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冷彎型鋼在鐵路貨車上的應用發展
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1、國內外鐵路貨車發展情況概述

目前,世界鐵路貨車技術發展可分為兩大流派,一是以美國、加拿大、澳大利亞、南非、巴西為代表的重載技術,其主要特征是車輛軸重大、載重量高、自重輕及列車編組輛數多。二是以法國、德國等歐洲為代表的快捷技術,其主要特征是車輛運行速度高、列車編組數量少。近幾年來,我國鐵路貨車技術水平迅速提升,綜合技術水平已經接近或達到了國際優良水平。首先,以重載貨車為代表的綜合技術已達到了國際優良水平。其次,提速重載并舉的鐵路通用貨車全部實現了升級換代。

從國內外鐵路貨車技術的現狀不難發現,現有鐵路貨車都在向著大載重、小自重、開發采用新材料上發展,也即向貨車車體輕量化設計上發展。毋庸置疑,實現車體輕量化很直接有效的辦法會是減少各部結構所用板材的厚度。但由于車輛設計受到車輛性能、結構強度和檢修年限等限制,板材的選取也是有限度的,需要從其他途徑去尋求解決車體輕量化的辦法。隨著鐵路貨車技術的發展,型鋼由于在斷面形狀上可提供更多的選擇,尺寸相對準確,強度和剛度逐步提高,其在鐵路貨車上的應用范圍也在不斷擴大。型鋼,特別是冷彎型鋼在鐵路貨車上的應用,使鐵路貨車的結構設計更趨于合理,強度和剛度的分配更加均衡,通過優化結構的方式實現了輕量化設計的目的。

2、冷彎型鋼在鐵路貨車上的應用優勢及問題

冷彎型鋼是一種以熱軋或冷軋帶鋼為坯料,經彎曲成型制成的各種截面形狀尺寸的型鋼,它是一種經濟的截面輕型薄壁鋼材,也稱為鋼制冷彎型材或冷彎型材。冷彎型鋼以其型式多樣、外型美觀、性能穩定、與熱軋產品相比重量輕,并能以較復雜斷面尺寸滿足用戶要求而廣泛應用于各類建筑、橋梁、機械、制造等行業,并逐步成為在鐵路貨車產品結構設計上熱軋型鋼的替代品。

隨著鐵路貨車的重載和提速,要求我們在設計車輛時要不斷地優化車體結構,在不降低車輛性能的前提下合理減輕自重,以提高載重和車輛綜合性能,而車輛結構設計中采用冷彎型鋼會是一個有效的手段。同時,隨著冷彎型鋼制造技術和手段的不斷成熟熟,其在鐵路貨車上的應用在近幾年也得到了較快地發展。70t級新型貨車的車體結構會大量應用了冷彎型鋼材料,為優化設計提供了良好的途徑。與熱軋型鋼相比,冷彎型鋼具有以下幾個突出的特點。

(1)自重輕,可實現車體的輕量化設計。

(2)可設計為合理的斷面形狀,滿足使用要求。

(3)材料強度等級高,耐腐蝕能力強。

同時,由于冷彎型鋼本身斷面可由設計者自行設計,不必像定型的熱軋型材那樣受到局限,因此在結構設計上可具有較大的靈活性。原來只有用熱軋型鋼才能實現的結構,現在用冷彎型鋼也可以很方便地實現,且性能更優,在降低自重的同時,又提高了強度儲備。

目前,各型70t級新型貨車均大量采用了冷彎型鋼,其使用率占型鋼品種的80%以上。以C70型通用敞車為例,該車共裝用了十幾種冷彎型鋼,僅中梁采用了熱軋型鋼。其中,為了適應翻車作業時翻車機托車梁托車力的要求,并防止側柱的擠壓變形,將側柱設計為雙曲面型式的冷彎型鋼,大大提高了結構的強度和剛度;而端墻由于要承受更大的沖擊力作用,上端梁也由C64型敞車時的140×116矩形方管改為160x100的矩形方管,滿足了強度和剛度的要求。

雖然,我國鐵路貨車上應用冷彎型鋼已有將近二十年的歷史,但在冷彎型鋼的制造工藝和產品裝車使用上還存在以下一些問題:①冷彎型鋼的彎角過大,且制造過程中容易產生裂紋。受冷彎型鋼軋制設備和材料延伸率的限制,冷彎型鋼在制造過程中彎角往往都相對較大。由于彎角過大,在與其他部件連接時,焊縫不易處理,焊角也往往過大,工藝性較差。同時,在冷彎的過程中,圓角處由于擠壓彎曲也容易產生不易被察覺的微小原始裂紋,而這些裂紋即有可能成為車輛運行的安全隱患。②冷彎型鋼存在較大的內應力,變形較為嚴重。冷彎型鋼在制造過程中,由于其加工方式屬于機械強制變形,成形后勢必存在很大的內應力;冷彎后雖然有校正工序,但只是對型鋼外形尺寸進行修正,對消除內應力效果并不大。同時,其成品存放一段時間后,內應力不斷釋放,彎角處產生回彈,彎曲和扭轉變形愈加明顯,特別對那些開口不對稱的結構,變形更加明顯,外形尺寸無法保障。③冷彎型鋼制造質量不穩定。雖然我國研制的耐候鋼機械性能、抗腐蝕性及焊接陛良好,但其沖壓性能不如普通碳素鋼,其制件在彎曲后回彈較大,制造質量很難保障,特別是對稱結構的型鋼,更加無法保障對稱度的要求。

3、熱軋型鋼在鐵路貨車上的應用情況

熱軋型鋼以其外形尺寸準確、加工制造方便、工藝性好等特點,從我國具有鐵路貨車設計能力起,即開始在鐵路貨車上應:應用。早期車輛上采用的型鋼主要有敞、棚、罐車等通用車采用的310乙字鋼中粱,敞車采用的240槽鋼下側梁、橫梁和端墻橫帶,部分敞車采用的熱軋帽型鋼側柱,棚車采用的80槽鋼側柱及乎車用的工字型鋼中梁、側梁等。特別是中梁結構,有部分車輛還采用了槽鋼結構和工字鋼結構。實踐發現,乙字型鋼中梁的結構較為合理,制造方便,且工藝性更強,其應用也更為廣泛。

隨著鐵路貨車技術水平的不斷提升,型鋼的應用范圍也越來越廣泛。如H型鋼的中梁、L型鋼下側梁和槽鋼端梁、橫梁及乙字型縱向梁等在很多鐵路貨車產品上均有應用,很多是作為車輛的主要承載件使用。同時,由于熱軋型鋼在鐵路貨車上裝用便利,工藝性好,很多小的結構件、吊架等也大量應用。

應該說,熱軋型鋼的使用大大方便了車輛制造,使各部件之間的連接更為簡便,結構的強度和剛度均得到了一定的加強,推動了鐵路貨車的發展和進步,并在鐵路貨車用鋼中占有很大的比重。鐵路貨車升級換代逐步加快,對型鋼種類的要求也不斷諧加,但是各型鋼制造企業由于受制于從模具開發到投入使用周期較長且費用較高,已不能跟上鐵路貨車設計和制造周期縮短的步伐,制約了熱軋型鋼在鐵路貨車上的應用。同時,由于受熱軋型鋼本身重量分配不合理、自重過大、強度等級低等限制,其在鐵路貨車上的應用也受到了一定的限制。很多原來使用熱軋型鋼的結構,現在逐漸被冷彎型鋼的結構所取代。

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