大型養(yǎng)路機械與普通貨物列車編組運行連掛位置分析

王鵬 朱亞杰 邢磊 何國華 劉傳

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

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

大型養(yǎng)路機械無動力回送或遠距離轉(zhuǎn)移時與普通貨物列車編組連掛運行。為在貨車提速情況下確保運輸安全，大型養(yǎng)路機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)路機械車架承受縱向拉伸和壓縮的能力。

本文從大型養(yǎng)路機械主車架結(jié)構(gòu)、車體強度設(shè)計及試驗標準、代表車型車架強度計算校核三個方面進行論證分析。

1 大型養(yǎng)路機械主車架結(jié)構(gòu)分析

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

大型養(yǎng)路機械主要車型有DCL-32k連續(xù)式雙枕搗固車、QS-650x道砟清篩機、DPZ-440配砟整形車、WD-320動力穩(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)特點和主要技術(shù)參數(shù)見表1（見下頁）。各車型車鉤中心高度均為880 ±10 mm。

大型養(yǎng)路機械種類多樣、功能各異、需求復(fù)雜，綜合考慮作業(yè)裝置、動力傳動、執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、走行系統(tǒng)等的整體布局，主車架多設(shè)計成上拱或無中梁等特殊結(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。

連掛運行時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；對于無中梁的承載結(jié)構(gòu)，若不增大車體縱向截面積，則會減弱承受縱向力的能力。大型養(yǎng)路機械車體的這種結(jié)構(gòu)特點，使得車架不能承受較大縱向拉伸力和縱向壓縮力。

2 車體強度設(shè)計、試驗標準及評定方法

2.1 車體強度設(shè)計和試驗標準

大型養(yǎng)路機械主要用于線路維修施工及檢測。功能定位決定了大型養(yǎng)路機械結(jié)構(gòu)的特殊性。GB/T 25337—2018《大型養(yǎng)路機械 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度滿足TB/T 1335—1996《鐵道車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(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)路機械車體強度設(shè)計指標與鐵路客車相同。

TB/T 1335—1996 中車體強度計算和試驗時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。一般客車強度計算和試驗時僅按工況①的載荷組合進行；貨車必須按工況①和工況②的載荷組合進行。

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

新標準規(guī)范了機車車輛強度設(shè)計的基本原則：車體結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受與其運用要求相一致的最大載荷，不產(chǎn)生永久變形；在保證強度和剛度的前提下，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)于貨車車體計算和試驗縱向力取值按編組總質(zhì)量給定，對單列編組總質(zhì)量超過6 000 t 的貨車提出了更高的縱向力要求。現(xiàn)行相關(guān)標準關(guān)于車體計算和試驗縱向力取值見表2。

編組貨物列車無動力回送時，若大型養(yǎng)路機械編掛于列車中部，則要求大型養(yǎng)路機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)行標準關(guān)于車體計算和試驗縱向力取值

2.2 車體結(jié)構(gòu)強度評定方法

根據(jù)TB/T 3548—2019 規(guī)定，車體結(jié)構(gòu)強度按式（1）所示的當量應(yīng)力來評定，即計算的當量應(yīng)力不得超過相應(yīng)計算工況的許用應(yīng)力。

式中：σe為當量應(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)路機械車體部分常用材料屈服極限和許用應(yīng)力見表3。

表3 車體部分常用材料屈服極限和許用應(yīng)力 MPa

3 代表車型車架強度計算校核

以我國最新研發(fā)設(shè)計的SQS-300橋隧清篩機動力車架為例，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)定的計算載荷，對其強度進行校核分析。動力車架模型見圖1。

3.1 計算工況及載荷組合

圖1 SQS-300橋隧清篩機動力車架模型

根據(jù)GB/T 25337—2018，僅按工況①的載荷組合取值。縱向拉伸力取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。計算工況及載荷組合見表4。

表4 SQS-300橋隧清篩機動力車架強度計算工況

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系。x軸指向車輛運行方向，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 單元進行離散劃分網(wǎng)格，共離散為639 361 個節(jié)點，形成652 139 個單元。根據(jù)計算工況分別對計算模型進行約束和加載，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 計算結(jié)果分析

3.3.1 根據(jù)GB/T 25337—2018校核強度

根據(jù)GB/T 25337—2018 規(guī)定的計算載荷，對SQS-300橋隧清篩機動力車架強度進行校核分析。

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)力分布見圖3。可見：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），車架強度滿足要求。

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

3.3.2 根據(jù)TB/T 3550.2—2019校核強度

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）計算載荷，對SQS-300 橋隧清篩機動力車架強度進行校核分析。

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)力分布見圖4。可見：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 時車架最大應(yīng)力分別超過枕梁腹板Q420D 材料相應(yīng)工況許用應(yīng)力262 MPa 和356 MPa，其強度均不能滿足要求。

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

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

4 結(jié)論及建議

1）大型養(yǎng)路機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)計成上拱或無中梁等特殊結(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)路機械的功能定位，車體強度設(shè)計和試驗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)定的車體強度評定方法，分別對大型養(yǎng)路機械代表車型的車架強度進行了校核，其車架結(jié)構(gòu)強度不能滿足TB/T 3550.2—2019 規(guī)定的貨車車體計算載荷要求。因此，大型養(yǎng)路機械與貨車編組連掛運行時，不能編掛于列車中部，建議編掛于普通貨物列車尾部。