標準軌距鐵路車輛限界規內輪廓設計

趙華瑞 邱 勛 于岳群 尹 明

（1.中車株洲車輛有限公司，湖南 株洲 412003；2.中國鐵路廣州局集團有限公司株洲車輛監造項目部，湖南 株洲 412003）

鐵路限界是鐵路安全行車的基本保障之一，限界規作為檢驗車輛外形尺寸要求是否滿足相關限界標準的重要試驗工裝，其輪廓尺寸的設計合理性直接關系到車輛的可靠性和運行安全。限界規尺寸設計須考慮的因素較多，在實際生產中，部分造修企業未根據不同車型針對性地調整限界規的內輪廓尺寸，從而無法發揮限界規的重要作用，出廠車輛運行安全性存在隱患。該文針對幾種不同類型轉向架的通用車輛限界規內輪廓進行深入研究，旨在理清車輛限界規設計的總體思路，分析各部位限界規內輪廓尺寸計算應考慮的因素，提出具體的計算方案，為標準軌距鐵路車輛限界規設計提供參考。

1 總體設計思路

總體設計思路如下：1）車輛限界分為上部限界和下部限界，其中距軌面高350mm以上部分為上部限界，距軌面高350mm及以下部分為下部限界。機車車輛水平尺寸以車輛限界中心線為基準計算，垂直尺寸以軌面為基準計算。2）車輛限界規內輪廓尺寸設計包括寬度方向尺寸和高度方向尺寸，應考慮：無論是空車或是重車，是具有最大標準公差的新車或是具有最大標準公差和磨耗限度的舊車，停放在水平直線上，無側向傾斜與偏移，均應容納在機車車輛限界之內。3）國內鐵路車輛限界規主要根據GB 146.1—2020《標準軌距鐵路限界 第一部分：機車車輛限界》、GB/T 16904.1—2006《標準軌距鐵路機車車輛限界檢查 第1部分：檢查方法》和GB/T 16904.2—2006《標準軌距鐵路機車車輛限界檢查 第2部分：限界規》的相關規定進行設計。設計時，應結合車輛的技術特點和試驗條件，先確定具體車型限界基本輪廓，再通過寬度縮減量、高度抬高量的計算來確定限界規內輪廓尺寸。

2 車輛限界基本輪廓的確定

車輛上部限界基本輪廓采用GB 146.1—2020中車限-1A。

車輛下部限界基本輪廓則應根據轉向架類型、運用環境要求等不同情況分別選用：通過駝峰車輛減速器（頂）（制動或工作位置）的鐵路貨車（如通用車輛）下部限界輪廓選用GB 146.1—2020中車限-2，無須通過駝峰車輛減速器的鐵路貨車（如特種車輛）下部限界輪廓選用GB 146.1—2020中車限-1B。同時根據承載方式的不同，將下部限界按轉向架彈簧承載部分、轉向架非彈簧承載部分和車體彈簧承載部分進行尺寸選擇和抬高量計算。

通過駝峰車輛減速器、裝用常規三大件式轉向架的車輛下部限界輪廓如圖1所示，須按轉向架非彈簧承載部分（圖1中區域A）和車體彈簧承載部分（圖1中區域B）兩大區域選擇下部限界基本輪廓尺寸。

圖1 下部限界輪廓圖（通過駝峰車輛減速器常規三大件式轉向架的車輛）

通過駝峰車輛減速器、裝用常規構架式轉向架的車輛下部限界輪廓如圖2所示，須按轉向架彈簧承載部分（圖2中區域A）、轉向架非彈簧承載部分（圖2中區域B）和車體彈簧承載部分（圖2中區域C）三大區域選擇下部限界基本輪廓尺寸。

圖2 下部限界輪廓圖（通過駝峰車輛減速器常規構架式轉向架的車輛）（單位：mm）

無須通過駝峰車輛減速器的車輛下部限界輪廓如圖3所示，須按轉向架彈簧承載部分（圖3中區域A）、轉向架非彈簧承載部分（圖3中區域B）和車體彈簧承載部分（圖3中區域C）3個區域選擇下部限界基本輪廓尺寸。

圖3 下部限界輪廓圖（無須通過駝峰車輛減速器的車輛）

3 限界規尺寸設計要求

3.1 上部規橫向尺寸設計要求

機車車輛停放在水平直線上時車輛任何部分應容納在機車車輛限界之內。但是車輛在曲線上將產生偏移量，為了保證建限與車限之間仍有足夠的安全行車所需的空間，規定在曲線上自線路中心至建限兩側輪廓線之間的距離將根據曲線半徑R及超高h分別予以擴大，但車輛兩端及中部的偏移量不僅與線路的曲率半徑R有關，還和車輛本身的幾何尺寸有關，因此當車輛幾何尺寸偏大時，若不采取削減車寬的措施，仍然不能保障安全行車所需的空間。在確定車輛最大容許制造寬度時，為了方便計算，引入了“計算車輛”與“計算曲線”。

解放前修建的準軌路網歷史背景十分復雜，不同地區、不同時期存在著不同的限界標準，由于地形復雜、經濟效益等多種原因部分舊有線路并未按新標準加以改造，因此這些陳舊線路是不符合GB 146.2-2020中建限的相關尺寸要求，要通行全國準軌路網的車輛必然在尺寸上受到更多的制約。對于進入不符合GB 146.2-2020的標準軌距鐵路線路運行的車輛，計算車輛的車體長度為13.22m，轉向架中心距為9.35m，最大容許寬度為3400mm，其在曲線半徑為300m的計算曲線上，中部最大偏移量為36mm，距軌面高350mm～1250mm內的車體寬度限界半寬應采用1600mm；或者依據線路實際的最小限界尺寸和曲線加寬量等確定車體最大制造寬度和限界規的內橫向尺寸。

因此，在進行上部規內橫向尺寸設計時，應計入計算車輛的最大允許制造寬度和縮減量、車輛橫向間隙和水平方向的最大磨耗量、限界軌本身的調測誤差。1）當車體長度不大于計算車輛時其車體最大容許寬度不需縮減，限界規尺寸也不縮減。幾種符合此特征的常用車型上部限界規距軌面高1250mm～3600mm部分的橫向寬度計算示例見表1。

上部規距軌面某一高度處的寬度如公式（1）所示。

式中：C為限界規半寬的實際縮減量；Z為限界規半寬間隙常量，上部規為13 mm，下部規為5 mm。

2）當車體長度大于計算車輛時，先算出其理論縮減量，然后根據公式換算為實際縮減量。并取中部和端部半寬的實際縮減量最大值作為限界規半寬的實際縮減量C，從而按照公式（1）算出上部規距軌面某一高度處的寬度。特種車輛參照該方法執行。幾種符合該特征的常用車型上部限界規距軌面高1250mm～3600mm部分的橫向寬度計算示例見表2。

表1 限界規寬度計算示例（寬度不需縮減型）

機車車輛中部最大偏移量如公式（2）所示。

機車車輛端部最大偏移量如公式（3）所示。

式中：L為車體長度；l為轉向架中心距；S為轉向架軸距；R為計算曲線半徑，取R=300m。

機車車輛中部最大容許寬度縮減量如公式（4）所示。

機車車輛端部最大容許寬度縮減量如公式（5）所示。

式中：D為計算車輛中部最大偏移量；D為計算車輛端部最大偏移量。

機車車輛距軌面某一高度處最大容許寬度如公式（6）所示。

式中：B為機車車輛限界在同一高度處最大半寬；C為以上計算的最大容許寬度縮減量C和C之一的數值（如果計算出來的結果是負數，那就取值為0）。

機車車輛中部半寬的實際縮減量如公式（7）所示。

機車車輛端部半寬的實際縮減量如公式（8）所示。

式中：A為中部實際和理論縮減量的比例系數，取A=0.4747；A為端部實際和理論縮減量的比例系數，取A=0.4234。

3.2 下部規垂向尺寸設計要求

型式試驗車輛，其上部限界檢查應在空車狀態下進行，下部限界檢查應在重車或全整備狀態下進行，側向限界間隙檢查應在空車、重車（或全整備）兩種狀態下進行。重車檢查時應計入零部件垂直方向的磨耗限值。

例行試驗車輛，其上部限界檢查應在空車狀態下進行，其下部限界檢查和側向間隙檢查可做簡化檢查，即在空車狀態下進行下部限界檢查，但應計入重車狀態下車輛的彈簧壓縮量、車體因載重引起的變形量以及零部件垂直方向的磨耗限值。

以K5型轉向架、K6型轉向架（常規三大件式轉向架）、K3型轉向架（常規構架式轉向架）為例，對下部限界規高度計算，相關技術參數見表3。1）裝用常規三大件式轉向架的車輛（如K5、K6型轉向架）在空車狀態下限界試驗時，轉向架非彈簧承載部分重車狀態應考慮車輪磨耗限值、承載鞍頂部磨耗限值 、承載鞍鞍面磨耗限值、導框搖動座弧面磨耗和軸箱橡膠墊壓縮量等。通過計算，K5轉向架車輪內側非彈簧承載部分抬高量為33.1mm，車輪外側非彈簧承載部分抬高量為31.5mm。車體彈簧承載部分重車狀態應考慮空車狀態至重車狀態彈簧壓縮量、車輪磨耗限值、旁承壓縮量、上下心盤磨耗限值、承載鞍頂部磨耗限值、承載鞍鞍面磨耗限值、導框搖動座弧面磨耗限值和軸箱橡膠墊壓縮量等。通過計算，K5轉向架彈簧承載部分抬高量為95.3mm。因此，結合限界尺寸選擇和抬高量，裝用K5轉向架車輛整車限界試驗時，下部規內輪廓尺寸如圖4所示。2）裝用常規構架式轉向架（如K3型轉向架）的車輛在空車狀態下限界試驗時，轉向架非彈簧承載部分重車狀態應考慮車輪磨耗限值、軸箱鞍面磨耗限值和斜楔磨耗限值等。通過計算，K3轉向架非彈簧承載部分抬高量為27.5mm。轉向架彈簧承載部分應考慮車輪磨耗限值、空車狀態至重車狀態彈簧壓縮量、軸箱鞍面磨耗限值和斜楔磨耗限值等。通過計算，轉向架的彈簧承載部分抬高量為41.7mm。車體彈簧承載部分應考慮空車狀態至重車狀態彈簧壓縮量、車輪磨耗限值、心盤磨耗限值、軸箱鞍面磨耗限值和斜楔磨耗限值等。通過計算， K3轉向架車體彈簧承載部分抬高量為48.7mm。因此，結合限界尺寸選擇和抬高量，裝用K3型轉向架的車輛整車限界試驗時，下部規內輪廓尺寸如圖5所示。3）單個轉向架進行下部限界試驗檢驗時，由于常規三大件式轉向架無彈簧承載部分，下部規高度與整車限界試驗時高度尺寸相同。而常規構架式轉向架的下部規，在進行轉向架彈簧承載部分高度尺寸設計時，彈簧壓縮量應考慮自由狀態至重車狀態的壓縮量，轉向架非彈簧承載部分與整車限界試驗下部規高度尺寸相同。

表2 限界規寬度計算示例（寬度縮減型）

表3 限界規高度計算用技術參數（單位：mm）

4 結論

通過上述研究可以看出，車輛類型（包括轉向架類型）、運用環境等因素不同，限界規內輪廓尺寸也會不同。在車輛上部限界規的內輪廓設計時，橫向尺寸應計入計算車輛的最大允許制造寬度和縮減量、車輛橫向間隙和水平方向的最大磨耗量、限界軌本身的調測誤差等因素，并根據車輛長度（與計算車輛對比）計算寬度縮減量。車輛下部限界規的內輪廓設計時，垂向尺寸應考慮各水平位置易耗零部件磨耗極限值、空車狀態至重車狀態彈簧壓縮量等因素計算合理抬高量。在限界試驗前，對限界規的輪廓尺寸進行核算是保證車輛可靠性和限界規合理性的關鍵步驟。同時限界規的標準化，是值得車輛造修企業深入研究的課題。

圖4 整車試驗下部規輪廓圖（裝用K5轉向架車輛）

圖5 整車試驗下部規輪廓圖（裝用K3轉向架車輛）