基于鐵路運(yùn)輸限界的特種車(chē)輛最優(yōu)包絡(luò)型面研究

張佳林，張濤華，王真真，劉相新，劉琦

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

特種車(chē)輛使用鐵路線路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸時(shí)，其任何部位均不得超出鐵路基本限界范圍，且與鐵路運(yùn)輸車(chē)的合成質(zhì)心不能超過(guò)允許高度，才能安全快速運(yùn)輸[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[1-6]，特種車(chē)輛運(yùn)輸不僅需要滿足在鐵路運(yùn)輸車(chē)直線行駛下的靜態(tài)不超限邊界，還需要滿足在經(jīng)過(guò)半徑300 m彎道時(shí)的動(dòng)態(tài)不超限邊界。因?yàn)殍F路運(yùn)輸車(chē)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，除轉(zhuǎn)向架中心朝外，其縱向中心將不同程度地偏離鐵路的中心線，從而引起特種車(chē)輛與鐵路運(yùn)輸車(chē)的相對(duì)位置產(chǎn)生偏移。這種偏移可能使相對(duì)限界尺寸的關(guān)系發(fā)生變化，使直線行駛時(shí)不超限的車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中超限。因此，在鐵路運(yùn)輸彎道通過(guò)性計(jì)算時(shí)，需要車(chē)輛外形同時(shí)滿足動(dòng)、靜態(tài)兩種條件下的限界要求。

但是特種車(chē)輛外形不是完全規(guī)則的長(zhǎng)方體，必然存在型面變化或局部凸起等，另外其在鐵路運(yùn)輸車(chē)上的裝載位置也影響包絡(luò)型面大小。如果按照最小型面設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致車(chē)輛裝載能力下降、設(shè)備安裝空間不足等問(wèn)題[7]。文獻(xiàn)[8-10]分析了鐵路不平順及振動(dòng)對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)限界的影響，但是都是基于二維平面和關(guān)鍵控制點(diǎn)構(gòu)建的包絡(luò)線。

本文建立了動(dòng)、靜態(tài)條件下車(chē)輛限界的數(shù)學(xué)模型，提出適應(yīng)不同特種車(chē)輛長(zhǎng)度、高度、質(zhì)量、裝載方式的三維包絡(luò)型面設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)新性構(gòu)建了滿足載荷多樣性的立體包絡(luò)區(qū)域，為特種車(chē)輛整體外形優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 鐵路運(yùn)輸限界

特種車(chē)輛使用鐵路運(yùn)輸時(shí)，根據(jù)不同的質(zhì)量和規(guī)模選擇合適的鐵路運(yùn)輸車(chē)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，特種車(chē)輛裝于運(yùn)輸車(chē)后，車(chē)輛停留在水平直線上，任何部位超過(guò)鐵路運(yùn)輸限界的基本輪廓，即為超出靜態(tài)限界要求；當(dāng)車(chē)輛行經(jīng)半徑為300 m的鐵路曲線時(shí)，特種車(chē)輛的計(jì)算寬度超出基本輪廓，即為超出動(dòng)態(tài)超限要求。機(jī)車(chē)車(chē)輛限界基本輪廓如圖1所示。

圖1 鐵路運(yùn)輸限界基本輪廓[11]

按車(chē)輛外形居中裝載方式的靜態(tài)不超限校核主要通過(guò)作圖法校核各部位是否超過(guò)限界，相對(duì)簡(jiǎn)單。但是動(dòng)態(tài)不超限校核涉及到特種車(chē)輛的裝載方式、不同位置斷面下寬度和高度尺寸、是否在定距內(nèi)等多項(xiàng)影響因素，需要深入研究[12]。

本文以總質(zhì)量為60～70 t、總長(zhǎng)≤19 m、總軸距≤14 m的6軸特種車(chē)輛為例，建立滿足鐵路機(jī)動(dòng)運(yùn)輸?shù)淖顑?yōu)包絡(luò)型面設(shè)計(jì)方法。為便于鐵路運(yùn)輸車(chē)調(diào)度集結(jié)，提高機(jī)動(dòng)運(yùn)輸效能，這種質(zhì)量和規(guī)模的特種車(chē)輛，更適宜選用NX70型普通鐵路平車(chē)進(jìn)行裝載。NX70型鐵路平車(chē)載重70 t，車(chē)底架長(zhǎng)×寬為15 400 mm×2960 mm，木地板，構(gòu)造速度120 km/h，距軌面高度1216 mm，自重23.8 t，質(zhì)心高度738 mm，與裝載貨物的合成質(zhì)心高度不能大于2000 mm，為四軸平車(chē)，定距10 920 mm，適用于六軸及以下貨車(chē)裝載運(yùn)輸。

2 基于不同裝載方式的包絡(luò)型面

特種車(chē)輛總長(zhǎng)19 m，超過(guò)NX70平車(chē)長(zhǎng)度，需要在NX70前后設(shè)置游車(chē)，避免特種車(chē)輛前后碰撞。另外特種車(chē)輛在鐵路平車(chē)的裝載方式也會(huì)影響轉(zhuǎn)彎過(guò)程中不同橫截面的型面，有必要基于不同的裝載方式展開(kāi)研究[13]。

2.1 按車(chē)輛外形居中裝載

按照車(chē)輛外形居中裝載，即將車(chē)輛長(zhǎng)度中心與平車(chē)定距中心對(duì)齊，這種裝載方式如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)是裝載快速易檢測(cè)，缺點(diǎn)是由于車(chē)輛質(zhì)量不均衡，作用在鐵路運(yùn)輸車(chē)前后轉(zhuǎn)向架的載荷不均衡，根據(jù)要求，每個(gè)轉(zhuǎn)向架所承受的載重不得超過(guò)鐵路運(yùn)輸車(chē)容許載重的1/2，且前后轉(zhuǎn)向架承受載重之差不得大于10 t[14]。

圖2 按車(chē)輛外形居中裝載方式

根據(jù)鐵路運(yùn)輸彎道偏移量計(jì)算公式[1](式(1))和檢定斷面上最大可允許的動(dòng)態(tài)半寬值計(jì)算公式(式(2))，綜合靜態(tài)不超限校核要求，可得到待檢定斷面上車(chē)輛最大允許半寬值，如式(3)所示。

(1)

B=X-C-K+P，

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，L0表示NX70平車(chē)定距長(zhǎng)度，為10 920 mm；Li表示計(jì)算位置所在橫截面到鐵路運(yùn)輸車(chē)定距中心的距離，mm；R表示鐵路彎曲半徑，通過(guò)性校核計(jì)算時(shí)一般取最小值300 000 mm；P表示在半徑為300 m的曲線上鐵路建筑限界的加寬值，一般為36 mm；X表示鐵路運(yùn)輸基本限界的半寬，滿足式(4)；H表示待檢定位置車(chē)輛的高度，mm；K表示特種車(chē)輛檢定斷面處的附加偏移量，其與位于定距內(nèi)外的距離相關(guān)，滿足式(5)。

外形居中裝載時(shí)，Li取值為-9500～9500 mm。當(dāng)待檢面高度低于3600 mm以下的車(chē)體，不同橫截面下最大可設(shè)計(jì)半寬值如圖3所示。

圖3 車(chē)輛最大允許半寬值相對(duì)長(zhǎng)度中心變化的包絡(luò)域(待檢面高度低于3600 mm)

當(dāng)車(chē)體待檢面高度在3600～4800 mm時(shí)，選取中部最窄的定距中心斷面(Li=0 mm)、最寬的前后定距處斷面(Li=±5460 mm)、兩端最窄的車(chē)前后端斷面(Li=±9500 mm)3個(gè)標(biāo)志性的橫截面，可得到不同橫截面下車(chē)輛最大可設(shè)計(jì)半寬，如圖4所示。最終可形成當(dāng)特種車(chē)輛按外形居中裝載時(shí)，車(chē)輛可設(shè)計(jì)半寬的最大立體包絡(luò)型面如圖5所示。

(a)定距中心斷面(Li=0 mm) (b)前后定距處斷面(Li=±5460 mm) (c)車(chē)前后端斷面(Li=±9500 mm)

圖5 車(chē)輛居中裝載時(shí)最大立體包絡(luò)型面

2.2 按其他方式裝載

特種車(chē)輛在鐵路平車(chē)上還可以按其他方式裝載，如按車(chē)輛質(zhì)心居中裝載、按軸距居中裝載等。按軸距或按質(zhì)心居中裝載，優(yōu)點(diǎn)是鐵路運(yùn)輸車(chē)前后轉(zhuǎn)向架的載荷基本均衡，缺點(diǎn)是實(shí)際操作時(shí)難以快速對(duì)齊測(cè)量[15]。根據(jù)要求，前后轉(zhuǎn)向架載重之差不得大于10 t，特種車(chē)輛重心允許偏離轉(zhuǎn)向架中心的距離計(jì)算方法[16]為：

(6)

式中，P容為鐵路平車(chē)容許總質(zhì)量，t；mc為特種車(chē)輛質(zhì)量，t。

按其他方式裝載時(shí)，相對(duì)2.1節(jié)所述按外形居中裝載，相當(dāng)于新的裝載中心與長(zhǎng)度中心存在一定的偏移量，該偏移量(設(shè)為L(zhǎng)p)可位于長(zhǎng)度中心的前、后，根據(jù)車(chē)輛質(zhì)量分配、軸荷分配、外形設(shè)計(jì)、運(yùn)輸要求等參數(shù)估算，假定Lp相對(duì)長(zhǎng)度中心的最大偏移量為-1000～1000 mm。則按其他方式裝載的示意圖如圖6所示。

圖6 按其他方式裝載時(shí)最大包絡(luò)型面

假設(shè)按其他方式裝載時(shí)，待檢定橫截面相對(duì)平車(chē)定距中心的距離仍為L(zhǎng)i，相對(duì)車(chē)輛長(zhǎng)度中心的距離為L(zhǎng)n，則存在Li=Ln+Lp。根據(jù)公式(1)～(6)，綜合靜態(tài)不超限校核要求，可得車(chē)輛待檢定斷面車(chē)輛最大允許半寬值

(7)

2.2.1 前移1000 mm裝載時(shí)

當(dāng)裝載中心與外形中心偏差Lp=-1000 mm，即外形中心相對(duì)裝載中心前移1000 mm時(shí)，Li取值為-10 500～8500 mm，當(dāng)車(chē)體待檢定面高度低于3600 mm時(shí)，可得到不同橫截面下車(chē)輛最大可設(shè)計(jì)半寬值如圖7所示。

圖7 車(chē)輛最大允許半寬值相對(duì)定距中心變化的包絡(luò)域(待檢面高度低于3600 mm)

當(dāng)車(chē)體待檢定面高度在3600～4800 mm時(shí)，定距中心(Li=0 mm)及前后定距處(Li=±5460 mm)橫截面形狀與外形居中時(shí)橫截面相同，但車(chē)輛前端面(Li=-10 500 mm)和后端面(Li=8500 mm)兩個(gè)橫截面的形狀發(fā)生變化，計(jì)算前后端面橫截面車(chē)輛最大可設(shè)計(jì)半寬,如圖8所示。

(a)車(chē)前端斷面(Li=-10 500 mm) (b)車(chē)后端斷面(Li=8500 mm)

最終可形成當(dāng)特種車(chē)輛外形中心相對(duì)裝載中心前移1000 mm時(shí)，車(chē)輛可設(shè)計(jì)半寬的最大立體包絡(luò)型面如圖9所示。

圖9 車(chē)輛前移1000 mm裝載時(shí)最大立體包絡(luò)型面

2.2.2 后移1000 mm裝載時(shí)

當(dāng)裝載中心與外形中心偏差Lp=1000 mm，即外形中心相對(duì)裝載中心后移1000 mm時(shí)，Li取值為-8500～10 500 mm。當(dāng)車(chē)體待檢定面高度低于3600 mm時(shí)，可得到不同橫截面下車(chē)輛最大可設(shè)計(jì)半寬值,如圖10所示。

圖10 車(chē)輛最大允許半寬值相對(duì)定距中心變化的包絡(luò)域(待檢面高度低于3600 mm)

當(dāng)車(chē)體待檢面高度在3600～4800 mm時(shí)，定距中心(Li=0 mm)及前后定距處(Li=±5460 mm)橫截面形狀與外形居中時(shí)橫截面相同，但車(chē)輛前端面(Li=-8500 mm)和后端面(Li=10 500 mm)兩個(gè)橫截面的形狀發(fā)生變化，與前移1000 mm狀態(tài)下(圖8)橫截面相反，不再贅述。

最終可形成當(dāng)特種車(chē)輛外形中心相對(duì)裝載中心后移1000 mm時(shí)，車(chē)輛可設(shè)計(jì)半寬的最大包絡(luò)型面如圖11所示。

圖11 車(chē)輛后移1000 mm裝載時(shí)最大立體包絡(luò)型面

2.3 分析

可見(jiàn)，車(chē)輛的設(shè)計(jì)高度、裝載形式都有可能影響車(chē)輛各部位的寬度值，現(xiàn)予以匯總梳理，如表1所示。由表1可知：

表1 車(chē)輛最大允許半寬值包絡(luò)限值

(1)按車(chē)輛長(zhǎng)度中心對(duì)齊定距中心的方式裝載，能夠使得整車(chē)包絡(luò)型面范圍最大。

(2)如果按其他方式裝載，必然導(dǎo)致車(chē)輛前端或后端更加偏離定距中心，允許半寬值減小，使得包絡(luò)型面范圍縮小。

(3)如果特種車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)總體需求必須加寬前端或者尾端，可以考慮采用偏移裝載的方式進(jìn)行鐵路運(yùn)輸。前移裝載時(shí)，特車(chē)尾端可加寬設(shè)計(jì)；后移裝載時(shí)，特車(chē)前端可加寬設(shè)計(jì)。

(4)若要使得特種車(chē)輛能夠適應(yīng)各種鐵路裝載方式，不受裝載位置的限制，可構(gòu)建車(chē)輛前移、居中、后移等各種工況下的最優(yōu)包絡(luò)域，以車(chē)輛外形長(zhǎng)度中心為原點(diǎn)，構(gòu)建出如圖12所示的立體包絡(luò)型面。

圖12 適應(yīng)各種裝載方式的最優(yōu)立體包絡(luò)型面

3 特種車(chē)輛質(zhì)心高度包絡(luò)域

根據(jù)鐵路運(yùn)輸合成質(zhì)心高度不能超2000 mm的基本要求，如式(8)所示。

(8)

得出特種車(chē)輛裝載至鐵路平車(chē)后，質(zhì)心距平車(chē)地板面高度hc應(yīng)控制的范圍為

(9)

式中，mp為NX70鐵路平車(chē)自重，t；hp為鐵路平車(chē)質(zhì)心高度，mm；hl為鐵路平車(chē)離地高度，mm；hc為特種車(chē)輛質(zhì)心距平車(chē)地板面高度，mm;mc為特種車(chē)輛質(zhì)量,t。

因此得出，當(dāng)特種車(chē)輛質(zhì)量mc在60～70 t時(shí)，裝載至NX70鐵路平車(chē)上，距平車(chē)地板面自身質(zhì)心高度hc應(yīng)不超出如圖13所示的包絡(luò)域。

圖13 特種車(chē)輛質(zhì)心高度隨噸位變化的包絡(luò)域

可見(jiàn)，當(dāng)特種車(chē)質(zhì)量在60 t時(shí)，質(zhì)心應(yīng)不高出鐵路平車(chē)地板面1284 mm；70 t時(shí)，質(zhì)心應(yīng)不高出1213 mm，對(duì)車(chē)輛設(shè)計(jì)提出較大挑戰(zhàn)。要滿足鐵路運(yùn)輸合成質(zhì)心不超限的要求，可以采用如下途徑：降低鐵路運(yùn)輸車(chē)平板的高度；增大鐵路運(yùn)輸車(chē)的質(zhì)量；降低特種車(chē)輛裝載在鐵路運(yùn)輸車(chē)的質(zhì)心高度，如采用下放車(chē)身的方式。

4 結(jié)論

本文針對(duì)特種車(chē)輛使用鐵路線路運(yùn)輸時(shí)，其外形及合成質(zhì)心必須滿足鐵路運(yùn)輸限界的問(wèn)題，以總重60～70 t、總長(zhǎng)19 m規(guī)模的特種車(chē)輛使用NX70鐵路平車(chē)為例，開(kāi)展了特種車(chē)輛立體包絡(luò)邊界的設(shè)計(jì)研究，獲取了能夠適應(yīng)各種裝載方式的最大立體包絡(luò)型面，即當(dāng)車(chē)體高度低于3600 mm時(shí)，特種車(chē)輛前后端最大可設(shè)計(jì)半寬為1563 mm，中部最大為1700 mm；當(dāng)車(chē)體高度在3600～4300 mm時(shí)，前后端可設(shè)計(jì)最大半寬為1213 mm，中部最大為1350 mm；當(dāng)車(chē)體高度在4300～4800 mm時(shí)，特種車(chē)輛前后端可設(shè)計(jì)最大半寬為313 mm，中部最大為450 mm。另外研究了特種車(chē)輛質(zhì)心高度隨車(chē)輛質(zhì)量變化的包絡(luò)域，60～70 t規(guī)模的特種車(chē)輛其質(zhì)心高度不應(yīng)超出1284～1213 mm。本文所采用的研究方法，不僅適用于示例所述的特種車(chē)輛，還可以推廣到其他規(guī)模的特種車(chē)輛、使用其他型號(hào)鐵路平車(chē)運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)合，為不同規(guī)模的特種車(chē)輛外形及質(zhì)心優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。