0 引言
铁路漏斗车车体（端墙、侧墙、底架）钢材长期采用屈服强度为235MPa的普通碳素结构钢，20世纪80年代后期开始应用屈服强度为295MPa的Cu-P合金系09CuPTiRE耐候钢和屈服强度为345MPa的Cu-P-Cr-Ni合金系09CuPCrNi耐候钢。进入21世纪后，我国开发了屈服强度级别为400MPa、450MPa、500MPa和550MPa的高强度高耐候钢，使车辆载重由60t，逐渐增加至70t、80t。
目前铁路漏斗车车体材料大多采用耐侯钢、铝合金、不锈钢等，而底门开闭机构中的底门销、套管、锁体、联轴节、离合器等关键承力部件，所用的材料为铸钢，多年来一直没有改进。本文基于服役能力保持与能效提升技术驱动的在役装备设计技术研究，调研了钛合金、铝合金、锰合金钢等新型高强度合金材料在铁路、化工、航空等各领域的应用情况，并对新型材料在铁路漏斗车开闭机构的应用进行了研究。
1 铁路漏斗车开闭机构的结构及运用情况
目前我国运用的K18DA、KM70系列煤炭漏斗车均采用了顶锁式开闭机构，装车数量超过六千辆。顶锁式开闭机构采用两级传动，可同时开关两侧4个底门，具有两级锁闭装置。该种机构的锁体与底门销接触面为一圆弧面，机构开门时只需克服锁体与底门销之间的滚动摩擦力，锁体不必压缩底门即可转出，使开启底门所需的作用力较小，风动或手动开关底门时，启闭装置传动平稳、轻便、灵活。
为了实现自动快速卸车，减轻劳动强度，装用顶锁式底门开闭机构的煤炭漏斗车一般都设置了风控装置来控制底门的开闭，手动开闭机构作为一种辅助手段在无风源的情况下使用。
顶锁式底门开闭机构的手动操作采用密闭的减速箱机构，劳动强度低，性能可靠，便于维护和保养；同时采用两级传动，一个手轮即可同时开关两侧四个底门，卸货效率较高，操作简便，适应我国铁路货车运用条件、工作环境和管理现状。
经调研，在实际应用中，各机构传动零部件因裂损或磨损等原因影响正常使用的情况较少。在段修和日常维护时主要是对机构的落锁情况和连杆的自锁状态进行检查和调整，并保证各曲拐和传动轴的连接不松动，各传动部件不别劲，开关底门时轻便灵活。由于减速器上方无封闭的操作室，减速器在运用过程中，雨水经常从直立的输入轴与轴承盖之间的毡圈密封处渗入减速器箱体内部，影响了减速器内的润滑脂性能，导致减速器内齿轮润滑不够，转动费力。
2 新型材料的应用
2.1 铝合金
铝合金材料是指以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，是轻金属材料之一。铝合金除具有铝的一般特性外，由于添加合金化元素的种类和数量的不同又具有一些合金的具体特性。铝合金的密度为2.63～2.85g/cm，有较高的强度(σb为110～650MPa)，比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用。
2.2 锰合金钢
锰合金钢是一种高强度的抗磨钢，主要用于需要承受冲击、挤压、物料磨损等恶劣工况条件，铸造耐磨钢和抗磨钢以奥氏体锰钢为主，在一定的条件下经适当热处理的低合金钢也有很好的效果，石墨钢则用于润滑摩擦的工况条件。耐磨高锰钢特别适用于冲击磨料磨损和高应力碾碎磨料磨损工况，常用于制造球磨机衬板，锤式破碎机锤头，铁道道岔，拖拉机和坦克的履带板等抗冲击、抗磨损的铸件。高锰钢还用于防弹钢板，保险箱钢板等。
2.3 钛合金
钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。另外，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氯碳等杂质。还有抗磨性差，生产工艺复杂。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约8%的增长速度发展.目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨.钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是T-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛(TA1、TA2和TA3)。
2.4 新型材料参数对比分析
通过对铝合金、锰合金钢、钛合金等各项性能参数的收集整理，对比既有漏斗车开闭机构关键配件的材料性能，分析结果见表1。
表1材料性能对比分析表
3 漏斗车开闭机构关键配件计算分析情况
采用大型有限元软件ANSYS对漏斗车开闭机构关键配件进行强度、刚度分析，如图4.1，掌握传动机构各构件在运行中的应力状态，研究全寿命周期可靠性。
联轴节应力云图 离合器应力云图
连杆应力云图 顶杆应力云图
图4.1 漏斗车开闭机构关键配件应力云图
4 优化改进分析
铁路漏斗车在开闭底门的过程中，套管承受底门的压力，在底门销上转动，发生底门变形导致别劲的情况时所受压力更大，在运用过程中套管磨损更换的数量较多。既有套管材质为Q235A,采用更耐磨的材料代替可有效减少套管的磨损，但同时其硬度过大会导致底门销的磨损，现有结构下底门销磨损更换时工艺性更差。
通过对比新型材料的性能参数，可将套管材质更换为D.Mn13，增加耐磨性，并将底门销材质由ZG230-450改为钛合金，钛合金与耐候钢焊接时，钛合金的热导率只有钢的1/6，弹性模量只有钢的1/2，由于热导率较小，焊接时容易引起变形，需要采用刚性夹具、冷却压块、反变形等焊接工艺方法防止和减少变形，其焊接工艺性较差，可将底门销与底门的连接方式改为铆接结构。
既有减速器故障多为箱体进水和轴承裂损，通过采用新型防误转减速器可有效改善。新型防误转减速器总重为134kg，可采用与原材质同等或更高强度的铝合金代替，通过计算可减重42kg。减速器手轮可采用碳纤维材料，如图5.1，减轻自重并提高商品化程度。
图5.1 碳纤维减速器手轮
5 结束语
国内既有60t、70t漏斗车开闭机构已运用多年。根据厂修及售后部门反馈的数据统计，开闭机构故障主要集中在减速器、连杆、底门销套管等部位。通过计算分析，既有漏斗车开闭机构各关键部件设计强度满足使用要求，为减轻配件重量，可采用同等强度，但密度较轻的铝合金或钛合金材料替代原铸钢材料，可提高其运用可靠性，减少检修时的换修率，降低其全寿命周期内的成本。同时，铝合金或钛合金的耐腐蚀性更强，外观更美观，商品化程度也更高。
参考文献
[1]严隽耄，付茂海.车辆工程[M].北京：中国铁道出版社，2008.
作者简介：张春发（1984.12-），男，河北保定人，高级工程师，主要从事铁路车辆设计研究。