周 睿 欒鴻斌 周 炯 馮文倩 韓金剛

(1 .中國機械設備工程股份有限公司 北京 100055；2 .中車眉山車輛有限公司 四川 眉山 620032)

漏斗車依靠貨物重力作用自動卸貨，對于貨流量大且裝卸地點較固定的散裝貨物，采用漏斗車可以加速車輛周轉，提高卸貨效率，獲得較好的經濟效益，在各國電站、港口、選煤、鋼鐵等企業(yè)有著廣泛的應用[1]。阿根廷是巴西、智利、玻利維亞等國石灰石的主要輸出國，但受鐵路運輸能力的影響，目前僅有30%的石灰石通過鐵路運輸，為提高阿根廷鐵路運輸石灰石的能力，開展新一代寬軌石灰石漏斗車研究，設計出符合阿根廷鐵路運輸現(xiàn)狀的石灰石運輸車具有重要的意義。

1 阿根廷鐵路現(xiàn)狀

阿根廷既有線路有3種軌距，分別為1 000 mm、1 435 mm和1 676 mm。

寬軌線以國內運輸為主(見圖1線條加粗部分)，連接布宜諾斯艾利斯(以下簡稱布市)、羅薩里奧、門多薩和圣胡安省，橫貫潘帕斯草原，主要用于運輸糧食和石灰石等貨物。布市區(qū)間夜里1點至6點進行貨運，其余時間開行客運?？瓦\類似城際鐵路，約3 km一個車站，布市區(qū)間線路狀況良好，介于美國4級和5級線路譜之間，支線和站場線狀況較差。正線和支線最小曲線半徑為200 m，站場線為90 m，線路上沒有巡視。

米軌鐵路共有7 340 km，其中主線約有3 900 km、支線約有990 km，未使用的線路約有2 450 km。米軌線路連接智利、玻利維亞以及巴西等相鄰國家，正線、支線最小曲線半徑為120 m，站線為90 m。

準軌線最少，僅在東、北部。正線和支線最小曲線半徑為200 m，站線為90 m。

圖1 阿根廷國內鐵路線路圖

2 阿根廷既有石灰石漏斗車現(xiàn)狀

既有礦石漏斗車(見圖2)底架長13 200 mm、寬2 460 mm、高3 680 mm，單個卸貨口長1 570 mm，漏斗口寬890 mm。主要裝載石灰石，有時裝載粉末狀燒結石和混凝土石渣，其中裝載燒結石時板結嚴重，卸載時需要使用振動器、錘子和高壓風等手段。

圖2 既有礦石漏斗車

據(jù)調研，阿根廷礦山所產的石灰石顆粒度約為20～100 mm，靜態(tài)安息角約為37°～38°，堆密度為1.6 t/m3。阿根廷國內存在雙側卸貨和單側卸貨2種地坑，其中兩側卸貨時地坑長度大約為8 500 mm、寬度約為4 880 mm；單側卸貨時地坑長度約為8 500 mm，地坑邊緣距鋼軌內側約200 mm。

3 出口阿根廷石灰石漏斗車總體結構選取

3.1 漏斗選取

漏斗結構與卸貨站場的條件有關，該車需滿足單側或雙側均能使貨物卸盡，因此漏斗的橫向截面需設計為一個倒V和一個正V疊加結構。打開底門后，貨物可從正V結構的漏斗通過倒V結構的導流板卸往車輛一側或兩側，實現(xiàn)車輛使用功能，原理如圖3所示。根據(jù)該原理，設計出圖4所示的漏斗車，漏斗通過橫向脊背、隔墻組成、端墻板和兩側漏斗板將其分為3個漏斗口，6個卸貨口。

圖3 卸貨原理示意圖

圖4 漏斗形狀三維示意圖

3.2 端墻

端墻作為重要的承載部件，其結構是整車設計的重點。初步設計時采用國內常用板梁、斜撐組合式結構如圖5(a)所示，但斜撐數(shù)量過多，整體外觀不協(xié)調，且考慮涂打標記的需要，將端墻結構進行了優(yōu)化，如圖5(b)所示。

圖5 端墻三維示意圖

3.3 側墻

側墻作為整車側向力的主要承載部件，初期方案準備采用矩形管上側梁或冷彎異形多邊形型鋼。該結構存在如下缺陷：(1)上側梁結構與側墻搭接量大，自重較大；(2)側墻形狀的限制，使得矩形管上平面為非水平面，上端梁與矩形管不便于組對、焊接，采用冷彎異形多邊形空心管需要重新開模，成本增加；(3)空心管內無筋板支撐，整體剛度差，裝貨時，易被鏟車碰變形。鑒于此，上側梁采用了帶筋板的冷彎L型鋼，與側墻形成封閉箱型截面(見圖6)，以規(guī)避上述缺陷。

圖6 上側梁三維示意圖

3.4 隔墻

由于限界和使用功能的原因，該車側墻板、側漏斗板存在多處折彎，因此側墻采用了無側柱設計，設置2組隔墻，拉住側墻，減小側墻外脹。為加強隔墻底部的連接強度，初步設計采用隔墻插入橫向脊背的結構，但考慮到生產制造的簡單化，最終采用隔墻坐在橫向脊背上方的結構，如圖7所示。

圖7 隔墻設計方案

3.5 機構設計

由于單個減速箱控制的底門數(shù)量多，底門開度大，貨物載重大，因此開門扭矩大，傳動軸直徑大，為了減小開門扭矩便于操作、省力，減小傳動軸直徑降低自重，優(yōu)化機構連桿位置減小初始開門輸入扭矩，最終設計的傳動結構如圖8所示。

圖8 傳動結構布置圖

通過對關鍵部件的結構選取，最終設計出新一代出口阿根廷的石灰石漏斗車(見圖9)。

圖9 出口阿根廷石灰石漏斗車三維示意圖

目前，采用此結構的漏斗車已完成樣機試制，整車如圖10所示。

圖10 出口阿根廷石灰石漏斗車樣機

4 仿真分析

4.1 車輛強度計算分析

為分析石灰石漏斗車車體鋼結構的強度、剛度，參照TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》對車體鋼結構進行靜強度有限元分析計算，計算工況載荷如表1所示。

表1 計算載荷工況說明

結果表明，該車各強度計算工況的最大當量應力均小于該處所用材料在相應工況下的許用應力或其屈服強度，車輛強度、剛度滿足要求。

4.2 疲勞計算分析

參照AAR M—1001(2011)《貨車設計制造規(guī)范》的要求對車體結構進行疲勞計算分析，結果顯示，該車車體各部位的疲勞壽命均大于500萬km的設計壽命要求，疲勞壽命最小處的計算壽命約為685萬km，滿足AAR標準AAR M—1001(2011)《貨車設計制造規(guī)范》的要求。

4.3 動力學計算分析

參照GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》 、《貨車設計制造規(guī)范》的要求和阿根廷寬軌線路基本參數(shù)對該車進行動力學性能計算分析。結果表明，該車在AAR V級和Ⅳ級線路上、空車和重車工況、100 km/h運行速度范圍內，其橫向及垂向平穩(wěn)性指標均達到良好標準，橫向及垂向最大加速度、運動穩(wěn)定性、直線運行安全性、曲線運行安全性均符合GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》的規(guī)定，該車動力學性能滿足運行要求。

5 結論

通過分析阿根廷現(xiàn)有石灰石漏斗車的結構特點，同時結合我國多年的漏斗車研發(fā)技術經驗，設計出了新一代出口阿根廷寬軌石灰石漏斗車總體結構，并參照相關標準對該結構進行了有限元仿真分析，結果表明該車結構強度滿足標準要求。

[1] 嚴雋耄．車輛工程[M]．北京：中國鐵道出版社，2004．□