長大貨物車動力學評定標準研究

劉宏友,胡洪濤,李 娜

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

長大貨物車是指供運輸重量特重、長度特長或體積龐大的貨物的專用車輛,其長度一般在19 m以上;少數車輛雖然長度小于19 m,但因車輛結構特殊,如帶凹底架、落下孔、鉗形梁的貨車,也屬于長大貨物車[1]。近20年來,為了滿足大型、超大型設備鐵路運輸的運用需要,我國相繼研制了DQ45型載重450 t鉗夾車,DA37型載重370 t、D32A型載重320 t、D28型載重280 t等系列凹底平車以及D45型載重450 t、DK36型載重360 t、D26B型載重290 t、DK23型載重230 t等系列落下孔車,有力保證了國家“十一五”“十二五”和“十三五”重點工程建設的順利實施。

無論是GB/T 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》還是GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》,其適用對象都不包括長大貨物車,而GB/T 17426—1998《鐵道特種車輛和軌行機械動力學性能評定及試驗方法》適用范圍為準軌鐵路特種車輛(長大貨物車和有動力、無動力的軌行車輛)以及工程機械(架橋機、鋪軌機、軌道起重機等)、工務養路機械(清篩機、搗固機等)等軌行機械[2]。20多年的運用實踐表明,GB/T 17426—1998基本上可以滿足我國長大貨物車線路動力學性能試驗評定的需要,但也暴露出振動加速度限度值、輪重減載率限度值以及數據處理方法等方面還存在一些問題。

1 GB/T 17426—1998存在的主要問題

1.1 長大貨物車垂向、橫向最大振動加速度偏大問題

1.1.1 不帶側移機構的鐵路長大貨物車振動加速度測試結果

GB/T 17426—1998規定長大貨物車車體垂向振動加速度、橫向振動加速度的限度值與GB/T 5599—1985規定的通用貨車振動加速度限度值完全一樣(垂向振動加速度為0.7g,橫向振動加速度為0.5g),而長大貨物車的撓跨比遠遠大于通用貨車撓跨比,采取相同的限度值顯然不合理。

表1給出了2種不帶側移機構的鐵路長大貨物車的線路動力學試驗振動加速度測試結果[3-4]。由表1可見:D28型凹底平車〔(圖1a)〕空重車工況垂向、橫向振動加速度最大值都超過了GB/T 17426—1998規定的限度值;D26B型落下孔車〔(圖1b)〕重車工況垂向、橫向振動加速度最大值以及空車工況橫向振動加速度最大值均超過了GB/T 17426—1998規定的限度值。

圖1 D28型凹底平車與D26B型落下孔車

表1 不帶側移機構的鐵路長大貨物車線路動力學試驗最大振動加速度測試結果

在D28型凹底平車、D26B型落下孔車的動力學性能試驗報告中,加速度指標的判定依據并沒有采用GB/T 17426—1998規定的限度值,而是采取了垂向加速度1.5g、橫向加速度1.2g的限度值。

此外,文獻[5]以D17A型落下孔車為例,詳細探討了長大貨物車在線路動力學試驗中車體最大垂向、橫向振動加速度的測試結果,該車無論空車還是重車,其振動加速度最大值都超過GB/T 5599—1985規定的限度值。文獻[5]還指出,長大貨物車振動加速度超過GB/T 17426—1998規定的垂向加速度≤0.7g、橫向加速度≤0.5g的情況還是非常普遍的。

1.1.2 帶側移機構的鐵路長大貨物車振動加速度測試結果

表2給出了3種帶側移機構的鐵路長大貨物車線路動力學試驗振動加速度測試結果[6-8]。由表2可見:

表2 帶側移機構的鐵路長大貨物車線路動力學試驗最大振動加速度測試結果

DK36型落下孔車(圖2)重車加速度最大值除外導向工況的橫向加速度外,均超過了GB/T 17426—1998規定的限度值;空車振動加速度最大值除中導向工況的橫向加速度外,均在GB/T 17426—1998規定的限度值以內。

圖2 DK36型落下孔車

DQ45型鉗夾車(圖3)重車工況振動加速度最大值超過了GB/T 17426—1998規定的限度值,空車工況中導向運行時橫向加速度最大值超過了GB/T 17426—1998規定的限度值。

圖3 DQ45型鉗夾車

DA37型凹底平車(圖4)重車工況以中導向或內導向狀態運行時,小底架和中底架的振動加速度最大值超過了GB/T 17426—1998規定的限度值;以外導向狀態運行時,小底架的振動加速度最大值超過了GB/T 17426—1998規定的限度值?？哲嚬r以中導向狀態運行時,中底架的垂向加速度最大值和小底架的橫向加速度最大值超過了GB/T 17426—1998規定的限度值?？偟膩碚f,小底架的振動加速度大于中底架的振動加速度,中底架的振動加速度大于凹底架的振動加速度。

圖4 DA37型凹底平車

DK36型落下孔車、DQ45型鉗夾車、DA37型凹底平車的動力學性能試驗報告中,加速度指標的判定依據都沒有采用GB/T 17426—1998規定的限度值,而是采取了垂向加速度1.5g、橫向加速度1.2g的限度值。

1.2 長大貨物車輪重減載率偏大問題

1.2.1 不帶側移機構的鐵路長大貨物車輪重減載率測試結果

表3給出了2種不帶側移機構的鐵路長大貨物車線路動力學試驗最大輪重減載率測試結果[3-4]。由表3可見:D28型凹底平車重車通過R300 m大超高曲線時輪重減載率超過GB/T 5599—1985規定的限度值;D26B型落下孔車重車通過R300 m大超高曲線時輪重減載率較大,接近限度值。

表3 不帶側移機構的鐵路長大貨物車線路動力學試驗最大輪重減載率測試結果

1.2.2 帶側移機構的鐵路長大貨物車輪重減載率測試結果

表4給出了3種帶側移機構的鐵路長大貨物車線路動力學試驗最大輪重減載率測試結果[6-8]。由表4可見:DK36型落下孔車除空車外導向工況外,其余各工況的輪重減載率均超過GB/T 17426—1998規定的限度值(空車外導向工況沒有側移);DA37型凹底平車空車、重車各工況輪重減載率的最大值均超過GB/T 17426—1998規定的限度值;DQ45型鉗夾車除空車以外導向狀態運行時輪重減載率不超標外,空車在中導向狀態、重車在3種導向(內導向、中導向、外導向)狀態下的輪重減載率都超過了GB/T 17426—1998規定的限度值。

表4 帶側移機構的鐵路長大貨物車線路動力學試驗最大輪重減載率測試結果

經分析,帶側移機構的鐵路長大貨物車輪重減載率超限主要發生在車輛出現較大側移的情況,如以中導向或內導向狀態通過小半徑曲線,以及外導向狀態產生大的側移的情況。

2 問題探討

2.1 長大貨物車振動加速度超標問題

文獻[1]從實車線路動力學性能試驗和理論分析2個角度出發,詳細討論了長大貨物車振動加速度偏大的原因,限于篇幅,此處不再贅述。

2.2 長大貨物車輪重減載率超標問題

除了前文介紹的D28型凹底平車、D26B型落下孔車線路動力學試驗最大輪重減載率測試結果外,文獻[9]還介紹了D32A型凹底平車小曲線及大超高曲線動力學性能試驗情況:車輛為重車工況,重心高2 486 mm;試驗線路工況包括R350 m曲線、R250 m曲線、交叉渡線、復式交分道岔、側線道岔及大超高曲線(R300 m,超高140 mm);在車輛前進方向的第1軸和第2軸安裝測力輪對(該車共有24條輪對);不同試驗線路條件下的試驗速度見表5。

表5 D32A型凹底平車小曲線及大超高曲線動力學性能試驗速度

試驗結果表明,D32A型凹底平車以3 km/h、5 km/h、6 km/h、8 km/h、10 km/h的速度通過R350 m曲線以及以3 km/h、5 km/h、6 km/h、8 km/h的速度通過交叉渡線時,1軸、2軸輪重減載率都沒有超過0.65的限度值。

表6給出了D32A型凹底平車通過小曲線時的輪重減載率,表7給出了D32A型凹底平車通過側線道岔和復式交分道岔時的輪重減載率?？梢钥闯?表6、表7給出的輪重減載率普遍超過0.65的限度值。對此進行深入研究分析,由于輪重減載率最大值均發生在內軌側,但外軌側的輪軌橫向力大于內軌側的輪軌橫向力,故輪軸橫向力指向外軌側,結合車輪脫軌系數均比較小(最大值未超過0.74)的情況,認為由輪軸橫向力引起減載側爬軌的可能性不大。

表6 D32A型凹底平車通過小曲線時的輪重減載率

表7 D32A型凹底平車通過側線道岔和復式交分道岔時的輪重減載率

長期試驗經驗表明,帶側移裝置的長大貨物車由于車輛結構特殊,在通過側線道岔、S曲線工況以及其他特殊工況(重車大超高、復式交分道岔及交叉渡線)時輪重減載率往往會超過GB/T 17426—1998規定的限度值(0.65)。

GB/T 17426—1998給出的脫軌系數和輪重減載率都是根據輪對爬上鋼軌的必要條件而導出的結果,是根據靜力平衡分析推導得到的。從爬軌過程來看,車輪爬上鋼軌輪緣必須貼靠鋼軌,輪對與軌道應有一定正沖角并且爬軌過程需要一定時間。脫軌系數和輪重減載率超過限度并不一定脫軌,這是因為其他條件尚不具備。因此,采用GB/T 17426—1998規定的脫軌系數和輪重減載率的限度,對于車輛來說是有很大安全余量的。

3 修訂GB/T 17426—1998的相關建議

3.1 長大貨物車振動加速度限度值

文獻[5]針對長大貨物車在線路動力學試驗中出現振動加速度偏大的問題提出了2條建議:(1)加速度濾波截止頻率同GB/T17426—1998,取40 Hz,垂向振動加速度限度值取1.5g,橫向振動加速度限度值取1.2g;或者(2)垂向振動加速度限度值取0.7g,橫向振動加速度限度值取0.5g,但加速度濾波截止頻率由40 Hz降為15 Hz。其中,第(2)條建議已經被TB/T 2553—2018《鐵路長大貨物車》采用,具體體現在5.2.3條款中。

3.2 長大貨物車輪重減載率限度值

鑒于長大貨物車本身結構的特殊性,結合長大貨物車線路動力學試驗以及長期運用經驗,經深入研究,認為將帶側移機構的長大貨物車的輪重減載率限度值修訂為0.90比較合適,主要依據如下。

3.2.1 長期運用經驗及相關設計任務書

文獻[10]指出,1999年D38型鉗夾車試驗時輪重減載率最大達到0.89,當時對輪軌力的試驗數據進行了詳細分析,得出了在嚴格限速、確保裝載狀態正常、專列運輸并進行安全監測的條件下運輸安全性可以保證的結論。該車20年來共運行了50多次,運營里程約11萬km。歷次大件運輸監測結果表明,該車運行平穩,各連接部位可靠。這也進一步驗證了該車的運行安全性是有保障的。

文獻[10]綜合了普通小曲線和大超高小曲線試驗結果,認為大超高對帶側移長大貨物車輪重減載率的貢獻不在于圓曲線的超高大小,而是因為在進緩和曲線上其線路扭曲較大。因此,原鐵道部批復帶側移機構的長大貨物車設計任務書中將輪重減載率的限度值規定為≤0.9(表8)是有科學依據的。表8中的車輛已經投入運用多年,從未發生過車輛運行安全事故。

3.2.2 相關標準

文獻[11]指出,GB/T 5599—1985、GB/T 17426—1998規定的輪重減載率限度值試驗工況是車輛通過9號單開道岔及低速通過小半徑曲線,實質上測量的是穩態減載率,因而不適用于實際車輪運行試驗中經常測出的因軌縫、軌面局部凹凸不平而引起的動態輪重減載率之評判。后者的數值常常超出0.65,甚至達到1.0(車輪懸空)。

事實上,輪重減載率臨界值公式的推導有2個前提條件:輪軸橫向力H≈0和爬軌側車輪減載。因此,輪重減載率的限度值是有使用條件的,不是說只要輪重減載率超標,就一定有爬軌的危險。只有當上述2個前提條件都滿足時,這個評價指標才適用。實際線路動力學性能試驗中,上述2個前提條件很難同時出現。

結合表9所示國外標準規定的車輛輪重減載率(或車輪垂向載荷與靜輪載之比)具體限度值,建議將長大貨物車的輪重減載率限度值取為0.90。

4 值得探討的其他問題

4.1 載重280 t及以上的長大貨物車應當增加的試驗內容

大噸位載重的長大貨物車多數采用多層結構,部分特殊工況需要進行試驗,部分試驗項目已經超出了GB/T 17426—1998標準的規定。根據TG/CL 113—2010《鐵路貨車運用維修規程》第359條、第360條的規定,載重280 t及以上的長大貨物車是運輸特大貨物的專用鐵路貨車,需要固定配屬管理。對于這一類型的長大貨物車,建議增加下列試驗內容:(1)專用線小曲線試驗;(2)車輛允許通過的最小號數側線道岔、復式交分道岔和交叉渡線試驗;(3)S形曲線試驗;(4)小曲線大超高試驗(僅適用于落下孔車、鉗夾車、凹底平車)。

4.2 模態試驗

2015年9月18—21日,中鐵檢驗認證(青島)車輛檢驗站有限公司對哈爾濱軌道交通裝備有限責任公司(以下稱哈裝備公司)研制的DA26型凹底平車進行了線路運行工作模態試驗[12]。試驗在哈爾濱鐵路局管內的齊齊哈爾站南編組場至九三站區間進行,單程測試,試驗區間全長約205.910 km?？罩剀嚹B試驗結果表明,采用線路運行試驗的方法,可以有效識別出DA26型凹底平車空重車浮沉、點頭等剛體頻率,以及空重車一階、二階、三階垂向彎曲和一階橫向彎曲等彈性體模態。一旦獲得了長大貨物車的相關頻率、振型、阻尼比,就可以豐富對長大貨物車動力學性能的預測,對于大撓跨比的長大貨物車尤其重要。

4.3 關于試驗數據處理方法

GB/T 17426—1998中的輪軸橫向力、脫軌系數、輪重減載率、振動加速度等評價指標采用最大值進行評價,實踐證明其代表性差,易受偶然因素影響,不能有效區分線路的影響,不能全面反映試驗車輛的性能。GB/T 5599—1985更新為GB/T 5599—2019后,GB/T 5599—2019中的脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力采用2 m滑動平均處理,并對絕對值按照99.85%的累計頻次取值?？梢?GB/T 17426—1998受當時的條件所限,對試驗數據的處理方法沒有采用UIC 518等國外標準中普遍使用的統計方法,已經嚴重落后于時代的發展。建議修訂GB/T 17426—1998時,引入統計處理方法進行數據處理,采用0.15%～99.85%的概率區間,以消除個別異常數據的影響。

5 結論及建議

基于長大貨物車的特殊結構,結合長大貨物車多年來的試驗及運用經驗,認為GB/T 17426—1998標準已經明顯落后于時代的發展,建議盡快對其進行修訂。在修訂GB/T 17426—1998標準時,要注意和TB/T 2553—2018中相關要求的一致性。研究認為,鐵路長大貨物車的主要修訂項點包括:

(1) 長大貨物車垂向、橫向振動加速度限度值分別取0.7g、0.5g,與TB/T 2553—2018保持一致,加速度濾波頻率取0.4～15 Hz,加速度測點與TB/T 2553—2018第5.2.3條款的要求相同。

(2) 對于有側移機構的鐵路長大貨物車,其通過曲線時輪重減載率的限度值放寬至0.9。

(3) 考慮到鐵路長大貨物車長度較長,重心較高,低速通過大超高曲線(超高140～150 mm)試驗時,應區分進曲線和出曲線工況,且輪重減載率的限度值放寬至0.9。

(4) 引入GB/T 5599—2019中的試驗數據統計處理方法。

(5) 增加模態試驗內容。

另外,建議對歷史上長大貨物車動力學運輸監護試驗數據進行系統總結,研究裝載重量、運輸車型、貨物偏心、曲線半徑及車速對車輛結構動應力的影響規律;研究落下孔車橫向鋼木擋動態橫向力及其安全系數,為鋼木擋結構落下孔車的優化設計、超限專列開行方案的制定提供科學依據;研究側承梁彈性動撓度,評估在途運輸過程中導致的綜合位移,從而為超限專列開行方案的制定提供技術支撐。