顺利开行2万吨重载列车，年运量由1亿吨提高到4.4亿吨。
经过多年发展，我国铁路形成了以下货运特点：
a、货物运输量大，是世界上最繁忙的铁路。
b、客货共线运行，安全性要求高。
c、运输密度大，列车最小追踪时间达到6～7分钟。
d、通用线列车编组6000t，专用线列车编组2万t
随着高速铁路的快速发展，客货共线运输的既有线货运能力得到一定释放。仅依靠客货共线运输所释放的货运能力仍然不能满足未来发展需求，在路网规模不能快速扩大的情况下，在通用线路上大力发展27t轴重重载运输，同时为快捷运输提供更多线路条件，是我国铁路货车的主要发展方向。
三、基础条件及适应性试验
既有线运用27t轴重通用货车是提升我国铁路装备水平，在较短时间内提高运输能力和运输效率的重要举措。
但是随着货车轴重的提高，作用在轨道、桥梁和路基等结构上的荷载相应加大，需要评估基础设施的适应性问题，特别是桥梁承载能力。车辆对既有设施及装卸设备的适应性，也是既有线开行27t轴重货车的关键。
在27t轴重通用货车研发过程中，车辆与工务、运输等专业联合开展工作，对27t轴重货车（混编）线路、编组站驼峰、装卸货设施等设备的适应性等进行了一系列研究及试验验证，各项试验测试结果表明，既有桥涵、轨道、道岔、路基、装卸货设施基本满足开行27t轴重通用货车要求。
线路
目前，我国普通铁路普遍采用60kg/m钢轨，大秦铁路铺设75kg/m钢轨。
既有线道岔主要包括可动心轨道岔和固定式道岔，60kg/m固定型道岔主要为12号道岔。京沪、京广等主要干线，道岔采用无缝道岔结构。
既有线轨下结构有二层系统、多层系统或强化的基床结构等型式。
混凝土枕密度分别为1680根/km和1720根/km，双层碎石道床厚度20cm～30cm。
为掌握既有线轨道结构及部件的强度、刚度、动力性能在不同轴重下的变化情况，试验测试了轨道结构及部件的受力、变形及振动。
试验结果表明，既有线轨道和主要型号道岔基本满足开行27t轴重通用货车的要求。
由于曲线钢轨磨耗、钢轨伤损、轨枕使用寿命等是长期考核指标，车辆长期运用后状态也会发生变化，因此，运营中对轨道结构还应进行长期观察。
桥涵
目前，我国普通铁路桥梁5.88万座、27.3万孔，其特点是：预应力混凝土梁比例最大，占62.2%；钢筋混凝土梁占21.2%、框构桥占9.7%；钢梁和其他类型桥梁相对较少，分别占2.3%和4.6%。跨度16m以下钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁、钢梁分别占总孔数的12.8%、1.7%、0.5%。涵洞20.75万座，其中盖板涵占45.8%。
桥涵对开行27t轴重货车的适应性主要表现在静活载效应和动态响应两方面。桥涵结构试验主要通过对比分析27t轴重通用货车与C64K、C70E货车及运营货车对桥涵的不同作用特征，评估开行27t轴重通用货车对桥涵的影响。
综合实测桥涵承受的竖向静活载效应、动力作用与设计效应的对比、振动响应程度，以及运营桥涵检定时允许适当降低承载能力安全系数，既有桥涵在强度和动力响应基本满足开行27t轴重通用货车的要求。开行27t轴重通用货车对填土厚度较小、状态不良的盖板涵将影响较大，钢筋混凝土结构和钢梁疲劳寿命降低。
路基实验
测试在列车作用下路堤、路桥过渡段和曲线处路基的动变形和振动，分析不同轴重货车作用下路基及过渡段的动力响应，评估开行27t轴重通用货车对路基的影响。
在27t轴重通用货车作用下，试验结果：
1、高路堤、小半径曲线动应力在60kPa以下，小于100kPa；
2、高路堤、小半径曲线、路桥过渡段动变形在1mm以内，小于1.2mm；
3、振动加速度在2m/s2以下，小于10m/s2。
结论：满足开行27t轴重通用货车的要求。27t轴重通用货车对线桥设备的作用相应增加，部分线桥设备在大量运行27t轴重通用货车后维修量会有所增加。
驼峰
我国铁路目前有大、中、小驼峰260多座，基本完成了自动化改造。全路有40个编组站，其中主要的28个编组站，总计安装减速器约2929台，99%为重力式减速器。
27t轴重通用货车驼峰溜放综合试验表明：站场平纵断面、控制设备、作业模式及驼峰控制系统对27t货车溜放作业基本适应，试验过程中未出现速度失控、车辆高速冲撞现象。驼峰调速基础设备，在试验中未发生系统性失效问题。
装卸货设施
通用货车装货设施中，散粒货物主要采用装载机、漏仓、传送带等方式，机械设备、木材等主要采用吊装方式。装货方式基本满足27t轴重通用货车。
27t轴重系列货车装卸货设施的适应性主要表现为敞车对翻车机的适应性、罐车和漏斗车对地面专用装卸设施的适应性。
27t轴重C80E型敞车翻车机试验及罐车、漏斗车装载适应性。试验表明：27t轴重货车能够满足既有设施的装卸货要求。
四、关键技术
1、低动力转向架技术
随着车辆轴重的提高，轮轨间动力作用加剧，轮轨磨耗突出，导致车轮镟修的运行里程缩短，钢轨使用寿命降低。27t轴重通用货车采用DZ1型下交叉支撑转向架、DZ2型摆式转向架或DZ3型副构架式转向架，实现了“低动力、准径向、无焊接、轻磨耗”四大功能，降低轮轨横向力及车轮磨耗，满足最高运行速度100km/h的运用要求。
低动力。采用转向架轴箱一系弹性定位及配套技术，合理匹配垂向、纵向、横向刚度，实现轮轨间低动力作用，适应大轴重发展需要，结构简单、可靠，检修方便。
准径向。通过采用轮对弹性定位与交叉支撑、弹簧托板和附加径向机构等技术相结合的方式，实现曲线通过轮对准径向功能，使车轮轮缘、踏面磨耗减小，提高车辆曲线运行稳定性及运行安全性。
无焊接。摇枕组成、侧架组成实现无焊接组装，实现转向架无焊接组装和检修，整个转向架实现无焊接，方便造修。
轻磨耗。摇枕侧架间、侧架导框与承载鞍间无磨耗，交叉支撑机构无磨耗、连接性能不衰减，减振摩擦系统低磨耗，保证车辆长期运行性能稳定。
2013年5月～11月，京广线上行方向古培塘～新开铺区间开展的“既有线27t轴重货车（混编）适应性试验”中，测试了27t轴重通用货车在不同装载重量、不同运行速度、不同线路工况下的动力学性能，对比分析不同轴重下27t轴重通用货车的动力学性能。
实验结论：
a、27t轴重C80E型敞车优于C64k型敞车，与C70E型敞车基本相当，车辆低动力作用效果明显
b、在所测试速度级范围内（60-100km/h）27t轴重通用货车的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力基本上与C70比较车保持在同一水平上。
c、从货车动力学性能角度看，27t轴重通用货车对既有线具有良好的适应性。
2、高可靠性技术
27t轴重货车的研制全面吸收和借鉴了国内外重载运输发展经验、成熟技术和可靠结构，系统梳理、剖析国内外既有货车存在的主要问题，结合我国既有线实际情况，车体结构、卸货系统、转向架、制动装置和车钩缓冲装置等从使用性能（编组、站场条件，装卸货设施的匹配、操作性能）及结构安全性（结构强度、运行性能、制动性能、防脱、防盗）等方面进行了充分考虑。
（1）、攻克了低动力转向架、低列车纵向冲动、结构可靠性等货车关键技术；
（2）、解决了车门门缝大、门孔刚度差、制动管法兰漏泄等既有问题；
（3）、采用了新型高耐蚀型耐候钢，广泛应用非金属材料和合成材料；
（4）、全面应用整体芯铸造、自动化焊接、制动系统模块化组装等制造新工艺；
（5）、完成了整车及转向架等关键零部件的强度、冲击、动力学和疲劳可靠性试验，提高了检修性能、运用安全性用性能和可靠性。
（6）、对27t轴重货车的总体性能参数、车体材料、车体结构等方面的设计创新点进行了风险评估和完善改进。
突破了低动力技术，适应既有线发展需要。应用转向架轴箱一系弹性定位及配套技术，优化定位参数，减轻簧下质量，降低轮轨间横向、垂向动作用力，保持车辆长期运行稳定，减小对线路桥梁的动作用力，减少了车轮损伤和磨损，延长了车轮和钢轨使用寿命。
采用静动态仿真，强度、疲劳失效和磨耗后车辆动力学性能分析方法和三维设计系统，对整车和关键零部件进行了系统分析和试验研究，系统提高了安全可靠性。
采用标准化零部件，统一接口尺寸，磨耗部分实现换件修和无焊修，方便了运用维护，提高了检修性能。
优化结构，解决既有车辆的惯性质量问题。27t轴重货车通用敞车车门采用了S型曲路密封结构，提高了钢度，又解决了它的密封问题。采用新型两级锁闭装，解决了下门锁闭不良的问题。
出于车辆安全运行的考虑，对车辆的走台、踏板等安全部位采用防滑设置，在对于车辆制动系统安全可靠性主要采用了新型反弹连接，悬吊件使用防脱设计，再有就是制动杠杆采用了防误装设计。
3、新材料的研发及应用
车体主要承载结构采用S450EW或S450AW高耐蚀性高强度耐候钢，它的耐腐蚀性能比Q450NQR1提高50%以上，车辆的第一个厂修期延长到10年。
车辆研究采用LZ45Crv刚新材料，它的强度比原LZ50刚提高10%，并增加了材料横向冲击指标的要求。采用车轮CL70碾钢车轮或ZL-C铸钢车轮，特的磨耗性能变优，强度和硬度提高约25%-30%，且具有较好的抗热损伤性能。在转向架、钩缓和制动等部位大量采用非金属材料，降低车辆自重，减轻磨耗、性能稳定。
4、制动技术
集成（单元）制动技术。相比传统杠杆制动，集成（单元）制动装置具有结构简单、重量轻、传动效率高、缓解性好、闸瓦压力均匀等优点。27t轴重货车分别研制了BAB-1和DAB－1两种转向架集成制动装置。
制动阀主动润滑技术。在使用一定时间后滑阀和滑阀坐磨损严重，从而产生漏泄。使滑阀副在运用中，密封面之间实现与机床相类似的持续润滑。减少了磨损，极大地提高了滑阀副的耐用性。
作用原理：在充气缓解、减压制动的过程中，将润滑油吸入、送至润滑点，使之在较长的运用周期内保持足够的润滑。
制动缸主动润滑技术。既有旋压密封制动缸运用中由于车辆振动，润滑脂积存在制动缸下部，上部缺油，造成密封圈与制动缸内壁干磨导致漏泄。变为主动润滑制动缸后，解决了制动缸润滑脂下移的问题，研发了LBC系列主动润滑制动缸，实现油脂在整个缸体内的均匀涂覆、润滑。
新型管系密封连接技术。包括穿入式法兰接头和卡套式活接头。穿入式法兰接头采用整体式主管法兰结构，在不改变既有密封方式的基础上，提高了法兰刚度，确保了E形密封圈沿圆周方向压量的均匀性，提高了主管路密封可靠性。卡套式活接头采用轴向端面及径向柱面双重密封方式，在保留E形密封圈基础上，增加耐高温的硅橡胶材质的矩形密封圈。
五、研制及应用情况
齐齐哈尔轨道装备公司从2008年开始研制轴重27t载重80t通用货车。相继完成了27t轴重货车技术经济论证、27t轴重货运列车运输组织技术研究、适应性试验研究及试验、关键技术研究等工作。
2012年完成了通用敞车、棚车、平车、罐车、漏斗车等多种车型的样车试制。
2012年9月～2013年12月，完成了静强度、车辆冲击、线路动力学、与翻车机匹配试验、线路适应性试验、编组场驼峰试验等。
2014年5月～7月，为满足大秦线煤炭运输增长的需求，由全路12家铁路货车制造企业共同生产的5000辆27t轴重C80E型通用敞车陆续交付大秦线投入运用。同时，随着铁路运输需求的不断提高，P80型通用棚车、GQ80型轻油罐车等其它车型的27t轴重货车也将陆续进行批量生产后投入运用。
27t轴重货车的研制成功及推广应用，全面推进了我国重载运输的发展，进一步推动我国货车工业技术水平的全面提升。
27t轴重货车的研制成功构建了构建了具有自主知识产权的中国铁路27t轴重80t级货车的技术平台和标准体系，提升了中国铁路货车自主创新能力。
轴重27t载重80t商业运营速度100Km/h，27T轴重货车投入运用，推动中国线路通用。货车轴载重70t级向80t级科技换代的方向迈进。
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