234/245摘要隨著中國成功地加入世界貿易組織(WTO)，中國的經濟取得了空前的高速發展。國家投資基礎設施建設的力度越來越大，各種物資的流通運輸和周轉量逐年增加，經濟發展對交通運輸行業提出了更高的要求和挑戰。鐵道運輸作為國民經濟發展的大動脈，貨車運能遠遠不能滿足物資運輸的需求，鐵道運輸“重載化”已成為現階段鐵路運輸的重要課題。為提高運能，適應國民經濟發展的需要，近年來，鐵道部實施了跨越式發展戰略，鐵路貨車向“重載化、快捷化”的方向發展，出臺了70t級貨車的重載技術政策，先后研制成功了70t級新型敞車、平車、棚車等重載貨車，為全面開行重載列車創造了條件。70t級新型輕、粘油罐車是按照鐵路貨車重載技術政策要求設計開發的軸重23t的重載罐車，該車采用無中粱結構，載重較G70和G17B型罐車提高8t和7t。為適應重載，提高了車輛強度校核標準，新型罐車對車輛結構的可靠性提出了更高的要求，牽枕結構作為罐車車承上啟下的關鍵部件，傳遞著牽引和各項沖擊載荷，承載著各種垂向、橫向載荷，受力非常復雜，該結構的可靠性直接關系到罐車整車的運行安全。本文通過對70t級新型無中梁罐車牽枕結構的設計、選型和開發思路作以論述，探討無中粱罐車牽棟結構的一般規律，從而對一般無中梁罐車的設計和選型提供幫助。關鍵詞：70t級；無中梁罐車；車枕結構；設計；分析AbstractWithChina'ssuccessfulaccessiontotheWorldTradeOrganization(WTO),China'seconomyhasachievedanunprecedentedhigh-speeddevelopment.Increasingtheintensityofthenationalinvestmentininfrastructureconstruction,distributionandtransportationofvariousmaterialsandtheturnoverincreasedyearbyyear.Economicdevelopmenthasputforthhigherdemandsandchallengesonthetransportationindustry.RailwayTransportasthemainarteryofthenationaleconomicdevelopment,,truckedfarcannotmeettheneedsofthetransportationofmaterials,andtheRailwayTransport"overload"hasbecomeanimportantissueofrailtransportatthepresentstage.Inordertoimprovethetransportcapacitytomeettheneedsofnationaleconomicdevelopment,theMinistryofRailwaysimplementedaleap-forwarddevelopmentstrategyinrecentyearswhichleadedthedevelopmentofrailwaywagonstothe"overloaded,time-saved"ofthedirection.Ithasbroughtouttheoverloadedtechnologypolicyfor70tclasstruckincludinga70tclassofnewgondolacar,flatcar,boxcarandotherheavygoodsvehicles,andhascreatetheconditionsforthefullopeninglineofheavyhaultrain.70tclassofnewlight,stickyoiltankerisanoverloadedtankers(axleload23t),astubsilltangkcar,whichisdesignedanddevelopedwithaccordancetotherequirementofrailwaywagonsoverloadedtechnologypolicy,itsloadingcapasityisincreasedby8tand7tcomparedwiththeG70andG17B-typetanker.Toadapttooverloading,vehiclestrengthcheckstandardsareincreased.Thenewtypeoftankerclaimsmorereliabilityofthevehiclestructureinwhichdraftsillandbodybolsterstructrerisassemblyakeypart.Becausethepartisbaredwithvariousforceincludinglongitudinalimpactforce,verticalandhorizontalforce,thereliabilityofthepartisderectlyrelatedtothesaferunningofthewholetankcar.Thisthesisistryingtoprobeintothegeneralrulesfordraftsillandbodybolsterstructrerofstubsilltangkcarthoughdiscussingthedesign,structure-selectedanddevelopmentideasofClass70tonnewtypestubsilltangkcarandtoprovidegeneralassistmenttothedesignandstructure-selectingofgenerastubsilltangkcar.Keyword:Class70-ton;Stubsilltangkcar;Draftsillandbodybolsterstructrer;Design;Analysis目錄2221摘要 I21671Abstract II20618第一章緒論 1147501.1國外無底架罐車的發展歷史 4132111.2國內無底架罐車的發展歷史 99291.2.1我國鐵路罐車的發展現狀 91371.2.2我國罐車的不足 1636081.2.3我國罐車的發展趨勢 17140911.3罐車的應用 1827644第二章罐車的結構設計 2040232.1罐車介紹及其結構特點 20100012.2主要性能及參數 21150622.3主要結構 21223542.3.1罐體 22114882.3.2牽枕裝置 22270782.3.3制動裝置 23156342.3.4車鉤緩沖裝置 2374612.3.5轉向架 25182292.3.6側梯及操作臺 2786072.4罐體的受力分析 2887692.4.1內壓力 28255162.4.2外部過壓力 30155302.4.3垂直力 30256962.4.4側向力（離心力和風力） 31301732.4.5縱向載荷 3214012.5罐體的設計計算 32124432.6罐體的計算 35283582.6.1剛度計算結果 42197762.6.2強度計算結果 4281502.6.3車輛設備及結構附件的強度要求 43294962.7疲勞載荷分析 4361622.8車輛壽命及檢修周期 522869第三章罐體的工藝設計 5542683.1備料的加工工藝 5561043.1.1鋼材的預處理 55243323.1.2放樣、劃線與號料 55186763.1.3下料和邊緣加工 5629793.1.4彎曲和形成 56178093.1.5焊接材料 56185043.1.6附件 57192843.216MnR的焊接性分析 5726993.2.1對壓力容器用鋼基本性能的要求 57302133.2.2合金元素和雜質對壓力容器用鋼性能的影響 59290963.2.316Mn鋼的化學成分和力學性能 61225883.2.416Mn鋼的焊接性 6274193.3焊縫分類及接頭的選擇 6457583.3.1壓力容器焊接接頭分類 64325463.3.2接頭的選擇 64903.3.3焊接方法 64233513.4罐壁的預作 66161903.4.1罐壁的分塊 66176033.4.2罐璧排板與連接 67125683.5封頭的預作 68873.6罐體的組焊 70299683.6.1罐體組焊技術要求 70209803.6.2組焊方法 7089083.6.3制定焊接工藝應考慮的問題 70285823.7牽枕裝置的工藝流程 71105313.7.1牽引梁的裝配和焊接 71168933.7.2牽引梁的生產工藝流程 71305113.8焊接 72105693.8.1一般要求 72274163.8.2焊材管理 73301513.8.3焊接施工 7371853.8.4修補 74292173.9檢查及驗收 753463.9.1焊縫的無損檢測 7568863.9.2熱處理要求 75179953.9.3液壓試驗及其密性試驗 75130423.9.4氮氣置換 75234703.10工裝卡具的設計 759174第四章結論 7763884.1主要結論 77211884.2展望與設想 785131致謝 795509參考文獻 8119672附錄A：外文文獻 834233附錄B：中文翻譯 9729099附錄C：焊接工藝卡片 110第一章緒論鐵路機車車輛是鐵路運輸的重要設備，機車是牽引列車的動力，車輛是裝載旅客及貨物的工具。隨著鐵路建設的飛躍發展，鐵路機車車輛也有了很大的進步，相繼推出了一系列適應鐵路提速.重載需要的新型機車車輛。鐵路運輸是以鐵路作為運輸線路，由機械動力牽引車輛運送旅客和貨物的運輸。與水路運輸.公路運輸比較，其運輸能力大，運行速度快，安全程度高；與航天運輸比較，其成本低，受氣候影響和地理條件限制小，能連續運行并保證其準確性。適合于大宗貨物長途運輸和大量旅客運輸。中華人民共和國成立前，鐵路主要集中在東北和沿海地區，而且鐵路標準低.技術設備落后。中華人民共和國成立后，大規模修建鐵路，現金全國各省市自治區都有了鐵路。鐵路運輸在中國交通運輸業中仍具有重要地位和作用，2003年鐵路貨車運轉量占全國總貨運周轉量的32.02%以上，鐵路客運周轉量占全國總客運周轉量的34.67%以上。鐵路車輛按用途可分為客車和貨車倆大類。鐵路貨車是供運輸貨物和為此服務的或原則上編組在貨物列車中使用的車輛。按用途可分三類：（1）通用貨車，能裝在多種貨物的貨車，包括敞車.棚車和平車。（2）專用貨車，專攻運送某些種類的貨物的貨車，包括罐車.保溫車.煤車.礦石車.砂石車.長達貨車.守車.通風車.家畜車.活魚車.水泥車等。（3）特種貨車，共特種用途的車輛，如救援車.檢衡車.發電車和除雪車等。通用貨車是能裝在多種貨物的鐵路貨車。如棚車.敞車和平車等。敞車的車體兩側及端部設有高度在1.8m以上的固定墻板而無頂棚的鐵路貨車。可裝運各種無需嚴格防止濕損的貨物。如裝貨后蓋上篷布，又可裝運怕濕損的貨物。主要用于裝運散粒貨物（如煤.礦石.沙土等）木材.鋼材及小型機器設備和集裝箱。敞車是鐵路貨車中數量最多.用途最廣的車輛。車輛倆側的標記符號為“C”。棚車是車體具有頂棚.側端墻及門窗的鐵路貨車。可防止雨水進入車內，用于裝運各種需防止濕損.日曬或散失的貨物。車內設有安裝火爐的煙囪座.床托等裝置，有些新造棚車還設有排水孔及便器，必要時可用以運送人員和馬匹。棚車車體倆側的標記符號為“P”。平車底架承載面為一平面的鐵路車輛。從結構形式分為平板式.帶有翻轉的矮端板式及帶有翻轉的矮側板的端板式三種型式。在裝運長大貨物時，可把側板.端板翻下。平車主要用于裝運各種機器，汽車.拖拉機.木材.鋼材.橋梁等體積較大的貨物，又可借助集裝箱來裝運其他貨物。此外，還可以裝載各種軍用裝備。平車在底架倆側側梁上的標記符號為“N”。改革開放以來，隨著中國成功地加入世界貿易組織(WTO)，中國經濟取得了空前的、前所未有的飛速發展。在中國和世界經濟發展格局的影響下，交通運輸行業與中國經濟一同跨入高速行駛的快車道，發展迅猛。鐵路作為中國運輸行業的重要組成部分，是國民經濟的大動脈，同樣在改革開放中不斷謀求自身的發展機遇，應對發展中出現的問題。并通過加強國際間的技術交流，請進來、走出去，多領域、全視角地學習和借鑒國外鐵路發達國家的成熟技術和寶貴經驗，引進國際上鐵路運輸行業的先進科技和裝備。結合中國鐵路的實際，實施跨越式發展戰略，在消化吸收和系統引進國外先進技術的同時，自力更生，走“引進和自我發展”相結合的道路，不斷提高中國鐵路技術裝備現代化水平，使中國鐵路在過去的十年取得令人矚目的巨大變化，新技術、新工藝和新裝備不斷地被應用到鐵路運輸的發展建設中去，為中國的改革開發和國民經濟建設發揮了越來越重要的作用。高速發展的經濟需要一個快速、便捷、高效的交通運輸行業，鐵路作為傳統的主要運輸方式，承載著全國客運四分之三、貨運超半數的運輸量。新形勢下，原有的鐵路運輸模式和技術裝備水平已經不能滿足新經濟需要，鐵路運輸正在向世界鐵路“重載化”運輸的方向發展。面對新形勢，近幾年來中國鐵路為適應國民經濟的發展步伐，著力解決鐵路貨運運能嚴重滯后的問題，從2l世紀初開始在全路范圍實施跨越式發展戰略，提出了中國鐵路“重載化、快捷化”的發展思路，同時緊跟世界鐵路的前沿技術，適時引進，廣泛應用各種新技術、新工藝和新裝備。成功研發并推廣運用25t軸重轉K6和轉K5型轉向架；70t級敞車、平車、棚車等23t重貨車先后開發并試制成功；各類與重載技術相匹配的重要零部件(如：17型車鉤及配套鉤尾框、MT一2大容量緩沖器、Kzw—A型空重車自動調整裝置、10英寸旋壓密封式制動缸、鐵道貨車脫軌自動制動裝置等)成功通過運用考驗，鐵路實現貨運重載的技術條件日趨成熟，中國鐵路的重載時代已經到來。鐵路罐車是運輸石油、液化氣、酸類和化學制劑等貨物、液體食物產品(如：牛奶、植物油、釀酒原料)以及某些散裝(粉狀的)貨物的主要運輸工具，是鐵路貨車大家庭的重要成員。按照現代的分類方法，罐車全部屬于專業化的運輸工具。我國鐵路罐車為適應鐵路跨越式發展的技術政策，滿足貨物運輸重載化、快捷化要求，提高罐車運輸能力，實現中國鐵路主型罐車的更新換代，西安廠從2003年起開始研制開發無中梁70t級輕、粘油重載罐車。該車按新的貨車強度考核標準進行設計，采用心盤承載，軸重23t，載重比G70K型罐車提高8t，高業運營速度從100km／h高到120km／h，罐體采用了對稱布置的直角斜錐斜底結構，對車輛結構整體的安全性、可靠性提出了更高、更具體的要求，對重載、高速條件下無中梁罐車結構強度、剛度的可靠性、安全性方面提出了新的課題。特別是無中梁罐車牽枕結構作為鐵路罐車承上啟下的關鍵結構，是主要承力部件，承受車輛的各種縱向沖擊力和心盤載荷，受力情況非常復雜，整個結構直接關系到罐車的運行安全。因此，為滿足70t級輕、粘油罐車的速度快、載重大的設計要求，適應牽引萬噸列車的需要，設計一種安全可靠，材料利用車高，能夠保證重載罐車在運營過程中的沖擊和承載要求的重載罐車牽枕結構是本文急需解決的重要課題。罐車是用來裝運各種液體、液化氣體及粉末狀等貨物的一種車體成罐形的車輛。這些貨物包括汽油、原油、各種粘油、植物油、液氨、酒精、水、各種酸堿類液體、水泥、氧化鉛粉等。罐車在鐵路運輸中占有很重要的地位，約占我國貨車總數的18％。解放初期我國只能生產載重25t、有效容積僅為30.5m3的油罐車，1953年開始設計制造了載重50t、有效容積為51m3的全焊結構罐車，以后又制造了有效容積60m3、載重52t的罐車以及有效容積77m3載重63t的各種罐車。目前我國生產的直徑和容積最大的罐車是中部直徑為3100mm，有效容積為110m3的GQ型液化氣體罐車，其罐體呈魚腹形[1]。罐車的標記載重過去是指裝水時的重量，所以50t的載重量意味著罐體容積為50m3。現在的標記載重量是以實際所裝運油類、酸堿類的比重計算的。由于各種液體和密度不同罐車的實際載重量就須根據所運貨物的性質來確定。因此，罐車的裝載能力以體積來度量更為合適。罐內液體的重量不是用過磅來量得，而是測量罐體內所盛液體水平的高度，然后根據罐體容積表查得所盛液體的重量。對于每一種規格的罐體，均有其容積折算表。罐車均為整體承載結構，大部分罐車的車體都是由罐體和底架兩大部分組成。由于罐體是一個臥式整體簡型結構，具有較大的強度和剛度，罐體不但能承受所裝物體的重量，而且也可承擔作用在罐體上的縱向力。因此，罐車的底架較其它貨車底架結構簡單，有的罐車取消了底架，稱為無底架罐車。本工程學士學位論文的研究課題就是通過對70t級輕、粘油無中梁重載罐車牽枕結構的設計、選型和開發思路作以論述，探討和總結無中梁罐車牽枕結構的一般規律，從而對無中梁類罐車的牽枕結構設計和制造提供幫助。本論文所作的主要工作如下：一、闡述國外無中梁罐車發展歷史，總結論述國外無中梁罐車牽枕裝置的結構組成及特點，指明了我國無中梁罐車未來的發展方向；同時，對我國無中梁罐車從無到有的發展歷程進行介紹，總結了我國無中梁罐車從運用實踐中取得的經驗教訓，為70t級無中梁罐車設計提供借鑒。二、通過對國際上著名的鐵路運營公司實施重載貨運的情況介紹，從重載運輸采用的新技術、新成果以及重載運輸帶來的經濟效益和發展前景等方面，綜合分析和闡述重載貨運的成功經驗和鐵路發展的重要意義，提出重載運輸對無中梁罐車牽枕結構的要求。三、通過對70t級輕、粘油罐車牽枕結構設計的問題分析，牽引梁和枕梁結構的設計選型，不同結構方案的有限元對比分析計算，以及關鍵結構的計算研究，論述了無中梁罐車牽枕結構的受力特性及一般規律，通過方案對比說明選型的合理性。四、為了驗證牽枕結構強度和剛度的可靠性，本文采用ANSYS有限元計算分析軟件，依據70t級貨車強度考核標準對設計的牽枕結構進行了有限元的靜強度計算，結果表明牽枕結構在各載荷工況下，各部件材料許用應力能夠滿足TB／T1335的標準要求。同時，反映了在不同工況條件下牽枕結構的應力分布特性。五、為提高車體抗疲勞設計水平、避免設計缺陷、提高產品可靠性，采用AAR機務規程(第Ⅶ章新造貨車的疲勞設計)車體疲勞設計方法，計算車體各部位在垂向、側滾、扭轉、車鉤垂向及縱向載荷譜作用下的疲勞壽命。評價車體疲勞壽命是否滿足使用要求、指出疲勞薄弱部位、給出疲勞壽命指標、避免設計缺陷、提高產品疲勞壽命及其可靠性。1.1國外無底架罐車的發展歷史無中梁罐車起源于德國，20世紀中期在美國開始大量使用。目前，除部分裝運腐蝕性介質的罐車外，大部分罐車(包括液化氣體罐車)都采用無中梁結構。前蘇聯、日本、南非、德國也向無中梁罐車結構方向發展。北美鐵道車輛中罐車占1／7，罐車的最初運用應歸功于賓夕法尼亞州米德維爾德DensⅢore兄弟。為了將賓夕法尼亞油田的原油高教地運出，他們亍1865年將2個巨大的術桶放在平車上，安裝密封蓋后，這些車能裝載13．25m3(35009a1)的油。隨著安全的提高和桶的有效運用，這些“油罐車”立刻得到成功地運用”。不久，隨著Densmore設計的改進和普及，一位發明者將2個桶合而為一，將桶縱向放在平車上。1869年，為防止桶板間的泄漏，賓夕法尼亞約克市的Empire運輸公司將鉚接的鐵罐直接安裝在木制底架上而代替垂直的木桶。Empire公司的車輛采用了這種設計型式，在以后的90年，普遍保持了該種型式。除了全金屬罐體外，在罐頂設有給貨物提供熱膨脹空間的空氣包、用于“呼吸”的氣孔和底部用于快速卸貨的閥門。這些車運營了多年，將原油運輸到煉油廠，再將荷煉產品運輸給批發高。正是在這一階段，“罐車”這一名詞開始使用。1900年，隨著對更長、更快列車的強烈需要，標準石油公司的JohnVanDyke設計了1種全新的罐車，該罐車采用雙行鉚的鋼罐。為了利用更強的罐體，他廢棄了底架，把罐體直接鉚接在中梁的鞍座上，并直接放在轉向架上。牽引梁裝在鞍座上。盡管vanDyke所設計的結構證明是可行的，但僅有少量車投入運用，該車是現代無中梁罐車的前身。VanDyke所設計的結構起初并沒有得到人們真正的認識，隨著設計手段的提高以及對罐車結構的深入了解，對材料利用率的進一步提高，人們開始認識到這種結構的所帶來的巨大價值，與有中梁罐車相比無中梁罐車有其無法比擬的優越性。采用無中梁結構最直接的效果是降低了自重，提高了罐車載重，降低了運營成本，提高了運輸效車，簡化了檢修作業。因此，從20世紀50年代以來在北美制造的所有罐車幾乎都是無中梁設計，并在AAR機務手冊罐車分艇中對無中梁罐車牽枕結構進行了詳盡的規定和要求，這些都對無中梁罐車的普及和標準化生產創造了條件，目前無中梁罐車技術日趨成熟，已成為國際鐵路罐車的主型結構。但是，從無中梁罐車的運用情況來看，這種結構也存在一定的事故隱患，在20世紀90年代初期，至少有12個梁斷裂發生在此時期的無中梁罐車上。1100輛車的檢查結果表明，疲勞斷裂絕大部分發生在這種設計的牽引梁與罐體連接處。因此，保證牽枕結構的使用壽命。”，提高結構的可靠性，成為北美鐵路的關鍵課題”。為進一步認識無中梁結構，解決因疲勞造成的結構失效，北美鐵路成立了一個委員會，這個技術委員會后來被稱之為“牽引梁工作組(SSwG)”。它的成員包括一些制造廠高和車主，FRA、從R、鐵道發展學會(RPI)、加拿大運輸公司以及化學制造高協會，該委員會雇用了相當于一個獨立的第三方項目管理的西南研究學會(swRI)，采用失效容限分析的方法對無中梁牽枕結構進行全尺寸疲勞裂紋擴展預測驗證試驗，目標是用試驗方法驗證失效容限分析研究辦法。通過大量的試驗驗證，對無中梁罐車牽枕結構有了更深入的了解，提出對每一罐車均要進行失效容限分析的要求，目前此項工作仍在進行中“”。至今，大型罐車已成為美國的主型罐車。法國使用110m3的液氨和液化石油氣罐車，同本已推廣74．5m3的液化石油氣罐車。在這些大型罐車中，不少采用無底架結構，也有采用有底架結構的。通常罐車可分為非壓力罐車、壓力罐車和其它罐車。非壓力罐車的罐體壁厚相對壓力罐車較薄，供通常情況下運輸無危險和低蒸發壓力、低介質有毒液體貨物，也包括食物如液體糖和蔬菜油；化學品如乙二醇乙烯、橡膠漿和硫磺；石油產品如燃料和潤滑油及各種陶粘土泥漿。壓力罐車罐壁更厚，裝載高蒸汽壓力壓縮的、液化的商品，以及常溫下通常為氣體的物質，這包括液化石油氣、氯氣、無水氨和二氧化碳[5]。1.1.1國外無中粱罐車牽枕結構的結構組成及特點國外研究無中梁罐車起步較早，20世紀中期無中梁罐車在美國開始大量使用。經過幾十年的運用考驗和理論研究，各罐車設計、制造廠先后西南交通大學工程碩士研究生學位論文第6頁研制開發了具有各自特點的無中梁罐車，積累了大量的設計制造經驗，形成了相關的無中梁罐車牽枕結構的從R標準““。幾種無中梁罐車的牽枕結構，形式各異、各具特點，現將北美幾種常見的牽枕結構形式及特點介紹如下：1.1.2牽引粱腹板美國無中梁罐車為了提高罐內運輸介質的卸凈車，方便清洗作用，罐體結構經歷了從圓柱形筒體結構向直角斜錐圓截面斜底罐體結構和淺“V”形圓柱簡體結構的改進。改進后罐車罐體底板由罐體兩側封頭處向中部傾斜，早期的斜底罐體結構采用直錐結構，結構對罐體板材的前期下料、焊接等預處理工序要求較高，工藝相對較為復雜：為改善其工藝性，美國罐車又設計了淺“V”形圓柱簡體結構，由兩截圓柱形筒體拼焊成對稱布置的“V”形結構…。因為罐車牽枕結構是通過牽引梁與罐體底部牽引梁上蓋板焊接成為一體，因此隨著罐體形式的不同，牽引梁腹板各異，常見有“截面不變型”和“截面漸變型”兩種。“截面不變型”牽引梁主要用于圓柱形筒體結構，“截面漸變型”牽引梁主要用于斜底罐體結構和淺“V”形圓柱簡體結構。但罐體尾部的腹板均相同，呈線性遞減。1.1.3前從板座美國罐車的前從板座結構的發展經歷了“焊接式前從板座”、“分體式鑄造前從板座”以及“一體式鑄造前從板座”等階段的改進恤…。車輛載重的不斷提高，萬噸列車普遍開行，車輛承受的縱向沖擊力不斷提高，使“焊接前從板座”經常在從板座根部焊縫處出現焊接裂紋，影響到鐵路罐車的運行安全。為保證運輸安全，提高前從板座結構的可靠性，解決焊接結構焊接應力較大的問題，隨著鑄造水平的提高，鑄造材料的機械性能更加優越，B級鋼、c級鋼材質的“鑄造前從板座”被廣泛應用到罐車牽枕結構中，很好地滿足了因牽引力的不斷提高對前從板座結構強度的要求¨…。同時，前從板座與牽引梁直接的連接形式也從原來的焊接連接變成拉擠鉚釘連接形式，采用鉚接結構提高了前從板座的抗剪切性能，避免了因焊接裂紋造成的車輛檢修次數，同時方便了檢修作用。1.1.4后從板座和上心盤座隨著鑄造水平的提高和貫徹一體化設計的思想，北美鐵路罐車后從板座和上心盤座的結構設計經歷了較大的變化和改進，由過去相對獨立的后從板座和上心盤座改進成將后從板座和上心盤座鑄造成一體，有的罐車則將后從板座、上心盤座及上心盤鑄造成一體，通過焊接與牽引梁、枕梁連接起來共同承擔車輛載荷，這樣改進的最大優點是從設計上簡化了制造，節約了成本，同時提高了結構的可靠性；但是，一體式結構也對鑄件的質量、焊接缺陷的檢驗、控制以及檢修作業提出了更高的要求．在美國通常對該部結構實施與整車等壽命設計，實現免維護、零檢修，當然這樣做起來很不容易心“。1.1.5枕梁結構罐車所裝運的介質多為易燃、易爆、有毒、腐蝕等危險的石油化工產品，罐車在運行中的安全性和可靠性直接危及鐵路運輸安全和鐵路沿線公民的生命安全。因此，北美鐵路一直致力于鐵路罐車的可靠性研究，降低因罐車事故對周圍環境的破壞和人員、財產損失。枕梁結構是罐車的主要傳力和承力的安全部件，各生產廠均對枕梁的受力狀況進行優化分析和研究，設計出了多種型式枕梁，經分類匯總可分為以下幾種：1．“單腹板+側蓋板+頂車箱形”結構(見圖1—1)。為NATx公司的無中梁罐車枕梁結構。由枕梁腹板、“7”形側蓋板和頂車用箱形結構組成。該結構的特點是：側蓋板與枕梁腹板間的施焊空間小，對焊縫要求較高；采用雙腹板頂車箱形結構，焊縫多，壓型件多，工藝性較差。在早期的無中梁罐車上使用。圖1—12．“單腹板+側蓋板(無頂車箱形)”結構(見圖1—2)。為CELX公司。…、RELX公司的無中梁罐車枕梁結構多采用單腹板側蓋板結構。結構簡單，但對腹板和蓋板的強度、剛度有更高的要求。是無中梁罐車枕梁的主要形式之一。圖1—23．“單腹板+側蓋板+矩形型鋼起吊連桿(無頂車箱形)”結構(見圖1—3)。該結構在單腹板、側蓋板結構的基礎上增加了矩形型鋼起吊連桿結構，在滿足枕梁受力的同時，方便制造、檢修過程中的吊裝罐體作業(如GATx公司采用該結構作為主型結構)。圖1—34．“單腹板(小)+頂車筋板和蓋板(無側蓋板)”結構(見圖1—4)。該車枕梁在鞍座邊角處取消了側蓋板，枕梁僅由單腹板和下蓋板組成，為保證罐車在承受心盤沖擊、側滾、扭轉、頂車工況條件下的可靠性，因此枕梁腹板和下蓋板均被設計的比較強大來保證安全。圖1—45．“單腹板+短側管+下蓋板+頂車腹板”結構(見圖1—5)。為改善側蓋板和無側蓋板單腹板枕梁鞍座邊角處的受力狀況，鞍座邊角處采用了圓管結構，枕梁下蓋板下側焊接單腹板、頂車下蓋板結構。圖1—56．“單惺板+下蓋板+側管支柱”結構(見圖1—6)。Procor公司的主型罐車采用單腹板、側管支柱結構，用鋼管代替側蓋板，既優化了結構、簡化了工藝，又提高了頂車工況的構定性，改善了鞍座邊角處的應力水平。圖1—67．“雙腹板+下蓋板+寬側蓋板”結構(見圖1—7)。針對低重心、壓力罐車采用了雙腹板、寬側蓋板結構，增強了枕梁的結構強度和剛度，降低了鞍座邊角處的應力水平，提高了牽枕結構的可靠性。圖1—7。1.2國內無底架罐車的發展歷史1.2.1我國鐵路罐車的發展現狀解放后，隨著社會主義建設事業的發展，特別是石油工業的迅猛發展，要求鐵路車輛部門提供大量質量良好的罐車，以解決運能和運量的矛盾。因此，我國鐵路車輛部門于建國后不久即著手設計、制造鐵路罐車。1953年以前制造的罐車是仿照日偽圖紙進行的。1953年以后開始自行設計和制造。多年來，經過不斷地實踐、認識及改進，使罐車的技術性能逐步提高，結構日趨完善。鐵路罐車從大結構上可分為有中梁罐車和無中梁罐車。我國早期的罐車產品均為有中梁結構，罐體通過罐帶和上下鞍結構安裝在底架上，由中梁來傳遞牽引力。1953年設計制造的G50型輕油罐車和G10型濃硫酸罐車的底架，其中梁采用[300×89×11.5的槽鋼和8mm厚的上、下蓋板，側梁采用[200×73×7的通長槽鋼，兩枕粱之間設有兩對大橫梁。考慮到罐體的剛度比較大，罐體的自重與載重等垂直載荷絕大部分又是直接經心盤傳給轉向架的；同時我國的鐵路車輛都是采用自動車鉤和中央緩沖器來傳遞縱向力的，中梁主要承受牽引力和沖擊力，這就給逐步簡化罐車底架結構提供了根據。1956年設計、制造的G50型輕油罐車，側梁改為[140×58×6的槽鋼。1957年設計、制造的G50型輕油罐車，端側梁改為[200×73×7的槽鋼，取消了兩枕梁間的側梁和兩對大橫梁及中梁下蓋板。1959年設計、制造的G50型輕油罐車，改變了枕梁兩端的罐帶座和頂車支架部分的結構，同時采用[160×63×7槽鋼的端側梁。多次改進過的底架結構，經過多年來的運用實踐，表明它有著足夠的強度和剛度，同時它還具有自重輕、便于生產與檢修等優點，是我國鐵路有中梁罐車底架的主要結構形式[6]。隨著生產的不斷發展和焊接工藝水平的提高，同時考慮到罐體的強度和剛度比中梁的強度和剛度大的多，縱向力可由罐體來承受，因此這就給設計制造無中梁罐車提供了依據。1958年以來，為了探索既適合運用、方便檢修，又可減輕車輛自重的無中梁罐車結構，先后共設計、制造了十余種無中梁罐車。我國的第一輛無中梁輕油罐車是大連機車車輛廠于1958年試制成功的(G60型輕油罐車)。該車罐體采用3號普通碳素鋼焊接而成，各部分板厚為：上板9mm，端板llmm，除鞍座部分12mm外，底架中部11mm。罐體內徑為2800mm端板曲率半徑為3500mm，端板過渡半徑為100mm。罐體總容積為80.79m3，空氣包為橢圓形。這種罐車共試制了兩輛，運用兩年以后經靜強度試驗表明，無中梁罐車結構是合理和可行的，可以投入生產。但由于當時水壓機設備的原因，大批生產罐體內徑為2800mm的罐車尚有困難，因此，大連工廠于1960～1961年間又設計并批量生產了罐體內徑為2600mm的G16型無中梁、無空氣包輕油罐車[7]。在總結無中梁罐車設計及制造等方面經驗的基礎上，大連機車車輛廠和四方車輛研究所共同設計并試制成功了無空氣包、傾斜底、罐體內徑為2800mm，端板曲率半徑為3500mm，端板過渡半徑為250mm，容積為80m3的G19型無中梁輕油罐車。G19型輕油罐車試制完成后，在寒冷地區投入運用，并進行了靜強度試驗。試驗結果再次肯定了罐體是能夠承擔縱向載荷作用的。此后，大連工廠先后設計了罐體總容積為110m3的DLH9型無中梁液化氣體罐車及援坦贊鐵路用的無中梁輕油罐車。1970年設計、試制了兩列G17A型無中梁粘油罐車專列，并投入運用考驗。與此同時，又設計并批量生產量容積為60m3的G60A型無中梁輕油罐車。無中梁輕油罐車與有中梁輕油罐車相比，不僅降低了自重系數，而且罐體中心至軌面的距離也降低了30～80mm，從而改善了罐車的運行平穩性。由于無中梁罐車取消了罐帶、罐體托板及墊木等，因此大大地減輕了自重并方便了制造和檢修，同時減小了木材的大量使用。但均因計劃經濟時期的種種原因沒有形成規模，并沒有針對無中梁罐車運用中發現的問題做進一步深化分析、研究和完善，直到20世紀九十年代初，油品的運輸仍然以G60輕油罐車和G17型粘油罐車為主；真正意義上的無中梁罐車的代表車型是2lt軸重的G70型輕油罐車以及隨后研制的G17B型粘油罐車，作為“鐵道部科技發展計劃”項目，G70型輕油罐車由西安車輛廠與四方車輛研究所聯合開發，通過試制和小批量的運用考驗后，針對生產和運用中存在的問題，進行了大量的分析研究工作，并對其結構、強度(特別是牽枕裝置及其與罐體的連接)和動力學性能進行了大量計算、試驗、研究及其他嘗試性試驗工作，對牽枕結構做了相當多的探索和改進，通過該車近十年的實踐運用，使西安廠對無中梁罐車牽枕結構有了更深入的認識和掌握，積累了一定的實踐經驗，截止2004年底該，車已累計生產8000輛，使我國鐵路罐車步入了無中梁罐車時代，大量的輕、粘油改用G70和G17B型無中粱罐車進行運輸：隨后開發的2lt軸重G75型輕油罐車吸取了G70型罐車的成熟結構，學習借鑒美國同類罐車的技術，牽枕裝置采用側管支柱結構，罐體采用對稱布置的圓截面直錐斜底結構，提高了罐車的卸凈率，目前該車已成為繼G70型罐車之后，又一2lt軸重的無中梁主型輕油罐車；隨著中國鐵路實施跨越式發展戰略，鐵路貨車向重載化、快捷化發展，根據鐵道部貨運重載技術要求，西安廠又研制開發了23t軸重的70t級無中梁輕、粘油罐車，成為中國鐵路罐車劃時代的產品[8]。下面將我國幾種有代表性的無中梁罐車牽枕結構作以介紹。1.2.1.1G16型輕油罐車G16型輕油罐車是大連機車車輛廠1958年設計制造的我國第一輛無中梁輕油罐車的基礎上，于1960年～1961年問設計制造并成批生產的有效容積為50m3的無中梁輕油罐車。主要裝運汽油、煤油、輕柴油等輕質油類的石油產品。由罐體、牽枕裝置、外梯、內梯空氣及手制動裝置、制動吊、車鉤緩沖裝置和轉向架等組成。圖1—8G16牽枕結構由A3鋼材制成的牽引梁、端梁、枕梁、端側梁等部件組焊成為一體的小底架，直接焊在罐體上以承受縱向力(見圖1—8)。由于生產中的材料供應關系，牽引梁結構曾采用過三個方案：第一方案中的牽引梁上蓋板由一塊1900×650×10mm的鋼板壓成與罐體外圓相符的弧面，直接焊在罐體底架上，牽引梁桿件采用[300×90×10的槽鋼，上翼板壓成符合上蓋板的弧面并與上蓋板焊接；第二方案中的牽引梁上蓋板和第一方案相同，而牽引粱是由14mm厚的鋼板焊成的L形桿件，總高為350mm，翼板寬為loomm；第三方案中的牽引梁上蓋板為1950x650×12mm的鋼板，牽引梁桿件由1450×150×11．5的工字銅割成總高為31的上形鋼，其伸出罐體部分焊有厚12mm、寬100mm的上翼板。該車枕梁為雙腹板焊接到封閉箱形結構，包角1200。上蓋板貼靠于罐體底板。牽引梁、枕梁上蓋板連接處的四個角都加焊了厚10mm的三角板。該車在1960年成批生產并投入運用后，發現有幾個部位的焊縫產生裂紋。1962年8月由鐵道部組織了工作組，調查了從1960年10月至196年9月生產的53輛G16型輕油罐車。檢查后發現裂紋的焊縫多數是三角板與牽引梁、枕梁上蓋板連接處的焊縫；牽引梁腹板與上蓋板連接焊縫的端部結點；枕梁腹板與牽引梁腹板連接處的立焊縫。經分析認為：在結點處的裂紋原因是牽引梁用的代用材料多，前部又沒有上蓋板，結構是不夠合理的；另外制造中，牽引梁腹板按罐體研縫切割時造成的凹坑及焊接時產生的弧坑未能消除，而導致結點處裂紋。其余部位的裂紋原因主要是當時工藝流程混亂、制造質量低，特別是焊接質量差、檢驗不嚴等造成的。如三角板與牽引梁、枕梁上蓋板的連接焊縫在生產過程中就不斷出現過裂紋。由于上述焊縫開裂較多，為了慎重起見，鐵道部曾將G16型輕油罐車改運粘油。在經過較長期的運用后，裂紋情況沒有擴展，因而又恢復裝運汽油。1.2.1.2G19型輕油罐車大連機車車輛廠和四方研究所在綜合G16型等無中梁輕油罐車有缺點的基礎上，于1965年設計了容積80m3、傾斜底、防腐蝕的G19型無中梁輕油罐車。它具有以下特點：一是容積大；二是采用下卸式排油裝置；三是傾斜底，油卸得干凈：四是罐體內涂有防腐層，所以不會因銹垢而影響油品的質量：五是罐體采用斜底結構便于洗刷。從制造和運用的實踐可以看出，G19型輕油罐車與G50、G60、G16等型輕油罐車相比較，不但裝載量大、運用效車高、運輸費用低，而且在制造中可以節省大批鋼材。圖1—9G19(大連廠)G19型輕油罐車的牽枕裝置是用09Mn2低合金鋼板組合成的焊鉚結構。牽引梁和枕梁均為lOmm厚的鋼板。牽引梁是壓成L形的桿件，其腹板呈與罐體底板相同斜度的變高度斷面。牽引梁上蓋板呈燕尾形，它與罐體的連接部位為兩條寬120mm的燕尾，燕尾間距240mm，懸出部分是寬為480mm的平直板。燕尾壓成與罐體底板同心的弧面，兩者之間自然過渡。端部為平直板與端梁上翼板對接焊。枕梁采用單腹板結構，蓋板及側蓋板都較以前設計制造的無中梁罐車的枕梁蓋板窄。枕梁端面也改小了，因而改善了制造工藝。枕梁外側設有頂車筋板。端側梁用厚度為5mm的鋼板壓成交高度的1形鋼，并焊有下翼板，組成變斷面的槽形結構。采用鑄鋼從板座，后從板座為整體式。G19型無中梁輕油罐車試制完成后即于寒冷地區進行了運用考驗，分別在一12℃、一20℃、一24．6℃的氣溫下，運送70號汽油，油溫為一1．2℃、一9℃、一12℃。經過一年半的運用考驗后，對該型車又進行了靜強度試驗，試驗結果再次肯定了罐體是能夠承擔縱向載荷作用的，傳遞縱向載荷的牽引及枕梁裝置的結構是比較合理的。該車截止1969年共生產量32輛，經過十幾年的運用，1982年起對G19型罐車運用情況進行調查，先后走訪了修理廠及站、段檢修。調查結果反映：(1)底架因無中梁，便于鉆車檢修，作業條件好，對確認車輛事故，更換配件都方便；(2)因罐底板為傾斜式，使殘油或蒸洗罐體的冷凝水能自動匯集在罐體底部，卸油干凈，無需人工掃聚清艙，減輕了體力勞動；(3)容積大，2個G19可頂3個G60使用，減少了工人作業和勞動強度。但調查中也發現了不少問題，如個別車罐體與牽引梁上蓋板一、四位處有長約20咖左右的焊縫開裂，由于焊縫開裂延及腹板造成大面積補強。再如手制動操作部位太少，調車作業不方便等。針對出現的問題修改了設計內容：1．總體尺寸及材質變更。(1)改側梯為端梯，并增加了通過臺；(2)為保持總重不變，罐體長縮短180mm。罐體總容積受總重限制，改為79．4m3。端板距枕梁中心的距離由1670mm縮短為1340mm，加強了枕梁結構。2．牽引梁長度由29lOmm增長到3214mm。材料改用310型乙字型鋼牽引梁尾部傾角改為20。，增加了枕后的長度。同時將枕梁下蓋板(中)進行了加長，側梁采用[160型鋼。3．罐體與牽枕裝置的連接。為克服罐端板與牽引梁上蓋板連接處焊縫的開裂，增加了楔形連接板，將牽引梁連接起來。4．心盤座結構。心盤座開裂是原G19存在的嚴重問題。修改設計后，采用了C62A型敞車心盤座結構，增設了一塊連接板將兩塊隔板連在一起，以達到加強的目的。其牽枕結構見圖2—9。該車枕梁采用單腹板結構，包角1200；枕梁斷面減小，側蓋板變窄。牽引梁采用厚10mm的09Mn2低合金鋼壓成L形，尾部斜直線，上蓋板為寬度120mm的燕尾形。存在的主要問題是心盤隔板上沒有蓋板一心盤座焊縫開裂嚴重。1983年，西安車輛廠對原G19型輕油罐車進行了改進設計，其牽枕結構見圖2一10。枕梁為單腹板結構，包角120。，牽引梁采用310乙字鋼，上蓋板燕尾形，尾部斜直線。為了克服端板與牽引梁上蓋板連接處焊縫的開裂，增加了楔形連接板。采用C62A型敞車心盤座結構，增設1塊連接板將2塊隔板連在一起。圖1—10G19(西安廠)1.2.1.3G17A型粘油罐車為改革粘油罐車的結構，大連廠在總結1958年以來生產無中梁輕油罐車經驗的基礎上，于1970年首次設計試制了G17A型粘油罐車。該車牽枕裝配為普通低合金鋼焊接結構。牽引梁是10mm后的鋼板壓成L形。上蓋板分成兩部分：伸出罐體的部分用lOmm厚的鋼板壓成L形。上蓋板分成兩部分：伸出罐體的部分用寬480mm、厚10mm的鋼板做成倒燕尾形；在簡體的部位用兩條寬120mm、厚10mm的鋼板作罐體加強板(即牽引梁上翼板)。為了加強心盤座隔板處的連接剛度，此處的加強板是整塊的。為適應粘油罐車加溫套的特點，牽引梁的伸出部分比直接與罐體連接到部位低60mm，因而上蓋板有半徑為30mm的小圓弧，彎成90。后與加強板焊接。枕梁采用單腹板結構。枕梁各板厚均為10mm。上蓋扳寬230～340mm，端部割成半徑為115mm的半圓形；下蓋板寬340～540mm；200～250mm。側梁用[160x63x6．5的槽鋼；端梁為5mm厚鋼板的壓牽引梁與端側梁焊成一體，組成一個包括端梁和枕梁在內的牽引小底架，牽引梁上蓋板直接焊在罐體上。為了加強兩牽引梁之間的聯系與枕梁腹板的剛性，分別在牽引梁前部加焊一上蓋板并在上旁承處加焊四塊向心筋板。為解決心盤座隔板上端部裂紋的問題，后來又在心盤座隔板上加一小蓋板，各板的厚度均為lOmm。為解決心盤座隔板上端部焊縫裂紋的問題，在第二次小批量試制中，采用了在心盤座隔板上加焊一塊10X350x350mm的小蓋板。為進一步試驗研究無中梁罐車的結構，還試制了五輛取消枕梁上蓋板，即枕梁腹板和枕梁側蓋板與罐體直接組焊點結構。投入運用后，于1972年由大連機車車輛廠和四方車輛研究所共同對上述五輛車進行了鑒定，發現該種車由于取消枕梁上蓋板，因而在枕梁側蓋板上端與罐體的角焊縫處多數有毛細裂紋，但尚未發現罐體板產生裂紋的情況，其牽枕結構及測點布置見圖13。枕梁為單腹板結構，包角92。。牽引梁采用厚lOmm的鋼板壓成L形，尾部斜直線。上蓋板用。該車存在的主要問題是心盤隔板端部焊縫裂紋。采用在心盤隔板上加焊350mmX350mm小蓋板的改進措施后又試制了5輛取消枕梁上蓋板的罐車，1年后檢查發現枕梁側蓋板上端與罐體的角焊縫存在毛細裂紋。圖1—11G70型罐車牽枕結構1.2.1.4G70型輕油罐車西安廠1992年設計制造的G70型輕油罐車是目前輕油運輸的主型罐車，其牽枕結構見圖2一ll。該車牽枕結構設計充分借鑒了以往無中粱罐車的經驗教訓，采用310型乙字型鋼、上心盤座和后從板座為整體B級鑄鋼結構，加強了該部位的強度，枕梁采用單腹板，板厚10咖，包角120。，上蓋板燕尾形，尾部圓弧過渡。牽引梁尾部距離心盤中心1343mm，燕尾采用R500mm大圓弧過渡改善尾部的受力，采用側蓋板頂車筋板結構，罐體封頭與牽引梁之間采用楔形連接板連成一體。通過運用發現了一些問題：(1)．牽引梁與一體式后從板座之間的塞焊縫部分車輛出現裂紋；(2)．部分車輛枕梁上蓋板與罐體之間焊縫開裂；(3)．枕梁腹板與牽引梁腹板、枕梁上蓋板的焊縫端部部分車出現裂紋(4)．一體式鑄鋼后從板座的連接筋板出現裂紋。為此西安廠對G70車出現的問題進行了認真的分析和研究，從設計、工藝、生產、原材料采購等方面查找原因，采用了有限元分析、焊接殘余應力實驗、線路動力學分析、結構裝配應力實驗等計算和實驗手段進行了深入的研究，最終認為造成裂紋的原因是：1．焊接方法和施焊順序造成局部焊接應力較大造成的開裂：焊工的焊接質量沒有達到圖紙要求，存在焊接缺陷。這些問題后來都通過改進工藝，加強過程焊接質量控制得到了很好的解決。2．鑄造中夾渣、氣孔等缺陷的存在是裂紋產生的直接原因。在交變載荷的作用下，缺陷擴展產生裂紋，通過改進設計將月牙形連接筋板改為直板箱形結構，很好解決了此類問題的再次發生.1.2.1.5G17B型粘油罐車西安廠1997年設計制造的G17B型粘油罐車是目前粘油運輸的主型罐車。牽枕結構(見圖2—12)除牽引梁尾翼外，基本與G70型輕油罐車相同。針對無中梁罐車牽引梁尾部應力較大的狀況，在試制種2臺樣車分別采用了3種形式的牽引梁尾部結構及2種形式的連接板，并進行了靜強度對比試驗。圖1—12G17B型粘油罐車1.2.1.6G75型輕油罐車2001年，為提高部分密度較小的輕油類介質的運量，充分利用罐車軸重，借鑒和吸收G70型輕油罐車成功經驗的基礎上，開發了一種更大容積、卸凈車高的新一代輕油罐車。該車牽枕結構設計繼承了G70型輕油罐車牽枕結構的特點，同時借鑒國外同類罐車的成熟結構，通過試驗和計算分析確定了罐車牽枕為單腹板側管支柱結構，牽引梁采用了鑄鋼zG230一450材質的后從板座及上心盤座(一體式)，牽引梁腹板呈與罐體底板相同斜度的變高度斷面，。尾部借鑒G17B型粘油罐車牽引梁形式，為圓弧過渡。枕梁采用單腹板，取消了G70的枕梁側蓋板而采用側管支柱，改善了頂車工況下枕梁包角尖點處結構的受力狀況和焊接的工藝性能，同時枕梁下蓋板(側)采用“之”字壓型結構，側梁與下蓋板(側)的頂車筋板和頂車下蓋板組成箱形結構，保證了頂車作業時局部結構的可靠性。1.2.1.7GL60K型瀝青罐車2002年，西安廠首次研制開發了帶保溫層的無中梁瀝青罐車，為方便保溫層結構的安裝，該車牽枕與G70型罐車類似，采用側蓋板結構。采用與G70相同的一體式從板座和上心盤座，并通過牽引梁腹板兩側的12個條形塞焊孔與牽引梁焊接在一起，因該車罐體為斜底結構，牽引梁腹板里與罐體底板相同斜底的變高度截面，牽引梁尾部形狀與G75型輕油罐車相似，采用圓弧過渡，同時，枕梁處裝運了與轉K2型轉向架配套采用的常接觸上旁承結構，頂車結構與G70相同，一位端端梁上一、二位側各設置一個鋼隔板踏板，用于實施手制動和瀝青加熱卸車作業。從無中梁罐車的發展歷史和現狀可以看出，我國無中梁牽枕結構是在不斷的探索、實踐、借鑒、改進的過程中技術日漸成熟的。目前已初步掌握了21t軸重無中梁罐車的設計、制造、檢修等技術，但是對無中梁罐車的理論分析還停留在對實際運用中經驗的總結、改進設計、有限元計算等常規的設計和校核手段上，沒有我國自己的無中梁罐車的設計標準，也缺乏相應的制造技術和設備，特別是對大軸重罐車還沒有設計和運用的先例，需要在不斷的運用中總結提高。1.2.2我國罐車的不足由于中國鐵路長期受21t車輛軸重和線路、橋涵等基礎設施的限制，上世紀我國鐵路四軸通用貨車始終沒能真正實現重載運輸，提高車輛單車載重的途徑主要是通過增加車輛的軸數，各種六軸車和八軸車常被設計用來裝運各種長、大、重貨物。隨著中國經濟的騰飛，鐵路運能緊張的問題嚴重制約了經濟的發展。目前的貨運能力只能滿足鐵路貨運需求總量的三分之一，運能嚴重不足。為確保國民經濟持續、構定的向前發展，提高鐵路大動脈的供血能力，進入21世紀以來，鐵道部提出了貨物運輸“重載化、快捷化”的發展戰略，將增加貨車單車載重，提高車輛運行速度作為現階段解決鐵路運能緊張的有效手段，同時把“重載技術”作為現階段鐵路運輸研究的重點課題。近幾年，隨著貨車用25t軸重轉向架、空重車自動調整裝置、不銹鋼制動管系、旋壓密封式制動缸、Nsw型手制動機、高磨合成閘瓦等新裝備、新技術不斷研發并推廣應用，鐵路實施技術引進和轉化的同時，花大力氣開展重載貨車的試驗論證和專題研究，不斷完善重載技術，并在大秦運煤專線上車先開行萬噸列車，實現特殊專線上貨運重載，為鐵路全面重載化積累經驗。我國各地鐵路線路和橋涵的承載能力差別較大，開行25t軸重的鐵路貨車對線路改造和設施建設的投入巨大，為此，鐵道部提出了新造貨車提高載重，軸重滿足23f囂的要求，既有貨車實施加裝轉K2型轉向架，提高貨車整體運行速度。通過各貨車設計主導廠的努力，相繼開發了載重70t的敞車、平車、棚車等70t級貨車。為下一步全面實現鐵路重載化創造了條件。我國從1958年由大連機車車輛廠試制出第一輛無底架輕油罐車以來，至今已有40年的歷史。目前已研制和批量生產了G60A、G16、G70型輕油罐車，G19型斜底輕油罐車，KG-2型氧化鋁粉罐車，U60W型水泥罐車，HG-100／20型、GQ型液化氣罐車等近lO個品種共計6000～7000輛無底架罐車，并有數百輛出口，運用情況良好。目前，國內鐵道罐車有60m3、70m3、100m3三種定型產品，其中60m3罐車正逐漸被70m3罐車所替代。100m3罐車正逐步被用戶接受。與國外罐車相比，我國罐車仍存在較大差距，主要表現在以下幾個方面：(1)罐車容積小，載重量小目前，60m3罐車仍是我國的主型罐車，其容積61.9m3，載重25t。美國主型罐車容積126.8m3，載重76.2t。(2)罐車自重系數大，運輸效率低我國60m3罐車自重33t，而日本同樣規格的罐車自重僅27.8t。美國126.8m3罐車自重僅43.1t，竟與我國100m3罐車自重相當。如果按每噸介質的用鋼量來計算運輸效率，我國罐車比美國的低50％左右。(3)罐車底架結構落后由于罐體的剛度大，加上縱向還有二分之一的承載潛力未發揮，縱向載荷完全可以由罐體來承擔。因此，國外大型罐車普遍采用無中梁底架結構，不僅可減輕自重，降低重心，而且還簡化了罐體與底架的連接結構。而我國100m3罐車大多為有中梁底架結構，無中梁底架仍局限于在輕油罐車上使用。(4)鋼材強度低我國罐車的罐體材料主要是采用<400MPa的16MnR，罐體直徑2800mm時，筒體壁厚20mm，封頭壁厚22mm，而日本采用>400MPa的低合金高強鋼CF-62，其壁厚分別為16mm和17mm。當罐體直徑為3000mm時，我國罐車筒體壁厚為22mm，美國的為19mm。1.2.3我國罐車的發展趨勢在幾十年的發展過程中，我國罐車呈現出以下發展特點：1．容積增大，載重提高解放初期我國只能生產載重25t、有效容積僅為30.5m3的罐車，1953年設計、制造了有效容積51m3、載重50t的罐車。此后，罐體容積逐漸增大，載重逐步提高。目前我國生產的容積最大的罐車是GQ型液化氣體罐車，罐體為魚腹型，總容積達110m3。值得注意的是，盡管容積在不斷增大，但一些通用車仍存在裝運小密度介質時的“虧噸”現象。如當前國內鐵路用戶用于裝運汽油、甲醇介質的罐車主要是以G70為代表的鐵路輕油罐車。這些車型用于裝運甲醇、汽油等小密度輕油類介質時，罐體容積顯得偏小，由于介質密度(甲醇約0.8g/cm3，汽油約0.7g/cm3)較小，造成車輛總重距84噸的允許總重相差8～10噸左右，罐車的運輸能力沒有得到充分利用，并且鐵路運輸部門按標記載重收取運費，用戶的運費損失較大。2．罐體結構逐步完善早期制造的罐體結構均為搭接焊接,1957年以后采用了對接焊接結構；1960年開始取消空氣包，改為無空氣包人孔結構，改善了罐體的力學性能，方便了制造、檢修。近年來，碟形封頭也正在逐步被橢圓形封頭取代，進一步提高了罐體結構的可靠性。但是，在罐體結構上依然存在有待完善的地方。如：用戶反饋經常發現罐車簡體有上撓現象，導致罐車卸不凈，介質殘留量約數十公斤／輛，往往需要人工抽掃，造成一定量的資源浪費，對用戶的使用有很大影響。3．無中粱結構成為主流無中梁罐車通過將罐體與牽枕有機地結合，充分利用罐體的剛度與強度，省掉了枕梁之間的中梁、罐帶等零部件，具有自重小、相對重心低、運行平穩性好、便于制造和檢修等優點。1958年我國研制了第一輛無底架罐車G60A型輕油罐車，其后，先后研制了G16、G19、GQ、G17A等10余種車型，1992年研制的G70型輕油罐車，繼承和發展了以往無底架罐車的設計經驗，以先進的技術性能迅速成為運輸輕油的主型車。此后，除酸堿介質外，無底架罐車的應用日益廣泛。隨著鐵路提速和重載政策的不斷實施，無中梁結構在新條件下的可靠性還有待于作進一步深入研究。4．零部件不斷完善加溫、排油、人孔、安全閥、外梯等罐車零部件結構不斷改進、完善，技術性能不斷提高。5．運行速度迅速提高隨著近幾年我國一系列貨車轉向架、制動裝置新技術、新產品的研制成功并裝車運用，使得罐車運行速度迅速提高。目前，新造罐車的商業運營速度為120km/h。6．罐車車型品種迅速增多我國罐車由解放前的進口到解放初期的仿造，再到后來的獨立自主開發、設計和制造，走過了一個不斷改進和完善的過程。特別是近十幾年來，罐車得到了前所未有的發展，車型顯著增多，目前，我國鐵路罐車的車型數量已達100余種。按用途可分為輕油、粘油、酸堿等通用類及軍用、液化氣體、精細化工、粉狀貨物、瀝青、食用油等專用罐車；按結構特點可分為有中梁、無中梁以及上卸式、下卸式等罐車。1.3罐車的應用目前，罐車已經在運輸上得到了廣泛的應用。在北美，罐車主要負責液體貨物的散裝運輸。北美鐵道車輛中罐車占七分之一。在美國、加拿大和墨西哥，每年有220000輛車運送300萬的裝車量的貨物。盡管通常罐車與危險品的運輸有關，但50％的貨物是非管制的食品和工業產品。在我國，罐車也得到了充分的應用，有高度專用化的運輸酸的酸罐車、經過優化的用于運輸乙二醇的乙二醇罐車、專門設計成運輸液化石油氣的液化石油氣罐車、用于運輸氯乙烯的氯乙烯罐車、運輸谷物漿的谷物漿罐車等等。罐車運輸已經影響到我們生活的每一部分，對國民經濟的發展有著重要的意義。罐車的分類罐車運送的液體、氣體和粉狀貨物都裝在罐體內，罐體是這種車型的一種特殊形式的車體。由于貨物的品種繁多造成了罐車的結構形式各異。根據運送的貨物，罐車可分為兩類：供運輸各種名目石油產品的通用罐車；供運輸某一貨物的專用罐車。根據承載構件的形式，罐車結構可分為：所有作用在車輛上的主要載荷由底架承受的有底架罐車，以及所有這些載荷均由罐體本身承受的無底架罐車；有空氣包、無空氣包罐車；上卸式和下卸式罐車。按用途可分為輕油類罐車、粘油類罐車、酸堿類罐車、液化氣體類罐車及粉末貨物類罐車。此外，和其它類型的車輛一樣，罐車也按軸數、載重量、罐體容積、設備、材料和罐體的制造方法以及其它特征來區分。2罐車的結構設計2.1罐車介紹及其結構特點罐車是用來裝運各種液體、液化氣體及粉末狀等貨物的一種車體成罐形的車輛。這些貨物包括汽油、原油、各種粘油、植物油、液氨、酒精、水、各種酸堿類液體、水泥、氧化鉛粉等。罐車在鐵路運輸中占有很重要的地位，約占我國貨車總數的18％。解放初期我國只能生產載重25t、有效容積僅為30.5m3的油罐車，1953年開始設計制造了載重50t、有效