大型养路机械与普通货物列车编组运行连挂位置分析

王鹏 朱亚杰 邢磊 何国华 刘传

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路北京局集团有限公司北京大型养路机械运用检修段，北京 100070；3.中国国家铁路集团有限公司工电部，北京 100844）

近年来客货运列车大提速，线路、车辆和管理技术不断进步和突破。2014 年和谐型货运机车牵引的普通货物列车全部实现以80 km/h 的速度运行；2019年兰新线货物列车运行速度由80 km/h提速至90 km/h。

大型养路机械无动力回送或远距离转移时与普通货物列车编组连挂运行。为在货车提速情况下确保运输安全，大型养路机械与货物列车编组连挂位置、安全性和速度尤为重要。编组连挂位置取决于大型养路机械车架承受纵向拉伸和压缩的能力。

本文从大型养路机械主车架结构、车体强度设计及试验标准、代表车型车架强度计算校核三个方面进行论证分析。

1 大型养路机械主车架结构分析

根据功能定位和作业特点，大型养路机械可分为线路捣固机械、道砟清筛及路基整治机械、道床配砟整形车、轨道动力稳定车、钢轨及道岔打磨机械、焊轨机械等［1-4］。

大型养路机械主要车型有DCL-32k连续式双枕捣固车、QS-650x道砟清筛机、DPZ-440配砟整形车、WD-320动力稳定车、GMC-96x钢轨打磨车、YHG-1200k自行式闪光焊轨车等。各车型车架结构特点和主要技术参数见表1（见下页）。各车型车钩中心高度均为880 ±10 mm。

大型养路机械种类多样、功能各异、需求复杂，综合考虑作业装置、动力传动、执行机构、控制系统、走行系统等的整体布局，主车架多设计成上拱或无中梁等特殊结构形式，以提高车下空间利用率，且车架的下平面均高于车钩中心高度。

连挂运行时纵向力沿车钩中心线作用于车架，上拱结构造成侧梁除承受纵向力以外，还须承受较大附加弯矩，造成附加应力；对于无中梁的承载结构，若不增大车体纵向截面积，则会减弱承受纵向力的能力。大型养路机械车体的这种结构特点，使得车架不能承受较大纵向拉伸力和纵向压缩力。

2 车体强度设计、试验标准及评定方法

2.1 车体强度设计和试验标准

大型养路机械主要用于线路维修施工及检测。功能定位决定了大型养路机械结构的特殊性。GB/T 25337—2018《大型养路机械 通用技术条件》规定［5］：在满足作业功能前提下车体静强度满足TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》［6］的相关规定，其中纵向拉伸力为980 kN，纵向压缩力为1 180 kN。该规定要求大型养路机械车体强度设计指标与铁路客车相同。

TB/T 1335—1996 中车体强度计算和试验时纵向力及主载荷的最大可能组合分为2 种工况：①纵向拉伸力，客车取980 kN，货车取1 125 kN；纵向压缩力，客车取1 180 kN，货车取1 400 kN。②纵向压缩力取2 250 kN。一般客车强度计算和试验时仅按工况①的载荷组合进行；货车必须按工况①和工况②的载荷组合进行。

TB/T 3548—2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范总则》［7］、TB/T 3550.1—2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范车体第1 部分：客车车体》［8］和TB/T 3550.2—2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范车体第2 部分：货车车体》［9］是关于机车车辆强度设计及试验鉴定的最新标准，分别代替TB/T 1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》中的通用要求、客车车体部分和货车车体部分。

新标准规范了机车车辆强度设计的基本原则：车体结构应能承受与其运用要求相一致的最大载荷，不产生永久变形；在保证强度和刚度的前提下，车体结构应最大限度降低自重。

TB/T 3550.1—2019 规定：工况①纵向拉伸力取980 kN，纵向压缩力取1 180 kN。该力分别沿车钩中心线作用于牵引梁上的前后从板座或相应部件上。

TB/T 3550.2—2019与TB/T 1335—1996的区别在于，关于货车车体计算和试验纵向力取值按编组总质量给定，对单列编组总质量超过6 000 t 的货车提出了更高的纵向力要求。现行相关标准关于车体计算和试验纵向力取值见表2。

编组货物列车无动力回送时，若大型养路机械编挂于列车中部，则要求大型养路机械能承受与货车相同的纵向拉伸力和纵向压缩力。

表2 现行标准关于车体计算和试验纵向力取值

2.2 车体结构强度评定方法

根据TB/T 3548—2019 规定，车体结构强度按式（1）所示的当量应力来评定，即计算的当量应力不得超过相应计算工况的许用应力。

式中：σe为当量应力，MPa；σ1，σ2，σ3分别为第一、第二、第三主应力，MPa；σ为许用应力，MPa。

大型养路机械车体部分常用材料屈服极限和许用应力见表3。

表3 车体部分常用材料屈服极限和许用应力 MPa

3 代表车型车架强度计算校核

以我国最新研发设计的SQS-300桥隧清筛机动力车架为例，按GB/T 25337—2018 和TB/T 3550.2—2019 货车车体（单列编组总质量M≤6 000 t）规定的计算载荷，对其强度进行校核分析。动力车架模型见图1。

3.1 计算工况及载荷组合

图1 SQS-300桥隧清筛机动力车架模型

根据GB/T 25337—2018，仅按工况①的载荷组合取值。纵向拉伸力取980 kN，纵向压缩力取1 180 kN，其分别作用在位于牵引梁上的前后从板座上。

根据TB/T 3550.2—2019，对于单列编组总质量M≤6 000 t 的专用货车，工况①纵向拉伸力取1 125 kN，纵向压缩力取1 400 kN；工况②纵向压缩力取2 250 kN。计算工况及载荷组合见表4。

表4 SQS-300桥隧清筛机动力车架强度计算工况

3.2 有限元模型的建立

车架有限元分析模型采用空间笛卡尔坐标系。x轴指向车辆运行方向，y轴与线路方向垂直，z轴垂直于轨道平面。由于车架为钢板和管件的焊接结构，故采用shell 181 单元进行离散划分网格，共离散为639 361 个节点，形成652 139 个单元。根据计算工况分别对计算模型进行约束和加载，如图2 所示。根据车架受力情况在模型中施加相应的垂向、横向及纵向位移约束。

图2 约束和加载

3.3 计算结果分析

3.3.1 根据GB/T 25337—2018校核强度

根据GB/T 25337—2018 规定的计算载荷，对SQS-300桥隧清筛机动力车架强度进行校核分析。

工况①纵向拉伸力为980 kN、工况①纵向压缩力为1 180 kN 两种情况下车架应力分布见图3。可见：两种情况下各梁连接焊缝处、枕梁、车钩与牵引梁连接处均有应力集中；最大应力分别为227，229 MPa，均位于车钩与牵引梁连接处，其值均小于枕梁腹板Q420D 材质的许用应力262 MPa（工况①许用应力），车架强度满足要求。

图3 按GB/T 25337—2018规定载荷计算的车架应力

3.3.2 根据TB/T 3550.2—2019校核强度

根据TB/T 3550.2—2019 规定的货车车体（单列编组总质量M≤6 000 t）计算载荷，对SQS-300 桥隧清筛机动力车架强度进行校核分析。

工况①纵向拉伸力为1 125 kN、工况①纵向压缩力为1 400 kN、工况②纵向压缩力为2 250 kN 三种情况下车架应力分布见图4。可见：三种情况下各梁连接焊缝处、枕梁、车钩与牵引梁连接处均有应力集中；最大应力分别为253，272，437 MPa，均位于车钩与牵引梁连接处。工况①纵向压缩力为1 400 kN，工况②纵向压缩力为2 250 kN 时车架最大应力分别超过枕梁腹板Q420D 材料相应工况许用应力262 MPa 和356 MPa，其强度均不能满足要求。

图4 按TB/T 3550.2—2019规定载荷计算的车架应力

综上，在GB/T 25337—2018 规定的计算载荷下对该车架进行纵向拉伸和纵向压缩，其强度能满足要求。在TB/T 3550.2—2019 货车车体（单列编组总质量M≤6 000 t）计算载荷下对该车架进行纵向压缩，无论是工况①还是工况②车架最大应力均超过材料相应工况许用应力，其强度不能满足要求。

4 结论及建议

1）大型养路机械不仅需要装载固定专用设备，还须考虑其多种复杂的功能及整体布局要求。主车架多设计成上拱或无中梁等特殊结构形式，且车架的下平面高于车钩中心高度，不利于承受较大的纵向拉伸力和纵向压缩力。

2）根据大型养路机械的功能定位，车体强度设计和试验载荷等同于客车车体，纵向拉伸力取980 kN，纵向压缩力取1 180 kN。

3）根据GB/T 25337—2018 和TB/T 3550.2—2019规定的车体强度评定方法，分别对大型养路机械代表车型的车架强度进行了校核，其车架结构强度不能满足TB/T 3550.2—2019 规定的货车车体计算载荷要求。因此，大型养路机械与货车编组连挂运行时，不能编挂于列车中部，建议编挂于普通货物列车尾部。