70t级铝制铁道罐车设计方案.docx
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70t级铝制铁道罐车设计方案
23t轴重铝制浓硝酸铁道罐车
设计方案说明
沈阳机车车辆有限责任公司
2007年10月
23t轴重铝制浓硝酸铁道罐车设计方案
1、概述
为适应我国经济的快速发展，及时适应化工市场的快速变化，满足中国铁路货运重载、快速的总体发展要求，沈阳机车车辆有限责任公司和吉化集团机械有限责任公司共同研制开发了23t轴重铝制浓硝酸铁道罐车，以适应国内化肥企业对浓硝酸运输的需要。
浓硝酸类介质有很高的腐蚀性，所以需用防腐性较好的铝制罐车运输，吉化集团机械有限责任公司在上世纪90年代研制开发的载重60t容积40m3的GH40LK铝制铁道罐车，投放市场后受到用户的欢迎。
此次开发的容积50m3的23t轴重铝制铁道罐车是目前国内运输同类产品中容积最大、载重最大的浓硝酸铝制铁道罐车。
它弥补了国内浓硝酸铁路运输中载重小、自重系数大的不足，且设计先进、合理。
因此其应用市场前景极为广阔，具有极强的市场竞争力。
2、研制目标
新开发的23t轴重铝制浓硝酸铁道罐车应符合铁道部提出的关于企业自备铁道货车有关规定，即新型通用货车或一般专用货车须按70t级设计、制造的要求。
并总结GH40LK铝制浓硝酸铁道罐车结构优点的基础上，积极探索应用新材料，以优化车辆的经济技术参数，以提高运输效能的目的。
23t轴重铝制浓硝酸铁道罐车的研制应达到以下目标：
⑴适合运输密度不大于1.5t/m3、有强腐蚀性的浓硝酸、过氧化氢等化工产品。
⑵载重68t（工业浓硝酸介质），自重25.8t
⑶轴重23
t
⑷商业运营速度120km/h
⑸满足用户现有的地面装卸设施
3设计遵循的主要标准
GB146.1标准轨距铁路机车车辆限界
GB/T5599车辆动力学性能评定和试验鉴定规范
TB/T1.1～1.2铁道车辆标记
TB/T1335铁道车辆强度设计及试验鉴定规范
TB1560货车安全技术的一般规定
JB/T4734铝制焊接容器
23t轴重铝制浓硝酸铁道罐车设计任务书
4介质特性
介质名称：
浓硝酸
分子结构式：
分子式：
HNO3
分子量：
63
形态：
液态
颜色：
无色
气味：
刺激性酸味
熔点：
约-42℃
沸点：
约86℃
气相压力：
25℃时3800Pa（0.038MPa）
密度：
1.5g/cm3（25℃）
主要特性:
强腐蚀性、强氧化性、毒性程度中度。
5设计方案
5.1车辆性能参数
自重:
25.8t
轴重:
23
t
载重:
68t
比容:
0.729m3/t
每延米重:
6.97t
商业运营速度:
120km/h
最小曲线半径:
145m
车辆限界:
符合GB146.1-83《标准轨距铁路机车车辆限界》的要求.
5.2罐体设计参数
项目
单位
指标
罐体
设计压力
MPa
常压
设计温度
℃
40
焊接接头系数
0.95
腐蚀裕度
mm
1.5
罐体内径
mm
Φ2400
罐体材质
1050A/5083
罐体容积
m3
49.6
水压试验
MPa
0.3
5.3主要尺寸
车辆长度13466mm
车辆定距8300mm
车辆高度约4200mm
车辆宽度2680mm
底架长度12500mm
车钩中心线高880±10mm
固定轴距1830mm
车轮直径840mm
5.4主要技术参数的选择说明
5.4.1自重和载重
铝材料的密度2.7t/m3，经计算罐体壁厚为24mm。
按23
t轴重计算，该车载重可达68t，车辆自重≤25.8t。
5.4.2罐体容积和车辆长度、宽度
罐体容积按典型介质98%浓硝酸确定，兼顾其它介质。
确定总容积为49.6m3，有效容积为46.7m3，空容积6％。
车辆定距在原载重60t容积40m3的铝制铁道罐车的7300mm的基础上，增加1000mm,为8300mm。
这样有利于提高车辆曲线通过性能。
该车车辆长度为13466mm。
铝制罐车装卸台位一般较短且不成
编组装卸，因此该车长度可满足用户现有地面装卸设施。
由于罐体为铝材质，NSW手制动机宜布置在一位端梁上方，
底架宽度为2680mm。
5.4.3罐体材料的选择
铝制罐车的材料选择是该车设计的关键之一。
由于98％浓硝酸介质的特殊性，能够装载98％浓硝酸的金属材料只能用纯铝材料，在所有纯铝材料中，1XXX系的铝材由于优良的焊接性、耐腐蚀性以及力学性能适中，从而在化工容器、铁路罐车领域得到广泛应用。
GH40LK型铁道罐车的罐体材料为1060纯铝，实践证明纯铝材料适宜于铁道罐车。
随着70级货车纵向力考核要求提高，货车载重的不断增加，铁路货车运用工况越来越恶劣，1060铝材的力学性能指标略有偏低。
经有限元强度分析计算，若继续采用该材料则必须增加罐体壁厚，同时上、下鞍等主要承力结构需要进一步加强，由此造成车辆自重增大、载重降低，车辆制造成本增加，各项经济技术指标下降。
因此有必要重新选择更为理想的纯铝材料，使其既要满足70t级货车的技术要求，又具有较高的经济技术指标。
对浓硝酸等化工产品，铝材1XXX系列纯铝均具有优异的耐腐蚀性能。
国内化工容器、铁路罐车等行业已有多年应用1060、1050A等材料的经验，国内化工容器标准JB/T4734-2002《铝制焊接容器》批准使用的纯铝材料中，既有1050A、也包括1060、1200等材料。
根据GB/T3880－1997《铝及铝合金轧制板材》，1050A、1060
铝材的力学性能如下表所示:
名称
板材厚度（mm）
σb（MPa）
σp0.2（MPa）
室温下许应应力
伸长率（%）
1050A
12.5～25
70
35
17
16
1060
12.5～50
60
25
15
20
按照TB/T1335-1996规定的材料许用应力选取方法，以材料的σp0.2为基准得出材料的许用应力值如下表所示：
材料
第一工况（MPa）
第二工况（MPa）
1050A
17
31.3
1060
15.9
22.3
可以看出，1050A材料的力学指标要远高于1060。
为进一步确定1050A材料的焊接性和工艺性，在和铝材企业技术人员反复交流的基础上，我公司工艺技术部门对该类材料进行了焊接工艺检验和评定，结果表明，1050A材料能满足铁道罐车的工艺制造要求。
综上所述，本车罐体选用牌号为1050A的铝材，经有限元强度分析计算，罐体的强度和刚度均满足TB/T1335和70t级货车考核要求。
根据合肥通用机械研究院的腐蚀试验结果证明，1050A材料满足运输浓硝酸的要求。
为了承受较大的罐体介质冲击力，封头选用的是强度较好的材料5083内衬1070的结构。
5.5主要结构
23t轴重铝制浓硝酸铁道罐车底架为有中梁结构。
罐车由罐体总成、端梯及车顶走台、底架总成、底架附属件、罐体与底架装配、制动装置、车钩缓冲装置和转向架等部件组成。
车辆一位端设有通过台,装卸方式为上装上卸。
5.5.1罐体总成
罐体采用圆筒形筒体和标准椭圆形封头焊接而成。
罐内设有槽铝加强圈分别是6个120mm×60mm×20mm和2个800mm×80mm×24mm以提高罐体承载能力,筒体材料为1050A铝板,封头材料为5083铝合金板内衬1070。
罐体顶部设有DN500人孔一个,硝酸出口
一个。
为解决残留物料问题，在罐体底部中心设置聚液窝。
以人孔为中心在罐体两侧中间部分别设置了挡酸板。
5.5.2底架总成
该车底架由中梁总成、侧梁总成、枕梁总成、端梁总成、罐车通过台栏杆、走台板总成等部件组焊而成。
中梁总成由中梁、前从板座、后从板座、隔板总成和上心盘等组成。
中梁采用符合运装货车[2004]264号文件要求的屈服强度为450MPa的310高强度热轧耐侯
乙字型钢，保证-40℃时的低温冲击功AKV不小于24J；上心盘采用锻钢上心盘，前从板座和后从板座材质采用C级铸钢；枕梁采用双腹板箱型结构，由上、下盖板、腹板及隔板、筋板组焊而成，材质均为Q345A低合金高强度钢；侧梁采用［160×63×6.5型热轧槽钢；端梁由端梁腹板及端梁下盖板组焊而成，材质均为从低合金高强度；冲击座与17号车钩配套，材质为B级铸钢。
前、后从板座与中梁之间，脚蹬、扶手与侧梁间均采用符合运装货车[2007]163号文件要求的专用拉铆钉铆接；走台板总成采用YB/T4001的钢格板。
5.5.3底架附属件
按运装货车[2006]179号文件标准化设计要求，底架附属件由120阀吊组成、制动缸吊组成、脱轨自动制动装置吊托以及其它附属吊托
等组成，满足制动装置无研配组装的要求。
5.5.4转向架
采用转K6型转向架。
摇枕、侧架符合TB/T3012和符合运装货车[2006]79、162号文件材质为B级或运装货车电[2007]1887号电报的要求装用整体芯B+
级钢。
侧架采用宽导框式结构，采用符合运装货车[2006]162号文件要求的侧架和链式固定杠杆支点。
采用符合运装货车[2006]393号文件批准的下交叉支撑装置，锻造支撑座；一系采用改进型轴箱橡胶垫，二系采用带变摩擦减振装置的中央枕簧悬挂系统，摇枕弹簧为两级刚度；组合式斜楔的主摩
擦板采用高分子复合材料，斜楔体为贝氏体球墨铸铁；侧架立柱磨耗板材质采用45号钢，滑槽磨耗板采用T10。
采用直径为375mm的下心盘，下心盘内装用导电型心盘磨耗盘；装用符合运装货车[2006]21号文件批准的353130B型紧凑型轴承及配套前盖、后挡，RE2B型50钢车轴及LM磨耗踏面的HESA轻型辗钢车轮或符合运装货车[2006]411号文件要求的HEZD型铸钢车轮。
心盘磨耗盘、旁承磨耗板、旁承体符合运装货车[2006]190号文件要求和运装货车[2006]158号文件要求。
挡键处按运装货车[2006]
162号文件要求的组装开口销和螺栓。
转向架基础制动装置采用符合运装货车[2002]11号文件要求的高摩合成闸瓦、采用符合运装货车[2004]265号、运装货车电[2005]1391号和运装货车[2006]162号文件的组合式制动梁、奥-贝球铁衬套。
制动梁架与闸瓦托间采用钢铆钉联接。
5.5.5制动装置
风制动装置主要由120控制阀、符合运装货车[2005]80号文件要求KZW-A型空重车自动调整装置、符合运装货车[2005]333号文件和运
装货车[2007]242号文件要求的货车脱轨自动制动装置组成，采用符合运装货车[2006]179号文件要求的305×254旋压密封式制动缸、ST2-250型双向闸调器、球芯折角塞门、组合式集尘器、符合运装货车[2001]84号文件和运装货车[2002]248号文件要求的不锈钢制动配件和管系，采用编织制动软管总成、奥-贝球铁衬套、符合运装货车[2005]437号文件和运装货车[2006]179号文件要求的嵌入式储风缸、
符合运装货车[2002]11号文件要求的高摩合成闸瓦。
手制机装置采用符合运装货车[2001]2号、运装货车[2007]245号文件要求的NSW型手制动机；手制动机与车体间采用符合运装货车[2007]163号文件要求的专用拉铆钉联接。
空气制动性能参数：
全车制动倍率:
7.8
转向架基础制动倍率:
4
空车制动率:
22%
重车制动率:
16.3%
5.5.6车钩缓冲装置
采用符合运装货车[2004]215号文件要求的E级钢17型车钩或铁道部批准的新型车钩、符合运装货车电[2006]2892号电报要求
的改进型钩舌，配套采用符合运装货车[2005]78号文件要求的17型
锻造钩尾框、合金钢钩尾销、MT-2型缓冲器或铁道部批准的新型缓冲器、符合运装货车[2004]371号文件要求的含油尼龙钩尾框托板磨耗板、符合运装货车[2006]162号文件要求的防跳插销，采用具有防盗功能的车钩支撑座止挡铁，止挡铁与冲击座采用符合运装货车[2007]163号文件要求的专用拉铆钉连接。
钩尾框托板、钩托梁与牵引梁的连接采用Fs型或BY-B型防松螺母，强度为TB/T3098.2中10级,配套用螺栓强度符合TB/T3098.1标准10.9级、精度等级符合GB/T9145标准6g、头部应有“10.9”标记。
5.5.7罐体与底架装配方式
罐体与底架的连接是在枕梁部分采用纵向木座和弹性拉紧带结合及车辆中部上、下鞍连接、端部托架结构。
纵向木座位于与底架枕梁中心相对应的部位。
罐体与底架之间靠纵向木座来研合,包角为120o，拉紧带与底架通过支架和螺栓等紧固件连接，罐体上鞍与底架下鞍通过螺栓连接，端部托架是在罐体两端分别设置支座来限制罐体封头纵向及垂向位移。
罐体在枕梁处采用宽1200mm厚10mm材质Q345A的钢板紧固。
5.5.8、油漆与标记
5.5.8.1罐体内外表面进行酸洗钝化处理,走行装置的涂装应符合
TB/T2879.4的规定，涂料应符合TB/T2879.1的规定，走行装置除摩擦面外，铸钢件、轮对涂醇酸清漆，其余所有件均涂防锈底漆及黑
色调合漆。
托板、垫板、卡带、梯子、走台、拦杆等涂银粉两遍，支
座垫木和走台木板浸沥青。
5.5.8.2车辆标记按TB/T1.1～1.2《铁道车辆标记》和GB/T10479《铝制铁道罐车技术条件》及产品涂样的要求涂打，自重标记按生产前五辆车的平均值涂打，罐体容积检定后在规定部位涂打容量计表号。
票插采用符合运装货车[2007]163号文件要求的专用拉铆钉连接。
5.5.8.3按运装货车[2000]34号文件、运装货车电[2002]104号电报的规定装用铁路货车车号自动识别标签。
6、车辆主要特点：
6.1载重大。
23t轴重铝制浓硝酸铁道罐车载重68t，比容积40m3的铝制铁道罐车载重提高近8t。
经济技术指标显著，有效地提高了车辆运能。
6.2罐体选用力学性能指标较高的1050A铝材，保证了车辆强度、刚度，降低了制造成本。
6.3采用有中梁结构，保证铝制罐车运输的可靠性，便于维护和检修。
7、考核标准
7.1车辆强度、刚度符合TB/T1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的规定，其中第一工况纵向拉伸力取值为1780kN、纵向压缩力为1920kN；第二工况纵向压缩力为2500kN。
7.2车辆动力学性能符合GB/T5599-1985《铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》的规定。
7.3车辆冲击性能符合TB/T2369—1993《铁道车辆冲击试验方法与技
术条件》的规定。
7.4车辆的安全性能应符合TBl560-2002《货车安全技术的一般规定》。
8、相关计算
8.1静强度分析计算
由同济大学对罐车进行静强度计算分析,在所计算的3个工况下，罐车车体均能满足TB/T1335-1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》中的强度要求。
材料在各工况下的许用应力见下表：
材料
屈服极限
第一工况
第二工况
顶车工况
Q235
235
161
212
235
Q345
345
216
293
345
Q450
450
281
380
450
1050A
35
17
31.3
35
5083
125
68
83
125
第一工况，在所计算的车体二种载荷工况下，罐体及车体均能满足《规范》中的强度要求。
第二工况，在所计算的整车二种作用方式下，罐体的最大应力在
枕梁上支撑鞍座接触处及罐端，罐体及车体也均能满足《规范》中的强度要求。
顶车工况在所计算的整车体作用方式下，罐体的最大应力在枕梁
上支撑鞍座接触处及罐端，罐体及车体也均能满足《规范》中的强度
要求
详见《23t轴重铝制铁道罐车强度计算报告》
8.2动力学性能分析计算
由同济大学对罐车进行空车和重车动力学性能分析,各项指标均符合GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规定。
并作如下的预测：
在新轮轨状况下，空车蛇行临界速度为145km/h，重车蛇行临界速度为167km/h，能满足最高运行速度120km/h的运行
要求。
详见《23t轴重铝制铁道罐车动力学计算报告》
8.3制动性能分析计算
全车制动倍率7.8，制动率空车22%，重车16.3%。
计算结果表明，牵引重量5000t时，列车运行速度为120km/h时，实施紧急制动，制动距离为1183m，满足在1400ｍ内停车的要求；最大粘着利用率92.7%，不产生滑行。
详见《23t轴重铝制铁道罐车制动计算报告》
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