封闭断面型钢在铁路货车承载结构中应用研究

封闭断面型钢在铁路货车承载结构中应用研究

韩志和

中车哈尔滨车辆有限公司 黑龙江 哈尔滨 150010

摘要：冷弯型钢是一种复合型钢，也称为薄壁型钢，由热轧或冷轧带钢制成，经常温压力加工而成，是一种轻质结构钢。冷弯型钢的应用使铁路货车的结构设计更合理，刚强度分配更均衡。本文首先阐述了铁路货车承载结构用封闭断面型钢的种类、下料与焊接工艺，并对其进行了应力测试，分析了影响货车承载结构用封闭断面型钢变形的主要因素。

关键词：封闭断面型钢；铁路货车；类型；工艺

近年来，随着重型铁路货车提速技术的发展，为了提高车辆的承载能力及整体性能，在不降低车辆性能的前提下，需合理降低自重。封闭断面型钢因其尺寸精确、外形美观、刚度好，而被广泛应用于铁路货车上。其中，冷弯封闭断面型钢的应用最为广泛。

一、冷弯型钢的应用

冷弯型钢由不同截面形状尺寸的热轧或冷轧带钢弯曲而成的型钢，是一种轻质薄壁经济型钢，又称冷弯型钢或冷弯型材。与热轧产品相比，冷弯型钢品种多、外型美观、性能稳定、重量轻，可满足用户对更复杂截面形状的要求，广泛应用于建筑、桥梁、机械、制造等行业，已逐渐成为铁路货车结构设计中热轧钢的替代品。

20世纪80年代，冷弯型钢在我国首次应用于铁路货车，当时开发了两种冷弯型钢，即敞车端墙横、帽型钢侧柱。90年代初，研制了尖角矩形管敞车上侧梁。经多年的应用验证，产品质量相对稳定，尤其是尖角矩形管的开发，保证了上侧梁转角与侧板间的焊接质量。但在通用棚车应用较晚，直到20世纪90年代中期，冷弯车顶侧梁及波纹门板才得到了开发和应用，之后开发了左门右框及右门左框。与敞、棚车相比，铁路平车及槽车因其结构不同，在冷弯型钢中使用较少。

随着铁路货车速度和重量的提高，为了在不降低货车性能的前提下提高其承载能力与综合性能，有必要对车体结构进行优化，合理降低自重，而运用冷弯型钢是一种有效措施。近年来，随着冷弯型钢制造技术的成熟及断面的多样化，其在货车上的应用得到了快速发展。冷弯型钢广泛应用于新型70t货车车体结构中，为优化设计提供了一条良好的途径。与热轧钢相比，冷弯型钢具有以下特点。

1、自重轻，能实现车体轻量化设计。因冷弯型钢无热轧型钢所需的轧制圆角及斜度，并且所有断面都按一种厚度轧制，所以冷弯型钢重量远低于同规格热轧型钢重量，这无疑是对车辆自重要求近乎苛刻的铁路货车产品的一个重要优势。如C70普通敞车下侧梁采用8mm厚240mm高槽冷弯型钢，与相同长度的热轧槽钢相比，重量减轻约150kg，车辆自重减轻300kg。

2、可设计成合理的断面形状。在车辆设计中，可根据结构需要设计一些特殊的冷弯型钢类型，使结构更加合理，工艺性更强，便于组装。比如，棚车上侧梁的等边角钢被冷弯型钢所取代，并且为提高其刚度，将冷弯型钢设计成与汽车用的上边框型式相似的“Z”型，该结构与车顶板和侧墙的交接更加合理，便于组焊。又如，在25t粮食漏斗车的设计中，因其侧板使用了圆弧包板结构，为了更好地与圆弧交接，保证结构强度，下侧梁设计成一种带斜边封闭的方形结构，保证工艺操作方便可靠，大幅提高车体刚度。

3、材料强度等级高，耐腐蚀性强。自1987年以来，耐候钢在我国铁路货车上得到了广泛的应用，主要由09CuPTiRE材质制成。这种耐候钢已用于最初开发的敞车用的三种冷弯型钢。铜磷耐候钢的科学应用试验表明，其耐腐蚀性一般约普通碳钢的两倍，在恶劣环境中为2～3倍。随着货车提速主要技术政策的制定，选用高耐候结构钢以减轻货车自重、提高货车性能显得尤为重要及迫切。当前，主要铁路货车的敞、棚、平、罐车结构多采用耐候钢，进一步提高了强度等级，从345MPa的09CuPCrNi-A屈服强度到450MPa的Q450NQRl，其耐腐蚀性相当于普通碳钢2～3倍，在恶劣环境下可达3倍以上。

此外，因冷弯型钢的截面可由设计师自行设计，无需象热轧型钢那样受到限制，所以结构设计上提供了更大的灵活性和更好的结构性能，能减少自重及增加强度裕量。冷弯型钢当前已广泛应用于70t级新型货车中，其利用率占型钢的80%以上。比如，在C70普通敞车仅中梁采用热轧型钢，大部分热压梁柱采用冷弯型钢，车内使用十多种冷弯型钢。其中，为满足翻车机作业时其托车梁托车力要求，避免侧柱挤压变形，侧柱设计为双曲冷弯型钢，大幅提高结构刚强度；因端墙承受的冲击较大，C64敞车上端梁也由140×116矩形方管改为160×100矩形方管，以满足刚强度要求。

二、封闭断面型钢类型

根据截面的形状，封闭断面型钢可分为圆形、矩形、异形管。铁路货车常用封闭断面型钢及其安装位置为：

1、圆管：两端开孔，空心同心截面的钢材，其长度与周边比大。依据生产工艺可分为无缝、焊接钢管，一般用作铁路货车承载结构的支撑或拉杆。

2、矩形管：它是一种长空心型材，又称扁管、扁方管或方扁管，可分为无缝钢管(包括热轧无缝方管、冷拔无缝方管、挤压无缝方管)与焊接钢管，其广泛应用于铁路货车上下侧梁、上端梁、小横梁、斜撑等结构中。

3、异型管：是指除圆管与矩形管外，其他截面形状的无缝钢管的总称，可分为椭圆形、三角形、六角形、菱形、八角形、半圆形、不等边六角形、双凸形、双凹形、圆锥形、波纹形等异型钢管。较少用于铁路货车。

三、封闭断面型钢生产组装工艺

1、成型工艺。不同截面与形状的成型工艺不同，不同封闭断面型钢成型工艺为：①圆管：型材预处理→仿形切割→除渣、研磨→矫直。②矩形管：型材预处理→气切下料尺寸、除渣、研磨→矫直。③异型管：型材预处理→气切下料尺寸、除渣、研磨→矫直。由此可见，封闭断面型钢的成型工艺基本相同，只在整体成型略有不同。

2、下料工艺。在铁路货车制造中，当封闭断面型钢广泛用于零件制造时，主要运用以下下料工艺：①生产车间根据工艺下料卡要求，对来料检验合格的封闭断面型钢进行防锈预处理。②依据工艺下料单要求，将封闭断面型材切割成合适的长度。生产中，火焰切割主要用于下料，切割完后除渣和研磨。③矫直型钢，确保下料零件符合要求。因型材为空心结构，改造其双头顶弯机顶块，以确保在矫直过程中型钢不会发生局部变形。

3、焊接工艺。铁路货车各部件主要采用焊接连接，封闭断面型钢与其他板材也采用焊接连接。耐候钢主要用于铁路货车，为保证焊接质量，封闭断面型钢、耐候钢等低合金钢采用二氧化碳气体保护焊焊接。应根据焊接板材厚度采用适当的焊接规范，以减少焊接变形。另外，为保证厚板焊接的可靠性，可进行开坡口焊接，当板厚为3～15mm时，适用开坡口。

同时，为减少焊接热输入影响，还规定了板材的焊接顺序：①焊接过程中尽可能减少热输入量及填充金属。②各组单元应合理配置焊接结构，正确进行组对焊接。③最后焊接构件刚度最大部位(以便杆件尽可能自由收缩)。④中间向两侧对称焊接。⑤先焊对接焊缝，再焊角焊缝。

此外，为保证焊接后的产品符合要求，需对变形产品矫平，常用的矫平方式为：①重物压载：将变形产品放在平台上，使用反变形放置方法，将重物放在其上方，使其压平；②火焰矫平：通过观察产品变形趋势，经烤三角火焰方式及钢材的热胀冷缩特性，冷却后矫平。

四、结论

1、铁路货车使用的封闭断面型钢大多为圆管、矩形管、异型管。

2、铁路货车承载结构中有大量的封闭断面型钢构件，相关试验表明，封闭断面型钢在不同工况下应力未超过材料屈服强度。

3、根据试验数据，铁路货车封闭断面型钢变形主要因焊接变形造成，封闭断面型钢焊接时，货车生产单位应严格按焊接规范焊接，而且设计中应合理选择型钢壁厚，以减少对型钢的影响。

参考文献：

[1]刘海鹏.铁路货车用型钢发展概况[J].铁路采购与物流,2015(11).

[2]江明星.封闭断面型钢在铁路货车承载结构中应用研究[J].内燃机与配件，2018(07).