錢(qián)潤(rùn)華，王 橋，付 磊，陶 治

(陸軍裝甲兵學(xué)院車(chē)輛工程系，北京 100072)

目前，我軍履帶式裝備中長(zhǎng)距離運(yùn)輸主要是通過(guò)鐵路平車(chē)來(lái)完成，履帶式裝備的裝載加固作業(yè)是保證裝備安全運(yùn)輸?shù)闹匾ぷ?，只有做到裝備的裝載安全和加固可靠，才能保證裝備安全運(yùn)輸?shù)侥康牡兀匝芯垦b備的裝載加固對(duì)保證裝備鐵路輸送安全快捷具有重要意義。

1 裝備裝載穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算

鐵路輸送過(guò)程中，裝備是否會(huì)產(chǎn)生位移，可通過(guò)計(jì)算裝備穩(wěn)定性系數(shù)來(lái)判斷，由于履帶式裝備在平車(chē)地板上發(fā)生滾動(dòng)的可能性很小，故只需分析裝備的傾覆穩(wěn)定性和水平移動(dòng)穩(wěn)定性。

1.1 裝備水平移動(dòng)穩(wěn)定性

當(dāng)裝備縱向慣性力大于縱向摩擦力時(shí)，裝備會(huì)發(fā)生縱向水平移動(dòng)，而當(dāng)縱向移動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)大于1時(shí)，裝備不加固也不會(huì)發(fā)生縱向水平移動(dòng)，縱向移動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)可按式(1)計(jì)算[1]。

(1)

其中

F縱摩=9.8μQ.

(2)

(3)

式中：F縱摩為裝備縱向摩擦力，kN；T為縱向慣性力，kN；Q為裝備的重量，t；Q總為重車(chē)總重，t；μ為摩擦系數(shù)。

當(dāng)裝備橫向力和風(fēng)力之和大于橫向摩擦力時(shí)，裝備會(huì)產(chǎn)生橫向水平移動(dòng)，為確保裝備運(yùn)行安全，考慮橫向加固時(shí)，將橫向力和風(fēng)力之和加大了25%，以增加橫向的加固強(qiáng)度。裝備橫向水平移動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)按式(4)計(jì)算。

(4)

其中

F橫摩=μ(9.8Q-Qc).

(5)

(6)

(7)

式中：F橫摩為橫向摩擦力，kN；N為橫向慣性力，kN；W為橫向風(fēng)力，kN；Qc為垂直慣性力，kN；Δx為裝備重心縱向偏移量，mm；l為貨車(chē)轉(zhuǎn)向架中心距，mm。

縱向摩擦力大于縱向慣性力，并且橫向摩擦力大于橫向慣性力與風(fēng)力之和的1.25倍，裝備不會(huì)發(fā)生水平移動(dòng)。否則，應(yīng)采取加固措施防止水平移動(dòng)。

1.2 裝備傾覆穩(wěn)定性

為保證裝備在鐵路輸送中有足夠的傾覆穩(wěn)定性，選擇裝備重心距履帶接地兩端中較短的一端作為裝備傾覆點(diǎn)，進(jìn)行裝備傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。裝備縱向傾覆穩(wěn)定系數(shù)按式(8)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)裝備縱向傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于1.25時(shí)，需要對(duì)裝備采取加固措施。

(8)

式中：η縱傾為裝備縱向傾覆穩(wěn)定系數(shù)；h為裝備重心距傾覆點(diǎn)的高度，mm；a為裝備重心與傾覆點(diǎn)的縱向距離，mm。

圖1 縱向傾覆示意圖

裝備橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)反映了裝備裝載后鐵路輸送過(guò)程中橫向穩(wěn)定性情況。根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》(以下簡(jiǎn)稱《加規(guī)》)按式(9)計(jì)算，當(dāng)裝備橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于1.25時(shí)需要采取加固措施。

(9)

式中：η橫傾為裝備橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)；b為裝備重心與傾覆點(diǎn)的橫向距離，mm；hw為橫風(fēng)合力作用點(diǎn)距傾覆點(diǎn)的高度，mm。

圖2 橫向傾覆示意圖

2 裝載偏移的影響

貨車(chē)在運(yùn)行中，作用于貨物的力的著力點(diǎn)均在裝備的重心處，因此，在分析貨物穩(wěn)定性時(shí)，都與貨物本身的重心位置以及它對(duì)于車(chē)輛縱向、橫向的位置有關(guān)。

2.1 橫向偏移

為保證列車(chē)運(yùn)行安全，現(xiàn)行《加規(guī)》規(guī)定貨物重心在車(chē)輛上橫向容許偏移量不超過(guò)100 mm，此規(guī)定沒(méi)有考慮貨物重量的影響，還不夠準(zhǔn)確合理[2]。由于車(chē)輛K6轉(zhuǎn)向架的下心盤(pán)的直徑為375 mm，如果重車(chē)重心(即平車(chē)車(chē)體和履帶式裝備的總重心)橫向位移不超過(guò)100 mm，重心的垂直投影依然在下心盤(pán)的范圍內(nèi)，是可以保證裝備與平車(chē)在運(yùn)行中保持穩(wěn)定的。即重車(chē)重心在車(chē)輛橫向偏移量不超過(guò)100 mm時(shí)，不影響運(yùn)行安全[3]。

裝備重心在車(chē)輛橫向偏移的容許距離可根據(jù)裝備重量、裝備自身偏心位置和平車(chē)的車(chē)體重量等參數(shù)來(lái)確定，再根據(jù)力矩原理，可計(jì)算出裝備重心在車(chē)輛橫向偏移容許距離。

b重車(chē)(Q貨Q車(chē)體)=Q貨b貨+Q車(chē)體b車(chē)體.

(10)

由于b重車(chē)不大于100 mm，取最大值b重車(chē)=100mm，b車(chē)體=0，代入式得：

(11)

其中

Q車(chē)體=Q車(chē)-2Q轉(zhuǎn).

(12)

式中：b容為裝備重心在車(chē)輛橫向偏移容許距離，mm；Q車(chē)體為貨車(chē)車(chē)體重量，t；Q車(chē)為貨車(chē)自重，t；Q轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)向架重量，t。

2.2 縱向偏移

由慣性力計(jì)算公式知，裝備重心的縱向裝載偏移會(huì)影響橫向、垂直慣性力的大小，從而對(duì)裝備的裝載穩(wěn)定性造成影響。

裝備重心在車(chē)輛縱向偏移的容許距離應(yīng)保證平車(chē)單個(gè)轉(zhuǎn)向架承受的裝備重量不超過(guò)平車(chē)容許載重的一半，兩轉(zhuǎn)向架承重之差不能超過(guò)10t[4]。據(jù)《加規(guī)》規(guī)定的貨物總重心在車(chē)輛縱向偏移的容許距離的計(jì)算方法如下：

當(dāng)Q容-Q<10t時(shí)：

(13)

當(dāng)Q容-Q≥10t時(shí)：

(14)

式中：a容為裝備重心偏離車(chē)輛橫中心線的容許距離，mm；Q容為車(chē)輛的容許載重量，t。

3 傾覆穩(wěn)定距的計(jì)算

以NX70新型平車(chē)裝載多種型號(hào)履帶式裝備為例，分析各型裝備的裝載穩(wěn)定性。NX70平車(chē)的轉(zhuǎn)向架中心距為10920 mm，自重為23.8 t，地板寬度Kd為2.96 m，采用的K6轉(zhuǎn)向架重量為4.8 t[5]。履帶式裝備相關(guān)參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 履帶式裝備相關(guān)參數(shù)

由表1知，裝備履帶接地長(zhǎng)均小于平車(chē)地板長(zhǎng)度，故裝備縱向裝載偏移對(duì)裝備重心至縱向傾覆點(diǎn)距離a沒(méi)有影響，不會(huì)影響裝備縱向傾覆穩(wěn)定性；而裝備兩履帶外邊距均大于2.96 m的平車(chē)地板寬度，所以，裝備的橫向傾覆點(diǎn)位于車(chē)底板邊緣，故裝備橫向裝載偏移對(duì)裝備重心至橫向傾覆點(diǎn)距離b有影響，因而會(huì)影響裝備橫向傾覆穩(wěn)定性。

3.1 橫向傾覆穩(wěn)定距

根據(jù)平車(chē)與裝備相關(guān)參數(shù)，通過(guò)式(11)(計(jì)算出裝備重心在車(chē)輛橫向容許最大偏移量bmax，再根據(jù)裝備自身重心橫向偏移量Py計(jì)算出裝備車(chē)體縱向中心線與車(chē)地板縱向中心線的最大偏移量pmax，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 裝備重心在車(chē)輛的橫向偏移量

假定裝載后裝備車(chē)體縱向中心線和平車(chē)縱向中心線的偏移量為p，為保證分析可靠，均以裝備裝載偏移方向與裝備偏心方向一致計(jì)算裝備重心所在縱向豎直平面至傾覆點(diǎn)之間距離b，則計(jì)算公式為：

(15)

3.2 縱向傾覆穩(wěn)定距

根據(jù)重心到車(chē)體主動(dòng)輪中心的距離、主動(dòng)輪中心距其最近負(fù)重輪中心的橫向豎直面距離及裝備履帶接地長(zhǎng)，計(jì)算出裝備重心在車(chē)地板的投影到履帶接地前后端的距離，為保證分析結(jié)果安全可靠，取數(shù)值小者作為a代入計(jì)算裝備縱向傾覆穩(wěn)定系數(shù)，即：

a=min(Loh,Loq)=min(Loh,Lc-Loh) min(Lz-Lzf,Lc-Lz+Lzf).

(16)

式中：Loh為裝備重心在車(chē)地板的投影到履帶接地后端的距離，mm；Loq為裝備重心到在車(chē)地板的投影履帶接地前端的距離，mm；Lc為裝備履帶接地長(zhǎng)，mm；Lz為裝備主動(dòng)輪中心到重心的距離，mm；Lzf為主動(dòng)輪中心距其最近負(fù)重輪中心的橫向豎直面距離，mm。

計(jì)算裝備縱向穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，應(yīng)首先算出裝備重心所在橫向豎直平面至傾覆點(diǎn)之間距離a，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 裝備重心與履帶接地前后端的縱向距離

4 裝載穩(wěn)定性分析

由式(1)和式(8)知，裝備縱向裝載穩(wěn)定性不受裝備裝載偏移量的影響，可直接根據(jù)平車(chē)和裝備參數(shù)計(jì)算出縱向傾覆、移動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)，從而對(duì)裝備穩(wěn)定性進(jìn)行判斷；由式(4)～式(7)知，裝備橫向移動(dòng)穩(wěn)定性受裝備質(zhì)心偏移車(chē)輛橫向中心線距離Δx的影響；由式(9)知，裝備橫向傾覆穩(wěn)定性受裝備質(zhì)心偏移車(chē)輛橫向、縱向中心線距離的綜合影響。

4.1 橫向穩(wěn)定性分析

下面以NX70型平車(chē)裝載履帶式裝備為例進(jìn)行詳細(xì)分析，分析各型裝備不同裝載偏移量對(duì)橫向移動(dòng)穩(wěn)定性的影響。

通過(guò)式(14)可以計(jì)算出裝備質(zhì)心縱向容許最大偏移量，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 裝備質(zhì)心縱向容許最大偏移量(mm)

由于履帶裝備鐵路運(yùn)輸時(shí)，平車(chē)均只裝載1臺(tái)裝備且裝備質(zhì)心縱向偏移量一般不會(huì)超過(guò)1000 mm，取自變量裝備質(zhì)心縱向偏移距離范圍在0～990 mm，繪制出裝備橫向移動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)與質(zhì)心縱向偏移距離關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 裝備橫向移動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)

由圖3可知：裝備橫向移動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)與質(zhì)心縱向偏移距離呈線性關(guān)系，質(zhì)心縱向偏移距離越大，裝備橫向移動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)越小，裝備橫向移動(dòng)穩(wěn)定性也就越差；橫向移動(dòng)穩(wěn)定性還與裝備質(zhì)量有關(guān)，裝備質(zhì)量越大，裝備橫向移動(dòng)穩(wěn)定性越好。

再以NX70型平車(chē)裝載C型裝備為例分析各型裝備不同裝載偏移量對(duì)橫向移動(dòng)穩(wěn)定性的影響。

圖4 橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)平面圖

從圖4中可以看出，橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)在3.9～4.5范圍內(nèi)，均遠(yuǎn)大于判定值1.25，說(shuō)明裝備橫向傾覆穩(wěn)定性很好。裝備橫向傾覆穩(wěn)定性隨著裝載偏移量增大而逐漸變差，但仍滿足裝備橫向傾覆穩(wěn)定性要求，不需對(duì)裝備采取加固措施。經(jīng)計(jì)算其余裝備橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)亦遠(yuǎn)大于1.25，履帶式裝備橫向傾覆穩(wěn)定性較好，不進(jìn)行加固仍然滿足橫向傾覆穩(wěn)定性要求。

4.2 縱向穩(wěn)定性分析

由于裝備縱向穩(wěn)定性不受裝載偏移量的影響，可通過(guò)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式直接進(jìn)行計(jì)算，使用與不使用不超限裝置對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 裝備縱向穩(wěn)定系數(shù)

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，履帶式裝備縱向裝載穩(wěn)定性較差，需對(duì)裝備采取相應(yīng)加固措施，以防止裝備發(fā)生相對(duì)位移。

5 結(jié)論

對(duì)履帶式裝備進(jìn)行裝載穩(wěn)定性分析有利于指導(dǎo)裝載加固方案的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)，能更好地保證裝備的裝載安全與加固可靠，使裝備在鐵路運(yùn)輸過(guò)程中不發(fā)生相對(duì)于平車(chē)地板的位移。

1) 履帶式裝備在平車(chē)上裝載時(shí)橫向穩(wěn)定性較好，而縱向穩(wěn)定性較差，需采取加固措施防止發(fā)生縱向位移；

2) 履帶式裝備的裝載偏移對(duì)裝備裝載穩(wěn)定性有重要影響，應(yīng)合理控制裝載偏移量。