裝甲裝備在鐵路輸送時(shí)解決超限的加高方案

錢潤華， 王橋， 洪乃斌， 付磊， 陶治

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系， 北京 100072； 2.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 貨運(yùn)部， 北京 100089)

收稿日期：2019-11-22

基金項(xiàng)目：軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(WG2015ZT020001)

作者簡介：錢潤華(1966—)， 男， 副教授， 碩士生導(dǎo)師。 E-mail: qianrh@163.com；

王橋(1994—)， 男， 碩士研究生。 E-mail: 2423644096@qq.com

0 引言

裝甲裝備在鐵路輸送時(shí)在平車上裝載后的外廓尺寸超過了我國標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路車輛限界，因此裝甲裝備存在鐵路輸送超限。如何在不拆解裝備、不對鐵路設(shè)施和設(shè)備進(jìn)行全面改建的基礎(chǔ)上，降低軍事裝備在鐵路輸送的超限等級，是裝備超限運(yùn)輸值得研究的重大問題。

我國目前一般裝載裝甲裝備的平車(N系列、NX系列)車地板高度在1 163～1 226 mm范圍內(nèi)，裝備裝載后裝載高度在1 250 mm以下，在此高度上國家標(biāo)準(zhǔn)GB146.1—83《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界》規(guī)定我國鐵路下部限界的最大寬度小于我軍裝甲裝備的履帶寬度，造成鐵路運(yùn)輸超限。

本文在對超限裝備的外廓尺寸調(diào)研分析基礎(chǔ)上，提出采用配套裝置[1]將超限裝甲裝備裝載高度加高到中部限界以上，以充分利用中部限界的最大寬度，解決裝甲裝備鐵路在運(yùn)輸時(shí)超限問題。

1 超限裝甲裝備加高裝載方案

1.1 坐標(biāo)系的建立

為準(zhǔn)確地描述裝備與限界之間的相對位置關(guān)系，以平車橫中心線與線路中心線在鋼軌平面上投影的交點(diǎn)為O點(diǎn)、以鋼軌平面上垂直線路中心線的線為x軸、以線路中心線在鋼軌平面上的投影為y軸、以垂直于鋼軌平面的豎直線為z軸建立坐標(biāo)系，裝甲裝備在平車上采用裝置加高裝載后，前后左右對稱，裝備重心在平車上的投影最好落在平車縱橫中心線交點(diǎn)上，如圖1所示。特殊情況下，前后左右裝載偏移量應(yīng)符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 3008A—2004《鐵路軍事運(yùn)輸裝載加固基本要求》規(guī)定要求。

圖1 裝備加高裝載及坐標(biāo)系示意圖Fig.1 Equipment elevation loading and coordinate system

1.2 計(jì)算點(diǎn)的確定

圖2 裝備裝載后輪廓與限界相對位置圖Fig.2 Relative position of equipment outline and gauge after loading

根據(jù)我國裝甲裝備外廓形狀基本相似的特點(diǎn)，裝甲裝備在鐵路平車上裝載后限界檢測時(shí)，分別取與線路中心線垂直且過平車橫中心線、裝備最高點(diǎn)、炮口所在面的3個(gè)橫斷面為檢定斷面。由于距軌面高度1 250 mm以上限界為凸集，標(biāo)出不同檢定斷面與履帶板外緣、裙板上邊緣、炮塔外緣、炮口邊緣不同高度的最寬點(diǎn)作為計(jì)算點(diǎn)[3]。

設(shè)計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)為Ti(bi,hi),i=1,2,…,5. 其中，bi和hi分別表示計(jì)算點(diǎn)Ti的計(jì)算寬度和高度。由于裝載后裝備車體位于平車兩轉(zhuǎn)向架中心銷之間，而部分裝備炮口在平車兩轉(zhuǎn)向架中心銷之外，則計(jì)算點(diǎn)T1、T2、T3、T4的計(jì)算寬度b1、b2、b3、b4如(1)式所示，計(jì)算點(diǎn)T5的計(jì)算寬度b5如(2)式所示。

bi=X+Ci-36，i=1,2,3，4，

(1)

b5=X+Co+K-36，

(2)

式中：X為計(jì)算點(diǎn)實(shí)測寬度；Ci為貨物內(nèi)偏差量；Co為貨物外偏差量；K為附加偏差量。

2 超限計(jì)算理論方法

2.1 計(jì)算點(diǎn)超限情況判定

(3)

(4)

(3)式與(4)式聯(lián)立，得

(5)

通過(5)式計(jì)算出裝備計(jì)算點(diǎn)Ti(bi,hi)對應(yīng)的Si值，再根據(jù)(6)式判定該計(jì)算點(diǎn)的超限情況。

(6)

根據(jù)對23種型號裝甲裝備尺寸測量得到的數(shù)據(jù)，分別對計(jì)算點(diǎn)Ti(bi,hi)進(jìn)行超限判定，結(jié)果如下：

1) 已知h1xA，代入(5)式得S1<0，因此T1超限；

2) 已知zC0，因此T2不超限；

3) 已知zC0，因此T3不超限；

4) 已知zD0，因此T4不超限；

5) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果知：炮口最寬處計(jì)算點(diǎn)的計(jì)算寬度最大值為261.3 mm，小于最高處限界寬450 mm，計(jì)算點(diǎn)T5不超限。

通過以上對23種型號裝甲裝備計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行超限判定可知，計(jì)算點(diǎn)T1超限，故裝備超限。

2.2 Δh的理論計(jì)算

由于Δh的取值受限界和裝備外廓尺寸及重車重心高度等眾多因素的影響，下面分析這些因素的影響，分別求出Δh的取值范圍。

2.2.1 據(jù)限界確定Δh范圍

(7)

Δh>zC-hp.

(8)

當(dāng)xE

Δh≤kDE(bi-xD)+zD-hi；

(9)

當(dāng)xF

Δh≤kEF(bi-xE)+zE-hi；

(10)

當(dāng)0≤bi≤xF時(shí)，

Δh≤zF-hi.

(11)

2.2.2 據(jù)重車重心高度確定Δh范圍

由于加高裝備的裝載高度將改變重車重心高度，對列車的運(yùn)行造成影響。重車重心高度從鋼軌面起超過2 000 mm時(shí)應(yīng)按規(guī)定區(qū)間限速50 km/h，通過側(cè)向道岔限速15 km/h[4]，故使重車重心高度始終保持在2 000 mm以下，重車重心高度不會超限。

根據(jù)鐵總運(yùn)[2015]296號《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》[4]，列不等式(見(12)式)計(jì)算出重車重心不超限時(shí)Δh的取值范圍。由于加高裝置質(zhì)量較平車和裝備較小，將其忽略不計(jì)。

(12)

式中：H為裝備加高裝載后重車重心高度(mm)；Qf為平車自重(t)；hf為平車重心高(mm)；Qe為裝備自重(t)；he為裝備重心高度(mm)。

根據(jù)(12)式計(jì)算出Δh取值范圍為

(13)

由于加高高度Δh需同時(shí)滿足上述約束條件，上述所求得的Δh取值范圍取交集。

3 影響因素分析

加高高度Δh的取值受眾多因素影響，不僅受到裝備輪廓尺寸和鐵路限界影響，而且受到平車相關(guān)參數(shù)(地板高、質(zhì)量和重心高度)和裝備質(zhì)量、重心高度的綜合影響。

3.1 平車因素

考慮到平車地板至軌面高度、平車地板磨損量和彈簧下沉量等因素對加高高度的影響，通過(14)式計(jì)算Δh范圍：

Δh≥Hs+Hd+Hv+Ha，

(14)

式中：Hs為車鉤中心線以下最大磨損量與彈簧下沉量之和；Hd為1 250 mm與各平車地板面至軌面高度之差的最大值；Hv為平車側(cè)下垂量最大值；Ha為平車地板磨損量。

由于運(yùn)行中相鄰兩列車車鉤中心線之差最大值為75 mm[5]，運(yùn)行中車輛車鉤中心線以下最大磨損量與彈簧下沉量之和應(yīng)在75 mm以下，取Hs=75 mm. NX17BH型平車地板高度為1 207 mm，低于其他型號平車地板高度，取Hd=43 mm.

由于平車中央側(cè)下垂量不超過轉(zhuǎn)向架中心距的1/900[6]，在16種平車中最大轉(zhuǎn)向架中心距為10 920 mm，其平車側(cè)下垂量最大值即Hv≈12 mm. NX系列平車新車木地板高于集裝箱鎖頭平面8 mm. 因此，平車地板磨損量取最大值Ha=8 mm. 上述求得的數(shù)據(jù)代入(14)式，得加高高度范圍為

Δh≥Hs+Hd+Hv+Ha=138 mm.

(15)

3.2 輪廓尺寸與限界因素

不同裝備的計(jì)算點(diǎn)表示為Tij(bij,hij)，i=1,2,3,4,5,j=1,2,…,m，其中j代表不同的超限裝甲裝備，m表示超限裝備數(shù)量。所有計(jì)算點(diǎn)經(jīng)測量計(jì)算并投影到Oxz平面后找出最外側(cè)計(jì)算點(diǎn)，將這些計(jì)算點(diǎn)標(biāo)記后用直線將其按順序連接成一個(gè)最大輪廓，以此作為超限裝備綜合輪廓[7-8]。再將最外側(cè)計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)存儲在一個(gè)數(shù)組中，通過MATLAB軟件繪制成輪廓圖[9]。裝備綜合輪廓與限界相對位置示意圖如圖3所示。

圖3 裝備綜合輪廓與限界示意圖Fig.3 Schematic diagram of equipment integrated contour and railway gauges

超限裝備所有的計(jì)算點(diǎn)都位于綜合輪廓內(nèi)或輪廓上，因此，僅需將綜合輪廓頂點(diǎn)坐標(biāo)代入(8)式～(11)式中，求出加高高度Δh取值范圍，將所有求得的Δh取值范圍取交集為138 mm≤Δh≤277 mm. 當(dāng)加高高度在此取值范圍時(shí)，所有超限裝甲裝備不會因尺寸因素超限。

3.3 重車重心因素

一般裝甲裝備的質(zhì)量在20～55 t之間，裝備質(zhì)心高度在800～1 400 mm之間，通過不同質(zhì)量和質(zhì)心高度的裝備在NX70平車加高裝載為例，分析重車重心高度不超過2 000 mm時(shí)，允許裝備的最大加高高度Δh如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知：裝備質(zhì)量越大、質(zhì)心越高而最大加高高度Δh越小，裝備質(zhì)量相對裝備質(zhì)心高度對加高高度影響較大；當(dāng)裝備質(zhì)量和質(zhì)心高度過大時(shí)，不加高裝備裝載高度，重車重心仍有可能超過2 000 mm.

圖4 加高高度與裝備質(zhì)量和重心高度關(guān)系曲面圖Fig.4 Surface diagram of the relation between heightening height with equipment mass and height of center of gravity

圖5 加高高度與裝備質(zhì)量和重心高度關(guān)系曲線圖Fig.5 Relation between heightening height with equipment mass and height of center of gravity

為更好地判斷裝備是否能通過在不同平車上加高裝載以解決超限問題，根據(jù)(13)式繪出在滿足最小加高高度條件下，裝備質(zhì)量與重心高度關(guān)系曲線，如圖6所示。在圖6曲線下方的裝備表示能通過在相應(yīng)平車上加高裝載高度解決其超限問題。

圖6 裝備質(zhì)量與重心高度關(guān)系圖Fig.6 Relation between equipment mass and height of center of gravity

經(jīng)計(jì)算，目前列裝的8個(gè)系列23種超限裝甲裝備在2個(gè)系列(N、NX系列)16種型號鐵路平車上裝載,當(dāng)加高高度范圍為138 mm≤Δh≤151 mm時(shí)，超限裝備均不超限。

4 車輛傾覆穩(wěn)定性分析

加高裝備的裝載高度將改變重車重心高度，將對列車的運(yùn)行造成影響。目前，我國采用傾覆系數(shù)W來評定車輛的傾覆穩(wěn)定性。根據(jù)傾覆系數(shù)的定義，有

(16)

式中：Δpv為橫向力作用下輪軌間垂向力變化量(kN)；ps,v為無橫向力作用時(shí)輪軌間垂向靜載荷(kN)；pi為增載側(cè)輪軌間垂向力(kN)；pd為減載側(cè)輪軌間垂向力(kN)。

為簡化計(jì)算，略去影響較小的因素，即：車體傾側(cè)時(shí)橫向力作用點(diǎn)至軌面的高度變化；車輛簧下部分所受的風(fēng)力；簧上部分垂向慣性力；簧下部分的垂向和橫向慣性力；車鉤力的作用；在橫向力作用下的車體橫移量[10-11]。

根據(jù)作用在車輛上各力平衡條件可求出內(nèi)側(cè)和外側(cè)車輪上的垂向力pd和pi，可導(dǎo)出傾覆系數(shù)W[12]為

(17)

式中：G為車輛總重量(kN)；HG為車體重心至軌面高度(mm)；θ為曲線外軌超高角(rad)；FC為離心力(kN)；Ft為車體橫向振動慣性力(kN)；Hw為橫風(fēng)作用點(diǎn)至軌面高度(mm)；Fw為橫向風(fēng)壓力(kN)；b為左右輪軌接觸點(diǎn)之間的跨距的一半(mm).

加高裝備裝載高度主要對重車重心高度有影響，從而影響平車的運(yùn)行狀況。下面主要分析加高裝載裝備后，重車總重與重車重心高度對傾覆系數(shù)W的影響。

通過分析16種平車裝載23種裝備的368種組合下，重車總質(zhì)量在41～78.8 t之間，不計(jì)轉(zhuǎn)向架彈簧壓縮量，加高高度Δh取最大值151 mm，根據(jù)(12)式計(jì)算，車體重心至軌面高度H范圍在1 581～2 000 mm.

平車在曲線半徑R為300 m，外軌超高h(yuǎn)′為120 mm的線路，以最高速度70 km/h運(yùn)行。曲線上超高一定時(shí)，車輛向外、向內(nèi)傾覆的臨界速度為

(18)

式中：g為重力加速度。

通過以上計(jì)算可知，平車在曲線上的運(yùn)行速度大于臨界速度，平車向曲線外側(cè)傾斜的可能性大。

車體橫向加速度最大值[13]為2.35 m/s2，車體橫向振動慣性力Ft范圍為96.35～185.2 kN.

側(cè)向迎風(fēng)面的投影面積取最大值為39.3 m2，側(cè)向風(fēng)壓為0.49 kN/m2，由鐵總運(yùn)[2015]296號《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》可知，風(fēng)力Fw為19.26 kN，風(fēng)力作用點(diǎn)距軌面高度Hw為2 033 mm.

圖7 傾覆系數(shù)曲面圖Fig.7 Surface diagram of overturn coefficient

根據(jù)(17)式繪出不同裝載工況下，平車的傾覆系數(shù)曲面圖如圖7所示。從圖7中可以看出，平車的傾覆系數(shù)W在0.51～0.68之間，均小于國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5599—1985《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定的容許傾覆系數(shù)0.8，列車不會發(fā)生傾覆[14]。因此，加高裝備裝載高度在138 mm≤Δh≤151 mm范圍內(nèi)不會對列車運(yùn)行安全造成不利影響。

5 結(jié)論

本文著眼于解決超限裝甲裝備在鐵路輸送時(shí)寬度超限問題，通過加高方案把超限裝備裝載高度加高到中部寬度限界以上，來解決裝備寬度超限問題。該加高方案對裝備縮短鐵路輸送時(shí)間，提高裝備運(yùn)輸途中的安全性和節(jié)約運(yùn)輸經(jīng)費(fèi)等方面都具有重要意義。得到主要結(jié)論如下：

1) 理論分析證明了超限裝甲裝備的加高方案、解決現(xiàn)有超限裝甲裝備運(yùn)輸?shù)目尚行?，為加高裝置的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

2) 計(jì)算分析確定了加高高度的取值范圍為138 mm≤Δh≤151 mm時(shí)，現(xiàn)有寬度超限裝甲裝備均不超限。

3) 確保重車重心高度始終保持在2 000 mm以下，加高裝備裝載高度不會對平車的運(yùn)行造成不利影響。