超大型设备铁路运输车货匹配设计的研究和应用
摘要：随着我国铁路客运专线的大力建设和逐步投入运行，既有线运输能力得到了一定的释放，为超限货物运输带来新的发展空间。铁路超限货物运输虽然在整个运输体系中所占的比例较小，但这些货物大多价值较大，且为国家基本建设和工业建设的核心设备，如何充分利用铁路现有建筑限界，安全、高效将其运至目的地成为铁路部门的难题。中铁特货大件运输有限责任公司从超限货物设计阶段开始介入，联合铁路科研单位、高校、车辆制造厂共同研发，打造产、学、研一体化模式，成功打造超限货物运输新模式。
Abstract： With the vigorous construction and gradual operation of China"s railway passenger dedicated line， the capacity of the existing line has been released to a certain extent， which will bring new space for the development of over-limit cargo transportation. Although the proportion of railway freight transportation exceeding the limit is relatively small in the entire transportation system， most of these goods are of relatively large value and are the core equipment for national capital construction and industrial construction. How to make full use of the existing building limits of railways to transporting it to its destination safely and efficiently has become a difficult problem for the railway sector. China Railway Special Large-size Transport Co.， Ltd. intervened from the stage of over-designed goods and jointly developed with railway research institutes， universities， and vehicle manufacturers to create an integrated model of production， learning， and research， and successfully created a new mode of over-limit cargo transportation.
關键词：大型设备；超限；车货匹配
Key words： large-scale equipment；over-limit；vehicle-cargo matching
中图分类号：U294.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）17-0160-03
0 引言
随着国家经济结构调整，振兴中国制造战略的积极推进，通过铁路运输大型设备的需求逐年增多[1]，这些国家基本建设和工业建设的核心设备，装载后绝大多数为超限货物。受铁路实际建筑限界和运输装备等因素的限制，通过铁路运输的大型设备与其他运输方式比较所占比重较小，为了提高铁路超限货物运输市场占有率，满足超限货物运输市场需求，中铁特货大件运输有限责任公司（以下简称大件公司）从大型设备的设计阶段开始介入，与设备制造厂家联合研发，通过优化车货匹配，充分利用铁路现有建筑限界空间，成功解决了运输难题。
1 改变车辆承载结构运输100万千瓦发电机内定子
1.1 运输可行研究
东方电气集团东方电机有限公司（以下简称东电）100万千瓦整体式发电机定子宽度5178mm，重量接近500t，铁路既没有合适的车辆装载，而且宽度超出现有铁路运输限界，无法通过铁路运输。为解决运输难题，大件公司与东电多次进行技术交流，并建议东电参照60万千瓦发电机定子运输方式将100万千瓦整体式发电机定子改成内外分体式，即将整体式定子分成外机座和内定子，并分别进行运输，交由铁路运输的内定子运输尺寸11500mm×Φ3600mm，裸重342t。
当时铁路车辆单车最大载重320t，为满足东电内定子的运输需求，需新造载重大于350t或以上的运输车辆。通过与铁路车辆制造厂沟通，经初步设计计算，认为新造载重350t以上凹底平车技术上可行。
1.2 设计细节优化
为进一步确认运输的可行性，优化运输方案，大件公司和东电邀请中车齐齐哈尔车辆有限公司（以下简称齐车公司）、铁道科学研究院机车车辆研究所、北京交通大学交通运输学院等单位的专家就内定子装载和运输进行技术交流。
由于内定子结构比较精密，运输时需进行防潮、防水处理，若包装后再装车势必会破坏外包装，东电提出先装载、加固，再通过车辆进行包装防护。装载后含内定子承载支座，总高度达到5290mm，如图1左图，铁路无法运输。
鉴于内定子属圆筒形货物，大件公司创新提出将车辆凹底架设计为圆弧形，以有效降低装载高度，经过计算，装后总高度可以降低到4840mm，如图1右图，满足铁路运输要求。
1.3 车辆设计制造
为了研究分析圆弧形凹底架的结构强度和刚度，齐车公司设计、制造了凹底架实验模型，该实验模型按照1：5比例制造，并按内定子重量的1/50进行加载，采用电测法测试内应力，采用拉线法和水准移测量变形量。经过换算，凹底架的实测内应力和变形量与有限元计算结果接近，满足设计要求。
由于凹底架采用高强度钢材制作，焊接需采取加温、保温等措施，为避免装载加固频繁焊接、切割损伤车体，大件公司与东电、齐车公司协商，在车体凹底架圆弧承载区焊接固定与货物匹配的过渡承载支座，以匹配内定子与车体圆弧尺寸。
1.4 运行试验验证
为了确保运输安全，大件公司委托中南大学轨道交通安全教育部重点实验室对首次装车过程进行全程监测，并对内定子的运输过程进行全程监测。
2010年8月5日-8月15日，在铁路总公司统一调度指挥下，DA37型凹底平车首次装载宁夏灵武电厂100万千瓦发电机内定子，如图2、图3，运行3700km后安全抵达目的地。经全程对DA37型凹底平车车体关键部位动、静应力，转向架弹簧动挠度以及小底架心盘加速度进行监测，全部指标均满足安全评价指标。截至2017年12月，DA37型凹底平车共运输100万千瓦发电机内定子10余次，均安全顺利抵达目的地，受到了业主和用户的一致好评。
2 改变货物外形尺寸和承载方式运输60万千瓦发电机定子
2.1 运输需求调研
2011年大件公司在承运哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称哈电）生产的60万千瓦发电机定子，由哈尔滨铁路局香坊火车站运至成都铁路局桐梓车车站。桐梓车站位于川黔铁路上，由于川黔铁路建成时间较早，受当时施工条件限制，个别隧道不满足现行国标建筑限界，运输60万千瓦发电机定子比较困难。为验证该定子通过川黔线的运输可行性，大件公司配合成都铁路局在川黔线（重庆东-桐梓）先后组织了6次检查架模拟运输，并根据模拟运输结果对限界距离不足区段采取降低外轨超高4处，拨线并降低外轨超高1处，不仅增加了运输成本而且运输周期延长。
2.2 货物外形尺寸及承载方式的改进
哈电现有60万千瓦发电机定子使用D38或DQ35型钳夹车，采用挂货钩方式承载，如图4。挂货钩作为车辆和货物的主要连接方式，为了确保定子装后钳夹车钳形梁和挂货钩关键受力部位受力均匀，挂货钩与定子安装形位公差要求非常高，达到±0.5mm，依靠人工安装至少需要1周左右时间。
由于定子装载后掛货钩底面距轨面高度在200mm以上，再加上挂货钩有一定的厚度，发电机定子装后总高度达到5150mm。
通过分析检查架模拟运输视频，发现剐蹭部位都发生在定子吊攀底座处，如图5。经过哈电与大件公司技术人员共同努力，设计出改进型60万千瓦发电机定子，其外形尺寸与原定子比较如图6。
通过图6可以看出，挂货钩和端盖两种承载方式均有效降低了剐蹭部位（定子吊攀底座）处的高度和宽度，但由于挂货钩存在一定厚度，定子装后总高度仍达到5000mm，通过接触网高度较低区段需苫盖绝缘软盖板，而端盖方式装载后总高度仅4775mm，无需苫盖绝缘软盖板，大大减少了运输难度。而且端盖焊接完成后还需进行机加工处理，端盖与车辆的配合尺寸精度能够得以保证。为验证端盖承载方式的安全性，哈电委托大连交通大学将端盖和发电机定子作为一个整体进行有限元计算，并根据有限元计算结果对端盖进行了优化，进一步确保了运输安全。
2.3 运行实验验证
在发电机定子更改设计初步确认可行后，大件公司按照改进型定子外形尺寸重新制作了检查架，并在川黔线（重庆-桐梓-茶园）进行了模拟运输，没有发生剐蹭，运输可行。
2015年3月6日至3月30日，哈电改进型60万千瓦发电机定子使用D38型钳夹车装载，如图7，在铁路总公司统一调度指挥下，由哈尔滨铁路局香坊站运至成都铁路局茶园站，运输距离约4800km，经全程对端盖和联接螺栓静应力和动应力进行监测，全部指标均符合安全评价指标。
3 结论
通过新造与货物匹配的铁路车辆以及改变原有货物外形尺寸和包装形式，实现大型设备铁路运输，不仅解决了企业的运输难题，也为铁路获得了良好的社会和经济效益。上述实例表明，铁路运输企业应积极参与大型设备的生产全过程，从设计阶段开始介入，联合铁路科研单位、高校、车辆制造厂共同研发，打造产、学、研一体化模式，引导企业生产适合铁路运输的设备，解决运输难题。
参考文献：
[1]韩文俊.提高铁路超限货物运输通行能力的对策[J].铁道货运，2016.
[2]陈巍.基于Android移动平台的车货匹配设计与实现[J].交通科技与经济，2016（03）.
[3]余以胜，刘鑫艳.基于改进Balance算法的车货匹配研究[J].武汉理工大学学报，2016（10）.