基于鐵路運輸限界的特種車輛最優包絡型面研究

張佳林，張濤華，王真真，劉相新，劉琦

(北京航天發射技術研究所，北京 100076)

特種車輛使用鐵路線路機動運輸時，其任何部位均不得超出鐵路基本限界范圍，且與鐵路運輸車的合成質心不能超過允許高度，才能安全快速運輸[1]。根據文獻[1-6]，特種車輛運輸不僅需要滿足在鐵路運輸車直線行駛下的靜態不超限邊界，還需要滿足在經過半徑300 m彎道時的動態不超限邊界。因為鐵路運輸車在轉彎過程中，除轉向架中心朝外，其縱向中心將不同程度地偏離鐵路的中心線，從而引起特種車輛與鐵路運輸車的相對位置產生偏移。這種偏移可能使相對限界尺寸的關系發生變化，使直線行駛時不超限的車輛在轉彎過程中超限。因此，在鐵路運輸彎道通過性計算時，需要車輛外形同時滿足動、靜態兩種條件下的限界要求。

但是特種車輛外形不是完全規則的長方體，必然存在型面變化或局部凸起等，另外其在鐵路運輸車上的裝載位置也影響包絡型面大小。如果按照最小型面設計，將導致車輛裝載能力下降、設備安裝空間不足等問題[7]。文獻[8-10]分析了鐵路不平順及振動對車輛動態限界的影響，但是都是基于二維平面和關鍵控制點構建的包絡線。

本文建立了動、靜態條件下車輛限界的數學模型，提出適應不同特種車輛長度、高度、質量、裝載方式的三維包絡型面設計方法，創新性構建了滿足載荷多樣性的立體包絡區域，為特種車輛整體外形優化設計提供技術支撐。

1 鐵路運輸限界

特種車輛使用鐵路運輸時，根據不同的質量和規模選擇合適的鐵路運輸車。根據相關標準[1-2]，特種車輛裝于運輸車后，車輛停留在水平直線上，任何部位超過鐵路運輸限界的基本輪廓，即為超出靜態限界要求；當車輛行經半徑為300 m的鐵路曲線時，特種車輛的計算寬度超出基本輪廓，即為超出動態超限要求。機車車輛限界基本輪廓如圖1所示。

圖1 鐵路運輸限界基本輪廓[11]

按車輛外形居中裝載方式的靜態不超限校核主要通過作圖法校核各部位是否超過限界，相對簡單。但是動態不超限校核涉及到特種車輛的裝載方式、不同位置斷面下寬度和高度尺寸、是否在定距內等多項影響因素，需要深入研究[12]。

本文以總質量為60～70 t、總長≤19 m、總軸距≤14 m的6軸特種車輛為例，建立滿足鐵路機動運輸的最優包絡型面設計方法。為便于鐵路運輸車調度集結，提高機動運輸效能，這種質量和規模的特種車輛，更適宜選用NX70型普通鐵路平車進行裝載。NX70型鐵路平車載重70 t，車底架長×寬為15 400 mm×2960 mm，木地板，構造速度120 km/h，距軌面高度1216 mm，自重23.8 t，質心高度738 mm，與裝載貨物的合成質心高度不能大于2000 mm，為四軸平車，定距10 920 mm，適用于六軸及以下貨車裝載運輸。

2 基于不同裝載方式的包絡型面

特種車輛總長19 m，超過NX70平車長度，需要在NX70前后設置游車，避免特種車輛前后碰撞。另外特種車輛在鐵路平車的裝載方式也會影響轉彎過程中不同橫截面的型面，有必要基于不同的裝載方式展開研究[13]。

2.1 按車輛外形居中裝載

按照車輛外形居中裝載，即將車輛長度中心與平車定距中心對齊，這種裝載方式如圖2所示。優點是裝載快速易檢測，缺點是由于車輛質量不均衡，作用在鐵路運輸車前后轉向架的載荷不均衡，根據要求，每個轉向架所承受的載重不得超過鐵路運輸車容許載重的1/2，且前后轉向架承受載重之差不得大于10 t[14]。

圖2 按車輛外形居中裝載方式

根據鐵路運輸彎道偏移量計算公式[1](式(1))和檢定斷面上最大可允許的動態半寬值計算公式(式(2))，綜合靜態不超限校核要求，可得到待檢定斷面上車輛最大允許半寬值，如式(3)所示。

(1)

B=X-C-K+P，

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，L0表示NX70平車定距長度，為10 920 mm；Li表示計算位置所在橫截面到鐵路運輸車定距中心的距離，mm；R表示鐵路彎曲半徑，通過性校核計算時一般取最小值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表示鐵路運輸基本限界的半寬，滿足式(4)；H表示待檢定位置車輛的高度，mm；K表示特種車輛檢定斷面處的附加偏移量，其與位于定距內外的距離相關，滿足式(5)。

外形居中裝載時，Li取值為-9500～9500 mm。當待檢面高度低于3600 mm以下的車體，不同橫截面下最大可設計半寬值如圖3所示。

圖3 車輛最大允許半寬值相對長度中心變化的包絡域(待檢面高度低于3600 mm)

當車體待檢面高度在3600～4800 mm時，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)、兩端最窄的車前后端斷面(Li=±9500 mm)3個標志性的橫截面，可得到不同橫截面下車輛最大可設計半寬，如圖4所示。最終可形成當特種車輛按外形居中裝載時，車輛可設計半寬的最大立體包絡型面如圖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)車前后端斷面(Li=±9500 mm)

圖5 車輛居中裝載時最大立體包絡型面

2.2 按其他方式裝載

特種車輛在鐵路平車上還可以按其他方式裝載，如按車輛質心居中裝載、按軸距居中裝載等。按軸距或按質心居中裝載，優點是鐵路運輸車前后轉向架的載荷基本均衡，缺點是實際操作時難以快速對齊測量[15]。根據要求，前后轉向架載重之差不得大于10 t，特種車輛重心允許偏離轉向架中心的距離計算方法[16]為：

(6)

式中，P容為鐵路平車容許總質量，t；mc為特種車輛質量，t。

按其他方式裝載時，相對2.1節所述按外形居中裝載，相當于新的裝載中心與長度中心存在一定的偏移量，該偏移量(設為Lp)可位于長度中心的前、后，根據車輛質量分配、軸荷分配、外形設計、運輸要求等參數估算，假定Lp相對長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 按其他方式裝載時最大包絡型面

假設按其他方式裝載時，待檢定橫截面相對平車定距中心的距離仍為Li，相對車輛長度中心的距離為Ln，則存在Li=Ln+Lp。根據公式(1)～(6)，綜合靜態不超限校核要求，可得車輛待檢定斷面車輛最大允許半寬值

(7)

2.2.1 前移1000 mm裝載時

當裝載中心與外形中心偏差Lp=-1000 mm，即外形中心相對裝載中心前移1000 mm時，Li取值為-10 500～8500 mm，當車體待檢定面高度低于3600 mm時，可得到不同橫截面下車輛最大可設計半寬值如圖7所示。

圖7 車輛最大允許半寬值相對定距中心變化的包絡域(待檢面高度低于3600 mm)

當車體待檢定面高度在3600～4800 mm時，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橫截面相同，但車輛前端面(Li=-10 500 mm)和后端面(Li=8500 mm)兩個橫截面的形狀發生變化，計算前后端面橫截面車輛最大可設計半寬,如圖8所示。

(a)車前端斷面(Li=-10 500 mm) (b)車后端斷面(Li=8500 mm)

最終可形成當特種車輛外形中心相對裝載中心前移1000 mm時，車輛可設計半寬的最大立體包絡型面如圖9所示。

圖9 車輛前移1000 mm裝載時最大立體包絡型面

2.2.2 后移1000 mm裝載時

當裝載中心與外形中心偏差Lp=1000 mm，即外形中心相對裝載中心后移1000 mm時，Li取值為-8500～10 500 mm。當車體待檢定面高度低于3600 mm時，可得到不同橫截面下車輛最大可設計半寬值,如圖10所示。

圖10 車輛最大允許半寬值相對定距中心變化的包絡域(待檢面高度低于3600 mm)

當車體待檢面高度在3600～4800 mm時，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橫截面相同，但車輛前端面(Li=-8500 mm)和后端面(Li=10 500 mm)兩個橫截面的形狀發生變化，與前移1000 mm狀態下(圖8)橫截面相反，不再贅述。

最終可形成當特種車輛外形中心相對裝載中心后移1000 mm時，車輛可設計半寬的最大包絡型面如圖11所示。

圖11 車輛后移1000 mm裝載時最大立體包絡型面

2.3 分析

可見，車輛的設計高度、裝載形式都有可能影響車輛各部位的寬度值，現予以匯總梳理，如表1所示。由表1可知：

表1 車輛最大允許半寬值包絡限值

(1)按車輛長度中心對齊定距中心的方式裝載，能夠使得整車包絡型面范圍最大。

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

(3)如果特種車輛設計時，根據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行鐵路運輸。前移裝載時，特車尾端可加寬設計；后移裝載時，特車前端可加寬設計。

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

圖12 適應各種裝載方式的最優立體包絡型面

3 特種車輛質心高度包絡域

根據鐵路運輸合成質心高度不能超2000 mm的基本要求，如式(8)所示。

(8)

得出特種車輛裝載至鐵路平車后，質心距平車地板面高度hc應控制的范圍為

(9)

式中，mp為NX70鐵路平車自重，t；hp為鐵路平車質心高度，mm；hl為鐵路平車離地高度，mm；hc為特種車輛質心距平車地板面高度，mm;mc為特種車輛質量,t。

因此得出，當特種車輛質量mc在60～70 t時，裝載至NX70鐵路平車上，距平車地板面自身質心高度hc應不超出如圖13所示的包絡域。

圖13 特種車輛質心高度隨噸位變化的包絡域

可見，當特種車質量在60 t時，質心應不高出鐵路平車地板面1284 mm；70 t時，質心應不高出1213 mm，對車輛設計提出較大挑戰。要滿足鐵路運輸合成質心不超限的要求，可以采用如下途徑：降低鐵路運輸車平板的高度；增大鐵路運輸車的質量；降低特種車輛裝載在鐵路運輸車的質心高度，如采用下放車身的方式。

4 結論

本文針對特種車輛使用鐵路線路運輸時，其外形及合成質心必須滿足鐵路運輸限界的問題，以總重60～70 t、總長19 m規模的特種車輛使用NX70鐵路平車為例，開展了特種車輛立體包絡邊界的設計研究，獲取了能夠適應各種裝載方式的最大立體包絡型面，即當車體高度低于3600 mm時，特種車輛前后端最大可設計半寬為1563 mm，中部最大為1700 mm；當車體高度在3600～4300 mm時，前后端可設計最大半寬為1213 mm，中部最大為1350 mm；當車體高度在4300～4800 mm時，特種車輛前后端可設計最大半寬為313 mm，中部最大為450 mm。另外研究了特種車輛質心高度隨車輛質量變化的包絡域，60～70 t規模的特種車輛其質心高度不應超出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輛，還可以推廣到其他規模的特種車輛、使用其他型號鐵路平車運輸的場合，為不同規模的特種車輛外形及質心優化設計提供參考。