普通平车运输100m长钢轨的车辆承重仿真研究

杨广全，马玉坤

(中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081）

运输 100 m 长钢轨可采用 T11 专用车运输方案，但由于 T11 专用车资源有限，运输成本较高，难以满足我国高速铁路和客运专线建设需要，因此改用来源广泛的普通平车运输。普通平车运输 100 m 长钢轨方案采用跨装运输技术，钢轨通过座架装载，均衡、稳定和合理地分布在货车上，使车辆不超载、不偏载、不偏重和不集重。

为了保证铁路运输安全，依据《铁路货物装载加固规则》，铁路货车应满足：①车辆载重不得超过其容许载重量；②车辆转向架承重不得超过车辆容许载重量的 1 / 2 ；③车辆 2 个转向架的承重差不得大于 10 t；④车辆最大偏载量不得超过 100 mm 。在这样的条件下，通过运用大型有限元分析软件 ANSYS ，建立考虑车辆中央悬挂和相邻车辆高差的车辆承重有限元仿真模型，计算典型工况下车辆载重、车辆转向架承重和车辆转向架承重差，确定车辆的编组顺序和钢轨座架的安装位置，从而加强安全风险控制，保证运输安全。

1 普通平车运输 100 m 长钢轨的装载方案设计

1.1 连挂车辆的选择原则

我国铁路普通平车主要有换长 1.3 和 1.5。在选择连挂车辆时，应遵循尽量选择相同长度的普通平车的原则。

1.2 座架的结构

100 m 长钢轨通过座架装载加固，座架的结构特点为：座架中部支座与车辆纵中心线重合；长钢轨沿座架中部支座两侧对称装载，保证车辆不偏载；座架分为 4 层，层与层之间互不影响；隔梁上挡铁限制钢轨横向位移；锁定座架每层通过紧固装置锁定钢轨，防止钢轨纵向窜动。钢轨的重量通过座架隔梁，经中部支座、方侧柱和圆侧柱传递到车地板上，如图1 所示。

图1 钢轨装载示意图

1.3 座架的布置

为使车辆不偏重、不集重，在布置座架时，要求：①所布置的座架关于车组横中心线对称；②车组中部车辆上布置的 2 个座架关于该车横中心线对称[1-2]。中部车辆对称安装的 2 个座架如图2 所示，L0为中部车辆的转向架中心距，L1为中部车辆所布置的 2 个座架间的距离。

图2 中部车辆对称安装 2 个座架

在端车上布置 1 个座架还是 2 个座架，由钢轨在端车上的装载长度确定，如图3 所示，Ld为端车转向架中心距；当端车安装 1 个座架时，如图3(a)所示， a 和 b 分别为该座架与端车两边转向架中心的距离；当端车安装 2 个座架时，如图3(b)所示，a 和 b 分别为这 2 个座架与各自相邻转向架中心的距离。

图3 端车座架的位置

由本节的讨论可知，在确定车组车辆和编组顺序时，参数 a、b 和 L1决定了座架的安装位置。

2 普通平车运输 100 m 长钢轨装载加固方案

以采用换长为 1.5 的普通平车运输 100 m 长钢轨装载加固方案[3]为例进行车辆承重仿真计算。该方案采用 7 辆换长为 1.5 的普通平车为 1 个车组，跨装运输 50 根 100 m 长钢轨，第 1 车和第 7 车各放置 1 个端车座架，摆放位置如图4 所示。第 2、5、6 车每车放置 2 个普通座架，摆放位置如图5 所示。第 3 车和第 4 车每车放置 2 个锁定座架，摆放位置如图6 所示。

图4 第 1 车和第 7 车座架摆放位置示意图

图5 第 2、5 和 6 车座架摆放位置示意图

图6 第 3 车和第 4 车座架摆放位置示意图

3 车辆承重有限元仿真模型

运用有限元分析软件 ANSYS 建立钢轨车辆承重有限元模型，以确定车辆承重满足《铁路货物装载加固规则》的座架位置参数 a、b 和 L1，其中车辆中央悬挂采用 COMBIN14 单元模拟，车体由 MPC184 单元模拟，座架和相邻车辆高差由 COMBIN40 单元模拟，钢轨由 BEAM3 单元模拟。建立模型时，假定：①车体为刚体；②所有车辆中央悬挂弹簧刚度相等；③座架为刚体。

换长为 1.5 的普通平车运输 100 m 长钢轨装载加固方案的车辆承重有限元仿真模型如图7 所示，相邻车辆高差由 gapi(i=1，2，…，12)控制。其中，COMBIN14 单元为弹簧—阻尼单元，由 2 个节点、 1 个弹簧常数和阻尼系数 C1组成，轴向的弹簧—阻尼器选项是一维的拉伸或压缩单元。车辆中央悬挂采用 COMBIN14 单元模拟，考虑车辆承重计算为静力计算，建模时去除阻尼特性，将阻尼系数 C1设为 0，COMBIN14 单元简化为弹簧。

MPC184 单元是采用拉格朗日乘子技术实现运动约束的多点约束单元，可用来模拟 2 个变形体或刚体之间的刚性约束，用于传递力或力矩。考虑到车体近似为刚体，采用 MPC184 的刚性梁单元模拟，在受力时不发生弹性变形。由于 MPC184 单元使用拉格朗日乘子法实现，因此能够输出约束反力和力矩。

COMBIN40 单元是相互平行的弹簧滑动器和阻尼器的联合，并且串联 1 个间隙控制器。该单元由 2 个节点 I 和 J、2 个弹簧常数 k1和 k2、1 个阻尼系数 C2、质量 M(或 M / 2)、1个间隙 gap 和 1 个界限滑移力 FL 组成，如图8 所示。钢轨座架及相邻车辆高差采用 COMBIN40 组合单元模拟，由 COMBIN40 的间隙控制功能控制相邻车辆高差，建模时去除阻尼器、界限滑移力、弹簧常数 k2和质量M，即：C2= 0，FL = 0，k2= 0，M = 0。 COMBIN40 单元简化后如图9 所示。

图7 换长为 1.5 的普通平车运输 100 m 长钢轨装载加固方案车辆承重仿真模型

图8 COMBIN40 单元示意图

图9 COMBIN40 单元简化示意图

BEAM3 单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元，单元由 2 个节点、横截面面积、横截面惯性矩、截面高度及材料属性定义，可模拟各种平面刚架、多跨连续梁等平面结构。 100 m 长钢轨的装载形式为超静定连续梁结构，采用 BEAM3 梁单元模拟。

4 仿真计算

换长为 1.5 的普通平车运输 100 m 长钢轨装载加固方案共使用 12 个座架，其中端车布置 1 个座架，中部车辆布置 2 个座架，确定的座架位置的最优控制参数分别为：a = 7.039 m，b = 3.881 m，L1= 6.059 m。车辆尺寸参数为 Ld= L0= 10.92 m，车辆中央悬挂 ke= 5.77 × 106N·m-1，钢轨参数为 q = 588 N·m-1，E = 2.06 × 1011Pa 和 I = 3.219 × 10-5m4，座架刚度 k1= 1012N·m-1。

表1 至表3 为 3 种典型工况下座架承重和车辆承重，这 3 种工况分别为：①车辆等高、无纵向偏移，即 gapi= 0，i = 1，2，…，12；②第 3 车比相邻车辆高 15 mm、钢轨沿纵向向后偏移 500 mm，即 gap4= gap5= －15mm ，其余 gapi= 0；③第 1 车比相邻车高 15 mm 、钢轨沿纵向向前偏移 500 mm ，即 gap1= 15 mm，其余 gapi= 0。

表1 车辆等高、无纵向偏移时座架承重和车辆承重

表2 第 3 车高 15 mm、向后纵向偏移 500 mm 时座架承重和车辆承重

表3 第 1 车高 15 mm 、向前纵向偏移 500 mm 时座架承重和车辆承重

由表1至表3可知，座架承重最大值为 33.39 t，车辆承重最大值为 54.03 t，转向架承重最大值为 29.67 t，转向架承重差最大值为 9.30 t，满足《铁路货物装载加固规则》技术要求。

100 m 长钢轨试验车组在沈阳南站通过超偏载仪对各车进行承重检测，检测数值如表4 所示。由表4 可知：车辆承重最大值为 55.30 t，转向架承重最大值为 27.67 t，转向架承重差最大值为 7.86 t，车辆偏载最大值为 29 mm，满足《铁路货物装载加固规则》技术要求。

表4 100 m 长钢轨试验车组超偏载仪称重数据

5 结束语

通过仿真计算可知，普通平车运输 100 m 长钢轨车组的车辆各项承重指标满足《铁路货物装载加固规则》规定的技术要求，与该方案的实际承重试验结果相吻合，证明了所建立的车辆承重有限元仿真模型的合理性和正确性。该 100 m 长钢轨运输装载加固方案已经在全路推广应用。

[1]杨广全，张长青，昌月朝，等.长钢轨普通平车运输中横向力的计算 [C]//中国铁道科学研究院.中国铁道科学研究院 60 周年学术论文集.北京：中国铁道出版社，2010：473-477.

[2]石 磊，杨广全，张长青.普通平车运输 50 m 长道岔轨的装载方案研究 [J].铁道运输与经济，2011，33(2)：32-37.

[3]中国铁道科学研究院运输及经济研究所. 100 m 长钢轨换长 1.5 普通平车运输装载加固方案研究 [R].北京：中国铁道科学研究院，2009.