冷弯型钢在铁路货车上的应用发展

1、国内外铁路货车发展情况概述

目前，世界铁路货车技术发展可分为两大流派，一是以美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西为代表的重载技术，其主要特征是车辆轴重大、载重量高、自重轻及列车编组辆数多。二是以法国、德国等欧洲国家为代表的快捷技术，其主要特征是车辆运行速度高、列车编组数量少。近几年来，我国铁路货车技术水平迅速提升，综合技术水平已经接近或达到了国际先进水平。首先，以重载货车为代表的综合技术已达到了国际先进水平。其次，提速重载并举的铁路通用货车全部实现了升级换代。

从国内外铁路货车技术的现状不难发现，现有铁路货车都在向着大载重、小自重、开发采用新材料上发展，也即向货车车体轻量化设计上发展。毋庸置疑，实现车体轻量化最直接有效的办法就是减少各部结构所用板材的厚度。但由于车辆设计受到车辆性能、结构强度和检修年限等限制，板材的选取也是有限度的，需要从其他途径去寻求解决车体轻量化的办法。随着铁路货车技术的发展，型钢由于在断面形状上可提供更多的选择，尺寸相对精确，强度和刚度逐步提高，其在铁路货车上的应用范围也在不断扩大。型钢，特别是冷弯型钢在铁路货车上的应用，使铁路货车的结构设计更趋于合理，强度和刚度的分配更加均衡，通过优化结构的方式实现了轻量化设计的目的。

2、冷弯型钢在铁路货车上的应用优势及问题

冷弯型钢是一种以热轧或冷轧带钢为坯料，经弯曲成型制成的各种截面形状尺寸的型钢，它是一种经济的截面轻型薄壁钢材，也称为钢制冷弯型材或冷弯型材。冷弯型钢以其型式多样、外型美观、性能稳定、与热轧产品相比重量轻，并能以较复杂断面尺寸满足用户要求而广泛应用于各类建筑、桥梁、机械、制造等行业，并逐步成为在铁路货车产品结构设计上热轧型钢的替代品。

随着铁路货车的重载和提速，要求我们在设计车辆时要不断地优化车体结构，在不降低车辆性能的前提下合理减轻自重，以提高载重和车辆综合性能，而车辆结构设计中采用冷弯型钢就是一个有效的手段。同时，随着冷弯型钢制造技术和手段的不断成熟熟，其在铁路货车上的应用在近几年也得到了较快地发展。70t级新型货车的车体结构就大量应用了冷弯型钢材料，为优化设计提供了良好的途径。与热轧型钢相比，冷弯型钢具有以下几个突出的特点。

（1）自重轻，可实现车体的轻量化设计。

（2）可设计为合理的断面形状，满足使用要求。

（3）材料强度等级高，耐腐蚀能力强。

同时，由于冷弯型钢本身断面可由设计者自行设计，不必像定型的热轧型材那样受到局限，因此在结构设计上可具有较大的灵活性。原来只有用热轧型钢才能实现的结构，现在用冷弯型钢也可以很方便地实现，且性能更优，在降低自重的同时，又提高了强度储备。

目前，各型70t级新型货车均大量采用了冷弯型钢，其使用率占型钢品种的80%以上。以C70型通用敞车为例，该车共装用了十几种冷弯型钢，仅中梁采用了热轧型钢。其中，为了适应翻车作业时翻车机托车梁托车力的要求，并防止侧柱的挤压变形，将侧柱设计为双曲面型式的冷弯型钢，大大提高了结构的强度和刚度；而端墙由于要承受更大的冲击力作用，上端梁也由C64型敞车时的140×116矩形方管改为160x100的矩形方管，满足了强度和刚度的要求。

虽然，我国铁路货车上应用冷弯型钢已有将近二十年的历史，但在冷弯型钢的制造工艺和产品装车使用上还存在以下一些问题：①冷弯型钢的弯角过大，且制造过程中容易产生裂纹。受冷弯型钢轧制设备和材料延伸率的限制，冷弯型钢在制造过程中弯角往往都相对较大。由于弯角过大，在与其他部件连接时，焊缝不易处理，焊角也往往过大，工艺性较差。同时，在冷弯的过程中，圆角处由于挤压弯曲也容易产生不易被察觉的微小原始裂纹，而这些裂纹就有可能成为车辆运行的安全隐患。②冷弯型钢存在较大的内应力，变形较为严重。冷弯型钢在制造过程中，由于其加工方式属于机械强制变形，成形后势必存在很大的内应力；冷弯后虽然有校正工序，但只是对型钢外形尺寸进行修正，对消除内应力效果并不大。同时，其成品存放一段时间后，内应力不断释放，弯角处产生回弹，弯曲和扭转变形愈加明显，特别对那些开口不对称的结构，变形更加明显，外形尺寸无法保证。③冷弯型钢制造质量不稳定。虽然我国研制的耐候钢机械性能、抗腐蚀性及焊接陛良好，但其冲压性能不如普通碳素钢，其制件在弯曲后回弹较大，制造质量很难保证，特别是对称结构的型钢，更加无法保证对称度的要求。

3、热轧型钢在铁路货车上的应用情况

热轧型钢以其外形尺寸精确、加工制造方便、工艺性好等特点，从我国具有铁路货车设计能力起，就开始在铁路货车上应：应用。早期车辆上采用的型钢主要有敞、棚、罐车等通用车采用的310乙字钢中粱，敞车采用的240槽钢下侧梁、横梁和端墙横带，部分敞车采用的热轧帽型钢侧柱，棚车采用的80槽钢侧柱及乎车用的工字型钢中梁、侧梁等。特别是中梁结构，有部分车辆还采用了槽钢结构和工字钢结构。实践发现，乙字型钢中梁的结构较为合理，制造方便，且工艺性更强，其应用也更为广泛。

随着铁路货车技术水平的不断提升，型钢的应用范围也越来越广泛。如H型钢的中梁、L型钢下侧梁和槽钢端梁、横梁及乙字型纵向梁等在很多铁路货车产品上均有应用，很多是作为车辆的主要承载件使用。同时，由于热轧型钢在铁路货车上装用便利，工艺性好，很多小的结构件、吊架等也大量应用。

应该说，热轧型钢的使用大大方便了车辆制造，使各部件之间的连接更为简便，结构的强度和刚度均得到了一定的加强，推动了铁路货车的发展和进步，并在铁路货车用钢中占有很大的比重。铁路货车升级换代逐步加快，对型钢种类的要求也不断谐加，但是各型钢制造企业由于受制于从模具开发到投入使用周期较长且费用较高，已不能跟上铁路货车设计和制造周期缩短的步伐，制约了热轧型钢在铁路货车上的应用。同时，由于受热轧型钢本身重量分配不合理、自重过大、强度等级低等限制，其在铁路货车上的应用也受到了一定的限制。很多原来使用热轧型钢的结构，现在逐渐被冷弯型钢的结构所取代。

4、结语

在现有铁路货车设计时，无论是热轧型钢还是冷弯型钢，在车辆很多的结构上均已大量地采用。其中，热轧型钢主要应用在承受和传递载荷比较大、连接相对简单的部位，冷弯型钢则更多地应用在为满足结构特点、整体刚度需要和需轻量化设计的部位。

虽然冷弯型钢从成型技术到工艺装备，直至在铁路货车上的应用都得到了较快发展，但车辆上的某些部位还需要采用传统的热轧型钢结构。如在中梁部位，现在设计制造的铁路货车仍是以热轧乙字钢中梁为主。主要是因为，热轧乙字钢中梁的断面尺寸精确，且轧制出来后，下翼缘的开口比较对称，组焊后的直线度容易保证。同时，由于其弯角部位均为直角，与各梁件的连接比较方便，焊接量小，焊后基本没有变形。而且乙字钢中梁材质也由屈服强度为295MPa的09V发展为现有的屈服强度为345MPa的09CuPCrNi—A和屈服强度为450MPa的Q450NQRl，完全满足了铁路重载运输发展的要求。

因此，为提高冷弯型钢在铁路货车上的应用能力，应加强冷弯型钢厂与铁路货车设计研制单位的交流沟通，加大前期对成型技术研制的投入，解决冷弯回弹、弯角裂纹等缺陷，并轧制出更多适合结构需要、复杂断面形状的冷弯型钢，使得铁路货车的结构得到更合理地优化、货车产品的整机性能迈上一个新的台阶。最后，铁路货车的设计也应兼顾现有的热轧、冷弯型钢的发展趋势，与各钢厂紧密配合，并基于其现有的设备，设计出可行的型钢断面，以满足铁路货车产品设计制造的要求。