大型養(yǎng)路機(jī)械與普通貨物列車編組運(yùn)行連掛位置分析

王鵬 朱亞杰 邢磊 何國(guó)華 劉傳

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段，北京 100070；3.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工電部，北京 100844）

近年來(lái)客貨運(yùn)列車大提速，線路、車輛和管理技術(shù)不斷進(jìn)步和突破。2014 年和諧型貨運(yùn)機(jī)車牽引的普通貨物列車全部實(shí)現(xiàn)以80 km/h 的速度運(yùn)行；2019年蘭新線貨物列車運(yùn)行速度由80 km/h提速至90 km/h。

大型養(yǎng)路機(jī)械無(wú)動(dòng)力回送或遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移時(shí)與普通貨物列車編組連掛運(yùn)行。為在貨車提速情況下確保運(yùn)輸安全，大型養(yǎng)路機(jī)械與貨物列車編組連掛位置、安全性和速度尤為重要。編組連掛位置取決于大型養(yǎng)路機(jī)械車架承受縱向拉伸和壓縮的能力。

本文從大型養(yǎng)路機(jī)械主車架結(jié)構(gòu)、車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、代表車型車架強(qiáng)度計(jì)算校核三個(gè)方面進(jìn)行論證分析。

1 大型養(yǎng)路機(jī)械主車架結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)功能定位和作業(yè)特點(diǎn)，大型養(yǎng)路機(jī)械可分為線路搗固機(jī)械、道砟清篩及路基整治機(jī)械、道床配砟整形車、軌道動(dòng)力穩(wěn)定車、鋼軌及道岔打磨機(jī)械、焊軌機(jī)械等［1-4］。

大型養(yǎng)路機(jī)械主要車型有DCL-32k連續(xù)式雙枕?yè)v固車、QS-650x道砟清篩機(jī)、DPZ-440配砟整形車、WD-320動(dòng)力穩(wěn)定車、GMC-96x鋼軌打磨車、YHG-1200k自行式閃光焊軌車等。各車型車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1（見(jiàn)下頁(yè)）。各車型車鉤中心高度均為880 ±10 mm。

大型養(yǎng)路機(jī)械種類多樣、功能各異、需求復(fù)雜，綜合考慮作業(yè)裝置、動(dòng)力傳動(dòng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、走行系統(tǒng)等的整體布局，主車架多設(shè)計(jì)成上拱或無(wú)中梁等特殊結(jié)構(gòu)形式，以提高車下空間利用率，且車架的下平面均高于車鉤中心高度。

連掛運(yùn)行時(shí)縱向力沿車鉤中心線作用于車架，上拱結(jié)構(gòu)造成側(cè)梁除承受縱向力以外，還須承受較大附加彎矩，造成附加應(yīng)力；對(duì)于無(wú)中梁的承載結(jié)構(gòu)，若不增大車體縱向截面積，則會(huì)減弱承受縱向力的能力。大型養(yǎng)路機(jī)械車體的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得車架不能承受較大縱向拉伸力和縱向壓縮力。

2 車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)定方法

2.1 車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

大型養(yǎng)路機(jī)械主要用于線路維修施工及檢測(cè)。功能定位決定了大型養(yǎng)路機(jī)械結(jié)構(gòu)的特殊性。GB/T 25337—2018《大型養(yǎng)路機(jī)械 通用技術(shù)條件》規(guī)定［5］：在滿足作業(yè)功能前提下車體靜強(qiáng)度滿足TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》［6］的相關(guān)規(guī)定，其中縱向拉伸力為980 kN，縱向壓縮力為1 180 kN。該規(guī)定要求大型養(yǎng)路機(jī)械車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)與鐵路客車相同。

TB/T 1335—1996 中車體強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)時(shí)縱向力及主載荷的最大可能組合分為2 種工況：①縱向拉伸力，客車取980 kN，貨車取1 125 kN；縱向壓縮力，客車取1 180 kN，貨車取1 400 kN。②縱向壓縮力取2 250 kN。一般客車強(qiáng)度計(jì)算和試驗(yàn)時(shí)僅按工況①的載荷組合進(jìn)行；貨車必須按工況①和工況②的載荷組合進(jìn)行。

TB/T 3548—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范總則》［7］、TB/T 3550.1—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范車體第1 部分：客車車體》［8］和TB/T 3550.2—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范車體第2 部分：貨車車體》［9］是關(guān)于機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定的最新標(biāo)準(zhǔn)，分別代替TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中的通用要求、客車車體部分和貨車車體部分。

新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本原則：車體結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受與其運(yùn)用要求相一致的最大載荷，不產(chǎn)生永久變形；在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，車體結(jié)構(gòu)應(yīng)最大限度降低自重。

TB/T 3550.1—2019 規(guī)定：工況①縱向拉伸力取980 kN，縱向壓縮力取1 180 kN。該力分別沿車鉤中心線作用于牽引梁上的前后從板座或相應(yīng)部件上。

TB/T 3550.2—2019與TB/T 1335—1996的區(qū)別在于，關(guān)于貨車車體計(jì)算和試驗(yàn)縱向力取值按編組總質(zhì)量給定，對(duì)單列編組總質(zhì)量超過(guò)6 000 t 的貨車提出了更高的縱向力要求?，F(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于車體計(jì)算和試驗(yàn)縱向力取值見(jiàn)表2。

編組貨物列車無(wú)動(dòng)力回送時(shí)，若大型養(yǎng)路機(jī)械編掛于列車中部，則要求大型養(yǎng)路機(jī)械能承受與貨車相同的縱向拉伸力和縱向壓縮力。

表2 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于車體計(jì)算和試驗(yàn)縱向力取值

2.2 車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)定方法

根據(jù)TB/T 3548—2019 規(guī)定，車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按式（1）所示的當(dāng)量應(yīng)力來(lái)評(píng)定，即計(jì)算的當(dāng)量應(yīng)力不得超過(guò)相應(yīng)計(jì)算工況的許用應(yīng)力。

式中：σe為當(dāng)量應(yīng)力，MPa；σ1，σ2，σ3分別為第一、第二、第三主應(yīng)力，MPa；σ為許用應(yīng)力，MPa。

大型養(yǎng)路機(jī)械車體部分常用材料屈服極限和許用應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 車體部分常用材料屈服極限和許用應(yīng)力 MPa

3 代表車型車架強(qiáng)度計(jì)算校核

以我國(guó)最新研發(fā)設(shè)計(jì)的SQS-300橋隧清篩機(jī)動(dòng)力車架為例，按GB/T 25337—2018 和TB/T 3550.2—2019 貨車車體（單列編組總質(zhì)量M≤6 000 t）規(guī)定的計(jì)算載荷，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核分析。動(dòng)力車架模型見(jiàn)圖1。

3.1 計(jì)算工況及載荷組合

圖1 SQS-300橋隧清篩機(jī)動(dòng)力車架模型

根據(jù)GB/T 25337—2018，僅按工況①的載荷組合取值?？v向拉伸力取980 kN，縱向壓縮力取1 180 kN，其分別作用在位于牽引梁上的前后從板座上。

根據(jù)TB/T 3550.2—2019，對(duì)于單列編組總質(zhì)量M≤6 000 t 的專用貨車，工況①縱向拉伸力取1 125 kN，縱向壓縮力取1 400 kN；工況②縱向壓縮力取2 250 kN。計(jì)算工況及載荷組合見(jiàn)表4。

表4 SQS-300橋隧清篩機(jī)動(dòng)力車架強(qiáng)度計(jì)算工況

3.2 有限元模型的建立

車架有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系。x軸指向車輛運(yùn)行方向，y軸與線路方向垂直，z軸垂直于軌道平面。由于車架為鋼板和管件的焊接結(jié)構(gòu)，故采用shell 181 單元進(jìn)行離散劃分網(wǎng)格，共離散為639 361 個(gè)節(jié)點(diǎn)，形成652 139 個(gè)單元。根據(jù)計(jì)算工況分別對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行約束和加載，如圖2 所示。根據(jù)車架受力情況在模型中施加相應(yīng)的垂向、橫向及縱向位移約束。

圖2 約束和加載

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 根據(jù)GB/T 25337—2018校核強(qiáng)度

根據(jù)GB/T 25337—2018 規(guī)定的計(jì)算載荷，對(duì)SQS-300橋隧清篩機(jī)動(dòng)力車架強(qiáng)度進(jìn)行校核分析。

工況①縱向拉伸力為980 kN、工況①縱向壓縮力為1 180 kN 兩種情況下車架應(yīng)力分布見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)：兩種情況下各梁連接焊縫處、枕梁、車鉤與牽引梁連接處均有應(yīng)力集中；最大應(yīng)力分別為227，229 MPa，均位于車鉤與牽引梁連接處，其值均小于枕梁腹板Q420D 材質(zhì)的許用應(yīng)力262 MPa（工況①許用應(yīng)力），車架強(qiáng)度滿足要求。

圖3 按GB/T 25337—2018規(guī)定載荷計(jì)算的車架應(yīng)力

3.3.2 根據(jù)TB/T 3550.2—2019校核強(qiáng)度

根據(jù)TB/T 3550.2—2019 規(guī)定的貨車車體（單列編組總質(zhì)量M≤6 000 t）計(jì)算載荷，對(duì)SQS-300 橋隧清篩機(jī)動(dòng)力車架強(qiáng)度進(jìn)行校核分析。

工況①縱向拉伸力為1 125 kN、工況①縱向壓縮力為1 400 kN、工況②縱向壓縮力為2 250 kN 三種情況下車架應(yīng)力分布見(jiàn)圖4。可見(jiàn)：三種情況下各梁連接焊縫處、枕梁、車鉤與牽引梁連接處均有應(yīng)力集中；最大應(yīng)力分別為253，272，437 MPa，均位于車鉤與牽引梁連接處。工況①縱向壓縮力為1 400 kN，工況②縱向壓縮力為2 250 kN 時(shí)車架最大應(yīng)力分別超過(guò)枕梁腹板Q420D 材料相應(yīng)工況許用應(yīng)力262 MPa 和356 MPa，其強(qiáng)度均不能滿足要求。

圖4 按TB/T 3550.2—2019規(guī)定載荷計(jì)算的車架應(yīng)力

綜上，在GB/T 25337—2018 規(guī)定的計(jì)算載荷下對(duì)該車架進(jìn)行縱向拉伸和縱向壓縮，其強(qiáng)度能滿足要求。在TB/T 3550.2—2019 貨車車體（單列編組總質(zhì)量M≤6 000 t）計(jì)算載荷下對(duì)該車架進(jìn)行縱向壓縮，無(wú)論是工況①還是工況②車架最大應(yīng)力均超過(guò)材料相應(yīng)工況許用應(yīng)力，其強(qiáng)度不能滿足要求。

4 結(jié)論及建議

1）大型養(yǎng)路機(jī)械不僅需要裝載固定專用設(shè)備，還須考慮其多種復(fù)雜的功能及整體布局要求。主車架多設(shè)計(jì)成上拱或無(wú)中梁等特殊結(jié)構(gòu)形式，且車架的下平面高于車鉤中心高度，不利于承受較大的縱向拉伸力和縱向壓縮力。

2）根據(jù)大型養(yǎng)路機(jī)械的功能定位，車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)和試驗(yàn)載荷等同于客車車體，縱向拉伸力取980 kN，縱向壓縮力取1 180 kN。

3）根據(jù)GB/T 25337—2018 和TB/T 3550.2—2019規(guī)定的車體強(qiáng)度評(píng)定方法，分別對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械代表車型的車架強(qiáng)度進(jìn)行了校核，其車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足TB/T 3550.2—2019 規(guī)定的貨車車體計(jì)算載荷要求。因此，大型養(yǎng)路機(jī)械與貨車編組連掛運(yùn)行時(shí)，不能編掛于列車中部，建議編掛于普通貨物列車尾部。