《鐵路貨車設計與制造》教案 第一章 鐵路貨車發(fā)展

鐵路貨車設計與制造教案課程信息課程名稱鐵路貨車設計與制造授課專業(yè)鐵路機車車輛課程類型必修課公共課（）；專業(yè)基礎課（）；專業(yè)課（√）；選修課限選課（）；任選課（）；專業(yè)拓展課（）授課方式講授（√）；實踐課（√）；其它（）考核方式考試（）；考查（√）課程教學總學時數(shù)32學時學分數(shù)2學分學時分配理論課20時；實踐課12學時；教材名稱鐵路貨車設計與制造［M］作者馮成堯；馬貴平出版社西安電子科技大學出版社書號978-7-5606-6561-0出版時間2022.08班級課程名稱鐵路貨車設計與制造授課教師授課課時2學習課題鐵路貨車發(fā)展教學基本要求對鐵路貨車發(fā)展有一個總體的、全貌的了解。教學重點、難點介紹國內外鐵路貨車發(fā)展。教學方法、手段案例導入法、講授法、小組討論法教學過程設計導入——專題講解——問題分析討論——練習——歸納總結參考案例來自教材、相關參考書教具、教材教學課件PPT、教學錄像片

教師學期授課教案授課提綱及重難點分析教學方法設計時間分配及旁注1.1我國鐵路貨車技術發(fā)展自新中國成立以來，中國鐵路貨車經歷了兩個階段、實現(xiàn)了三次大的升級換代。第一階段是從1949年至1957年的仿制國外產品階段，第二階段是從1957年2020年的自行設計、自主創(chuàng)新階段。在兩個階段中，中國鐵路貨車實現(xiàn)了三次大的升級換代：1956～1957年，新中國第一個自主設計的P13型棚車在齊齊哈爾誕生和載重30噸貨車在中國全面停產，標志著中國鐵路貨車實現(xiàn)了載重由30噸級向50噸級的第一次升級換代。1976～1978年，載重60噸C62A型敞車在齊齊哈爾落成和載重50噸級貨車在中國全面停產，標志著中國鐵路貨車實現(xiàn)了載重由50噸級向60噸級的第二次大的升級換代。2003～2006年，載重80t級C80型鋁合金、C80B型不銹鋼煤車和C70型敞車等載重70噸級貨車在齊齊哈爾研制成功及載重60噸級貨車在中國全面停產，標志著中國鐵路貨車實現(xiàn)了載重由60噸級向70～80噸級、時速由70～80公里向100～120公里的第三次大的升級換代。2007～2016年，持續(xù)推進既有線開行27t軸重通用貨車、專用線開行30t軸重貨車成套技術研究。1.1.1我國貨車新產品開發(fā)取得新成就重載運煤車輛支持經濟發(fā)展引進消化了美國鋁合金貨車技術，研制開發(fā)了載重80t級C80型鋁合金、C80B型不銹鋼運煤敞車，滿足了大秦線開行2萬噸重載組合列車的運輸需求，開辟了中國鐵路重載運輸?shù)男录o元，使中國鐵路重載運輸技術一步跨入了世界先進行列，為大秦鐵路年運量從1億噸躍升到2～4億噸提供了新型運輸裝備。揭開了中國鐵路貨車第三次全面升級換代的嶄新一頁。通用70t車輛上高度研制開發(fā)了具有自主知識產權的載重70t級C70、C70A、C70B型敞車、P70型棚車、X4K型集裝箱平車及KM70A型底開門煤車、KM70B不銹鋼煤炭漏斗車、L70型糧食漏斗車等新型貨車，實現(xiàn)了中國鐵路貨車由60t級向70t級的全面升級換代。研制了轉K2型提速轉向架，完成了既有貨車120km/h提速改造技術方案設計，快速提升了既有鐵路貨車的技術性能，改寫了中國鐵路貨車40年來長期在70-80km/h徘徊的歷史，為鐵路全面實施提速戰(zhàn)略奠定了重要基礎。大車研發(fā)新突破研制開發(fā)了載重350～450噸落下孔車、載重350～380噸鉗夾車、載重320噸凹底平車、載重260噸組合式長大平車，填補了多項國內空白，達到了國內領先、國際先進水平，連創(chuàng)了4項中國鐵路之最。其中，載重450噸落下孔車，是我國乃至亞洲載重量最大的特種貨車，也是世界上載重噸位最大的落下孔車。整機出口展實力研制開發(fā)了澳大利亞、新西蘭等國的25～30噸軸重3*20ft集裝箱車、五單元關節(jié)式集裝箱車、C35型糧食漏斗車及C32型煤漏斗車、35.7～40噸軸重不銹鋼礦石車，取得了貨車整機出口的新突破，實現(xiàn)了中國向世界發(fā)達國家批量出口鐵路貨車整機的夙愿，向世人展示了中國鐵路貨車制造業(yè)的綜合實力。關鍵部件新支撐研制的21t軸重轉K2型、K4型與K5型提速轉向架和25t軸重轉K6型、K5及K7低動力作用轉向架，已成為中國鐵路新型貨車的主型轉向架。25～40t軸重轉向架，是中國鐵路出口貨車的主力轉向架。21～25t軸重2軸、3軸、4軸、5軸焊接轉向架，滿足了國內長大特種貨車開發(fā)的需求。儲備開發(fā)了30t軸重重載貨車轉向架、160km/h快捷貨車轉向架。特別是引進消化了美國E、F型車鉤技術并全部實現(xiàn)了國產化，開發(fā)了高強度牽引桿、鍛造鉤尾框、組合式大容量緩沖器等提速重載貨車車鉤緩沖配件，初步搭建起了國內外鐵路貨車整機開發(fā)的技術平臺。1.1.2核心技術的發(fā)展我國鐵路貨車經歷了從仿制到自主研發(fā)、從引進消化吸收到再創(chuàng)新近70年的發(fā)展歷程，目前達到了貨物列車商業(yè)運營速度120km/h的運用要求，實現(xiàn)了“提速重載并舉、高效周轉、安全可靠”的目標，整體技術已接近國際先進水平，部分技術已經達到世界先進水平，較好地滿足了我國貨車發(fā)展的需要，有力保證了貨物運輸安全。特別是二十一世紀以來的技術創(chuàng)新，形成了多項高水平的適應中國鐵路實際運用條件的核心技術，涵蓋了設計、制造、試驗等各個領域。（1）車體輕量化設計技術通過采用鋁合金、不銹鋼和非金屬等新材料、冷彎型鋼、結構優(yōu)化等設計手段，降低了車輛自重，提高了車輛載重，從而提高車輛本身的運輸能力。（2）低動力作用技術通過彈性定位技術、擺動技術和徑向技術的研究與應用，降低車輛的輪軌動作用力，在提高車輛使用壽命的同時，減少鋼軌磨耗和對路基的損壞，降低線路的維修成本和整體的運營成本。（3）抗菱技術通過在轉向架采用交叉桿、彈簧托板等抗菱技術，實現(xiàn)了三大件式轉向架運用性能的本質提升，更好地適應了重載、提速條件下對走行裝置的要求（4）縱向力技術重載列車是鐵路貨車的一個發(fā)展方向，通過對縱向力研究，采用16和17型車鉤技術、牽引桿技術、大容量緩沖器技術、鍛造鉤尾框技術及制動控制技術，減小了列車縱向作用力，確保了2萬噸列車的順利開行。（5）可靠性技術基于疲勞分析理論的可靠性設計，提高了車體鋼結構及車輛關鍵部件的設計可靠性；采用緊湊型軸承、二次磨輪耗輪、新車軸，改善受力狀況，提高強度儲備，有效提高車輛運用的可靠性；運用彈性常接觸旁承技術和心盤連接技術，提高了車體運行性能和側滾穩(wěn)定性，降低了心盤連接部位的磨耗；采用無級空重車自動調整裝置、高摩合成閘瓦等制動新技術，提高了制動性能和使用可靠性；通過環(huán)形線運行可靠性試驗、干線運行可靠性試驗以及載荷譜研究，為產品的質量和性能提供了理論基礎。1.1.3貨車新工藝開發(fā)取得新突破車體不銹鋼焊接新技術不僅填補了國內鐵路貨車制造工藝技術空白，而且?guī)恿藝鴥辱F路貨車耐候鋼焊接技術水平的同步提升；搖枕側架整體芯鑄造新技術有效提高了鑄件的安全可靠性；制動系統(tǒng)模塊化組裝新技術，徹底改變了傳統(tǒng)的生產組織作業(yè)方式，提高了制動裝置零部件制造質量和組裝質量，可解決運用貨車制動系統(tǒng)長期存在的管路泄漏和折斷等慣性質量問題。三項重大工藝新技術的開發(fā)與應用推廣，大大提升了鐵路貨車制造技術水平，為中國鐵路貨車推行精益制造奠定了重要技術基礎。1.1.4貨車基礎研究和技術管理取得新提升中國鐵道科學研究院歷時四年完成了載重70噸、80噸級新型貨車和載重60噸提速改造貨車環(huán)形線36萬公里120km/h持續(xù)運行可靠性“長跑”試驗，為開行120km/h貨物列車積累了運行經驗，為制定新型提速重載貨車檢修規(guī)程和可靠性試驗規(guī)范提供了科學依據(jù)。國內鐵路科研部門開展了鐵路貨車載荷譜試驗研究，揭開了貨車疲勞可靠性研究的新篇章。中國國家鐵路集團有限公司（原鐵道部、以下簡稱國鐵集團）完成了鐵路貨車驗收信息管理系統(tǒng)和鐵路貨車新技術基礎數(shù)據(jù)管理信息管理系統(tǒng)的開發(fā)，提升了鐵路貨車產品質量控制手段和技術管理水平。其中：鐵路貨車驗收管理信息系統(tǒng)在驗收日常工作中全面投入使用，取得了良好效果；新技術基礎數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)進入調試階段，逐步建立鐵路貨車技術基礎數(shù)據(jù)庫、企業(yè)設計生產資質信息庫、新技術教學培訓信息庫，由此推動鐵路貨車研發(fā)企業(yè)的產品三維設計和產品數(shù)據(jù)管理（PDM）的實施，實現(xiàn)鐵路貨車基礎技術信息的共享。1.1.5慣性質量問題得到逐步解決為更好地適應鐵路運輸對車輛裝卸、防盜、操作可靠的運輸要求。針對運用、檢修中反映的慣性質量問題，通過應用新技術、新結構、新工藝、新材料，基本解決了敞車下側門搭扣、票插、折角塞門手柄、手制動機滑輪、軸承擋鍵等貨車配件防盜問題；在國鐵集團營運部門的指導下，貨車制造及維修企業(yè)對C70敞車在集載能力、裝載加固、繩栓等方面進行了改進完善，還解決了既有舊型敞車車門變形、13號鉤尾銷折斷等問題，滿足了國內不同客戶的個性需求。同時，中車相關企業(yè)還完成10余項調研項目，為今后立項攻關和解決檢修運用問題積累了技術資料。1.1.6未來技術發(fā)展方向隨著和諧鐵路建設發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，鐵路貨車運用條件發(fā)生了巨大變化。首先是貨車運行速度、載重量的提高，以及列車牽引重量、編組輛數(shù)的增加，列車縱向沖動將呈非線性增長；其次是車輛周轉天數(shù)降低、使用頻率提高，特別是取消貨車輔修修程及延長貨車廠、段修周期和關鍵件的質量保證期等修制改革的深化，以及列檢布局的調整和交路的延長等措施的實施。這些都對貨車及其零部件的技術性能和使用安全可靠性提出了新要求。到2021年底，全國鐵路營業(yè)里程達14萬公里，主要繁忙干線了實現(xiàn)客貨分線?？拓浄志€后我國既有鐵路干線將以貨物運輸為主，十條大能力煤運通道將進行煤炭重載運輸，新建線路將對既有通用線路和專用線路的運輸能力進行補充。從而形成客貨分線后的既有通用線路、既有貨運專用線路、新建鐵路線路三種運輸條件的線路。為充分利用既有條件，快速提高我國鐵路運輸能力，緩解制約國民經濟發(fā)展的瓶頸，瞄準國際先進技術水平，借鑒國外重載、快捷運輸?shù)某晒涷?，加快重載、快捷貨車新產品開發(fā)，實現(xiàn)快捷貨車技術新突破、重載貨車技術新跨越，滿足中國和世界鐵路貨物運輸發(fā)展要求。對于客貨分線后的既有通用線路，發(fā)展軸重27t、載重80t級、商業(yè)運營速度100～120km/h、列車編組5000～10000噸的新型通用貨車；研究既有貨車在客貨分線后的運輸模式和技術條件，最大限度提高運輸能力。對于客貨分線后的既有專用線路，發(fā)展軸重30t、載重95噸級、商業(yè)運營速度100km/h、編組2.5～3萬噸的新型重載貨車。對于新建鐵路線路，根據(jù)路網規(guī)劃、運能需求及今后的技術儲備等綜合考慮，發(fā)展軸重25～40t、商業(yè)運營速度100～120km/h、編組1～3萬噸的新型重載貨車。新型重載、快捷貨車研制目標是：瞄準世界先進水平，立足自主創(chuàng)新，突破線路、橋梁等相關技術，集中優(yōu)勢力量攻克重載、快捷貨車關鍵技術；研制30t軸重及以上專用貨車、優(yōu)化載重80t級通用貨車、160km/h快捷貨車三大系列產品；建立適應我國鐵路特殊運行條件、優(yōu)于國際先進標準的中國鐵路貨車標準體系；推進我國鐵路貨車邁上30t軸重和160km/h新臺階，使我國鐵路重載、快捷貨車技術全面達到世界先進水平，適應客貨分線后鐵路貨運發(fā)展需求，滿足國民經濟又好又快發(fā)展的需要。約30min1.2世界鐵路發(fā)展趨勢及國外重載運輸概況世界鐵路的發(fā)展趨勢就是：客運高速和貨運重載。到上世紀末，世界范圍內的貨物列車重載運輸技術迅速發(fā)展，重載運輸?shù)膰乙呀洷榧拔宕笾藓蛶缀跛械蔫F路大國。重載運輸技術已被國際公認是鐵路貨運發(fā)展的方向，重載運輸不僅提高運量，降低成本提高收入，而且能降低維修成本。重載運輸取得的效益已由各國的實際運輸業(yè)績所證實。2000年以后國外鐵路運輸發(fā)展較為緩慢，所以未在統(tǒng)計國外鐵路運輸情況。表1匯總了國外發(fā)達國家及我國的重載運輸?shù)幕厩闆r。表SEQ表\*ARABIC1國外重載發(fā)達國家及我國重載運輸概況國家主要重載線路代表主要軸重牽引重量線路類型及裝備運量美國BNSF、UP、CSX、NS、KCSIC29.8t～35.7t12000t～20000t準軌66kg軌內燃2億噸/年加拿大DPCN29.8t～35.7t12000t～20000t準軌66kg軌內燃2億噸/年澳大利亞BHP、FMGQR(昆士蘭)30～40t21～25t38000t8000t準軌68kg軌內燃窄軌54kg軌電氣超過億噸/年重載占86%南非OrexRechard28t～30t、26t20000t20000t窄軌60kg軌電氣窄軌57kg軌電氣單線3500萬t/年雙線8000萬t年巴西CVRD卡拉其維多利亞29.8、32t29.8t30000t15000t寬軌68kg軌內燃寬軌60kg軌內燃雙線8000萬t/年瑞典LKAB30t8500t準軌50kg軌電氣單線3000萬t/年中國大秦線23t、25t20000t準軌75kg軌電氣雙線3.5億t/年1.2.1美國美國鐵路貨運在其綜合交通體系中發(fā)揮著骨干作用，其市場份額保持在40%左右，最高可達42.7%，并在大宗貨物長途運輸方面一直占有巨大優(yōu)勢。美國鐵路線路里程以約23萬km遙居世界首位。其中I級鐵路公司的總里程約19.4萬公里，約占美國全部路網里程的67%。線路鋼軌64.5~69kg/m鋼軌為主，占總里程的60.3%。美國鐵路貨車軸重多為29.8t~32.43t，25t軸重貨車已基本淘汰，新造貨車軸重多為32.43t，部分貨車軸重甚至達到35.7以上t。軸重為29.8t的貨車占美國整個重載貨車的65%，隨著貨車軸重的增加，其車輛平均載重從1960年的55.4噸，增加到2010年的101.7t。美國鐵路重載約95%是利用單元列車運輸?shù)?，列車編組一般為135~150輛，牽引質量1.75萬~2萬噸。煤炭是美國鐵路運輸最主要的貨物品類，2010年煤炭運輸占其鐵路總運量的44%，煤炭運輸收入占總運營收入的24.2%；另外，美國鐵路雙層集裝箱運輸也進入重載運輸?shù)念I域。目前，其鐵路雙層集裝箱運量已占美國集裝箱總運量的70%以上，已成為聯(lián)合運輸?shù)闹攸c產品，成本比用一般鐵路平車裝運公路半掛拖車節(jié)約40%以上。圖SEQ圖\*ARABIC1-1美國的重載列車1.2.2加拿大加拿大鐵路重載運輸方式與美國相似，是北美鐵路重載運輸?shù)慕y(tǒng)一模式。加拿大鐵路營業(yè)里程約7萬km，重載運輸里程4.7萬。主要有加拿大國鐵（CN）和加拿大太平洋鐵路（CP）兩大公司，營業(yè)里程分別為25900km和27840km。加拿大太平洋鐵路(CP)的重載列車由124輛貨車組成,列車載重16000t。REF_Ref232482942\h圖1-2是加拿大CP公司鐵路重載列車在運輸途中。重載列車的開行，大大降低了加拿大鐵路的運輸成本，1997年，CP的運輸成本為1.6美分/t·km，與美國鐵路相當。1997年，加拿大鐵路完成貨運量3.6億t，總收入60億美元，純利潤高達8億美元。圖1-SEQ圖\*ARABIC2加拿大CP鐵路重載列車1.2.3澳大利亞澳大利亞的礦產資源非常豐富，煤炭和鐵礦石以及鋁土、黃金的儲量都位居世界前列，還是世界上主要的糧食（小麥）輸出國之一，這樣的資源特點推動了澳大利亞鐵路重載運輸?shù)陌l(fā)展。2009年重載運輸產值占全澳GDP的1.7%，年運輸產值約70億美元，煤炭運量占其鐵路貨運總量的37%，礦石運量占39%，年貨運量達5.45億t。重載運輸貨運量占全澳貨運市場的40%，未來計劃發(fā)展到50%。澳大利亞開展重載運輸?shù)墓局饕煞譃殍F礦石運輸和煤炭運輸。以煤炭運輸為主的是昆士蘭鐵路公司（QR），以鐵礦石運輸為主的有必和必拓（BHPBilliton）公司、力拓公司下屬的皮爾巴拉鐵礦公司（PilbaraIron）和FMG公司。昆士蘭的電氣化運煤鐵路軌距為1067mm，鋼軌重量60kg/m，車輛軸重22.5t，最長列車編掛148輛貨車，總重10500t。必和必拓（BHPBilliton）公司紐曼山鐵路年運量為1.09億t，列車由6臺6000馬力的機車牽引，大多數(shù)列車編掛208輛礦石貨車，每輛貨車裝載約125t鐵礦石，軸重37.5t，均牽引質量4.5萬t，曾于2001年創(chuàng)造了總重達99734t的重載列車試驗記錄。BHP公司每年出口鐵礦石0.8億t~1億t。哈默斯利鐵礦鐵路屬力拓礦業(yè)集團下屬的皮爾巴拉鐵礦公司（PilbaraIron），擁有1200km鐵路，列車編組通常在230輛以上，每輛車載重100t以上，列車總重2.95萬t，長2400m。FMG是澳大利亞第三大鐵礦石生產商，發(fā)展速度驚人，其重載線路采用40t軸重的礦石敞車，每列編組240輛礦石敞車，載重達32950t鐵礦石，接近2.7km長。圖1-SEQ圖\*ARABIC3澳大利亞重載運輸列車1.2.4南非南非積極借鑒美國鐵路的經驗，引進了重載單元列車技術，獨創(chuàng)性的在米軌線路上開行了重載運輸。從20世紀70年代開始修建重載鐵