1、國內(nèi)外鐵路貨車發(fā)展情況概述

目前，世界鐵路貨車技術(shù)發(fā)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(shù)，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(shù)多。二是以法國、德國等歐洲國家為代表的快捷技術(shù)，其主要特征是車輛運(yùn)行速度高、列車編組數(shù)量少。近幾年來，我國鐵路貨車技術(shù)水平迅速提升，綜合技術(shù)水平已經(jīng)接近或達(dá)到了國際先進(jìn)水平。首先，以重載貨車為代表的綜合技術(shù)已達(dá)到了國際先進(jìn)水平。其次，提速重載并舉的鐵路通用貨車全部實現(xiàn)了升級換代。

從國內(nèi)外鐵路貨車技術(shù)的現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有鐵路貨車都在向著大載重、小自重、開發(fā)采用新材料上發(fā)展，也即向貨車車體輕量化設(shè)計上發(fā)展。毋庸置疑，實現(xiàn)車體輕量化最直接有效的辦法就是減少各部結(jié)構(gòu)所用板材的厚度。但由于車輛設(shè)計受到車輛性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shù)的發(fā)展，型鋼由于在斷面形狀上可提供更多的選擇，尺寸相對精確，強(qiáng)度和剛度逐步提高，其在鐵路貨車上的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。型鋼，特別是冷彎型鋼在鐵路貨車上的應(yīng)用，使鐵路貨車的結(jié)構(gòu)設(shè)計更趨于合理，強(qiáng)度和剛度的分配更加均衡，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方式實現(xiàn)了輕量化設(shè)計的目的。

2、冷彎型鋼在鐵路貨車上的應(yīng)用優(yōu)勢及問題

冷彎型鋼是一種以熱軋或冷軋帶鋼為坯料，經(jīng)彎曲成型制成的各種截面形狀尺寸的型鋼，它是一種經(jīng)濟(jì)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(wěn)定、與熱軋產(chǎn)品相比重量輕，并能以較復(fù)雜斷面尺寸滿足用戶要求而廣泛應(yīng)用于各類建筑、橋梁、機(jī)械、制造等行業(yè)，并逐步成為在鐵路貨車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計車輛時要不斷地優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)設(shè)計中采用冷彎型鋼就是一個有效的手段。同時，隨著冷彎型鋼制造技術(shù)和手段的不斷成熟熟，其在鐵路貨車上的應(yīng)用在近幾年也得到了較快地發(fā)展。70t級新型貨車的車體結(jié)構(gòu)就大量應(yīng)用了冷彎型鋼材料，為優(yōu)化設(shè)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(diǎn)。

（1）自重輕，可實現(xiàn)車體的輕量化設(shè)計。

（2）可設(shè)計為合理的斷面形狀，滿足使用要求。

（3）材料強(qiáng)度等級高，耐腐蝕能力強(qiáng)。

同時，由于冷彎型鋼本身斷面可由設(shè)計者自行設(shè)計，不必像定型的熱軋型材那樣受到局限，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上可具有較大的靈活性。原來只有用熱軋型鋼才能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在用冷彎型鋼也可以很方便地實現(xiàn)，且性能更優(yōu)，在降低自重的同時，又提高了強(qiáng)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(yīng)翻車作業(yè)時翻車機(jī)托車梁托車力的要求，并防止側(cè)柱的擠壓變形，將側(cè)柱設(shè)計為雙曲面型式的冷彎型鋼，大大提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(qiáng)度和剛度的要求。

雖然，我國鐵路貨車上應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生裂紋。受冷彎型鋼軋制設(shè)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(chǎn)生不易被察覺的微小原始裂紋，而這些裂紋就有可能成為車輛運(yùn)行的安全隱患。②冷彎型鋼存在較大的內(nèi)應(yīng)力，變形較為嚴(yán)重。冷彎型鋼在制造過程中，由于其加工方式屬于機(jī)械強(qiáng)制變形，成形后勢必存在很大的內(nèi)應(yīng)力；冷彎后雖然有校正工序，但只是對型鋼外形尺寸進(jìn)行修正，對消除內(nèi)應(yīng)力效果并不大。同時，其成品存放一段時間后，內(nèi)應(yīng)力不斷釋放，彎角處產(chǎn)生回彈，彎曲和扭轉(zhuǎn)變形愈加明顯，特別對那些開口不對稱的結(jié)構(gòu)，變形更加明顯，外形尺寸無法保證。③冷彎型鋼制造質(zhì)量不穩(wěn)定。雖然我國研制的耐候鋼機(jī)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(zhì)量很難保證，特別是對稱結(jié)構(gòu)的型鋼，更加無法保證對稱度的要求。

3、熱軋型鋼在鐵路貨車上的應(yīng)用情況

熱軋型鋼以其外形尺寸精確、加工制造方便、工藝性好等特點(diǎn)，從我國具有鐵路貨車設(shè)計能力起，就開始在鐵路貨車上應(yīng)：應(yīng)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(cè)梁、橫梁和端墻橫帶，部分敞車采用的熱軋帽型鋼側(cè)柱，棚車采用的80槽鋼側(cè)柱及乎車用的工字型鋼中梁、側(cè)梁等。特別是中梁結(jié)構(gòu)，有部分車輛還采用了槽鋼結(jié)構(gòu)和工字鋼結(jié)構(gòu)。實踐發(fā)現(xiàn)，乙字型鋼中梁的結(jié)構(gòu)較為合理，制造方便，且工藝性更強(qiáng)，其應(yīng)用也更為廣泛。

隨著鐵路貨車技術(shù)水平的不斷提升，型鋼的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。如H型鋼的中梁、L型鋼下側(cè)梁和槽鋼端梁、橫梁及乙字型縱向梁等在很多鐵路貨車產(chǎn)品上均有應(yīng)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(jié)構(gòu)件、吊架等也大量應(yīng)用。

應(yīng)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均得到了一定的加強(qiáng)，推動了鐵路貨車的發(fā)展和進(jìn)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(yè)由于受制于從模具開發(fā)到投入使用周期較長且費(fèi)用較高，已不能跟上鐵路貨車設(shè)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(yīng)用。同時，由于受熱軋型鋼本身重量分配不合理、自重過大、強(qiáng)度等級低等限制，其在鐵路貨車上的應(yīng)用也受到了一定的限制。很多原來使用熱軋型鋼的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在逐漸被冷彎型鋼的結(jié)構(gòu)所取代。

4、結(jié)語

在現(xiàn)有鐵路貨車設(shè)計時，無論是熱軋型鋼還是冷彎型鋼，在車輛很多的結(jié)構(gòu)上均已大量地采用。其中，熱軋型鋼主要應(yīng)用在承受和傳遞載荷比較大、連接相對簡單的部位，冷彎型鋼則更多地應(yīng)用在為滿足結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、整體剛度需要和需輕量化設(shè)計的部位。

雖然冷彎型鋼從成型技術(shù)到工藝裝備，直至在鐵路貨車上的應(yīng)用都得到了較快發(fā)展，但車輛上的某些部位還需要采用傳統(tǒng)的熱軋型鋼結(jié)構(gòu)。如在中梁部位，現(xiàn)在設(shè)計制造的鐵路貨車仍是以熱軋乙字鋼中梁為主。主要是因為，熱軋乙字鋼中梁的斷面尺寸精確，且軋制出來后，下翼緣的開口比較對稱，組焊后的直線度容易保證。同時，由于其彎角部位均為直角，與各梁件的連接比較方便，焊接量小，焊后基本沒有變形。而且乙字鋼中梁材質(zhì)也由屈服強(qiáng)度為295MPa的09V發(fā)展為現(xiàn)有的屈服強(qiáng)度為345MPa的09CuPCrNi—A和屈服強(qiáng)度為450MPa的Q450NQRl，完全滿足了鐵路重載運(yùn)輸發(fā)展的要求。

因此，為提高冷彎型鋼在鐵路貨車上的應(yīng)用能力，應(yīng)加強(qiáng)冷彎型鋼廠與鐵路貨車設(shè)計研制單位的交流溝通，加大前期對成型技術(shù)研制的投入，解決冷彎回彈、彎角裂紋等缺陷，并軋制出更多適合結(jié)構(gòu)需要、復(fù)雜斷面形狀的冷彎型鋼，使得鐵路貨車的結(jié)構(gòu)得到更合理地優(yōu)化、貨車產(chǎn)品的整機(jī)性能邁上一個新的臺階。最后，鐵路貨車的設(shè)計也應(yīng)兼顧現(xiàn)有的熱軋、冷彎型鋼的發(fā)展趨勢，與各鋼廠緊密配合，并基于其現(xiàn)有的設(shè)備，設(shè)計出可行的型鋼斷面，以滿足鐵路貨車產(chǎn)品設(shè)計制造的要求。