500 m雙層長鋼軌運(yùn)輸車裝載加固技術(shù)研究

唐湘華

1 總體方案概述

長鋼軌運(yùn)輸列車用于無縫線路新線鋪軌和既有線改造時(shí)長鋼軌的運(yùn)輸工作。500 m雙層長鋼軌運(yùn)輸列車由鐵路系統(tǒng)通用車輛N17平板車改制而成，每列車由2輛擋軌車、2輛鎖緊車及34輛普通車組成。鎖緊車位于列車中部第18號(hào)和第19號(hào)車上，上下層分開鎖緊。其中，18號(hào)車上安裝下層的6組鎖緊裝置，19號(hào)車上安裝上層的6組鎖緊裝置。每輛車安裝滾道3組，間隔鐵1組。首車和尾車作為擋軌車，各安裝鋼軌擋架1組。鎖緊裝置及鋼軌擋架與平板車車架焊接，其余各總成件與鋼架用螺栓連接。

各平板車上的滾道和間隔鐵分為上下兩層，每層可裝500 m長鋼軌12根，一列500 m雙層長鋼軌運(yùn)輸列車的運(yùn)輸能力為雙線6 km。每個(gè)平板車上設(shè)3組滾道，上滾道通過銷子與鋼支墩相聯(lián)，上下滾道與底層架子成為一個(gè)整體，滾道總成見圖1。

上滾道長2 626 mm，下滾道長2 220 mm，各安裝滾輪12個(gè)。滾輪長150 mm，單排排列，相鄰滾輪中心距185 mm。滾輪用外徑70 mm、壁厚12 mm的熱軋無縫鋼管加工而成。為方便長鋼軌拖拉，滾輪兩端略細(xì)，呈錐形。為了加強(qiáng)上滾道的強(qiáng)度，滾道底部增加了一個(gè)箱形底梁。

鋼軌鎖緊裝置由上壓塊、下壓塊、鎖緊架及底架組成。鎖緊架與底架用螺栓連接，然后再與平板車車架焊接。下壓塊置于鎖緊架中，在運(yùn)輸過程中，上、下壓塊通過M30 T形螺栓壓緊鋼軌上下表面，利用其摩擦力鎖緊鋼軌，上層鎖緊裝置見圖2。

鋼軌沿垂直方向中性軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性較小，且長鋼軌裝車時(shí)相互之間存在間隙，因此在運(yùn)輸過程中容易產(chǎn)生橫向擺動(dòng)。

間隔鐵主要由6個(gè)間隔塊和1個(gè)直桿組成，間隔塊焊接或用螺栓固定在直桿上，直桿可帶動(dòng)間隔塊旋轉(zhuǎn)。

為了安裝和固定滾道等承軌裝置，在平板車上各設(shè)置了三副鋼架，鋼架由100×48×5.3的槽鋼焊接而成。為了不改變原來的N17平車、保證鋼架在長軌車運(yùn)行過程當(dāng)中的橫向和縱向移動(dòng)，鋼架四角分別用鐵絲與平車固定，槽鋼底部利用道釘固定在車面板上。

2 運(yùn)輸車裝載加固裝置的滾道強(qiáng)度校核

2.1 滾道強(qiáng)度校核

滾輪在鋼軌運(yùn)輸和拖拉過程中，主要承受徑向力，軸向力很小，即Fa=0。其承受的徑向力按每節(jié)平板車輛全長13.91 m計(jì)，則每個(gè)滾輪承受的徑向力 Fr=13.91×60×9.8/3=2 726.4 N。

1)軸承選型計(jì)算。

因滾輪主要承受徑向力，故軸承可選用向心球軸承。

每個(gè)滾輪安裝軸承2個(gè)，則每個(gè)軸承的當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷為:

每個(gè)軸承的當(dāng)量靜負(fù)荷為:

拖軌速度 V=20 m/min=0.33 m/s，由公式 V=ω r=2πnr/60得軸承工作轉(zhuǎn)速 n=90 r/min。其中，r為滾輪半徑，r=35 mm。

軸承預(yù)期壽命 Lh10=10 000 h，由公式Lh10=16 670(C/P)ε/n得:

其中，ε為壽命指數(shù)，球軸承ε=3。

查手冊，205軸承額定動(dòng)負(fù)荷Cr=10.8 kN＞C=7.73 kN，額定靜負(fù)荷 C0=6.95 kN＞P0=1 363.2 N，滿足載荷要求，因此滾輪選用205向心球軸承。

2)滾輪軸強(qiáng)度校核。

滾輪軸主要承受剪切力，其剪切力:

所以滾輪軸強(qiáng)度滿足要求。

3)滾輪強(qiáng)度校核。

滾輪主要承受剪切力，其剪切力:

所以滾輪強(qiáng)度滿足要求。

2.2 鎖緊的強(qiáng)度校核

1)緊固銷子強(qiáng)度校核。

首先確定車輛在下坡、半緊急制動(dòng)情況下的加速度。

假定軌道坡度 20‰，機(jī)車以60 km/h(60 km/h≈16.7 m/s)的速度，在500 m范圍內(nèi)減小到零。

根據(jù)牛頓第二定律算出在制動(dòng)時(shí)上層鋼軌產(chǎn)生的慣性力:

鋼軌在坡道上的下滑力:

合力為:F=F1+F2=108 000 N。

由以上計(jì)算可知，坡道的影響遠(yuǎn)小于慣性的影響，故考慮縱向力時(shí)可以只考慮慣性力。

6個(gè)鎖緊架與底架由12個(gè)φ 80的銷子連接，現(xiàn)校驗(yàn)銷子的強(qiáng)度。

設(shè)縱向合力F由12個(gè)銷子承擔(dān)。

剪切強(qiáng)度校核:Q=P。

由于剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于剪切強(qiáng)度，考慮傳力的不均勻系數(shù)，銷子的安全系數(shù)仍然足夠大。

2)鎖緊T形螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算。

a.T形螺栓預(yù)緊力計(jì)算。

雙層運(yùn)輸車最大行車速度 V=80 km/h=22.2 m/s，允許最小制動(dòng)距離取S=800 m，每6個(gè)T形螺栓鎖定兩根500m長的鋼軌。

由 S=Vt/2得:t=72 s。

則減速度 a=V/t=22.2/72=0.31 m/s2。

500 m長鋼軌重m=30 321.5 kg，則長鋼軌在制動(dòng)過程中的慣性力:

T形螺栓所需預(yù)緊力:

其中，μs為結(jié)合面摩擦系數(shù)，取 μs=0.15;m為結(jié)合面數(shù)目，取 m=2;z為螺栓數(shù)目，z=1;Kf為可靠系數(shù)，取 Kf=1.2。

則F′=(1.2×3×2×9 399.67/6)/(4×0.15×2×1)=9 399.67 N。

[σ]=σs/[S]s=240/2=120 MPa，其中，[S]s為安全系數(shù) ，取為2。

M30 T形螺栓應(yīng)力為:

所以M30 T形螺栓強(qiáng)度滿足要求。

b.擰緊力矩計(jì)算。

其中，Kt=0.2;n為鎖定安全系數(shù)，取為 2。

則 T=0.2×9 399.67×0.03×2=112.8 N?m。

T形螺栓擰緊時(shí)必須采用扭力扳手，以便保證運(yùn)行安全。

3 結(jié)語

滾道總成承受鋼軌的重力，通過強(qiáng)度計(jì)算，其承載強(qiáng)度完全滿足要求。上層鋼軌鎖緊裝置的可靠性主要依靠兩側(cè)的鋼支墩、鎖緊銷以及鎖緊T形螺栓。通過計(jì)算，鎖緊銷與鎖緊T形螺栓等結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度以及鎖緊可靠性完全滿足要求。通過以上分析，500 m雙層長鋼軌運(yùn)輸車裝載加固方案是一個(gè)基本可行的方案，該雙層運(yùn)輸列車完全可以滿足500 m長鋼軌的運(yùn)輸施工要求。