基于铁路运输限界的特种车辆最优包络型面研究

张佳林，张涛华，王真真，刘相新，刘琦

(北京航天发射技术研究所，北京 100076)

特种车辆使用铁路线路机动运输时，其任何部位均不得超出铁路基本限界范围，且与铁路运输车的合成质心不能超过允许高度，才能安全快速运输[1]。根据文献[1-6]，特种车辆运输不仅需要满足在铁路运输车直线行驶下的静态不超限边界，还需要满足在经过半径300 m弯道时的动态不超限边界。因为铁路运输车在转弯过程中，除转向架中心朝外，其纵向中心将不同程度地偏离铁路的中心线，从而引起特种车辆与铁路运输车的相对位置产生偏移。这种偏移可能使相对限界尺寸的关系发生变化，使直线行驶时不超限的车辆在转弯过程中超限。因此，在铁路运输弯道通过性计算时，需要车辆外形同时满足动、静态两种条件下的限界要求。

但是特种车辆外形不是完全规则的长方体，必然存在型面变化或局部凸起等，另外其在铁路运输车上的装载位置也影响包络型面大小。如果按照最小型面设计，将导致车辆装载能力下降、设备安装空间不足等问题[7]。文献[8-10]分析了铁路不平顺及振动对车辆动态限界的影响，但是都是基于二维平面和关键控制点构建的包络线。

本文建立了动、静态条件下车辆限界的数学模型，提出适应不同特种车辆长度、高度、质量、装载方式的三维包络型面设计方法，创新性构建了满足载荷多样性的立体包络区域，为特种车辆整体外形优化设计提供技术支撑。

1 铁路运输限界

特种车辆使用铁路运输时，根据不同的质量和规模选择合适的铁路运输车。根据相关标准[1-2]，特种车辆装于运输车后，车辆停留在水平直线上，任何部位超过铁路运输限界的基本轮廓，即为超出静态限界要求；当车辆行经半径为300 m的铁路曲线时，特种车辆的计算宽度超出基本轮廓，即为超出动态超限要求。机车车辆限界基本轮廓如图1所示。

图1 铁路运输限界基本轮廓[11]

按车辆外形居中装载方式的静态不超限校核主要通过作图法校核各部位是否超过限界，相对简单。但是动态不超限校核涉及到特种车辆的装载方式、不同位置断面下宽度和高度尺寸、是否在定距内等多项影响因素，需要深入研究[12]。

本文以总质量为60～70 t、总长≤19 m、总轴距≤14 m的6轴特种车辆为例，建立满足铁路机动运输的最优包络型面设计方法。为便于铁路运输车调度集结，提高机动运输效能，这种质量和规模的特种车辆，更适宜选用NX70型普通铁路平车进行装载。NX70型铁路平车载重70 t，车底架长×宽为15 400 mm×2960 mm，木地板，构造速度120 km/h，距轨面高度1216 mm，自重23.8 t，质心高度738 mm，与装载货物的合成质心高度不能大于2000 mm，为四轴平车，定距10 920 mm，适用于六轴及以下货车装载运输。

2 基于不同装载方式的包络型面

特种车辆总长19 m，超过NX70平车长度，需要在NX70前后设置游车，避免特种车辆前后碰撞。另外特种车辆在铁路平车的装载方式也会影响转弯过程中不同横截面的型面，有必要基于不同的装载方式展开研究[13]。

2.1 按车辆外形居中装载

按照车辆外形居中装载，即将车辆长度中心与平车定距中心对齐，这种装载方式如图2所示。优点是装载快速易检测，缺点是由于车辆质量不均衡，作用在铁路运输车前后转向架的载荷不均衡，根据要求，每个转向架所承受的载重不得超过铁路运输车容许载重的1/2，且前后转向架承受载重之差不得大于10 t[14]。

图2 按车辆外形居中装载方式

根据铁路运输弯道偏移量计算公式[1](式(1))和检定断面上最大可允许的动态半宽值计算公式(式(2))，综合静态不超限校核要求，可得到待检定断面上车辆最大允许半宽值，如式(3)所示。

(1)

B=X-C-K+P，

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，L0表示NX70平车定距长度，为10 920 mm；Li表示计算位置所在横截面到铁路运输车定距中心的距离，mm；R表示铁路弯曲半径，通过性校核计算时一般取最小值300 000 mm；P表示在半径为300 m的曲线上铁路建筑限界的加宽值，一般为36 mm；X表示铁路运输基本限界的半宽，满足式(4)；H表示待检定位置车辆的高度，mm；K表示特种车辆检定断面处的附加偏移量，其与位于定距内外的距离相关，满足式(5)。

外形居中装载时，Li取值为-9500～9500 mm。当待检面高度低于3600 mm以下的车体，不同横截面下最大可设计半宽值如图3所示。

图3 车辆最大允许半宽值相对长度中心变化的包络域(待检面高度低于3600 mm)

当车体待检面高度在3600～4800 mm时，选取中部最窄的定距中心断面(Li=0 mm)、最宽的前后定距处断面(Li=±5460 mm)、两端最窄的车前后端断面(Li=±9500 mm)3个标志性的横截面，可得到不同横截面下车辆最大可设计半宽，如图4所示。最终可形成当特种车辆按外形居中装载时，车辆可设计半宽的最大立体包络型面如图5所示。

(a)定距中心断面(Li=0 mm) (b)前后定距处断面(Li=±5460 mm) (c)车前后端断面(Li=±9500 mm)

图5 车辆居中装载时最大立体包络型面

2.2 按其他方式装载

特种车辆在铁路平车上还可以按其他方式装载，如按车辆质心居中装载、按轴距居中装载等。按轴距或按质心居中装载，优点是铁路运输车前后转向架的载荷基本均衡，缺点是实际操作时难以快速对齐测量[15]。根据要求，前后转向架载重之差不得大于10 t，特种车辆重心允许偏离转向架中心的距离计算方法[16]为：

(6)

式中，P容为铁路平车容许总质量，t；mc为特种车辆质量，t。

按其他方式装载时，相对2.1节所述按外形居中装载，相当于新的装载中心与长度中心存在一定的偏移量，该偏移量(设为Lp)可位于长度中心的前、后，根据车辆质量分配、轴荷分配、外形设计、运输要求等参数估算，假定Lp相对长度中心的最大偏移量为-1000～1000 mm。则按其他方式装载的示意图如图6所示。

图6 按其他方式装载时最大包络型面

假设按其他方式装载时，待检定横截面相对平车定距中心的距离仍为Li，相对车辆长度中心的距离为Ln，则存在Li=Ln+Lp。根据公式(1)～(6)，综合静态不超限校核要求，可得车辆待检定断面车辆最大允许半宽值

(7)

2.2.1 前移1000 mm装载时

当装载中心与外形中心偏差Lp=-1000 mm，即外形中心相对装载中心前移1000 mm时，Li取值为-10 500～8500 mm，当车体待检定面高度低于3600 mm时，可得到不同横截面下车辆最大可设计半宽值如图7所示。

图7 车辆最大允许半宽值相对定距中心变化的包络域(待检面高度低于3600 mm)

当车体待检定面高度在3600～4800 mm时，定距中心(Li=0 mm)及前后定距处(Li=±5460 mm)横截面形状与外形居中时横截面相同，但车辆前端面(Li=-10 500 mm)和后端面(Li=8500 mm)两个横截面的形状发生变化，计算前后端面横截面车辆最大可设计半宽,如图8所示。

(a)车前端断面(Li=-10 500 mm) (b)车后端断面(Li=8500 mm)

最终可形成当特种车辆外形中心相对装载中心前移1000 mm时，车辆可设计半宽的最大立体包络型面如图9所示。

图9 车辆前移1000 mm装载时最大立体包络型面

2.2.2 后移1000 mm装载时

当装载中心与外形中心偏差Lp=1000 mm，即外形中心相对装载中心后移1000 mm时，Li取值为-8500～10 500 mm。当车体待检定面高度低于3600 mm时，可得到不同横截面下车辆最大可设计半宽值,如图10所示。

图10 车辆最大允许半宽值相对定距中心变化的包络域(待检面高度低于3600 mm)

当车体待检面高度在3600～4800 mm时，定距中心(Li=0 mm)及前后定距处(Li=±5460 mm)横截面形状与外形居中时横截面相同，但车辆前端面(Li=-8500 mm)和后端面(Li=10 500 mm)两个横截面的形状发生变化，与前移1000 mm状态下(图8)横截面相反，不再赘述。

最终可形成当特种车辆外形中心相对装载中心后移1000 mm时，车辆可设计半宽的最大包络型面如图11所示。

图11 车辆后移1000 mm装载时最大立体包络型面

2.3 分析

可见，车辆的设计高度、装载形式都有可能影响车辆各部位的宽度值，现予以汇总梳理，如表1所示。由表1可知：

表1 车辆最大允许半宽值包络限值

(1)按车辆长度中心对齐定距中心的方式装载，能够使得整车包络型面范围最大。

(2)如果按其他方式装载，必然导致车辆前端或后端更加偏离定距中心，允许半宽值减小，使得包络型面范围缩小。

(3)如果特种车辆设计时，根据总体需求必须加宽前端或者尾端，可以考虑采用偏移装载的方式进行铁路运输。前移装载时，特车尾端可加宽设计；后移装载时，特车前端可加宽设计。

(4)若要使得特种车辆能够适应各种铁路装载方式，不受装载位置的限制，可构建车辆前移、居中、后移等各种工况下的最优包络域，以车辆外形长度中心为原点，构建出如图12所示的立体包络型面。

图12 适应各种装载方式的最优立体包络型面

3 特种车辆质心高度包络域

根据铁路运输合成质心高度不能超2000 mm的基本要求，如式(8)所示。

(8)

得出特种车辆装载至铁路平车后，质心距平车地板面高度hc应控制的范围为

(9)

式中，mp为NX70铁路平车自重，t；hp为铁路平车质心高度，mm；hl为铁路平车离地高度，mm；hc为特种车辆质心距平车地板面高度，mm;mc为特种车辆质量,t。

因此得出，当特种车辆质量mc在60～70 t时，装载至NX70铁路平车上，距平车地板面自身质心高度hc应不超出如图13所示的包络域。

图13 特种车辆质心高度随吨位变化的包络域

可见，当特种车质量在60 t时，质心应不高出铁路平车地板面1284 mm；70 t时，质心应不高出1213 mm，对车辆设计提出较大挑战。要满足铁路运输合成质心不超限的要求，可以采用如下途径：降低铁路运输车平板的高度；增大铁路运输车的质量；降低特种车辆装载在铁路运输车的质心高度，如采用下放车身的方式。

4 结论

本文针对特种车辆使用铁路线路运输时，其外形及合成质心必须满足铁路运输限界的问题，以总重60～70 t、总长19 m规模的特种车辆使用NX70铁路平车为例，开展了特种车辆立体包络边界的设计研究，获取了能够适应各种装载方式的最大立体包络型面，即当车体高度低于3600 mm时，特种车辆前后端最大可设计半宽为1563 mm，中部最大为1700 mm；当车体高度在3600～4300 mm时，前后端可设计最大半宽为1213 mm，中部最大为1350 mm；当车体高度在4300～4800 mm时，特种车辆前后端可设计最大半宽为313 mm，中部最大为450 mm。另外研究了特种车辆质心高度随车辆质量变化的包络域，60～70 t规模的特种车辆其质心高度不应超出1284～1213 mm。本文所采用的研究方法，不仅适用于示例所述的特种车辆，还可以推广到其他规模的特种车辆、使用其他型号铁路平车运输的场合，为不同规模的特种车辆外形及质心优化设计提供参考。