基于車體協同的鐵路運輸輪式貨物輪擋設計

羅雅楠，韓梅，陳超*，米希偉

基于車體協同的鐵路運輸輪式貨物輪擋設計

羅雅楠1,2，韓梅1,2，陳超1,2*，米希偉1,2

（1.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044；2.軌道交通安全協同創新中心，北京 100044）

為保證運輸安全，輪式貨物在鐵路運輸過程中需要用輪擋限位。針對我國鐵路運輸輪式貨物的現狀及存在的問題，提出車體與加固裝置協同設計的理念，設計一種輪擋可調式，適用于多種規格的輪式貨物，存用一體、可靠性高、使用快捷。利用SolidWorks建立輪擋三維模型，通過鐵路運輸加固強度計算，確定在最不利狀況下對輪擋的強度要求，進行載荷和約束分析，利用有限元分析軟件SolidWorks simulation進行仿真計算及強度分析。得到該輪擋在最不利工況下的應力及位移情況。最大應力出現在輪擋底面與活動銷連接部位，最大應力值為499.9 MPa，不超出設計所用材料的許用應力（585 MPa）；最大位移為0.99 mm，在允許范圍內。該輪擋的強度滿足安全運輸的要求，用于多種輪式貨物鐵路運輸裝載加固，可有效提高加固效率。

鐵路貨運；輪擋；優化設計；SolidWorks；有限元分析；強度

鐵路運輸是輪式貨物長距離運輸的主要途徑。輪式貨物在進行鐵路運輸時，需要使用固定裝置進行限位固定。輪擋是廣泛用于輪式貨物限位固定的一種裝置，由于其與車輛間的加固強度不足，在使用過程中往往需要拉牽裝置配合加固[1]。目前國內外鐵路運輸普遍采用的是三角輪擋。材料上分為木制和鋼制2類，木制輪擋強度低、可靠性差且為一次性加固材料，不符合環保理念。鋼制輪擋強度比木質輪擋大，但仍有存放不便、回送不及時等問題。我國大多為木制輪擋，還有少量以三角擋為主的制式加固器材，設計較為簡單，功能單一，需配合拉牽使用；國外常見的擋固裝置包括止動塊、墊木、止推棒等，同樣需要配合拉牽加固。特別地，國際鐵路聯盟（UIC）利用支撐臂和伸縮式止動塊等特殊裝置對輪式貨物裝載加固、鐵路合作組織（OSJD）將支撐方木用于輪式貨物的加固。美國相關鐵路公司為滿足各類輪式貨物加固需要，使用種類規格繁多的木制輪擋，各種尺寸和結構共81種[2]，在使用時根據輪式貨物的重量調節標準模塊的數量以滿足要求[3]。

當前輪式貨物運輸需求增長快速，普通鐵路平車難以滿足其運輸需求，各特種車輛逐步發展使用，就需要車輛在設計時考慮加固，為加固裝置留出接口。為特定車型設計、專車專用的新結構輪擋應運而生，如應用于JSQ5、JSQ6型運輸小汽車雙層平車的各類止輪器和掩擋與尼龍帶等加固裝置，強度較小，僅用于小汽車的加固；用于D5A、D11型凹底平車的專用止輪器，則通過不同的方式調節止輪座或止輪板，使止輪座或止輪板與車輪接觸，從而達到限位的效果[4]，但仍存在如裝置位置固定時無法調整與車輪之間間隙，以及位置可調時搬動不便、存放回送困難的問題。

據此，本文基于車體協同進行輪擋的設計，以保證裝置的強度可靠性和通用性。不需拉牽，僅使用擋固裝置即可實現對各類輪式貨物橫縱兩方向的掩擋加固，同時兼顧操作快捷性，考慮輪擋位置可調和裝置隨車存放，設計包括車體部分在內的一體化輪式貨物擋固裝置。車體部分的設計包括車地板滑道、定位孔以及輪擋存放位。加固裝置與車體一體化，滑道實現縱向位置可調，銷孔配合實現掩擋位置固定。

1 總體設計要求

1）廣泛適用。我國各用途輪式貨物型號眾多，重量、外形尺寸、輪徑、輪距、軸距各異，且當前我國所有輪式貨物在鐵路運輸中均需使用掩擋，故擋固裝置的設計應當具有一定的普適性。本文所設計的輪擋縱向位置可調，適應各軸距貨物；橫向角度可調，適應不同輪距；擋體高度可掩固輪徑范圍大。

2）安全可靠。鐵路運輸安全至關重要，列車在加減速等情況下會產生很強的慣性沖擊，必須合理設計輪擋及輪擋與車體的接口結構，保證輪擋自身以及與車輛的連接強度。

3）存用一體。需解決擋固裝置的回送及保障問題，提高使用便捷性，故在車地板上規劃輪擋存放位置，達到使用時將其拉出固定在車底板上，不使用時可將其隱藏于車體內部的效果。

4）操作簡便。為保證輪式貨物能快速、安全地安裝固定，輪擋的安裝固定程序應盡量簡單快捷，在使用后能快速收好存放，解決擋固過程中操作不便、耗費人力的問題。

2 總體方案

2.1 輪擋

該輪擋由擋體、活動銷、中間銷、鉸接裝置等組成，材質選用高強度鋼材Q690。掩擋工作面上設置防滑紋以增大摩擦，輪擋內部設2塊筋板支撐擋體，兩端嵌有圓柱銷，一側圓柱銷為活動銷，另一側為固定銷，圓柱銷貫通底部鋼板，結構如圖1所示。根據800～1 500 mm的輪徑范圍確定擋體尺寸，根據調研所得輪式貨物最大質量為73 t，以及加固時最少使用4對（8個）輪擋來確定輪擋的設計強度。

圖1 擋固裝置結構示意圖

2.2 車輛接口

為保證輪擋滑動、定位可靠性、耐用性及抗碾壓性，本輪擋采用銷孔配合的固定方式，依靠活動銷、固定銷，利用車地板上的滑道與定位孔進行位置調節和固定。使用時經滑道將輪擋從存放位中拉出、推放到位后，將活動銷落入相應的定位孔中，即可實現限位和掩擋。根據輪式貨物尺寸調研結果及輪擋結構，滑道和定位孔在車地板上的布局設計如圖2所示。車地板對稱開設兩排通長滑道，滑道內外兩側分別設置通長定位條，小輪距貨物選用內側定位條對輪擋裝置進行固定，較大輪距貨物則選用外側。

圖2 滑道和定位孔在車地板上的布局圖

為滿足其他貨物運輸時的裝載需求，輪擋的使用和存放不應與平車裝運其他貨物沖突。因此在不使用輪擋時，需保證車地板表面的平整性，即需隨車隱藏式存放輪擋。輪擋與存放位關系如圖3所示，滑道與存放位關系如圖4所示。為保證運輸安全，輪擋的使用和存放不應影響車體強度，因此存放位設置在車體底架的梁間空隙，滑道位置不與車體結構產生干涉。

圖3 可調式輪擋與輪擋存放位關系示意圖

圖4 滑道與存放位關系示意圖

輪擋存放位置的數量和布局是依據輪擋擋固強度要求以及實際裝載情況而確定的。首先，為滿足輪擋擋固的強度要求，各型輪式貨物應至少使用4對（8個）輪擋，在前后輪組的前后兩端進行擋固。其次，存放位置不應與貨物裝載位置沖突，在實際裝載時存在貨物裝載方向不同的情況，為方便取用，存放位置應當對稱布置，盡可能均勻分布。并且輪擋存放位及滑道的開設不能影響車輛的整體強度。結合滑道位置，在車地板兩端及中部共設置20個輪擋存放位。

3 關鍵部件方案

本研究設計了多種形式的可調式輪擋，進行比選分析及仿真論證，不斷優化確定了一種操作方便、普適性強、安全耐用的擋固裝置方案。下面將詳細介紹各組成部分。

3.1 擋體

輪擋擋體設計經過三棱柱結構、曲面結構等版本優化改進而成，2種擋體結構如圖5所示。三棱柱結構擋體側面傾斜角度偏大，掩擋大輪徑輪式貨物時易被推翻，且輪擋內上部空間較小，操作困難；曲面結構擋體雖與大輪徑貨物輪胎接觸面積更大但曲面與小輪徑裝備輪胎的貼合性較差，通用性差。

根據以上分析，改進后的輪擋擋體結構如圖1所示。擋板側面與底板呈47°傾斜角，為減小輪擋寬度，在50 mm高度處截斷曲面，截斷處以圓弧平滑連接。擋體內部設置支撐平臺以及便于提放的把手，兩銷軸側增加墊板以增大受力強度。該擋體斜面適用于掩擋多種輪徑的輪式貨物，輪徑在800～1 500 mm范圍內的輪胎均可與其貼合。

分析調研所得的各輪式貨物裝載狀態及位置，得到各型輪式貨物的單側輪胎接地寬度的最大值，據此計算出兩側銷軸間距離的最小值。結合輪擋活動銷側的結構設計，最終設定可調式輪擋長為430 mm，高為240 mm，固定銷與活動銷的中心距為305 mm，輪擋內部兩筋板間距離為200 mm。可調式輪擋主要部件參數如表1所示。

表1 擋固裝置各主要部件參數

Tab.1 Parameters of main components of retaining device

3.2 活動銷

為使輪擋能夠根據輪式貨物的裝載位置和軸距調節橫、縱向掩固位置，進一步提高車輪加固的可靠性，減小調整級差，在輪擋上設置了3個銷位，以擴大輪擋的調節范圍，縮小與車輪間隙。活動銷經傳統三銷結構優化為一銷可轉動結構，結構如圖6所示。當活動銷于中間位置插入車地板定位孔時，輪擋與車輛橫中心線呈30°傾斜角，兩側位置可使輪擋的角度變化范圍擴大至19°～41°。

圖6 活動銷示意圖

3.3 中間銷

中間銷是為方便調整活動銷角度而設計的中間銷軸，結構如圖7所示，其主要作用是通過鉸接裝置與活動銷相連。通過旋轉中間銷實現活動銷的轉動，調節輪擋在車地板上的擺放角度，以及防止活動銷垂向跳起。

3.4 鉸接裝置

鉸接裝置是為方便調整輪擋擺放角度，將中間銷和活動銷連接固定的結構。鉸接裝置由2個套筒和連接板組成，套筒內側設有螺紋，組裝時兩套筒分別與中間銷和活動銷相連。

圖7 中間銷示意圖

圖8 鉸接裝置示意圖

4 載荷及約束分析

運用SolidWorks simulation對擋固裝置進行有限元強度仿真計算時，首先需確定其所受到的載荷和約束條件。當列車在線路上運行時，發生的多種振動會使貨物產生橫向慣性力，導致橫向運動狀態變化；突然啟動、加速或制動以及在調車作業中車輛之間的相互沖擊，則會導致車輛及貨物縱向運動狀態變化[5]。本輪擋同時實現對貨物橫向和縱向的限位和掩擋，計算表明輪擋在縱向應承受的力值比橫向要大得多，應主要考慮縱向受力。研究與試驗表明，調車沖擊時貨物的縱向加速度最大，故確定調車沖擊工況為使用本輪擋的最不利工況[6]。

4.1 車型選擇

本文研究基于鐵路現有車輛考慮配備輪擋及車體的設計改造，方案可用于既有車型的改進或新車型的研發。由表2長大平車參數可知，在鐵地板車輛中，D70型長大平車承載面小于D22A型長大平車，且鐵路現有D70型長大平車數量較少[9]，D22A型長大平車適用于輪式貨物這樣的大型機械設備，因此本文選取D22A型長大平車為承載車[10]。

表2 長大平車參數

Tab.2 Parameters of long flat cars

4.2 載荷分析

4對8個輪擋于前后輪組的前后兩端斜向掩擋輪胎，兼顧橫向及縱向擋固，故對擋固裝置受力分析時全面考慮車輛在橫、縱向所受的各種外力。為盡可能模擬最不利的工況，對調研所得各型輪式貨物進行調車沖擊工況下的裝載加固力值計算，得到最不利情況下擋固裝置應承受的載荷大小。

目前，《鐵路貨物裝載加固規則》中現有的貨物縱向力計算標準是通過車輛沖擊試驗來確定每噸貨物所受的縱向慣性力0，從而確定縱向慣性力、縱向加速度與采取的加固方式種類有關[7]。可調式輪擋對輪式貨物起阻擋作用，輪胎與擋固裝置接觸，橡膠輪胎壓靠于鋼制輪擋承載面之上，屬于柔性加固。根據《鐵路貨物裝載加固規則》（后文簡稱《加規》）附件2[8]，對各輪式貨物分別進行力值計算，得到為防止貨物移動，加固材料在縱、橫方向應承受的力?、?。

摩擦因數根據《加規》，橡膠與鋼板間的摩擦因數為0.5，在無重心偏移的情況下，計算結果如表3所示。在最不利的情況下，縱向慣性力為641.5 kN，縱向摩擦力為354.8 kN，故為使其不發生縱向移動加固材料需在縱方向上提供的力即加固材料縱向受力為286.7 kN，由4個輪擋共同承擔，每部分大小為71.675 kN；橫向慣性力為204.2 kN，縱向摩擦力為190.8 kN，故為使其不發生橫向移動，加固材料需在橫方向上提供的力即加固材料橫向受力為105.5 kN，同樣由4個輪擋承擔，每部分大小為26.375 kN。

表3 力值計算結果

Tab.3 Table of force calculation results

4.3 約束分析

在SolidWorks simulation中進行有限元分析，對可調式輪擋的約束分析包括連結設置和夾具設置，對裝配體進行有限元仿真時分析各個零件之間的接觸設置及自由度約束是十分重要的[11]。

該擋固裝置主要是與車地板之間存在接觸和約束，為模擬輪擋真實受力，加入車地板模型，依照現實情況施加約束。對車地板施加幾何體固定約束，限定車地板在橫向、縱向、垂向3個方向上的位移，即完全固定；可調式輪擋在橫向和縱向上主要依靠活動銷和固定銷下落到車地板滑道及限位孔內的“鎖閉”作用限制位移，因此在縱向和橫向無須設置額外的夾具約束，其余部分連結設置為接觸。

5 基于SolidWorks的有限元強度分析

5.1 有限元模型建立

SolidWorks是一款具有三維模型建立、零件裝配、工程制圖、有限元計算等功能的軟件，可與多種設計軟件相互轉換[12]。Simulation是SolidWorks的有限元分析模塊，可以較快速地計算分析出給定約束和載荷的零部件或模型裝配整體的應力分布[13]。采用SolidWorks simulation對可調式輪擋進行結構強度分析，基本參數的設定是有限元分析成功的關鍵[14—15]，模型材質均為Q690，定義材料屬性后（屈服強度為690 MPa、密度為7 850 kg/m3、彈性模量為200 GPa、泊松比為0.29），進行靜應力仿真分析，模擬最不利工況下的擋固裝置承受載荷的情況。

5.2 網格劃分

在實際運輸過程中，活動銷、固定銷和輪擋擋體受力較大，中間銷及鉸接裝置為調整角度以及防跳的作用，受力值影響較小，因此僅對輪擋主體結構進行有限元建模分析。將網格尺寸設置為38 mm，劃分后的模型見圖9，網格模型包含16 933個節點，8 885個單元。

圖9 有限元模型

5.3 加載與求解

根據第4節所分析的擋固裝置受力及約束情況，對模型施加同等載荷及約束，如圖10所示。對擋固裝置施加的縱向載荷為71.675 kN，橫向載荷為26.375 kN，均布加載在兩筋板之間，加載位置如圖11所示。考慮輪擋結構在該工況載荷下的應力狀況和變形，根據材料特性，判定該輪擋是否滿足強度要求。

圖10 載荷及約束設置

圖11 加載位置

5.4 結果分析

在最不利工況下對可調式輪擋做仿真分析，從整體聚焦局部，重點分析等效應力和位移情況。由仿真可知，輪擋整體所承受的最大應力值為499.9 MPa，小于材料的許用應力（585 MPa）[16]，最大應力出現在輪擋擋體底面與活動銷連接部位，見圖12，初步判斷該輪擋符合強度要求。輪擋在縱向載荷作用下的最大形變量為0.99 mm，較為合理，見圖13。

圖12 擋固裝置應力云圖

圖13 擋固裝置變形

圖14 最大應力位置應力云圖

圖15 最大應力位置變形

結果表明，輪擋底部與活動銷接觸區域的工作應力明顯大于其他區域的工作應力，整體應力云圖及變形情況見圖14～15。這是由于輪擋受到的慣性力遠大于車地板對其作用的摩擦力，輪擋主要靠兩側銷軸插入車地板限位孔產生相互作用防止縱向位移，導致應力集中在輪擋底部銷孔和活動銷上，如圖16所示，固定銷所受最大應力為326 MPa，活動銷為315 MPa，均小于材料許用應力，滿足強度要求。

圖16 關鍵部位應力云圖

6 結語

隨著科技及經濟的高速發展，輪式貨物也在不停發展，運輸需求隨之增大。鐵路交通作為國民經濟的重要支撐近年來快速發展，各類輪式貨物依托鐵路運輸，運量增長，運輸要求也隨之提高，加強輪式貨物運輸安全問題研究十分必要。

本文將有限元仿真軟件應用于擋固裝置的設計，深入調研各方需求，主要考慮安全性、輪擋通用性及操作便捷性，秉持車體與加固裝置協同設計的理念，在現有加固器材的基礎上創新優化，形成一種專用于鐵路運輸輪式貨物的擋固裝置設計方案，可用于既有車型的改進或新車型的研發，具有實用價值。并且，對方案中的輪擋進行強度校核和結構優化，保證輪擋強度可靠，具有一定的準確性和經濟性，能夠起到輔助現場試驗的作用。此外，該裝置的使用可大大節省裝載加固時間及人力耗費，對提升輪式貨物運輸能力具有重要意義。

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Design of Wheel Chocks for Railway Transportation of Wheeled Goods Based on Vehicle Collaboration

LUO Ya-nan1,2, HAN Mei1,2, CHEN Chao1,2*, MI Xi-wei1,2

(1. School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Collaborative Innovation Center of Railway Traffic Safety, Beijing 100044, China)

In order to ensure transportation safety, wheeled goods need to be limited by wheel chocks during railway transportation. In response to the current situation and existing problems in railway transportation of wheeled goods in China, the work aims to propose a concept of collaborative design between vehicle body and reinforcement device, and design an adjustable wheel chock, which is suitable for wheeled goods of various wheel diameters, with integrated storage and use, high reliability, and fast use. SolidWorks was used to establish a three-dimensional model of wheel chocks. The strength of railway transportation reinforcement was calculated. The strength requirements for wheel chocks under the most unfavorable conditions were determined. Load and constraint analysis were conducted. Finite element analysis software SolidWorks simulation was used for simulation calculation and strength analysis. The stress and displacement of the wheel chock under the most unfavorable working conditions were obtained. The maximum stress occurred at the connection between the bottom surface of the wheel chock and the movable pin, with a maximum stress value of 499.9 MPa, which did not exceed the allowable stress of the material used in the design (585 MPa); The maximum displacement was 0.99 mm, which was within the allowable range. In conclusion, the strength of the wheel chocks meets the requirements for safe transportation, and can be used for loading and reinforcement of various wheeled goods in railway transportation, effectively improving reinforcement efficiency.

railway freight; wheel chock; optimization design; SolidWorks; finite element analysis; strength

U294.25

A

1001-3563(2023)21-0094-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.012

2023-09-19

中央高校基本科研業務費專項資金資助（科技領軍人才團隊項目）（2022JBXT008）

通信作者

責任編輯：曾鈺嬋