刘 飞，李善坡，刘 宁，李可佳

(中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081)

T型预应力混凝土梁[1-2]是我国铁路桥梁建设中最常用的关键部件，常见于速度160 km/h和200 km/h 的客货共线铁路桥梁。T型预应力混凝土梁属于超长、超限货物，常采用2辆及以上车辆跨装运输，其中混凝土梁转向架是跨装运输必备的装载加固装置[3]。 目前我国铁路建设需要的32.6 m长T型预应力混凝土梁重达148 t，既有混凝土梁转向架主要用于质量不大于130 t梁的运输[4-5]，不能满足运输需求。DL1型专用车组虽然可用于大于130 t梁的运输，但其按长大货车管理，运输成本较高。随着27 t轴重普通平车的研制成功，为开发大承载能力的普通平车混凝土梁转向架提供了条件，亟需研究设计基于27 t轴重的NX80型平车的新型混凝土梁转向架。

1 新型混凝土梁转向架设计

新型混凝土梁转向架的设计要充分利用NX80型平车载重能力，满足质量不大于148 t、长度不大于32.6 m的T型预应力混凝土梁运输。以速度为 200 km/h、跨度为32 m的客货共线T型梁中梁为例，全长32.6 m、重148 t，单个支点承重不低于74 t，需跨装运输。根据NX80型平车容许载质量可知，地板负重面长度为6 m时可达到满载，转向架跨距按照3 m设计，承重即可达到80 t，能够满足使用要求。跨装运输时，一般需2辆车负重，中间加挂1辆游车。受车组在运输过程中车钩缓冲器压缩量变化影响，跨装支距在运输过程为动态变化值，货物转向架需设计具有长圆孔的活心盘，长圆孔孔距长度不得小于300 mm。T型梁高2.7 m，边/中梁顶宽2.28 m/ 1.9 m，边/中梁垂向重心高1 561 mm/1 530 mm，下缘宽度0.88 m，在运输过程中有倾覆风险，需设计斜支撑及旁承以防止运输过程中梁的倾覆。

在满足上述要求的基础上，新型混凝土梁转向架的设计需结合既有桥梁转向架使用经验，在结构上进行加强和优化，使操作性更优。同时尽可能使用高性能材料，提高承载能力，减少一次性材料的使用，提高经济环保性。结合使用实际，需重点从以下几个方面进行优化升级。

（1）优化力传导径路，改善车辆受力。既有8149型混凝土梁转向架的旁承均安装在两横梁之间的车地板上，旁承的受力直接传递到跨距内的车地板上，对车辆的集重有一定的影响。新型混凝土梁转向架旁承直接搭架在横梁上，保留旁承功能性作用的同时将旁承的受力直接传递到横梁上，转向架跨距内的车地板上不再承受梁体的重量，有利于改善车体的集重。旁承与横梁连接示意图如图1所示。

图1 旁承与横梁连接示意图Fig.1 Connection diagram of side bearing and cross beam

（2）使用高性能材料，提高主要受力部件承载能力。对桥梁转向架各部件受拉、受压、受弯、受扭情况做全面分析，提高主要受力部件材料性能等级，诸如下架体、上架体上部支承板等，可采用性能更优的Q355材料。

（3）对局部结构进行加强，提高桥梁转向架整体寿命。在桥梁转向架结构中，运输过程中中心销轴对下架体上、下盖板销轴孔和上架体销轴孔不断挤压，受挤压部位容易发生变形，材料失效，影响转向架整体使用寿命。下架体上、下盖板销轴孔和上架体销轴孔部位均需进行加强。

（4）减少一次性加固材料使用，提高环保性。桥梁转向架在运梁时，需在上架体上加垫防滑垫木和橡胶垫，由于其一次性使用，既不经济又不环保，可通过将橡胶板采用螺钉紧定方式固定在上架体表面，既能降低转向架承载面高度，又能减少一次性加固材料的使用。

（5）采用可调式斜支撑，提高操作便利性。现有8149型混凝土梁转向架的斜支撑长度不可调整，不同高度的梁需要匹配不同规格斜支撑。通过将固定长度斜支撑改进为可调节式斜支撑，能适应不同高度T型梁，提高操作便利性。

基于上述设计和优化思路，新型混凝土梁转向架按照许用应力法进行了整体结构强度设计，同时要满足挠跨比不大于1/500的刚度要求，新型混凝土梁转向架结构示意图如图2所示，主要包括横梁、下架体、旁承、上架体、中心销和斜支撑，每副自重7.27 t (包括斜支撑)。单个转向架承重74 t，考虑10%的超载系数，单个转向架设计载重设为81.5 t，总设计载重163 t。

图2 新型混凝土梁转向架结构示意图Fig.2 Structural diagram of new concrete beam turning rack

2 新型混凝土梁转向架结构强度计算

根据《铁路货物装载加固规则》，运输过程中作用在货物上的惯性力计算如下。

纵向惯性力T的计算公式为

式中：t0为每吨货物的纵向惯性力，取值为5.88 kN/t；Q为设计最大承载能力，取值为163 t。

因此，T= 5.88×163 = 958.44 kN。

横向惯性力N的计算公式为

式中：n0为每吨货物的横向惯性力，取值为2.82 kN/t。

因此，N=n0×Q= 2.82×163 = 459.66 kN。

纵向惯性力Q垂的计算公式为

式中：q0为每吨货物的垂向惯性力，取值为3.54 kN/t。

因此，Q垂=q0×Q= 3.54×163 = 577.02 kN。

转向架所受到的力主要如下。①梁重：G= 9.8× 163 = 1 597.4 kN，每个转向架承受798.7 kN。②垂 向惯性力：货物的垂向惯性力直接传递到2个转向架上，每个转向架承受288.51 kN。③纵向惯性力：货物的纵向惯性力通过死心盘上架体传递到中心销，再由中心销传递到下架体，由单个转向架承受，大小为958.44 kN。④横向惯性力：货物的横向惯性力直接传递到2个转向架上，每个转向架承受 229.83 kN。

2.1 中心销剪切和挤压强度校核

中心销设计直径为100 mm，在纵向惯性力和横向惯性力的作用下，中心销所承受的纵向、横向剪应力和组合剪应力计算公式如下。

式中：τ纵为中心销所承受的纵向剪应力，MPa；r为中心销轴半径，取值为50 mm。

式中：τ横为中心销所承受的横向剪应力，MPa。

式中：τ组为中心销所承受的组合剪应力， MPa 。

中心销材料为45号钢，其许用应力[σ]为250 MPa，许用剪应力为[τ] = 0.6[σ] = 150 MPa，因而剪切强度满足要求。

在纵向惯性力和横向惯性力的作用下，中心销所承受纵向、横向和组合挤压应力计算公式如下。

式中：σbs纵为中心销所承受的纵向挤压应力，MPa；S为中心销与上、下架体中心销孔处最小接触面积，取值为2 600 mm2。

式中：σbs横为中心销所承受的横向挤压应力，MPa。

式中：σbs为中心销所承受的组合挤压应力，MPa。

中心销的许用挤压应力为[σbs] = 1.7[σ] = 425 MPa，因而挤压强度满足要求。

2.2 斜支撑强度和稳定性校核

考虑最危险工况：货物的横向惯性力、过曲线时外轨超高引起的重力分量和风力W同时起作用。这些力主要传递到一侧的斜支撑上，同时斜支撑调节到最大长度L= 2 520 mm，混凝土梁通过曲线装载示意图如图3所示。

图3 混凝土梁通过曲线装载示意图Fig.3 Loading diagram of concrete beam passing through curve

风力W的计算公式为

式中：q为侧向计算风压，取值为0.49 kN/m2；F为侧向迎风面的投影面积，取值为89.65 m2。

因此，W=q×F= 0.49×89.65 = 43.93 kN。

根据力矩平衡，斜支撑受到的最大压力P为

式中：h为梁体重心距梁底最大高度，取值为1 557 mm；α为最大倾角，取值为6°；H为梁体高度，取值为2 700 mm；B为梁体底面宽度，取值为880 mm；l偏为重心横向最大偏移，取值为22 mm；l为旋转支点S到斜支撑中心线的距离，取值为1 134 mm。

因此，性和强度满足要求。

2.3 支撑销剪切和挤压强度校核

支撑销剪切τ销的计算公式为

式中：T销为由斜支撑传递给支撑销的最大剪切力，取值为81.74 kN；r销为斜支撑与上架体连接的支撑销半径，取值为21 mm。

支撑销材料为45号钢，其许用应力[σ]为250 MPa，许用剪应力为[τ] = 0.6[σ] = 150 MPa，所以剪切强度满足要求。

在斜支撑作用下，支撑销承受挤压，挤压应力σbs销的计算公式为

式中：S销为支撑销承压面积，取值为1 680 mm2。

斜支撑最小截面处的压应力σ计算公式为

式中：D为斜支撑外直径，取值为95 mm；d为斜支撑内直径，取值为85 mm。

斜支撑的最小临界载荷Pcr的计算公式为

式中：E为材料弹性模量，取值为210 GPa；I为斜支撑的最小截面惯性矩，取值为1 435 764 mm4；L为斜支撑长度，取值为2 520 mm。

单根斜支撑可以承受的力为Pcr= 468.57 kN大于需要承载的力P= 81.74 kN，斜支撑最小截面处的压应力57.82 MPa小于许用应力160 MPa，斜支撑稳定

支撑销的许用挤压应力为[σbs销] = 1.7[σ] = 425 MPa，因而挤压强度满足要求。

3 新型混凝土梁转向架有限元分析

在有限元分析中，根据转向架实际使用情况，可按照以下工况进行加载。工况1：单独重力(梁)作用(垂向fy= 798.7 kN)。工况2：梁重力和垂向惯性力共同作用(fy= 1 087.21 kN)。

工况3：梁重力和纵向惯性力(fy= 798.7 kN，fz= 958.44 kN)。

工况4：梁重力和横向惯性力(fy= 798.7 kN，fx= 229.83 kN)。

3.1 上架体结构有限元分析

上架体采用有限元方法进行分析，节总数 31 547，单元总数17 727，上架体网格划分示意图如图4所示。工况1仿真结果如图5所示，工况2仿真结果如图6所示，工况3仿真结果如图7所示，工况4仿真结果如图8所示，上架体最大应力为161.9 MPa，发生在梁重力和纵向力共同作用下，下盖板材料为Q355，小于材料许用应力245 MPa，强度满足要求。

图4 上架体网格划分示意图Fig.4 Upper frame meshing

图5 工况1仿真结果Fig.5 Simulations of Case 1

图6 工况2仿真结果Fig.6 Simulations of Case 2

图7 工况3仿真结果Fig.7 Simulations of Case 3

图8 工况4仿真结果Fig.8 Simulations of Case 4

3.2 下架体结构有限元分析

下架体采用有限元方法进行分析，节总数 20 209，单元总数10 593，下架体网格划分示意图如图9所示。工况1仿真结果如图10所示，工况2仿真结果如图11所示，工况3仿真结果如图12所示，工况4仿真结果如图13所示，下架体最大应力为213.6 MPa，出现在上盖板加强板销轴孔周边，挠度最大为2.42 mm，下架体材料为Q355，最大应力小于材料许用应力245 MPa，强度、刚度均满足 要求[6-8]。

图9 下架体网格划分示意图Fig.9 Lower frame meshing

图10 工况1仿真结果Fig.10 Simulation results of Case 1

图11 工况2仿真结果Fig.11 Simulations of Case 2

图12 工况3仿真结果Fig.12 Simulations of Case 3

图13 工况4仿真结果Fig.13 Simulations of Case 4

4 新型混凝土梁转向架静载试验

对新型混凝土梁转向架进行了静载试验，下架体应力测点布置示意图如图14所示，静态检测测点布置位置如表1所示。采用液压逐级加载的方式，从70 t开始计数，以20 t为一个级别，逐步加载到110 t (单个转向架允许载重的1.4倍)。静载试验测点应力值如表2所示，静载试验测点挠度值如表3所示。

表1 静态检测测点布置位置Tab.1 Positions of static detection points

图14 下架体应力测点布置示意图Fig.14 Layout of stress measuring points of the lower frame

表2 静载试验测点应力值Tab.2 Stress values of measuring points in a static load test

表3 静载试验测点挠度值Tab.3 Deflection values of measuring points in a static load test

下架体加载质量达到110 t时，下架体4号测点应力最大，为73.6 MPa，下架体所用材料为Q345，许用应力为245 MPa，强度满足要求；在静载试验时，下架体加载质量达到110 t时，下架体位移测点处(4号测点)最大位移为3 mm，挠跨比约为 1/1 000，小于1/500，刚度满足要求。

5 结束语

基于27 t轴重平车的新型混凝土梁转向架能够充分利用车辆承载能力，适应普通货车轴重提升至27 t、 载重80 t的发展趋势，满足时速160 km和200 km客货共线桥梁、重达148 t的32.6 m长T型预应力混凝土梁运输需求。理论计算、有限元分析和静载试验结果表明，新型混凝土梁转向架的强度、刚度、稳定性满足《铁路货物装载加固规则》和《铁路货物装载加固材料和装置第1部分：货物转向架》相关要求。新型混凝土梁转向架在结构形式、结构强度等方面进行了优化，整体性强，车辆承载方式合理，设计承载能力为163 t，既可满足质量148 t以下预应力混凝土T型梁采用轴重27 t普通平车运输要求，又可避免既有混凝土梁转向架采用轴重27 t普通平车运输亏吨问题。同时与大吨位混凝土梁采用DL1型专用车运输相比，运输成本大幅降低。目前，27 t 轴重普通平车未正式使用，新型混凝土梁转向架设计研究作为技术储备，可随27 t轴重普通平车投入运用。