標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路車輛限界規(guī)內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)

趙華瑞 邱 勛 于岳群 尹 明

（1.中車株洲車輛有限公司，湖南 株洲 412003；2.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司株洲車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，湖南 株洲 412003）

鐵路限界是鐵路安全行車的基本保障之一，限界規(guī)作為檢驗(yàn)車輛外形尺寸要求是否滿足相關(guān)限界標(biāo)準(zhǔn)的重要試驗(yàn)工裝，其輪廓尺寸的設(shè)計(jì)合理性直接關(guān)系到車輛的可靠性和運(yùn)行安全。限界規(guī)尺寸設(shè)計(jì)須考慮的因素較多，在實(shí)際生產(chǎn)中，部分造修企業(yè)未根據(jù)不同車型針對(duì)性地調(diào)整限界規(guī)的內(nèi)輪廓尺寸，從而無法發(fā)揮限界規(guī)的重要作用，出廠車輛運(yùn)行安全性存在隱患。該文針對(duì)幾種不同類型轉(zhuǎn)向架的通用車輛限界規(guī)內(nèi)輪廓進(jìn)行深入研究，旨在理清車輛限界規(guī)設(shè)計(jì)的總體思路，分析各部位限界規(guī)內(nèi)輪廓尺寸計(jì)算應(yīng)考慮的因素，提出具體的計(jì)算方案，為標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路車輛限界規(guī)設(shè)計(jì)提供參考。

1 總體設(shè)計(jì)思路

總體設(shè)計(jì)思路如下：1）車輛限界分為上部限界和下部限界，其中距軌面高350mm以上部分為上部限界，距軌面高350mm及以下部分為下部限界。機(jī)車車輛水平尺寸以車輛限界中心線為基準(zhǔn)計(jì)算，垂直尺寸以軌面為基準(zhǔn)計(jì)算。2）車輛限界規(guī)內(nèi)輪廓尺寸設(shè)計(jì)包括寬度方向尺寸和高度方向尺寸，應(yīng)考慮：無論是空車或是重車，是具有最大標(biāo)準(zhǔn)公差的新車或是具有最大標(biāo)準(zhǔn)公差和磨耗限度的舊車，停放在水平直線上，無側(cè)向傾斜與偏移，均應(yīng)容納在機(jī)車車輛限界之內(nèi)。3）國內(nèi)鐵路車輛限界規(guī)主要根據(jù)GB 146.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界 第一部分：機(jī)車車輛限界》、GB/T 16904.1—2006《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界檢查 第1部分：檢查方法》和GB/T 16904.2—2006《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛限界檢查 第2部分：限界規(guī)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合車輛的技術(shù)特點(diǎn)和試驗(yàn)條件，先確定具體車型限界基本輪廓，再通過寬度縮減量、高度抬高量的計(jì)算來確定限界規(guī)內(nèi)輪廓尺寸。

2 車輛限界基本輪廓的確定

車輛上部限界基本輪廓采用GB 146.1—2020中車限-1A。

車輛下部限界基本輪廓?jiǎng)t應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向架類型、運(yùn)用環(huán)境要求等不同情況分別選用：通過駝峰車輛減速器（頂）（制動(dòng)或工作位置）的鐵路貨車（如通用車輛）下部限界輪廓選用GB 146.1—2020中車限-2，無須通過駝峰車輛減速器的鐵路貨車（如特種車輛）下部限界輪廓選用GB 146.1—2020中車限-1B。同時(shí)根據(jù)承載方式的不同，將下部限界按轉(zhuǎn)向架彈簧承載部分、轉(zhuǎn)向架非彈簧承載部分和車體彈簧承載部分進(jìn)行尺寸選擇和抬高量計(jì)算。

通過駝峰車輛減速器、裝用常規(guī)三大件式轉(zhuǎn)向架的車輛下部限界輪廓如圖1所示，須按轉(zhuǎn)向架非彈簧承載部分（圖1中區(qū)域A）和車體彈簧承載部分（圖1中區(qū)域B）兩大區(qū)域選擇下部限界基本輪廓尺寸。

圖1 下部限界輪廓圖（通過駝峰車輛減速器常規(guī)三大件式轉(zhuǎn)向架的車輛）

通過駝峰車輛減速器、裝用常規(guī)構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架的車輛下部限界輪廓如圖2所示，須按轉(zhuǎn)向架彈簧承載部分（圖2中區(qū)域A）、轉(zhuǎn)向架非彈簧承載部分（圖2中區(qū)域B）和車體彈簧承載部分（圖2中區(qū)域C）三大區(qū)域選擇下部限界基本輪廓尺寸。

圖2 下部限界輪廓圖（通過駝峰車輛減速器常規(guī)構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架的車輛）（單位：mm）

無須通過駝峰車輛減速器的車輛下部限界輪廓如圖3所示，須按轉(zhuǎn)向架彈簧承載部分（圖3中區(qū)域A）、轉(zhuǎn)向架非彈簧承載部分（圖3中區(qū)域B）和車體彈簧承載部分（圖3中區(qū)域C）3個(gè)區(qū)域選擇下部限界基本輪廓尺寸。

圖3 下部限界輪廓圖（無須通過駝峰車輛減速器的車輛）

3 限界規(guī)尺寸設(shè)計(jì)要求

3.1 上部規(guī)橫向尺寸設(shè)計(jì)要求

機(jī)車車輛停放在水平直線上時(shí)車輛任何部分應(yīng)容納在機(jī)車車輛限界之內(nèi)。但是車輛在曲線上將產(chǎn)生偏移量，為了保證建限與車限之間仍有足夠的安全行車所需的空間，規(guī)定在曲線上自線路中心至建限兩側(cè)輪廓線之間的距離將根據(jù)曲線半徑R及超高h(yuǎn)分別予以擴(kuò)大，但車輛兩端及中部的偏移量不僅與線路的曲率半徑R有關(guān)，還和車輛本身的幾何尺寸有關(guān)，因此當(dāng)車輛幾何尺寸偏大時(shí)，若不采取削減車寬的措施，仍然不能保障安全行車所需的空間。在確定車輛最大容許制造寬度時(shí)，為了方便計(jì)算，引入了“計(jì)算車輛”與“計(jì)算曲線”。

解放前修建的準(zhǔn)軌路網(wǎng)歷史背景十分復(fù)雜，不同地區(qū)、不同時(shí)期存在著不同的限界標(biāo)準(zhǔn)，由于地形復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)效益等多種原因部分舊有線路并未按新標(biāo)準(zhǔn)加以改造，因此這些陳舊線路是不符合GB 146.2-2020中建限的相關(guān)尺寸要求，要通行全國準(zhǔn)軌路網(wǎng)的車輛必然在尺寸上受到更多的制約。對(duì)于進(jìn)入不符合GB 146.2-2020的標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路線路運(yùn)行的車輛，計(jì)算車輛的車體長度為13.22m，轉(zhuǎn)向架中心距為9.35m，最大容許寬度為3400mm，其在曲線半徑為300m的計(jì)算曲線上，中部最大偏移量為36mm，距軌面高350mm～1250mm內(nèi)的車體寬度限界半寬應(yīng)采用1600mm；或者依據(jù)線路實(shí)際的最小限界尺寸和曲線加寬量等確定車體最大制造寬度和限界規(guī)的內(nèi)橫向尺寸。

因此，在進(jìn)行上部規(guī)內(nèi)橫向尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)計(jì)入計(jì)算車輛的最大允許制造寬度和縮減量、車輛橫向間隙和水平方向的最大磨耗量、限界軌本身的調(diào)測(cè)誤差。1）當(dāng)車體長度不大于計(jì)算車輛時(shí)其車體最大容許寬度不需縮減，限界規(guī)尺寸也不縮減。幾種符合此特征的常用車型上部限界規(guī)距軌面高1250mm～3600mm部分的橫向?qū)挾扔?jì)算示例見表1。

上部規(guī)距軌面某一高度處的寬度如公式（1）所示。

式中：C為限界規(guī)半寬的實(shí)際縮減量；Z為限界規(guī)半寬間隙常量，上部規(guī)為13 mm，下部規(guī)為5 mm。

2）當(dāng)車體長度大于計(jì)算車輛時(shí)，先算出其理論縮減量，然后根據(jù)公式換算為實(shí)際縮減量。并取中部和端部半寬的實(shí)際縮減量最大值作為限界規(guī)半寬的實(shí)際縮減量C，從而按照公式（1）算出上部規(guī)距軌面某一高度處的寬度。特種車輛參照該方法執(zhí)行。幾種符合該特征的常用車型上部限界規(guī)距軌面高1250mm～3600mm部分的橫向?qū)挾扔?jì)算示例見表2。

表1 限界規(guī)寬度計(jì)算示例（寬度不需縮減型）

機(jī)車車輛中部最大偏移量如公式（2）所示。

機(jī)車車輛端部最大偏移量如公式（3）所示。

式中：L為車體長度；l為轉(zhuǎn)向架中心距；S為轉(zhuǎn)向架軸距；R為計(jì)算曲線半徑，取R=300m。

機(jī)車車輛中部最大容許寬度縮減量如公式（4）所示。

機(jī)車車輛端部最大容許寬度縮減量如公式（5）所示。

式中：D為計(jì)算車輛中部最大偏移量；D為計(jì)算車輛端部最大偏移量。

機(jī)車車輛距軌面某一高度處最大容許寬度如公式（6）所示。

式中：B為機(jī)車車輛限界在同一高度處最大半寬；C為以上計(jì)算的最大容許寬度縮減量C和C之一的數(shù)值（如果計(jì)算出來的結(jié)果是負(fù)數(shù)，那就取值為0）。

機(jī)車車輛中部半寬的實(shí)際縮減量如公式（7）所示。

機(jī)車車輛端部半寬的實(shí)際縮減量如公式（8）所示。

式中：A為中部實(shí)際和理論縮減量的比例系數(shù)，取A=0.4747；A為端部實(shí)際和理論縮減量的比例系數(shù)，取A=0.4234。

3.2 下部規(guī)垂向尺寸設(shè)計(jì)要求

型式試驗(yàn)車輛，其上部限界檢查應(yīng)在空車狀態(tài)下進(jìn)行，下部限界檢查應(yīng)在重車或全整備狀態(tài)下進(jìn)行，側(cè)向限界間隙檢查應(yīng)在空車、重車（或全整備）兩種狀態(tài)下進(jìn)行。重車檢查時(shí)應(yīng)計(jì)入零部件垂直方向的磨耗限值。

例行試驗(yàn)車輛，其上部限界檢查應(yīng)在空車狀態(tài)下進(jìn)行，其下部限界檢查和側(cè)向間隙檢查可做簡化檢查，即在空車狀態(tài)下進(jìn)行下部限界檢查，但應(yīng)計(jì)入重車狀態(tài)下車輛的彈簧壓縮量、車體因載重引起的變形量以及零部件垂直方向的磨耗限值。

以K5型轉(zhuǎn)向架、K6型轉(zhuǎn)向架（常規(guī)三大件式轉(zhuǎn)向架）、K3型轉(zhuǎn)向架（常規(guī)構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架）為例，對(duì)下部限界規(guī)高度計(jì)算，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表3。1）裝用常規(guī)三大件式轉(zhuǎn)向架的車輛（如K5、K6型轉(zhuǎn)向架）在空車狀態(tài)下限界試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)向架非彈簧承載部分重車狀態(tài)應(yīng)考慮車輪磨耗限值、承載鞍頂部磨耗限值 、承載鞍鞍面磨耗限值、導(dǎo)框搖動(dòng)座弧面磨耗和軸箱橡膠墊壓縮量等。通過計(jì)算，K5轉(zhuǎn)向架車輪內(nèi)側(cè)非彈簧承載部分抬高量為33.1mm，車輪外側(cè)非彈簧承載部分抬高量為31.5mm。車體彈簧承載部分重車狀態(tài)應(yīng)考慮空車狀態(tài)至重車狀態(tài)彈簧壓縮量、車輪磨耗限值、旁承壓縮量、上下心盤磨耗限值、承載鞍頂部磨耗限值、承載鞍鞍面磨耗限值、導(dǎo)框搖動(dòng)座弧面磨耗限值和軸箱橡膠墊壓縮量等。通過計(jì)算，K5轉(zhuǎn)向架彈簧承載部分抬高量為95.3mm。因此，結(jié)合限界尺寸選擇和抬高量，裝用K5轉(zhuǎn)向架車輛整車限界試驗(yàn)時(shí)，下部規(guī)內(nèi)輪廓尺寸如圖4所示。2）裝用常規(guī)構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架（如K3型轉(zhuǎn)向架）的車輛在空車狀態(tài)下限界試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)向架非彈簧承載部分重車狀態(tài)應(yīng)考慮車輪磨耗限值、軸箱鞍面磨耗限值和斜楔磨耗限值等。通過計(jì)算，K3轉(zhuǎn)向架非彈簧承載部分抬高量為27.5mm。轉(zhuǎn)向架彈簧承載部分應(yīng)考慮車輪磨耗限值、空車狀態(tài)至重車狀態(tài)彈簧壓縮量、軸箱鞍面磨耗限值和斜楔磨耗限值等。通過計(jì)算，轉(zhuǎn)向架的彈簧承載部分抬高量為41.7mm。車體彈簧承載部分應(yīng)考慮空車狀態(tài)至重車狀態(tài)彈簧壓縮量、車輪磨耗限值、心盤磨耗限值、軸箱鞍面磨耗限值和斜楔磨耗限值等。通過計(jì)算， K3轉(zhuǎn)向架車體彈簧承載部分抬高量為48.7mm。因此，結(jié)合限界尺寸選擇和抬高量，裝用K3型轉(zhuǎn)向架的車輛整車限界試驗(yàn)時(shí)，下部規(guī)內(nèi)輪廓尺寸如圖5所示。3）單個(gè)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行下部限界試驗(yàn)檢驗(yàn)時(shí)，由于常規(guī)三大件式轉(zhuǎn)向架無彈簧承載部分，下部規(guī)高度與整車限界試驗(yàn)時(shí)高度尺寸相同。而常規(guī)構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架的下部規(guī)，在進(jìn)行轉(zhuǎn)向架彈簧承載部分高度尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，彈簧壓縮量應(yīng)考慮自由狀態(tài)至重車狀態(tài)的壓縮量，轉(zhuǎn)向架非彈簧承載部分與整車限界試驗(yàn)下部規(guī)高度尺寸相同。

表2 限界規(guī)寬度計(jì)算示例（寬度縮減型）

表3 限界規(guī)高度計(jì)算用技術(shù)參數(shù)（單位：mm）

4 結(jié)論

通過上述研究可以看出，車輛類型（包括轉(zhuǎn)向架類型）、運(yùn)用環(huán)境等因素不同，限界規(guī)內(nèi)輪廓尺寸也會(huì)不同。在車輛上部限界規(guī)的內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)時(shí)，橫向尺寸應(yīng)計(jì)入計(jì)算車輛的最大允許制造寬度和縮減量、車輛橫向間隙和水平方向的最大磨耗量、限界軌本身的調(diào)測(cè)誤差等因素，并根據(jù)車輛長度（與計(jì)算車輛對(duì)比）計(jì)算寬度縮減量。車輛下部限界規(guī)的內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)時(shí)，垂向尺寸應(yīng)考慮各水平位置易耗零部件磨耗極限值、空車狀態(tài)至重車狀態(tài)彈簧壓縮量等因素計(jì)算合理抬高量。在限界試驗(yàn)前，對(duì)限界規(guī)的輪廓尺寸進(jìn)行核算是保證車輛可靠性和限界規(guī)合理性的關(guān)鍵步驟。同時(shí)限界規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)化，是值得車輛造修企業(yè)深入研究的課題。

圖4 整車試驗(yàn)下部規(guī)輪廓圖（裝用K5轉(zhuǎn)向架車輛）

圖5 整車試驗(yàn)下部規(guī)輪廓圖（裝用K3轉(zhuǎn)向架車輛）