标准轨距铁路车辆限界规内轮廓设计

赵华瑞 邱 勋 于岳群 尹 明

（1.中车株洲车辆有限公司，湖南 株洲 412003；2.中国铁路广州局集团有限公司株洲车辆监造项目部，湖南 株洲 412003）

铁路限界是铁路安全行车的基本保障之一，限界规作为检验车辆外形尺寸要求是否满足相关限界标准的重要试验工装，其轮廓尺寸的设计合理性直接关系到车辆的可靠性和运行安全。限界规尺寸设计须考虑的因素较多，在实际生产中，部分造修企业未根据不同车型针对性地调整限界规的内轮廓尺寸，从而无法发挥限界规的重要作用，出厂车辆运行安全性存在隐患。该文针对几种不同类型转向架的通用车辆限界规内轮廓进行深入研究，旨在理清车辆限界规设计的总体思路，分析各部位限界规内轮廓尺寸计算应考虑的因素，提出具体的计算方案，为标准轨距铁路车辆限界规设计提供参考。

1 总体设计思路

总体设计思路如下：1）车辆限界分为上部限界和下部限界，其中距轨面高350mm以上部分为上部限界，距轨面高350mm及以下部分为下部限界。机车车辆水平尺寸以车辆限界中心线为基准计算，垂直尺寸以轨面为基准计算。2）车辆限界规内轮廓尺寸设计包括宽度方向尺寸和高度方向尺寸，应考虑：无论是空车或是重车，是具有最大标准公差的新车或是具有最大标准公差和磨耗限度的旧车，停放在水平直线上，无侧向倾斜与偏移，均应容纳在机车车辆限界之内。3）国内铁路车辆限界规主要根据GB 146.1—2020《标准轨距铁路限界 第一部分：机车车辆限界》、GB/T 16904.1—2006《标准轨距铁路机车车辆限界检查 第1部分：检查方法》和GB/T 16904.2—2006《标准轨距铁路机车车辆限界检查 第2部分：限界规》的相关规定进行设计。设计时，应结合车辆的技术特点和试验条件，先确定具体车型限界基本轮廓，再通过宽度缩减量、高度抬高量的计算来确定限界规内轮廓尺寸。

2 车辆限界基本轮廓的确定

车辆上部限界基本轮廓采用GB 146.1—2020中车限-1A。

车辆下部限界基本轮廓则应根据转向架类型、运用环境要求等不同情况分别选用：通过驼峰车辆减速器（顶）（制动或工作位置）的铁路货车（如通用车辆）下部限界轮廓选用GB 146.1—2020中车限-2，无须通过驼峰车辆减速器的铁路货车（如特种车辆）下部限界轮廓选用GB 146.1—2020中车限-1B。同时根据承载方式的不同，将下部限界按转向架弹簧承载部分、转向架非弹簧承载部分和车体弹簧承载部分进行尺寸选择和抬高量计算。

通过驼峰车辆减速器、装用常规三大件式转向架的车辆下部限界轮廓如图1所示，须按转向架非弹簧承载部分（图1中区域A）和车体弹簧承载部分（图1中区域B）两大区域选择下部限界基本轮廓尺寸。

图1 下部限界轮廓图（通过驼峰车辆减速器常规三大件式转向架的车辆）

通过驼峰车辆减速器、装用常规构架式转向架的车辆下部限界轮廓如图2所示，须按转向架弹簧承载部分（图2中区域A）、转向架非弹簧承载部分（图2中区域B）和车体弹簧承载部分（图2中区域C）三大区域选择下部限界基本轮廓尺寸。

图2 下部限界轮廓图（通过驼峰车辆减速器常规构架式转向架的车辆）（单位：mm）

无须通过驼峰车辆减速器的车辆下部限界轮廓如图3所示，须按转向架弹簧承载部分（图3中区域A）、转向架非弹簧承载部分（图3中区域B）和车体弹簧承载部分（图3中区域C）3个区域选择下部限界基本轮廓尺寸。

图3 下部限界轮廓图（无须通过驼峰车辆减速器的车辆）

3 限界规尺寸设计要求

3.1 上部规横向尺寸设计要求

机车车辆停放在水平直线上时车辆任何部分应容纳在机车车辆限界之内。但是车辆在曲线上将产生偏移量，为了保证建限与车限之间仍有足够的安全行车所需的空间，规定在曲线上自线路中心至建限两侧轮廓线之间的距离将根据曲线半径R及超高h分别予以扩大，但车辆两端及中部的偏移量不仅与线路的曲率半径R有关，还和车辆本身的几何尺寸有关，因此当车辆几何尺寸偏大时，若不采取削减车宽的措施，仍然不能保障安全行车所需的空间。在确定车辆最大容许制造宽度时，为了方便计算，引入了“计算车辆”与“计算曲线”。

解放前修建的准轨路网历史背景十分复杂，不同地区、不同时期存在着不同的限界标准，由于地形复杂、经济效益等多种原因部分旧有线路并未按新标准加以改造，因此这些陈旧线路是不符合GB 146.2-2020中建限的相关尺寸要求，要通行全国准轨路网的车辆必然在尺寸上受到更多的制约。对于进入不符合GB 146.2-2020的标准轨距铁路线路运行的车辆，计算车辆的车体长度为13.22m，转向架中心距为9.35m，最大容许宽度为3400mm，其在曲线半径为300m的计算曲线上，中部最大偏移量为36mm，距轨面高350mm～1250mm内的车体宽度限界半宽应采用1600mm；或者依据线路实际的最小限界尺寸和曲线加宽量等确定车体最大制造宽度和限界规的内横向尺寸。

因此，在进行上部规内横向尺寸设计时，应计入计算车辆的最大允许制造宽度和缩减量、车辆横向间隙和水平方向的最大磨耗量、限界轨本身的调测误差。1）当车体长度不大于计算车辆时其车体最大容许宽度不需缩减，限界规尺寸也不缩减。几种符合此特征的常用车型上部限界规距轨面高1250mm～3600mm部分的横向宽度计算示例见表1。

上部规距轨面某一高度处的宽度如公式（1）所示。

式中：C为限界规半宽的实际缩减量；Z为限界规半宽间隙常量，上部规为13 mm，下部规为5 mm。

2）当车体长度大于计算车辆时，先算出其理论缩减量，然后根据公式换算为实际缩减量。并取中部和端部半宽的实际缩减量最大值作为限界规半宽的实际缩减量C，从而按照公式（1）算出上部规距轨面某一高度处的宽度。特种车辆参照该方法执行。几种符合该特征的常用车型上部限界规距轨面高1250mm～3600mm部分的横向宽度计算示例见表2。

表1 限界规宽度计算示例（宽度不需缩减型）

机车车辆中部最大偏移量如公式（2）所示。

机车车辆端部最大偏移量如公式（3）所示。

式中：L为车体长度；l为转向架中心距；S为转向架轴距；R为计算曲线半径，取R=300m。

机车车辆中部最大容许宽度缩减量如公式（4）所示。

机车车辆端部最大容许宽度缩减量如公式（5）所示。

式中：D为计算车辆中部最大偏移量；D为计算车辆端部最大偏移量。

机车车辆距轨面某一高度处最大容许宽度如公式（6）所示。

式中：B为机车车辆限界在同一高度处最大半宽；C为以上计算的最大容许宽度缩减量C和C之一的数值（如果计算出来的结果是负数，那就取值为0）。

机车车辆中部半宽的实际缩减量如公式（7）所示。

机车车辆端部半宽的实际缩减量如公式（8）所示。

式中：A为中部实际和理论缩减量的比例系数，取A=0.4747；A为端部实际和理论缩减量的比例系数，取A=0.4234。

3.2 下部规垂向尺寸设计要求

型式试验车辆，其上部限界检查应在空车状态下进行，下部限界检查应在重车或全整备状态下进行，侧向限界间隙检查应在空车、重车（或全整备）两种状态下进行。重车检查时应计入零部件垂直方向的磨耗限值。

例行试验车辆，其上部限界检查应在空车状态下进行，其下部限界检查和侧向间隙检查可做简化检查，即在空车状态下进行下部限界检查，但应计入重车状态下车辆的弹簧压缩量、车体因载重引起的变形量以及零部件垂直方向的磨耗限值。

以K5型转向架、K6型转向架（常规三大件式转向架）、K3型转向架（常规构架式转向架）为例，对下部限界规高度计算，相关技术参数见表3。1）装用常规三大件式转向架的车辆（如K5、K6型转向架）在空车状态下限界试验时，转向架非弹簧承载部分重车状态应考虑车轮磨耗限值、承载鞍顶部磨耗限值 、承载鞍鞍面磨耗限值、导框摇动座弧面磨耗和轴箱橡胶垫压缩量等。通过计算，K5转向架车轮内侧非弹簧承载部分抬高量为33.1mm，车轮外侧非弹簧承载部分抬高量为31.5mm。车体弹簧承载部分重车状态应考虑空车状态至重车状态弹簧压缩量、车轮磨耗限值、旁承压缩量、上下心盘磨耗限值、承载鞍顶部磨耗限值、承载鞍鞍面磨耗限值、导框摇动座弧面磨耗限值和轴箱橡胶垫压缩量等。通过计算，K5转向架弹簧承载部分抬高量为95.3mm。因此，结合限界尺寸选择和抬高量，装用K5转向架车辆整车限界试验时，下部规内轮廓尺寸如图4所示。2）装用常规构架式转向架（如K3型转向架）的车辆在空车状态下限界试验时，转向架非弹簧承载部分重车状态应考虑车轮磨耗限值、轴箱鞍面磨耗限值和斜楔磨耗限值等。通过计算，K3转向架非弹簧承载部分抬高量为27.5mm。转向架弹簧承载部分应考虑车轮磨耗限值、空车状态至重车状态弹簧压缩量、轴箱鞍面磨耗限值和斜楔磨耗限值等。通过计算，转向架的弹簧承载部分抬高量为41.7mm。车体弹簧承载部分应考虑空车状态至重车状态弹簧压缩量、车轮磨耗限值、心盘磨耗限值、轴箱鞍面磨耗限值和斜楔磨耗限值等。通过计算， K3转向架车体弹簧承载部分抬高量为48.7mm。因此，结合限界尺寸选择和抬高量，装用K3型转向架的车辆整车限界试验时，下部规内轮廓尺寸如图5所示。3）单个转向架进行下部限界试验检验时，由于常规三大件式转向架无弹簧承载部分，下部规高度与整车限界试验时高度尺寸相同。而常规构架式转向架的下部规，在进行转向架弹簧承载部分高度尺寸设计时，弹簧压缩量应考虑自由状态至重车状态的压缩量，转向架非弹簧承载部分与整车限界试验下部规高度尺寸相同。

表2 限界规宽度计算示例（宽度缩减型）

表3 限界规高度计算用技术参数（单位：mm）

4 结论

通过上述研究可以看出，车辆类型（包括转向架类型）、运用环境等因素不同，限界规内轮廓尺寸也会不同。在车辆上部限界规的内轮廓设计时，横向尺寸应计入计算车辆的最大允许制造宽度和缩减量、车辆横向间隙和水平方向的最大磨耗量、限界轨本身的调测误差等因素，并根据车辆长度（与计算车辆对比）计算宽度缩减量。车辆下部限界规的内轮廓设计时，垂向尺寸应考虑各水平位置易耗零部件磨耗极限值、空车状态至重车状态弹簧压缩量等因素计算合理抬高量。在限界试验前，对限界规的轮廓尺寸进行核算是保证车辆可靠性和限界规合理性的关键步骤。同时限界规的标准化，是值得车辆造修企业深入研究的课题。

图4 整车试验下部规轮廓图（装用K5转向架车辆）

图5 整车试验下部规轮廓图（装用K3转向架车辆）