普通平車運輸100m長鋼軌的車輛承重仿真研究

楊廣全，馬玉坤

(中國鐵道科學研究院 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081）

運輸 100 m 長鋼軌可采用 T11 專用車運輸方案，但由于 T11 專用車資源有限，運輸成本較高，難以滿足我國高速鐵路和客運專線建設(shè)需要，因此改用來源廣泛的普通平車運輸。普通平車運輸 100 m 長鋼軌方案采用跨裝運輸技術(shù)，鋼軌通過座架裝載，均衡、穩(wěn)定和合理地分布在貨車上，使車輛不超載、不偏載、不偏重和不集重。

為了保證鐵路運輸安全，依據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，鐵路貨車應滿足：①車輛載重不得超過其容許載重量；②車輛轉(zhuǎn)向架承重不得超過車輛容許載重量的 1 / 2 ；③車輛 2 個轉(zhuǎn)向架的承重差不得大于 10 t；④車輛最大偏載量不得超過 100 mm 。在這樣的條件下，通過運用大型有限元分析軟件 ANSYS ，建立考慮車輛中央懸掛和相鄰車輛高差的車輛承重有限元仿真模型，計算典型工況下車輛載重、車輛轉(zhuǎn)向架承重和車輛轉(zhuǎn)向架承重差，確定車輛的編組順序和鋼軌座架的安裝位置，從而加強安全風險控制，保證運輸安全。

1 普通平車運輸 100 m 長鋼軌的裝載方案設(shè)計

1.1 連掛車輛的選擇原則

我國鐵路普通平車主要有換長 1.3 和 1.5。在選擇連掛車輛時，應遵循盡量選擇相同長度的普通平車的原則。

1.2 座架的結(jié)構(gòu)

100 m 長鋼軌通過座架裝載加固，座架的結(jié)構(gòu)特點為：座架中部支座與車輛縱中心線重合；長鋼軌沿座架中部支座兩側(cè)對稱裝載，保證車輛不偏載；座架分為 4 層，層與層之間互不影響；隔梁上擋鐵限制鋼軌橫向位移；鎖定座架每層通過緊固裝置鎖定鋼軌，防止鋼軌縱向竄動。鋼軌的重量通過座架隔梁，經(jīng)中部支座、方側(cè)柱和圓側(cè)柱傳遞到車地板上，如圖1 所示。

圖1 鋼軌裝載示意圖

1.3 座架的布置

為使車輛不偏重、不集重，在布置座架時，要求：①所布置的座架關(guān)于車組橫中心線對稱；②車組中部車輛上布置的 2 個座架關(guān)于該車橫中心線對稱[1-2]。中部車輛對稱安裝的 2 個座架如圖2 所示，L0為中部車輛的轉(zhuǎn)向架中心距，L1為中部車輛所布置的 2 個座架間的距離。

圖2 中部車輛對稱安裝 2 個座架

在端車上布置 1 個座架還是 2 個座架，由鋼軌在端車上的裝載長度確定，如圖3 所示，Ld為端車轉(zhuǎn)向架中心距；當端車安裝 1 個座架時，如圖3(a)所示， a 和 b 分別為該座架與端車兩邊轉(zhuǎn)向架中心的距離；當端車安裝 2 個座架時，如圖3(b)所示，a 和 b 分別為這 2 個座架與各自相鄰轉(zhuǎn)向架中心的距離。

圖3 端車座架的位置

由本節(jié)的討論可知，在確定車組車輛和編組順序時，參數(shù) a、b 和 L1決定了座架的安裝位置。

2 普通平車運輸 100 m 長鋼軌裝載加固方案

以采用換長為 1.5 的普通平車運輸 100 m 長鋼軌裝載加固方案[3]為例進行車輛承重仿真計算。該方案采用 7 輛換長為 1.5 的普通平車為 1 個車組，跨裝運輸 50 根 100 m 長鋼軌，第 1 車和第 7 車各放置 1 個端車座架，擺放位置如圖4 所示。第 2、5、6 車每車放置 2 個普通座架，擺放位置如圖5 所示。第 3 車和第 4 車每車放置 2 個鎖定座架，擺放位置如圖6 所示。

圖4 第 1 車和第 7 車座架擺放位置示意圖

圖5 第 2、5 和 6 車座架擺放位置示意圖

圖6 第 3 車和第 4 車座架擺放位置示意圖

3 車輛承重有限元仿真模型

運用有限元分析軟件 ANSYS 建立鋼軌車輛承重有限元模型，以確定車輛承重滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的座架位置參數(shù) a、b 和 L1，其中車輛中央懸掛采用 COMBIN14 單元模擬，車體由 MPC184 單元模擬，座架和相鄰車輛高差由 COMBIN40 單元模擬，鋼軌由 BEAM3 單元模擬。建立模型時，假定：①車體為剛體；②所有車輛中央懸掛彈簧剛度相等；③座架為剛體。

換長為 1.5 的普通平車運輸 100 m 長鋼軌裝載加固方案的車輛承重有限元仿真模型如圖7 所示，相鄰車輛高差由 gapi(i=1，2，…，12)控制。其中，COMBIN14 單元為彈簧—阻尼單元，由 2 個節(jié)點、 1 個彈簧常數(shù)和阻尼系數(shù) C1組成，軸向的彈簧—阻尼器選項是一維的拉伸或壓縮單元。車輛中央懸掛采用 COMBIN14 單元模擬，考慮車輛承重計算為靜力計算，建模時去除阻尼特性，將阻尼系數(shù) C1設(shè)為 0，COMBIN14 單元簡化為彈簧。

MPC184 單元是采用拉格朗日乘子技術(shù)實現(xiàn)運動約束的多點約束單元，可用來模擬 2 個變形體或剛體之間的剛性約束，用于傳遞力或力矩?？紤]到車體近似為剛體，采用 MPC184 的剛性梁單元模擬，在受力時不發(fā)生彈性變形。由于 MPC184 單元使用拉格朗日乘子法實現(xiàn)，因此能夠輸出約束反力和力矩。

COMBIN40 單元是相互平行的彈簧滑動器和阻尼器的聯(lián)合，并且串聯(lián) 1 個間隙控制器。該單元由 2 個節(jié)點 I 和 J、2 個彈簧常數(shù) k1和 k2、1 個阻尼系數(shù) C2、質(zhì)量 M(或 M / 2)、1個間隙 gap 和 1 個界限滑移力 FL 組成，如圖8 所示。鋼軌座架及相鄰車輛高差采用 COMBIN40 組合單元模擬，由 COMBIN40 的間隙控制功能控制相鄰車輛高差，建模時去除阻尼器、界限滑移力、彈簧常數(shù) k2和質(zhì)量M，即：C2= 0，F(xiàn)L = 0，k2= 0，M = 0。 COMBIN40 單元簡化后如圖9 所示。

圖7 換長為 1.5 的普通平車運輸 100 m 長鋼軌裝載加固方案車輛承重仿真模型

圖8 COMBIN40 單元示意圖

圖9 COMBIN40 單元簡化示意圖

BEAM3 單元是一種可承受拉、壓、彎作用的單軸單元，單元由 2 個節(jié)點、橫截面面積、橫截面慣性矩、截面高度及材料屬性定義，可模擬各種平面剛架、多跨連續(xù)梁等平面結(jié)構(gòu)。 100 m 長鋼軌的裝載形式為超靜定連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，采用 BEAM3 梁單元模擬。

4 仿真計算

換長為 1.5 的普通平車運輸 100 m 長鋼軌裝載加固方案共使用 12 個座架，其中端車布置 1 個座架，中部車輛布置 2 個座架，確定的座架位置的最優(yōu)控制參數(shù)分別為：a = 7.039 m，b = 3.881 m，L1= 6.059 m。車輛尺寸參數(shù)為 Ld= L0= 10.92 m，車輛中央懸掛 ke= 5.77 × 106N·m-1，鋼軌參數(shù)為 q = 588 N·m-1，E = 2.06 × 1011Pa 和 I = 3.219 × 10-5m4，座架剛度 k1= 1012N·m-1。

表1 至表3 為 3 種典型工況下座架承重和車輛承重，這 3 種工況分別為：①車輛等高、無縱向偏移，即 gapi= 0，i = 1，2，…，12；②第 3 車比相鄰車輛高 15 mm、鋼軌沿縱向向后偏移 500 mm，即 gap4= gap5= －15mm ，其余 gapi= 0；③第 1 車比相鄰車高 15 mm 、鋼軌沿縱向向前偏移 500 mm ，即 gap1= 15 mm，其余 gapi= 0。

表1 車輛等高、無縱向偏移時座架承重和車輛承重

表2 第 3 車高 15 mm、向后縱向偏移 500 mm 時座架承重和車輛承重

表3 第 1 車高 15 mm 、向前縱向偏移 500 mm 時座架承重和車輛承重

由表1至表3可知，座架承重最大值為 33.39 t，車輛承重最大值為 54.03 t，轉(zhuǎn)向架承重最大值為 29.67 t，轉(zhuǎn)向架承重差最大值為 9.30 t，滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》技術(shù)要求。

100 m 長鋼軌試驗車組在沈陽南站通過超偏載儀對各車進行承重檢測，檢測數(shù)值如表4 所示。由表4 可知：車輛承重最大值為 55.30 t，轉(zhuǎn)向架承重最大值為 27.67 t，轉(zhuǎn)向架承重差最大值為 7.86 t，車輛偏載最大值為 29 mm，滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》技術(shù)要求。

表4 100 m 長鋼軌試驗車組超偏載儀稱重數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

通過仿真計算可知，普通平車運輸 100 m 長鋼軌車組的車輛各項承重指標滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》規(guī)定的技術(shù)要求，與該方案的實際承重試驗結(jié)果相吻合，證明了所建立的車輛承重有限元仿真模型的合理性和正確性。該 100 m 長鋼軌運輸裝載加固方案已經(jīng)在全路推廣應用。

[1]楊廣全，張長青，昌月朝，等.長鋼軌普通平車運輸中橫向力的計算 [C]//中國鐵道科學研究院.中國鐵道科學研究院 60 周年學術(shù)論文集.北京：中國鐵道出版社，2010：473-477.

[2]石 磊，楊廣全，張長青.普通平車運輸 50 m 長道岔軌的裝載方案研究 [J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2011，33(2)：32-37.

[3]中國鐵道科學研究院運輸及經(jīng)濟研究所. 100 m 長鋼軌換長 1.5 普通平車運輸裝載加固方案研究 [R].北京：中國鐵道科學研究院，2009.