1、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 月中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 1 页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，
2、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
3、 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：中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 2 页 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。 载重 68t（工业浓硝酸介质），自重 25.8t 轴重 23 t%21 商业运营速度 120km/h 满足用户现有的地面装卸设施3 设计遵循的主要标准G
4、B146.1 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/T1.11.2 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：HNO 3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)中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & R
5、olling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 3 页密度： 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%21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 罐体设计参数指 标项目 单位罐体设计压力 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 2400罐体材质 1050A/5083罐体容积
6、m3 49.6水压试验 MPa 0.35.3 主要尺寸车辆长度 13466mm车辆定距 8300mm中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 4 页车辆高度 约 4200mm车辆宽度 2680mm底架长度 12500mm车钩中心线高 88010mm固定轴距 1830mm车轮直径 840mm5.4 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%21轴重计算， 该车载重可达
7、 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 2680 mm。5.4.3 罐体材料的选择中 国 北 车 集 团 沈 阳 机
8、车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 5 页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
9、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/T388019
10、97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) b (MPa) p0.2 (MPa) 室温下许应应力 伸长率(%)1050A 12.525 70 35 17 16中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 6 页1060 12.550 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p0.2为 基准得出材料的许用应力值如下表所示：材料 第一工况 (M
11、Pa) 第二工况 (MPa)1050A 17 31.31060 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
12、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 罐体总成中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 7 页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 120mm60mm20m
13、m 和 2 个800mm80mm24mm 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。中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 8 页5.5.2 底架总成中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyan
14、g Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 9 页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2004264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16
15、0636.5 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2007163 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。中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 10 页5.5.3 底架附属件按运装货车2006179 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
16、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200679、162 号文件材质为 B 级 或运装货车电20071887 号电报 的要求装用整体芯 B+中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 11 页级钢。侧架采用宽导框式结构，采用符合运装货车2006162 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200
17、6393 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2006411 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
18、车2006190 号文件要求和运装货车2006158 号文件要求。挡键处按运装货车2006162 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200211 号文件要求的高摩合成闸瓦、采用符合运装货车2004265 号、运装货车电20051391号和运装货车2006162 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200580号文件要求KZW-A型空重 车自 动调整装置、符合运装 货车2005333号文件和中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR S
19、henyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 12 页运装货车2007242 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2006179号文件要求的305254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200184号文件和运装货车2002248 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2005437号文件和运装货车2006179号文件要求的嵌入式储风缸、符合运装货车200211号文件要求的高摩合成闸瓦。手制机装置采用符合运
20、装货车20012号、运装货车2007245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2007163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 车钩缓冲装置中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 13 页采用符合运装货车2004215 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200
21、62892 号电报要求的改进型钩舌，配套采用符合运装货车200578 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2004371 号文件要求的含油尼龙钩尾框托板磨耗板、符合运装货车2006162 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2007163 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
22、 标准 6g、头部应有“10.9” 标记。5.5.7 罐体与底架装配方式中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 14 页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
23、体在枕梁处采用宽 1200mm 厚 10mm 材质Q345A 的钢板紧固。中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 15 页中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 16 页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中 国 北 车 集 团
24、 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 17 页TB/T 2879.4 的规定，涂料应符合 TB/T 2879.1 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/T1.11.2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
25、在规定部位涂打容量计表号。票插采用符合运装货车2007163 号文件要求的专用拉铆钉连接。5.5.8.3 按运装货车200034 号文件、运装 货车电2002104 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/T13351
26、996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、纵向压中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车 辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 18 页缩力为 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/T23691993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
27、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 235Q345 345 216 293 345Q450 450 281 380 4501050A 35 17 31.3 355083 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。中 国 北 车 集 团 沈 阳 机 车 车
28、辆 有 限 责 任 公 司CNR Shenyang Locomotive & Rolling Stock (Group) Co. Ltd.共 19 页 第 19 页第二工况，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 1400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
