铁路货车用型钢及发展

2006-09-08 00:00 来源: 我的钢铁
    国内外铁路货车发展情况
    前沿:自铁道部实施以提高运输技术现代化和运输装备现代化为目标的跨越式发展战略以来,对运输装备提出了更高的要求。铁路货车作为铁路货物运输的重要装备,如何适应铁路货物运输“重载、快捷、安全”的要求,如何适应国民经济快速健康持续发展的需要,瞄准国际先进水平,加强自主创新,提高铁路货车制造现代化程度,迅速与国际先进水平接轨,已经成为铁路货车制造业必须予以解答的战略发展重大课题。为此,我们应该研究和吸收国外的先进铁路货车技术,不断完善和提高自身的技术水平。
    国内外铁路货车发展情况概述
    目前世界铁路货车技术发展可分为两大流派,一是以美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西为代表的重载技术,其主要特征是车辆轴重大、载重量高、自重轻及列车编组辆数多。二是以法国、德国等欧洲国家为代表的快捷技术,其主要特征是车辆运行速度高、列车编组数量少。近几年来,欧洲也开始研究试验开行25t轴重重载货车和200km/h轻快货车。
    近几年来,我国铁路货车技术水平也迅速提升,综合技术水平已经接近或达到了国际先进水平。首先,以重载货车为代表的综合技术已达到了国际先进水平。如现在大秦线用C80型铝合金敞车和C80B型不锈钢敞车,其轴重25t、载重80t;车体采用了铝合金或不锈钢新材料,走行部采用具有世界先进水平的转K6、转K5型转向架,连挂装置采用符合美国AAR标准的F型车钩和牵引杆及大容量缓冲器新技术。其次,提速重载并举的铁路通用货车全部实现了升级换代。近年来运输局装备部落实科学发展观,走内涵扩大再生产和自主创新之路,组织有关设计主导厂和科研院所,集中研发了70t级敞、棚、平、罐、漏等通用货车,实现了铁路货车由60t级向70t级的全面升级换代和铁路货车技术的新跨越。而新型70t级货车突破了车体轻量化技术关键,应用了可靠性设计理念,实现了轴重23t条件下载重达70t、时速120公里和单机牵引5000t、双机牵引6000~10000t的研制目标,既大幅度提高了铁路运能,又适应了我国铁路既有的线路、桥梁、隧道及站场等使用条件,快速提升了我国铁路运输能力。
    从国内外铁路货车技术的现状不难发现,现有的铁路货车技术都在向着大载重、小自重、开发采用新材料上发展,也即向货车车体轻量化设计上发展。毋庸置疑,实现车体的轻量化最直接有效的办法就是减少各部结构所用板材的厚度。但由于车辆设计受到车辆性能、结构强度和检修年限等的限制,板材的选取也是有限度的,这就需要我们从其它途径去寻求解决车体轻量化的办法。而随着铁路货车技术的发展,型钢由于在断面形状上可提供更多的选择,尺寸相对精确,强度和刚度逐步提高,其在铁路货车上的应用范围也在不断扩大。型钢特别是冷弯型钢在铁路货车上的应用,也使铁路货车的结构设计更趋于合理,强度和刚度的分配更加均衡,通过优化结构的方式实现了轻量化设计的目的。
    热轧型钢的应用
    热轧型钢以其外形尺寸精确,加工制造方便,工艺性好等特点,从我国具有铁路货车设计能力起,就已经开始在铁路货车上应用。早期车辆上采用的型钢主要有,敞、棚、罐等通用车采用的310乙字钢中梁,敞车采用的240槽钢下侧梁、横梁和端墙横带,部分敞车采用的热轧帽型钢侧柱,棚车采用的80槽钢侧柱及平车用的工字型钢中梁、侧梁等。特别是中梁结构,有部分车辆还采用了槽钢结构和工字钢结构,其与乙字钢中梁的结构型式见图1。从三种中梁结构型式中不难发现,乙字型钢中梁的结构较为合理、制造方便,且工艺性更强,因此其应用也更为广泛。
    随着铁路货车技术水平的不断提升,型钢的应用范围也越来越广泛。如H型钢的中梁、L型钢下侧梁和槽钢端梁、横梁及乙字型纵向梁等在很多铁路货车产品上均有应用,很多是作为车辆的主要承载件使用。同时,由于热轧型钢在铁路货车上装用便利,工艺性好,很多小的结构件、吊架等也大量应用。
    应该说,热轧型钢的使用大大方便了车辆制造,使各部件之间的连接更为简便,结构的强度和刚度均得到了一定的加强,推动了铁路货车的发展和进步,并在铁路货车用钢中占有很大的比重。随着铁路货车升级换代的加快,对型钢种类的要求也不断增加,但是各型钢制造企业由于受制于从模具开发到投入使用周期较长且费用较高,已不能跟上铁路货车设计和制造周期缩短的步伐,制约了热轧型钢在铁路货车上的应用。同时,由于受热轧型钢本身重量分配不合理、自重过大、强度等级低等的限制,其在铁路货车上的应用也受到了一定的限制。很多原来使用热轧型钢的结构,现在逐渐被冷弯型钢的结构所取代。
    冷弯型钢的应用
    冷弯型钢以其型式多样、外型美观、性能稳定、与热轧产品相比重量轻,并能以较复杂断面尺寸满足用户要求而广泛应用于各类建筑、桥梁、机械、制造等行业,并逐步成为在铁路货车产品结构设计上热轧型钢的替代品。
    我国冷弯型钢最早在铁路货车上应用是在上个世纪的八十年代,当时开发了端墙横带和帽型钢侧柱两种冷弯型钢产品装用在铁路通用敞车上使用,此后在九十年代初又开发了尖角矩形管上侧梁在敞车上装车使用,它们的材质均为耐候钢09CuPTiRE-A,屈服强度为295MPa(三种冷弯型钢的型式见图2)。以上三种冷弯型钢自开发应用以来,经多年使用验证,产品质量一直较稳定,特别是尖角矩形管的开发,保证了上侧梁角部与侧板的连接焊缝质量。而铁路通用棚车上冷弯型钢的开发应用较敞车要晚,在九十年代中期才开发使用了冷弯车顶侧梁和波纹门板,随后又开发了左门右框和右门左框。相对敞、棚车而言,铁路平车、罐车由于结构的要求,在冷弯型钢的使用上则相对较少。
    随着铁路货车的重载和提速,要求我们在设计车辆时要不断地优化车体结构,在不降低车辆性能的前提下合理减轻自重,以提高载重和车辆综合性能,而车辆结构设计中采用冷弯型钢就是一个有效的手段。同时,随着冷弯型钢制造技术和手段的不断成熟,其在铁路货车上的应用在近几年也得到了较快的发展。70吨级新型货车的车体结构就大量应用了冷弯型钢材料,为优化设计提供了良好的途径。与热轧型钢相比,冷弯型钢具有以下几个突出的特点。
    1、自重轻,可实现车体的轻量化设计
    由于冷弯型钢没有热轧型钢所必需的轧制圆角和斜度等,所有断面均按一个厚度轧制而成,因此对于相同规格的型钢,冷弯型钢的重量较热轧型钢的重量低很多,这对于目前对车辆自重要求近乎苛刻的铁路货车产品来说,无疑是一个极好的有利条件。例如, C70型通用敞车其下侧梁采用了冷弯8mm厚240mm高的槽型冷弯型钢,其较同长度的一根240热轧槽钢的重量降低了150kg左右,为车辆的轻量化设计提供了保证。
    2、可设计为合理的断面形状,满足使用要求
    在车辆设计时,可根据结构需要,设计一些满足要求的特殊型式断面的冷弯型钢,可使结构更为合理,工艺性更强,组装更为方便。例如,现在棚车上侧梁用冷弯型钢代替了原先的等边角钢,同时为了增加其刚度,该冷弯型钢设计成类似于汽车上用的上边框型式的一种变“Z”型形状(见图3),此种结构与车顶板与侧墙的交接更为合理,组焊也更为方便。
    3、材料强度等级高,耐腐蚀能力强
    从1987年开始,我国的铁路货车上成批使用了耐候钢,其材质多为09CuPTiRE。最初开发的敞车上用的三种冷弯型钢都采用了这种耐候钢。这种铜磷系列的耐候钢,科学试验及运用试验都说明:其耐腐蚀性一般相当于普通碳素钢的2倍左右,在恶劣环境中相当于2-3倍。随着重载、提速的铁路主要技术政策的制定,选用高耐候、高强度的结构钢以降低车辆自重、提高整车性能问题显得尤为突出和迫切。目前,铁路主型货车敞、棚、平、罐车上绝大部分结构都采用了耐候钢,而其强度等级也进一步提升,由屈服强度为345MPa的09CuPCrNi-A提高到屈服强度为450MPa的Q450NQR1,且耐腐蚀性相当于普通碳素钢的2-3倍,在恶劣环境下相当于3倍以上。
    同时,由于冷弯型钢本身其断面可由设计者自行设计,不必象定型的热轧型材那样受到局限,因此在结构设计上可具有较大的灵活性。原来只有用热轧型钢才能实现的结构,现在用冷弯型钢也可以很方便的实现,且性能更优,在降低自重的同时,又提高了强度储备。
    目前,各型70吨级新型货车均大量采用了冷弯型钢,其使用率占型钢品种的80%以上,其中最为显著的变化就是C70型通用敞车装用的侧柱。为了适应翻车机作业时翻车机托车梁托车力的要求,并防止侧柱的挤压变形,将侧柱设计为双曲面型式的冷弯型钢(见图4),大大提高了结构的强度和刚度。
    虽然,我国铁路货车上应用冷弯型钢已有将近二十年的历史,但与俄罗斯、欧美等国家相比,在品种上、数量上都相差很多,在冷弯型钢的制造工艺和产品装车使用上还存在以下一些问题:
    第一,冷弯型钢的弯角过大,且制造过程中容易产生裂纹。受冷弯型钢轧制设备和材料延伸率的限制,冷弯型钢在制造过程中弯角往往都相对较大。由于弯角过大,在与其它部件连接时,焊缝不易处理,焊角也往往过大,工艺性较差。因此,应加大冷弯型钢制造过程中探伤检查和抽样检查的力度和质量,并采用合理的冷弯工艺。
    第二、冷弯型钢存在较大的内应力,变形较为严重。冷弯型钢在制造过程中,由于其加工方式属于机械强制变形,成形后势必存在很大的内应力;冷弯后虽然有校正工序,但只是对型钢外形尺寸进行修正,对消除内应力效果并不大。同时,其成品存放一段时间后,内应力不断释放,弯角处产生回弹,弯曲和扭转变形愈加明显,特别对那些开口不对称的结构,变形更加明显,外形尺寸无法保证,这必将给组装带来困难。
    第三,冷弯型钢制造质量不稳定。虽然我国研制的耐候钢机械性能、抗腐蚀性及焊接性良好,但其冲压性能不如普通碳素钢,其制件在弯曲后回弹较大,制造质量很难保证,特别是对称结构的型钢,更加无法保证对称度的要求,给组装带来困难。
    随着铁路货车技术的不断发展,带动了型钢轧制技术和装备的进步,很多复杂断面形状的结构现在均可以轧制出来,而且其结构强度也在不断提高。在现有的铁路货车设计时,无论是热轧型钢还是冷弯型钢,在车辆很多的结构上均大量地采用。其中,热轧型钢主要应用在承受和传递载荷比较大、连接相对简单的部位,冷弯型钢则更多地应用在为满足结构特点、整体刚度需要和需轻量化设计的部位。
    虽然,现在冷弯型钢从成型技术到工艺装备,直至在铁路货车上的应用都得到了较快发展,但车辆上的某些部位还需要采用传统的热轧型钢的结构。如在中梁部位,现在设计制造的铁路货车仍是以装用热轧乙字钢中梁为主。主要是因为,热轧乙字钢中梁的断面尺寸精确,且轧制出来后,下翼缘的开口比较对称,组焊后的直线度容易保证,同时由于其弯角部位均为直角,与各梁件的连接比较方便,焊接量小,焊后基本没有变形,而且现有乙字钢中梁材质的也由屈服强度为295MPa的09V,发展为现有的屈服强度为345MPa的09CuPCrNi-A和屈服强度为450MPa的Q450NQR1,完全满足铁路重载运输发展的要求;而冷弯中梁虽然其重量较轻,省去了焊接乙字钢中梁的组焊工序,但由于其四个弯角部的圆角较大,造成其与各梁件的连接较为困难,焊接量大,焊后存在变形。同时,基于现有的冷弯成型工艺及冷弯型钢固有的特点,冷弯中梁在轧制出来后,下翼缘处两个开口的对称度及中梁的直线度无法保证,在组装时需增加很多辅助工具来提高中梁的组装质量,工艺性较差。
    虽然目前还存在生产工艺、组装方式、轧制设备、型钢产品种类不够规范等问题,但我们相信随着铁路装备水平的不断提升,必将推动型钢的发展。
    首先,热轧型钢若要在铁路货车进一步发展,必须加大研制和开发新型型钢的力度,加快模具设计制造的周期,开发设计出轻型的、等结构强度的型钢。同时,将高结构强度的钢材应用在铁路货车用型钢的制造上,以满足铁路货车主要梁件承担载荷的需要。
    其次,为提高冷弯型钢在铁路货车上的应用能力,应加强冷弯型钢厂与铁路货车的设计研制单位的交流沟通,并加大了前期对成型技术研制的投入,解决冷弯回弹、弯角裂纹等缺陷,并轧制出了更多适合结构需要,复杂断面形状的冷弯型钢。使得铁路货车的结构得到更合理地优化,使货车产品的整机性能迈上一个新的台阶。
    最后,铁路货车的设计也应兼顾现有的热轧、冷弯型钢的发展趋势,与各钢厂紧密配合,并基于其现有的设备,设计出可行的型钢断面,以满足铁路货车产品设计制造的要求。
    因此可以说,型钢技术的发展与铁路货车技术的进步是互相依托、互相促进的,且完全可以实现共同发展。(作者单位:中国北车集团齐齐哈尔铁路车辆(集团)有限责任公司技术中心)

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