軸重與動(dòng)靜載荷比影響因素分析

苗曉雨,熊 芯,王新銳,陳政南,曲金娟

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所,北京100081)

隨著我國鐵路重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,新型的大軸重鐵路貨車也將研制運(yùn)用。鐵路貨車軸重的增加,在增加鐵路運(yùn)輸效率的同時(shí),無疑也會(huì)給線路、橋梁和貨車本身的疲勞帶來一定的影響,這種影響的主要因素之一是車輪載荷的變化。車輪載荷可分為靜載荷和在運(yùn)行中產(chǎn)生的動(dòng)載荷。靜載荷的增加是軸重增加帶來的必然結(jié)果,不可避免。動(dòng)載荷是由于車輛在實(shí)際線路上運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)而引起的附加載荷,這類載荷可以通過改善線路條件或車輛的運(yùn)行品質(zhì)來得到緩解或控制,比如轉(zhuǎn)向架的低動(dòng)力作用就是為了這個(gè)目的。就現(xiàn)有21,23,25 t軸重車輛在線路動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)中的動(dòng)靜載荷比情況,分析軸重增加與動(dòng)載荷的關(guān)系,為大軸重低動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)提供借鑒,為大軸重車輛、線路和橋梁疲勞可靠性設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)據(jù)樣本說明與分析方法

數(shù)據(jù)樣本來自于提速貨車120 km/h可靠性試驗(yàn)第2階段末期動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),可靠性試驗(yàn)中參試車型和試驗(yàn)工況相對(duì)齊全,具有較強(qiáng)的代表性和對(duì)比性。試驗(yàn)車輛共68輛,包括進(jìn)行120 km/h可靠性試驗(yàn)的敞車、棚車、平車、罐車、雙層集裝箱等多種車型。為了檢驗(yàn)軸重對(duì)動(dòng)靜載荷比產(chǎn)生的影響,把68輛試驗(yàn)車輛分為6組,其中21 t軸重的重車19輛、23 t軸重的重車8輛、25 t軸重的重車6輛、21 t軸重的空車 24輛、23 t軸重的空車8輛、25 t軸重的空車 3輛。

末期動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)線路為京承線(雙橋—洞廟河)和京秦線(雙橋—豐潤或唐山)。京承線上主要進(jìn)行曲線(R300,R400,R600,R800)工況的試驗(yàn)及部分直線試驗(yàn),在京秦線上主要進(jìn)行直線高速試驗(yàn)(100～130 km/h)。試驗(yàn)時(shí),直線區(qū)段按70～130 km/h各速度級(jí)進(jìn)行。

根據(jù)GB/T 5599-1985的要求,每個(gè)數(shù)據(jù)采樣段(一般為6 s)出一個(gè)數(shù)值,此數(shù)值是6 s中的最大值。為了能掌握車輪(垂向)動(dòng)載荷實(shí)際的分布情況,運(yùn)用軟件提取全部輪軌力數(shù)據(jù)用于分析數(shù)據(jù)樣本。

動(dòng)靜載荷比是指車輛在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)軸重?cái)?shù)值與車輛靜止時(shí)的靜軸重?cái)?shù)值之比。使用實(shí)際測出的動(dòng)軸重和靜軸重?cái)?shù)值,進(jìn)行車輛動(dòng)靜載荷比的計(jì)算。將各車輛的動(dòng)靜載荷比最大值按組取平均值,利用平均最大值進(jìn)行比較可以更好的顯示不同情況下的動(dòng)靜載荷比數(shù)值的變化趨勢。

2 不同線路工況條件下分析

2.1 軸重與動(dòng)靜載荷比的關(guān)系

圖1、圖2是京承線曲線和直線工況下21,23,25 t軸重車輛的空、重車動(dòng)靜載荷比的變化情況。由圖1、圖2可以看出,在京承線曲線半徑為 R300,R400,R600,R800 m和直線線路條件下,裝配轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的23 t軸重車輛的動(dòng)靜載荷比小于裝配轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架的21 t軸重車輛時(shí)動(dòng)靜載荷比。裝配轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的23 t軸重車輛的動(dòng)靜載荷比小于25 t軸重車輛的動(dòng)靜載荷比。

相對(duì)于21 t軸重車輛來說,23 t軸重車輛空車動(dòng)靜載荷比,曲線時(shí)減小幅度在5.66%～20.01%之間,直線減小幅度為8.97%;重車動(dòng)靜載荷比,曲線時(shí)減小幅度在12.74%～17.57%之間,直線減小幅度為3.41%。23 t軸重車輛比21 t軸重車輛軸重增幅為9.52%,而動(dòng)載荷增加幅度為-9.71%～7.72%。重車動(dòng)載荷是動(dòng)靜載荷比與各自車輛軸重的乘積。23 t軸重車輛與21 t軸重車輛動(dòng)載荷增加的幅度小于軸重增加的幅度,說明轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架采用改進(jìn)型軸箱橡膠墊,降低車輛垂向動(dòng)作用力,轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架采用擺動(dòng)式技術(shù),改善了受力關(guān)系,轉(zhuǎn)K6、K5型轉(zhuǎn)向架低動(dòng)力作用明顯。

相對(duì)于23 t軸重車輛來說,25 t軸重車輛空車動(dòng)靜載荷比,曲線增幅在2.91%～18.64%之間,直線增幅為18.86%;重車動(dòng)靜載荷比,曲線增幅在10.41%～17.11%之間,直線增幅為8.79%。25 t軸重車輛比23 t軸重車輛軸重增幅為8.70%,而25t軸重車輛比23 t軸重車輛的動(dòng)載荷增加幅度為18.25%～27.30%。軸重增加的幅度比動(dòng)載荷增加的幅度小。同樣裝配轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架車輛25 t軸重時(shí)比23 t軸重時(shí)的動(dòng)靜載荷比大,這表明同一轉(zhuǎn)向架承載總重(實(shí)際軸重)增加,垂向動(dòng)載荷增加,且增加的幅度大于軸重增加的幅度?？紤]到京承線的線路條件,分析線路條件相對(duì)較好的京秦線直線動(dòng)載荷增幅為11.31%,和京承線結(jié)論一致。

不同線路工況條件下分析軸重與車輛動(dòng)靜載荷比關(guān)系說明:轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn) K5型轉(zhuǎn)向架比轉(zhuǎn) K2、轉(zhuǎn) K4型轉(zhuǎn)向架具有較好的低動(dòng)力作用,能有效地減小輪軌間的動(dòng)作用力;同一類型的轉(zhuǎn)向架,在轉(zhuǎn)向架沒有進(jìn)一步改進(jìn)的條件下,實(shí)際軸重增加動(dòng)載荷也將增加,動(dòng)載荷增加的比例可能要大于軸重增加的比例,對(duì)發(fā)揮轉(zhuǎn)向架的低動(dòng)力作用不利。

圖1 京承線空車在同一工況下軸重與動(dòng)靜載荷比的關(guān)系

圖2 京承線重車在同一工況下軸重與動(dòng)靜載荷比的關(guān)系

2.2 線路工況對(duì)動(dòng)靜載荷比的影響

京承線為曲線及部分直線試驗(yàn)工況,在測試結(jié)果上可以看出小曲線時(shí)動(dòng)靜載荷比數(shù)值較大,曲線半徑為R300 m時(shí)車輛動(dòng)靜載荷比空車最大為0.40,重車最大為0.18;直線時(shí)動(dòng)靜載荷比數(shù)值相對(duì)較小,空車最大為0.28,重車最大為0.16,空車情況下對(duì)比尤為明顯,其中最大值分別出現(xiàn)在21 t和25 t軸重車輛時(shí),23 t軸重車輛數(shù)值較小。

曲線半徑大于等于R800 m的情況下,動(dòng)靜載荷比與直線情況下數(shù)值無明顯差別,對(duì)貨車來講近似于直線數(shù)值。曲線半徑由R300增加到R800,21,23,25 t軸重空車動(dòng)靜載荷比最大值分別減少了53.85%,58.33%,39.29%,重車動(dòng)靜載荷比最大值分別減少了 20%,14.29%,12.5%。

小曲線動(dòng)靜載荷比較大的原因可能是由于線路變坡和超高的原因發(fā)生輪重轉(zhuǎn)移。曲線的特征參數(shù)(曲線半徑、超高、順坡率等)是影響動(dòng)靜載荷比指標(biāo)的主要因素之一。

2.3 空、重車對(duì)動(dòng)靜載荷比的影響

圖3 京承線R300線況下車輛動(dòng)靜載荷比空、重車對(duì)比圖

圖4 京承線直線線況下車輛動(dòng)靜載荷比空、重車對(duì)比圖

為了比較空車和重車對(duì)動(dòng)靜載荷比的影響,分別就不同線路工況條件下68輛測試車輛的動(dòng)靜載荷比最大值進(jìn)行比較。圖3是曲線半徑為R300 m時(shí)的各車動(dòng)靜載荷比的平均最大值情況,橫坐標(biāo)是車輛序號(hào)。圖4是直線試驗(yàn)工況下動(dòng)靜載荷比情況。兩者工況下顯示出,在測試情況完全相同的情況下,空車的動(dòng)靜載荷比值明顯大于重車的數(shù)值。R300 m線路工況下空車動(dòng)靜載荷比最大值為0.47,重車動(dòng)靜載荷比最大值為0.23。直線下空車動(dòng)靜載荷比最大值為0.32,重車動(dòng)靜載荷比最大值0.21。空車、重車的區(qū)別是影響動(dòng)靜載荷比指標(biāo)的主要因素之一。

3 不同運(yùn)行速度條件下分析

3.1 軸重與動(dòng)靜載荷比的關(guān)系

京秦線為直線高速試驗(yàn)線路,線路條件優(yōu)于京承線,京秦線的車輛動(dòng)靜載荷比的數(shù)值明顯小于京承線的數(shù)值。由圖5、圖6可以看出,在京秦線運(yùn)行速度為90～130 km/h各不同速度級(jí)下,轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的23 t軸重車輛的動(dòng)靜載荷比小于轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架的21 t軸重車輛時(shí)動(dòng)靜載荷比,相對(duì)于21 t軸重車輛來說,23 t軸重車輛空車減小幅度在9.08%～17.85%之間,重車減小幅度在0.76%～17.21%之間。同為轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架,23 t軸重車輛的動(dòng)靜載荷比小于25 t軸重時(shí)的動(dòng)靜載荷比,其中空車動(dòng)靜載荷比最大值為0.205。相對(duì)于23 t軸重車輛來說,25 t軸重車輛空車增幅在 15.85%～24.09%之間,重車增幅在-3.54%～10.76%之間,高速情況對(duì)比數(shù)值比較明顯。

圖5 京秦線空車在不同速度條件下軸重與動(dòng)靜載荷比的關(guān)系

圖6 京秦線重車在不同速度條件下軸重與動(dòng)靜載荷比的關(guān)系

不同速度級(jí)下,軸重對(duì)動(dòng)靜載荷比影響分析結(jié)果與不同線路工況條件下的分析結(jié)果基本一致,轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架相對(duì)于轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架具有較好的低動(dòng)力作用;同一類型的轉(zhuǎn)向架,實(shí)際軸重增加動(dòng)載荷也將增加,動(dòng)載荷增加的比例可能要大于軸重增加的比例,對(duì)發(fā)揮轉(zhuǎn)向架的低動(dòng)力作用不利。

3.2 運(yùn)行速度對(duì)動(dòng)靜載荷比的影響

由圖7可以看出,空車情況下車輛運(yùn)行速度增大,車輛動(dòng)靜載荷比增大。隨著速度的增大,鋼軌對(duì)車輛的激擾頻率增加,加大車輛振動(dòng),動(dòng)作用力增大,可能是影響動(dòng)靜載荷比的原因。重車隨著運(yùn)行速度增加,車輛的動(dòng)靜載荷比在70～110 km/h的速度增幅不明顯,重車動(dòng)靜載荷比數(shù)值比空車數(shù)值小,而且京秦線直線數(shù)值也較小,所以數(shù)值增幅情況不明顯,但是在120～130 km/h時(shí)數(shù)值增幅較大。

圖7 京秦線不同速度級(jí)下車輛動(dòng)靜載荷比空、重車對(duì)比圖

3.3 不同線路條件對(duì)動(dòng)靜載荷比的影響

京秦線直線動(dòng)靜載荷比數(shù)值明顯小于京承線數(shù)值。京承線直線線路條件不好;京秦線是客貨共線的客車提速線路,線路狀態(tài)良好。表1是兩條線路同為直線工況下空、重車動(dòng)靜載荷比對(duì)比表。京承線上車輛的動(dòng)靜載荷比,測試結(jié)果大于京秦線,空車差別更加明顯?？哲囎畲蟛顒e56.85%,重車最大差別9.88%。線路狀態(tài)情況也是影響動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的因素之一。

表1 京秦、京承直線上空、重車動(dòng)靜載荷比

4 結(jié)束語

軸重與動(dòng)靜載荷比的關(guān)系分析表明轉(zhuǎn) K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架比轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架具有較好的低動(dòng)力作用,能有效地減小輪軌間的動(dòng)作用力;同一類型的轉(zhuǎn)向架,實(shí)際軸重增加,動(dòng)載荷也將增加,動(dòng)載荷增加的比例可能要大于軸重增加的比例,對(duì)發(fā)揮轉(zhuǎn)向架的低動(dòng)力作用不利。

對(duì)于大軸重貨車,設(shè)計(jì)低動(dòng)力作用的貨車轉(zhuǎn)向架,可以減小輪對(duì)簧下質(zhì)量,降低動(dòng)作用力,可以起到降低噪聲以及車輪與鋼軌的磨耗作用。提高走行質(zhì)量,可提高通過小曲線的動(dòng)力學(xué)性能,較平穩(wěn)地通過鋼軌接頭和減小振動(dòng)。低動(dòng)力作用設(shè)計(jì)應(yīng)為大軸重貨車轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的問題。

[1] 李學(xué)峰.提速貨車120 km/h可靠性試驗(yàn)第二階段試驗(yàn)研究報(bào)告,TY字第2470號(hào)[R],中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所,2009.

[2] 嚴(yán)雋耄.車輛工程(第3版)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[3] 李渝生朱公然,25 t低動(dòng)力作用轉(zhuǎn)向架的研究與開發(fā)[J].鐵道車輛,1998,(2):16-20.