500 m双层长钢轨运输车装载加固技术研究

唐湘华

1 总体方案概述

长钢轨运输列车用于无缝线路新线铺轨和既有线改造时长钢轨的运输工作。500 m双层长钢轨运输列车由铁路系统通用车辆N17平板车改制而成，每列车由2辆挡轨车、2辆锁紧车及34辆普通车组成。锁紧车位于列车中部第18号和第19号车上，上下层分开锁紧。其中，18号车上安装下层的6组锁紧装置，19号车上安装上层的6组锁紧装置。每辆车安装滚道3组，间隔铁1组。首车和尾车作为挡轨车，各安装钢轨挡架1组。锁紧装置及钢轨挡架与平板车车架焊接，其余各总成件与钢架用螺栓连接。

各平板车上的滚道和间隔铁分为上下两层，每层可装500 m长钢轨12根，一列500 m双层长钢轨运输列车的运输能力为双线6 km。每个平板车上设3组滚道，上滚道通过销子与钢支墩相联，上下滚道与底层架子成为一个整体，滚道总成见图1。

上滚道长2 626 mm，下滚道长2 220 mm，各安装滚轮12个。滚轮长150 mm，单排排列，相邻滚轮中心距185 mm。滚轮用外径70 mm、壁厚12 mm的热轧无缝钢管加工而成。为方便长钢轨拖拉，滚轮两端略细，呈锥形。为了加强上滚道的强度，滚道底部增加了一个箱形底梁。

钢轨锁紧装置由上压块、下压块、锁紧架及底架组成。锁紧架与底架用螺栓连接，然后再与平板车车架焊接。下压块置于锁紧架中，在运输过程中，上、下压块通过M30 T形螺栓压紧钢轨上下表面，利用其摩擦力锁紧钢轨，上层锁紧装置见图2。

钢轨沿垂直方向中性轴转动惯性较小，且长钢轨装车时相互之间存在间隙，因此在运输过程中容易产生横向摆动。

间隔铁主要由6个间隔块和1个直杆组成，间隔块焊接或用螺栓固定在直杆上，直杆可带动间隔块旋转。

为了安装和固定滚道等承轨装置，在平板车上各设置了三副钢架，钢架由100×48×5.3的槽钢焊接而成。为了不改变原来的N17平车、保证钢架在长轨车运行过程当中的横向和纵向移动，钢架四角分别用铁丝与平车固定，槽钢底部利用道钉固定在车面板上。

2 运输车装载加固装置的滚道强度校核

2.1 滚道强度校核

滚轮在钢轨运输和拖拉过程中，主要承受径向力，轴向力很小，即Fa=0。其承受的径向力按每节平板车辆全长13.91 m计，则每个滚轮承受的径向力 Fr=13.91×60×9.8/3=2 726.4 N。

1)轴承选型计算。

因滚轮主要承受径向力，故轴承可选用向心球轴承。

每个滚轮安装轴承2个，则每个轴承的当量动负荷为:

每个轴承的当量静负荷为:

拖轨速度 V=20 m/min=0.33 m/s，由公式 V=ω r=2πnr/60得轴承工作转速 n=90 r/min。其中，r为滚轮半径，r=35 mm。

轴承预期寿命 Lh10=10 000 h，由公式Lh10=16 670(C/P)ε/n得:

其中，ε为寿命指数，球轴承ε=3。

查手册，205轴承额定动负荷Cr=10.8 kN＞C=7.73 kN，额定静负荷 C0=6.95 kN＞P0=1 363.2 N，满足载荷要求，因此滚轮选用205向心球轴承。

2)滚轮轴强度校核。

滚轮轴主要承受剪切力，其剪切力:

所以滚轮轴强度满足要求。

3)滚轮强度校核。

滚轮主要承受剪切力，其剪切力:

所以滚轮强度满足要求。

2.2 锁紧的强度校核

1)紧固销子强度校核。

首先确定车辆在下坡、半紧急制动情况下的加速度。

假定轨道坡度 20‰，机车以60 km/h(60 km/h≈16.7 m/s)的速度，在500 m范围内减小到零。

根据牛顿第二定律算出在制动时上层钢轨产生的惯性力:

钢轨在坡道上的下滑力:

合力为:F=F1+F2=108 000 N。

由以上计算可知，坡道的影响远小于惯性的影响，故考虑纵向力时可以只考虑惯性力。

6个锁紧架与底架由12个φ 80的销子连接，现校验销子的强度。

设纵向合力F由12个销子承担。

剪切强度校核:Q=P。

由于剪切应力远小于剪切强度，考虑传力的不均匀系数，销子的安全系数仍然足够大。

2)锁紧T形螺栓强度验算。

a.T形螺栓预紧力计算。

双层运输车最大行车速度 V=80 km/h=22.2 m/s，允许最小制动距离取S=800 m，每6个T形螺栓锁定两根500m长的钢轨。

由 S=Vt/2得:t=72 s。

则减速度 a=V/t=22.2/72=0.31 m/s2。

500 m长钢轨重m=30 321.5 kg，则长钢轨在制动过程中的惯性力:

T形螺栓所需预紧力:

其中，μs为结合面摩擦系数，取 μs=0.15;m为结合面数目，取 m=2;z为螺栓数目，z=1;Kf为可靠系数，取 Kf=1.2。

则F′=(1.2×3×2×9 399.67/6)/(4×0.15×2×1)=9 399.67 N。

[σ]=σs/[S]s=240/2=120 MPa，其中，[S]s为安全系数 ，取为2。

M30 T形螺栓应力为:

所以M30 T形螺栓强度满足要求。

b.拧紧力矩计算。

其中，Kt=0.2;n为锁定安全系数，取为 2。

则 T=0.2×9 399.67×0.03×2=112.8 N◦m。

T形螺栓拧紧时必须采用扭力扳手，以便保证运行安全。

3 结语

滚道总成承受钢轨的重力，通过强度计算，其承载强度完全满足要求。上层钢轨锁紧装置的可靠性主要依靠两侧的钢支墩、锁紧销以及锁紧T形螺栓。通过计算，锁紧销与锁紧T形螺栓等结构件的强度以及锁紧可靠性完全满足要求。通过以上分析，500 m双层长钢轨运输车装载加固方案是一个基本可行的方案，该双层运输列车完全可以满足500 m长钢轨的运输施工要求。