75 m長鋼軌采用普通平車運(yùn)輸方案研究

馬玉坤

MA Yu-kun

（中國鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

(Transportation and Economics Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

75 m長鋼軌采用普通平車運(yùn)輸方案研究

馬玉坤

MA Yu-kun

（中國鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

(Transportation and Economics Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

依據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，針對(duì) 75 m 長鋼軌的截面特性和長度規(guī)格，結(jié)合車輛選擇和裝載加固裝置設(shè)計(jì)，通過基本力學(xué)計(jì)算、座架有限元強(qiáng)度計(jì)算、裝載加固強(qiáng)度計(jì)算和車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算，研究制定 75 m 長鋼軌普通平車運(yùn)輸裝載加固方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，方案滿足實(shí)際運(yùn)輸要求。

長鋼軌運(yùn)輸；裝載加固；普通平車；鐵路

針對(duì) 75 m 長鋼軌的截面特性和長度規(guī)格，依據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》(以下簡稱《加規(guī)》)的技術(shù)要求[1]，通過基本力學(xué)計(jì)算、鋼軌加固強(qiáng)度計(jì)算、加固裝置有限元計(jì)算及車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算，研究制定 75 m 長鋼軌普通平車運(yùn)輸裝載加固方案。

1　　總體方案設(shè)計(jì)

1.1 車輛選擇

目前，我國鐵路普通平車有換長 1.3 和換長 1.5共計(jì) 2 種。根據(jù)車輛長度和 75 m 長鋼軌尺寸，提出4 種可能方案，分別是：①5 輛換長 1.5 平車連掛；②5 輛車連掛，第 3 位為換長 1.3 平車，其他為換長 1.5 平車；③6 輛車連掛，第 3、4 位為換長 1.5 平車，其他為換長 1.3 平車；④6 輛換長 1.3 平車連掛。結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)輸實(shí)際，為便于現(xiàn)場車輛編組管理，在上述 4 種方案中選取車輛為同一換長的方案，即方案①和④進(jìn)行下一步方案設(shè)計(jì)工作。

1.2 裝載加固裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)原則

采用座架方式，依靠鋼軌自然彎曲通過曲線，考慮鋼軌加固要求和運(yùn)輸限界，裝載加固裝置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下條件[2]。

（1）座架結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠保證長鋼軌沿車輛縱中心線對(duì)稱裝載。

（2）座架結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠保證長鋼軌隔離分層裝載。

（3）座架結(jié)構(gòu)應(yīng)具有在運(yùn)輸過程中限制隔梁移動(dòng)的功能。

（4）座架結(jié)構(gòu)應(yīng)具有與車輛加固的部件。

（5）座架橫向長度不應(yīng)大于 3 000 mm，當(dāng)超過3 000 mm 時(shí)，應(yīng)保證不超限。

（6）座架沿車組的布置位置應(yīng)符合《加規(guī)》關(guān)于車輛承載的要求。

（7）緊固裝置螺母應(yīng)具有防松功能。

（8）緊固裝置墊塊結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足軌型截面要求。

1.2.2 座架布置

座架在車輛上的擺放位置需要根據(jù)車輛承重確定，另外還應(yīng)考慮鋼軌撓度。當(dāng)座架之間的距離過大時(shí)，鋼軌會(huì)產(chǎn)生較大撓度，引起振動(dòng)問題。依據(jù)不超載、不偏重、不集重的技術(shù)要求，當(dāng)采用 5輛換長 1.5 平車連掛時(shí)，運(yùn)輸車組的中部車輛沿車輛橫中心線對(duì)稱布置 2 個(gè)座架，端部車輛布置 2 個(gè)座架；當(dāng)采用 6 輛換長 1.3 平車連掛時(shí)，運(yùn)輸車組的中部車輛沿車輛橫中心線對(duì)稱布置 2 個(gè)座架，端部車輛布置 1 個(gè)座架。

分別對(duì) 2 個(gè)方案建立垂向力學(xué)模型[3]，6 輛換長 1.3 平車連掛垂向力學(xué)模型如圖1 所示，5 輛換長1.5 平車連掛垂向力學(xué)模型如圖2 所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和結(jié)構(gòu)位移方法理論，對(duì)座架擺放位置進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，得到最優(yōu)布置方案。建立垂向力學(xué)模型時(shí)，將鋼軌視為連續(xù)梁，計(jì)算支點(diǎn)反力時(shí)考慮車輛轉(zhuǎn)向架的懸掛彈簧剛度。記 n 為鋼軌的支點(diǎn)數(shù)量；l1，ln+1分別為鋼軌左、右兩側(cè)懸臂長度；o 為坐標(biāo)系原點(diǎn)，將第一車端部轉(zhuǎn)向架中心設(shè)為原點(diǎn)； xi為支點(diǎn) i 到支點(diǎn) 1 的距離；L 為支點(diǎn) n 到支點(diǎn) 1 的距離。

圖1 6輛換長 1.3 平車連掛垂向力學(xué)模型

圖2 5輛換長 1.5 平車連掛垂向力學(xué)模型

計(jì)算時(shí)，限定相鄰兩輛車的車地板高差為15 mm，鋼軌縱向偏移為 500 mm。如果采用 6 輛換長1.3 平車連掛方案，第 3 車高 15 mm 時(shí)垂向力的計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 第3車高15 mm 時(shí)垂向力的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1 可知，當(dāng)?shù)?3 車比相鄰 2個(gè)車高 15 mm，第 2 位車的車輛轉(zhuǎn)向架承重差將達(dá)到 13 t，大于《加規(guī)》規(guī)定的 10 t，車輛承重不滿足《加規(guī)》要求。因此，該方案不能作為設(shè)計(jì)方案。

通過進(jìn)一步計(jì)算，確定 75 m 長鋼軌普通平車運(yùn)輸裝載加固方案采用 5 輛換長 1.5 平車連掛，且中部第 2、4 位車須采用載重 70 t 平車，鋼軌共裝載 3 層，每層 14 根。具體座架布置位置分別如圖3和圖4 所示。

圖3 端部車輛座架布置位置

圖4 中部車輛座架布置位置

各典型工況下垂向力計(jì)算結(jié)果如表2所示，其中座架承重、車輛承重、轉(zhuǎn)向架承重和轉(zhuǎn)向架承重差取最大值，鎖定座架承重取最小值。

綜合各典型工況計(jì)算結(jié)果，座架承重最大為34.17 t，車輛承重最大為 59.20 t，轉(zhuǎn)向架承重最大為 31.90 t，轉(zhuǎn)向架承重差最大為 7.79 t，滿足《加規(guī)》要求。鎖定座架最小承重為18.42 t，該值將在計(jì)算裝載加固強(qiáng)度時(shí)使用。

1.2.3 座架結(jié)構(gòu)和緊固裝置

根據(jù)座架設(shè)計(jì)原則、基本載荷計(jì)算結(jié)果和鋼軌截面特性，設(shè)計(jì)鋼軌座架和緊固裝置[4]。緊固裝置采用橫向夾緊鋼軌的加固方式，每層設(shè)置 1 個(gè)緊固點(diǎn)，座架裝載鋼軌如圖5 所示。

圖5 座架裝載鋼軌示意圖

1.3 橫向力計(jì)算

75 m 長鋼軌采用多車聯(lián)掛方式運(yùn)輸，車輛通過曲線時(shí)鋼軌在座架約束下發(fā)生彎曲，鋼軌彎曲產(chǎn)生的橫向力作用在座架側(cè)柱上，同時(shí)，鋼軌彎曲還會(huì)對(duì)鎖定座架的鎖定隔梁施加扭轉(zhuǎn)力，計(jì)算座架強(qiáng)度時(shí)應(yīng)考慮這些作用力。綜合考慮我國鐵路既有線小半徑曲線和企業(yè)鐵路專用線情況，在計(jì)算鋼軌對(duì)座架的橫向作用力時(shí)，選擇車組通過半徑為 150 m的圓曲線工況進(jìn)行靜力分析計(jì)算[3]。經(jīng)計(jì)算，鋼軌彎曲對(duì)鎖定隔梁施加的扭轉(zhuǎn)力為 55 000 N，對(duì)座架各支點(diǎn)的橫向作用力如表3 所示。

由表3 可知，鋼軌對(duì)座架的最大作用力為12.74 t，略小于 100 m 長鋼軌矩形裝載加固方案在同等工況下鋼軌對(duì)座架產(chǎn)生的最大作用力 12.8 t[5]。

2　座架有限元強(qiáng)度計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

表2 各典型工況下垂向力計(jì)算結(jié)果

表3 車組通過半徑為 150 m 曲線時(shí)支點(diǎn)的橫向作用力

在構(gòu)建座架有限元計(jì)算模型時(shí)，在不影響座架受力的情況下，為便于計(jì)算，略去插板和隔梁栓等零部件，建立座架模型[6]，如圖6 所示。模型均采用梁單元，共劃分為 17 680 個(gè)梁單元，將底梁兩端固支，座架底部其余部分限制垂向位移。

圖6 座架有限元計(jì)算模型

2.2 受力工況

根據(jù)前述典型工況下座架承重計(jì)算結(jié)果和座架橫向力計(jì)算結(jié)果，綜合考慮鋼軌對(duì)座架的摩擦力及扭轉(zhuǎn)力，座架受力可分為以下 4 種工況。

工況 a：座架隔梁和底梁承受垂向載荷，計(jì)算取最大垂向力為 34.17×1 000×9.8 = 334 866 N。

工況 b：列車經(jīng)過曲線時(shí)，在鎖定座架鎖定隔梁處承受扭轉(zhuǎn)力偶，大小為 55 000 N，分別作用在各鎖定隔梁與兩端夾板的連接處，大小相等，方向相反。

工況 c：鋼軌對(duì)隔梁產(chǎn)生縱向摩擦力。鋼軌與隔梁滑動(dòng)座板的摩擦系數(shù)取 0.25[3]，座架承受最大垂向力時(shí)，底梁、隔梁所受的最大摩擦力均為27 906 N。

工況 d：列車經(jīng)過曲線時(shí)，在普通座架每層隔梁上的鋼軌擋板處承受橫向力。當(dāng)車組運(yùn)行在半徑為 150 m 曲線上時(shí)，普通座架受到的最大橫向力為11.95 t，則普通座架在底梁、一層隔梁、二層隔梁上的最大橫向力均為 38 885.27 N。

2.3 有限元計(jì)算

普通座架的最惡劣受力工況是同時(shí)承受最大垂向力、摩擦力和橫向力，鎖定座架的最惡劣受力工況是同時(shí)承受最大垂向力、摩擦力和列車經(jīng)過曲線時(shí)鎖緊裝置對(duì)底梁 (隔梁) 的扭轉(zhuǎn)力偶。

在上述受力工況的組合作用下，普通座架有限元分析結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 普通座架組合應(yīng)力云圖

圖8 普通座架組合位移云圖

根據(jù)計(jì)算可知，在隔梁中部承受最大彎曲應(yīng)力為 85.7 MPa，小于材料許用應(yīng)力，最大位移為1.36 mm。

經(jīng)分析，鎖定點(diǎn)在底梁的座架 (鎖定座架 1) 應(yīng)力值最大，鎖定座架 1組合應(yīng)力云圖如圖9 所示，鎖定座架 1 組合位移云圖如圖10 所示。

根據(jù)計(jì)算可知，在底梁端部承受最大壓應(yīng)力為 106.6 MPa，小于材料許用應(yīng)力，最大位移為 1.36 mm。計(jì)算結(jié)果均滿足技術(shù)要求。

3　裝載加固強(qiáng)度計(jì)算

3.1 鋼軌加固強(qiáng)度計(jì)算

鋼軌分層緊固，每層一個(gè)鎖定點(diǎn)，只需驗(yàn)算第一層鎖定點(diǎn)的緊固強(qiáng)度。

緊固裝置螺栓直徑 d = 24 mm，材質(zhì)為 45# 鋼，性能等級(jí)為 6.8，屈服應(yīng)力 σs= 480 MPa，許用應(yīng)力當(dāng)預(yù)緊力矩為擰緊力矩系數(shù) K= 0.28 時(shí)，單根螺栓可達(dá)到的預(yù)緊力為

圖9 鎖定座架 1 組合應(yīng)力云圖

圖10 鎖定座架 1 組合位移云圖

緊固裝置實(shí)際為 6 根緊固螺栓，取鋼軌與緊固裝置之間的摩擦系數(shù) μ1= 0.3[3]，則鋼軌的縱向加固力為

取鋼軌與底梁之間的摩擦系數(shù)為 0.25[3]，則鋼軌與底梁之間的摩擦力取鋼軌整體的最大加速度 amax= 0.4 g[3]，則鋼軌的最大縱向慣性力 T = 306 288 N。考慮線路坡度 δ = 0.03，則鋼軌的坡道力 T1= 22 972 N。

3.2 座架加固強(qiáng)度計(jì)算

每個(gè)座架兩側(cè)用 M20 螺栓、螺母和墊板與車側(cè)支柱槽緊固連接。在每個(gè)鎖定座架兩側(cè)，用直徑為 12.5 mm 的鋼絲繩 2 股各拉牽一個(gè)八字形，捆綁加固在車側(cè)丁字鐵上?？蛰d時(shí)，座架加固強(qiáng)度充足，座架移動(dòng)和傾覆穩(wěn)定性滿足回送要求，不需要計(jì)算，因而只需要計(jì)算運(yùn)輸鋼軌時(shí)的鎖定座架加固強(qiáng)度。

鎖定座架除了受到縱向慣性力以外，還受到鋼軌的扭轉(zhuǎn)作用，所以在計(jì)算加固強(qiáng)度時(shí)應(yīng)分別計(jì)算縱向加固強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)加固強(qiáng)度。鎖定座架縱向加固強(qiáng)度按照《加規(guī)》計(jì)算，鎖定座架鋼絲繩應(yīng)承受的拉力 S ＝ 25.61 kN，直徑為 12.5 mm 的鋼絲繩的破斷拉力 81 kN＞2S，縱向加固強(qiáng)度滿足要求。

計(jì)算鎖定座架扭轉(zhuǎn)加固強(qiáng)度時(shí)，首先計(jì)算鎖定座架與車地板的穩(wěn)定摩擦力矩，然后計(jì)算鋼軌產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，以及鋼軌與座架之間產(chǎn)生的摩擦力矩。

取座架與車地板之間的摩擦系數(shù)為 0.4[3]，鎖定座架最小垂向載荷為 18.42 t，則鎖定座架與車地板的穩(wěn)定摩擦力矩 M = 108 310 N · m。鋼軌產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩 M扭= 121 000 N · m。

取鋼軌與座架之間的摩擦系數(shù)為 0.25[3]，則鋼軌的摩擦力矩為= 18.42×9.8/42×0.25×(85 + 235 + 385 + 535 + 685 + 835 + 985)×2×3 = 24 144 N · m。其中，85，235，…，985 分別為中部支座一側(cè)鋼軌依次到座架中部支座的距離，mm。

在每個(gè)鎖定座架兩側(cè)，用直徑為 12.5 mm 的鋼絲繩 2 股各拉牽 1 個(gè)八字形，鋼絲繩在縱向、垂向的投影長度分別為 1 630 mm、980 mm，則加固強(qiáng)度滿足要求。

4　動(dòng)力學(xué)計(jì)算及試驗(yàn)

4.1 計(jì)算模型與工況

建立車輛動(dòng)力學(xué)模型、鋼軌模型和加固模型，其中 75 m 長鋼軌采用多段彈性連接的方式建模，彈性連接采用等效扭轉(zhuǎn)彈性單元約束[8-9]；線路選取 9 號(hào)和 12 號(hào)道岔，小半徑曲線選取半徑為 300 m的曲線，軌道不平順采用美國五級(jí)譜；計(jì)算采用ADAMS/Rail 軟件。

側(cè)向通過 9 號(hào)、12 號(hào)道岔和通過半徑 300 m 曲線時(shí)的計(jì)算工況分別為運(yùn)行速度 30 km/h、45 km/h和 70 km/h。

4.2 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

動(dòng)力學(xué)安全性指標(biāo)取每車第一軸。按照《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB 5599－1985) 的要求，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表4 所示。

表4 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

表4 中輪軸橫向力括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)分別指第 1、2、3、4、5 車第一軸輪軸橫向力評(píng)判值。輪軸橫向力計(jì)算公式如下。行；運(yùn)行試驗(yàn)路線為攀枝花—成都—江津—達(dá)州—安康—新豐鎮(zhèn)—張橋—延安—綏德—呼和浩特，線路總長約 3 108 km。

表5 不同工況的動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

整個(gè)試驗(yàn)過程中，長鋼軌裝載加固狀態(tài)良好，車輛承重滿足《加規(guī)》要求[10]。被試車在車輛動(dòng)力學(xué)方面表現(xiàn)出較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，其中車組第一位車的第一軸輪軸橫向力在小半徑曲線試驗(yàn)工況、速度為 70 km/h 時(shí)，4 次試驗(yàn)中有 3 次略超過動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求的限度值[10]，但遠(yuǎn)小于線路可承受的橫向力值，鋼軌沒有產(chǎn)生明顯殘余變形，軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性良好。車組在整個(gè)試驗(yàn)過程中，還以 70 km/h 速度通過了其他曲線半徑等于 300 m 的“S”形曲線，被測試車輛的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均沒有超出限度值。據(jù)此，引起輪軸橫向力超標(biāo)的原因可能由線路原因造成。為了確保運(yùn)行安全，實(shí)際運(yùn)輸時(shí)，規(guī)定 75 m 長鋼軌運(yùn)輸列車通過半徑 300 m 及以下的“S”形曲線時(shí)，限速 60 km/h。試驗(yàn)表明，該 75 m長鋼軌普通平車運(yùn)輸裝載加固方案滿足 75 m長鋼軌的運(yùn)輸要求。

5　結(jié)束語

75 m 長鋼軌普通平車運(yùn)輸裝載加固方案研究是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。通過理論計(jì)算，提出適合的 75 m長鋼軌運(yùn)輸裝載加固方案；通過實(shí)際試驗(yàn)，驗(yàn)證該方案的合理性。75 m 長鋼軌普通平車運(yùn)輸裝載加固方案解決了 75 m 長鋼軌普通平車運(yùn)輸過程中的縱向竄動(dòng)、車輛承重、重車曲線通過性及車輛運(yùn)行安全性等問題，已經(jīng)在全路推廣應(yīng)用。

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責(zé)任編輯：馮姍姍

Study on Transport Program of 75 m Long Rails by Ordinary Flat Car

According to Rules of Railway Freights Loading and Reinforcement, targeting with the cross section characteristics and length specification of 75m long rails, combining with vehicle selection and design of loading & reinforcement equipment, through calculation of basic mechanics, pedestal strength by finite element method (FEM), loading and reinforcement strength and vehicle dynamics, the transport loading & reinforcement program of 75m long rails by ordinary flat car was studied and established. The test result shows the program could satisfy the requirements of actual transportation.

Long Rails Transportation; Loading and Reinforcement; Ordinary Flat Car; Railway

1003-1421(2016)05-0084-07

U294.6

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.05.18

2016-03-25

中國鐵道科學(xué)研究院科研項(xiàng)目 (1252YJ6303)