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[摘 要]本文分析了我国采用的各种车辆限界标准，比较了各标准的特点，介绍了我们开发的铁路车辆限界计算软件。并以某款动车组为例，对该软件进行了计算验证。
[关键词]限界标准 计算软件 动车组 计算验证
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-172-02
1 前言
自铁路诞生以来，限界制定和校验方法经历了一个由由低级向高级、简单到复杂发展的过程，计算方法和理论日趋完善、合理。铁路最初是以结构限界来校验机车车辆轮廓的。然后发展到考虑间隙、静态变形和磨耗的静态限界。在此基础上，进一步考虑悬挂的静态、准静态和部分振动变形，得到了动态限界校核方法。动态包络线方法考虑了更加全面的因素，包括车辆本身的静态和准静态因素、轨道不平顺、外界条件引起的车辆振动等。由于限界标准较多，不同标准涉及的参数、公式较多，计算时比较繁琐，高速列车的车体外形及运行情况比较复杂，尤其是通过站台时，仅仅考虑静态限界校核已经不可靠；另外，我国近年来出口的机车、客车、动车组和城市轨道交通车辆日益增多，由于国外的线路条件与国内不同，国内外限界计算方法较多；更多的限界计算要求满足故障、侧风工况下的限界要求，而现有计算标准没有明确计算公式，这些都加重了限界设计人员的计算强度，所以我们开发了铁路车辆限界计算软件，该软件采用可视化操作界面和数据库管理，实现自动数据处理。
2 限界方法对比
对我国的既有铁路而言，轨道车辆需要满足GB146.1的车辆限界要求，此限界是静态限界。高速铁路需要满足TB10621《高速铁路设计规范（试行）》的限界要求，而地铁车辆需要满足CJJ96-2003《地铁限界标准》。出口国外的车辆需要满足其限界条件，但对很多铁路欠发达国家，没有相关的铁路限界和标准，所以计算方法一般借鉴UIC或者国内标准。下面从各个方面对车辆限界计算方法进行分析。
2.1 CJJ96-2003计算方法
该标准使用简便，考虑的因素比较全面，其理论原理可以适用于各种四轴轨道车辆。该标准将影响动态包络线的因素考虑为随机和非随机因素，对随机因素采用平方和开根号的叠加原则，对非随机变量直接相加。在确定计算参数时，由于无法准确考虑车辆振动时一系、二系变形量，所以基本上是按照最大变形量取值；轮轨间隙一般也按照最恶劣磨耗的情况考虑。以上情况实际上只会在特殊情况下达到极限。总的来说，CJJ96-2003标准考虑的因素比较全面，但是部分参数取值不易确定。由于取值都向极限状态靠拢，所以掌握不好的话会导致计算结果偏于保守。
2.2 动力学计算方法
动力学仿真可以得到车辆振动位移和姿态，这种姿态只是对应所选取的参数和轨道不平顺样本。动力学仿真方法不需要人为确定悬挂偏移量，且能考虑车速、风载、线路条件、车辆参数、轮轨磨耗状态等因素的影响。但是，由于动力学仿真模型一般都是理想位置建模的，不能考虑制造、安装定位和维护误差。动力学计算结果也不能代表最恶劣的情况。为此将CJJ96-2003与动力学结合，通过动力学方法得到CJJ96-2003标准中不容易确定的悬挂变形和轮轨间隙，通过CJJ96-2003标准计算制造、安装定位和维护误差引起的偏移量，然后累加得到车辆动态包络线。
2.3 UIC505计算方法
UIC505、标准体系比较健全，但更多的是为了满足欧洲新旧线路联运，引入了很多经验性的参数，且仅是运动轮廓而非动态包络线；对我国铁路以及国外的一些新建线路并不一定适用。
2.4 故障工况计算方法
车体的悬挂故障工况一般考虑最容易失效的部件：一系悬挂弹簧失效、二系悬挂弹簧失效、抗侧滚扭杆失效、减振器失效。当采用动力学仿真方法计算动态包络线时，以上各种故障工况均可以考虑。当采用CJJ96或者UIC505方法进行计算时，就只能考虑前三种故障工况，而且需要根據故障状态估算车体不同位置的横向、垂向偏移。
3 计算软件
3.1 软件实现
根据前面的计算方法，我们编写了可视化的限界计算软件。所有数据实现数据库管理，根据工况可以自动批处理计算，并自动生成Word报告和Autocad图形。
对于CJJ96和UIC505方法，只要确定了参数就可以直接计算得到车辆的动态包络线，或者从车辆限界反推得到车辆最大允许轮廓。而对动力学方法，必须使用动力学仿真软件，根据计算工况仿真得到车辆的运动姿态，然后导入限界计算软件进行后处理。限界计算软件实现流程如图1所示。
3.2 软件功能
本软件采用Delphi 语言在WindowsXP下编写界面和运算代码提供了国内外主要的限界计算方法，能完成现在铁道客车及动车组、城市轨道车辆限界设计任务；能分析车辆单车及连挂工况下的曲线通过能力；以及提供与限界有关的一些功能，例如：柔度系数计算、车辆滚动中心计算、曲线几何偏移量、二维及三维限界检查和三维动画演示等。
4 软件算例
本文对唐山轨道客车有限公司设计的某款动车组进行限界校核，简要介绍了软件的实现过程。动车组的计算车辆轮廓控制点坐标如表1所示，在采用实际运算参数得到高架直线段的车辆限界，其控制点坐标如表2所示，对应的限界与TB10621的限界比较图如如2所示。
根据《客运专线机车车辆限界暂行规定》和城际动车组项目的有关要求，计算得到车辆在各种工况下车辆动态包络线与用户提供的限界和站台参数进行比较，得出城际动车组项目车辆轮廓满足《客运专线机车车辆限界暂行规定》相关限界使用要求。
5 结论
（1）本软件了集成了多种限界计算方法，能完成铁道客车及动车组、城市轨道车辆限界设计任务，以及出口车辆的限界计算功能，还能进行头车加长削形计算、车下吊装设备限界计算及非正常运行工况下的动态包络线计算。
（2）该软件能够将计算出的动态包络线、车辆限界导出到AutoCAD软件.实现自动绘图的功能。
（3）软件需要根据项目建立相应的工作目录，首次建立项目时，软件会在项目文件夹里建立空白数据库。如果用户需要对项目工作按照进度分别保存，只需保存相应进度的数据库即可。软件操作的很多中间文件都可以保存，以减少下次运算时输入参数的工作量。
（4）本软件实用性强，操作简单，可直接用于实际项目计算，已在多种车型的限界计算中得到应用，对于改进车体设计起到了良好的作用。
参考文献：
[1] CJJ93-2003 地铁限界标准.
[2] UIC 505-1-2003 国际铁路联盟铁路车辆限界标准.
[3] 罗湘萍.全动态包络线地铁车辆限界研究[J]. 铁道车辆，1997.35（9）：38.
[关键词]限界标准 计算软件 动车组 计算验证
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-172-02
1 前言
自铁路诞生以来，限界制定和校验方法经历了一个由由低级向高级、简单到复杂发展的过程，计算方法和理论日趋完善、合理。铁路最初是以结构限界来校验机车车辆轮廓的。然后发展到考虑间隙、静态变形和磨耗的静态限界。在此基础上，进一步考虑悬挂的静态、准静态和部分振动变形，得到了动态限界校核方法。动态包络线方法考虑了更加全面的因素，包括车辆本身的静态和准静态因素、轨道不平顺、外界条件引起的车辆振动等。由于限界标准较多，不同标准涉及的参数、公式较多，计算时比较繁琐，高速列车的车体外形及运行情况比较复杂，尤其是通过站台时，仅仅考虑静态限界校核已经不可靠；另外，我国近年来出口的机车、客车、动车组和城市轨道交通车辆日益增多，由于国外的线路条件与国内不同，国内外限界计算方法较多；更多的限界计算要求满足故障、侧风工况下的限界要求，而现有计算标准没有明确计算公式，这些都加重了限界设计人员的计算强度，所以我们开发了铁路车辆限界计算软件，该软件采用可视化操作界面和数据库管理，实现自动数据处理。
2 限界方法对比
对我国的既有铁路而言，轨道车辆需要满足GB146.1的车辆限界要求，此限界是静态限界。高速铁路需要满足TB10621《高速铁路设计规范（试行）》的限界要求，而地铁车辆需要满足CJJ96-2003《地铁限界标准》。出口国外的车辆需要满足其限界条件，但对很多铁路欠发达国家，没有相关的铁路限界和标准，所以计算方法一般借鉴UIC或者国内标准。下面从各个方面对车辆限界计算方法进行分析。
2.1 CJJ96-2003计算方法
该标准使用简便，考虑的因素比较全面，其理论原理可以适用于各种四轴轨道车辆。该标准将影响动态包络线的因素考虑为随机和非随机因素，对随机因素采用平方和开根号的叠加原则，对非随机变量直接相加。在确定计算参数时，由于无法准确考虑车辆振动时一系、二系变形量，所以基本上是按照最大变形量取值；轮轨间隙一般也按照最恶劣磨耗的情况考虑。以上情况实际上只会在特殊情况下达到极限。总的来说，CJJ96-2003标准考虑的因素比较全面，但是部分参数取值不易确定。由于取值都向极限状态靠拢，所以掌握不好的话会导致计算结果偏于保守。
2.2 动力学计算方法
动力学仿真可以得到车辆振动位移和姿态，这种姿态只是对应所选取的参数和轨道不平顺样本。动力学仿真方法不需要人为确定悬挂偏移量，且能考虑车速、风载、线路条件、车辆参数、轮轨磨耗状态等因素的影响。但是，由于动力学仿真模型一般都是理想位置建模的，不能考虑制造、安装定位和维护误差。动力学计算结果也不能代表最恶劣的情况。为此将CJJ96-2003与动力学结合，通过动力学方法得到CJJ96-2003标准中不容易确定的悬挂变形和轮轨间隙，通过CJJ96-2003标准计算制造、安装定位和维护误差引起的偏移量，然后累加得到车辆动态包络线。
2.3 UIC505计算方法
UIC505、标准体系比较健全，但更多的是为了满足欧洲新旧线路联运，引入了很多经验性的参数，且仅是运动轮廓而非动态包络线；对我国铁路以及国外的一些新建线路并不一定适用。
2.4 故障工况计算方法
车体的悬挂故障工况一般考虑最容易失效的部件：一系悬挂弹簧失效、二系悬挂弹簧失效、抗侧滚扭杆失效、减振器失效。当采用动力学仿真方法计算动态包络线时，以上各种故障工况均可以考虑。当采用CJJ96或者UIC505方法进行计算时，就只能考虑前三种故障工况，而且需要根據故障状态估算车体不同位置的横向、垂向偏移。
3 计算软件
3.1 软件实现
根据前面的计算方法，我们编写了可视化的限界计算软件。所有数据实现数据库管理，根据工况可以自动批处理计算，并自动生成Word报告和Autocad图形。
对于CJJ96和UIC505方法，只要确定了参数就可以直接计算得到车辆的动态包络线，或者从车辆限界反推得到车辆最大允许轮廓。而对动力学方法，必须使用动力学仿真软件，根据计算工况仿真得到车辆的运动姿态，然后导入限界计算软件进行后处理。限界计算软件实现流程如图1所示。
3.2 软件功能
本软件采用Delphi 语言在WindowsXP下编写界面和运算代码提供了国内外主要的限界计算方法，能完成现在铁道客车及动车组、城市轨道车辆限界设计任务；能分析车辆单车及连挂工况下的曲线通过能力；以及提供与限界有关的一些功能，例如：柔度系数计算、车辆滚动中心计算、曲线几何偏移量、二维及三维限界检查和三维动画演示等。
4 软件算例
本文对唐山轨道客车有限公司设计的某款动车组进行限界校核，简要介绍了软件的实现过程。动车组的计算车辆轮廓控制点坐标如表1所示，在采用实际运算参数得到高架直线段的车辆限界，其控制点坐标如表2所示，对应的限界与TB10621的限界比较图如如2所示。
根据《客运专线机车车辆限界暂行规定》和城际动车组项目的有关要求，计算得到车辆在各种工况下车辆动态包络线与用户提供的限界和站台参数进行比较，得出城际动车组项目车辆轮廓满足《客运专线机车车辆限界暂行规定》相关限界使用要求。
5 结论
（1）本软件了集成了多种限界计算方法，能完成铁道客车及动车组、城市轨道车辆限界设计任务，以及出口车辆的限界计算功能，还能进行头车加长削形计算、车下吊装设备限界计算及非正常运行工况下的动态包络线计算。
（2）该软件能够将计算出的动态包络线、车辆限界导出到AutoCAD软件.实现自动绘图的功能。
（3）软件需要根据项目建立相应的工作目录，首次建立项目时，软件会在项目文件夹里建立空白数据库。如果用户需要对项目工作按照进度分别保存，只需保存相应进度的数据库即可。软件操作的很多中间文件都可以保存，以减少下次运算时输入参数的工作量。
（4）本软件实用性强，操作简单，可直接用于实际项目计算，已在多种车型的限界计算中得到应用，对于改进车体设计起到了良好的作用。
参考文献：
[1] CJJ93-2003 地铁限界标准.
[2] UIC 505-1-2003 国际铁路联盟铁路车辆限界标准.
[3] 罗湘萍.全动态包络线地铁车辆限界研究[J]. 铁道车辆，1997.35（9）：38.