鐵路自翻車傾卸穩(wěn)定性能評價(jià)指標(biāo)的研究*

石 峰

（南車長江車輛有限公司，湖北武漢430212）

風(fēng)載荷按最不利方位加載即風(fēng)載荷方向垂直于車廂起升側(cè)的側(cè)面。

計(jì)算風(fēng)壓為q＝43.1 N/m2，迎風(fēng)面積A隨傾翻角度變化而變化。

式中Bcx為車廂底面寬度；Hcx為車廂側(cè)部高度；Lcx為車廂長度。

傾卸穩(wěn)定系數(shù)按公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

在傾翻過程中隨著車廂傾翻，車廂的傾翻角度、側(cè)門開門角度、車廂的位置、貨物的形態(tài)、車廂和貨物合成

鐵路自翻車傾卸穩(wěn)定性能評價(jià)指標(biāo)的研究*

石 峰

（南車長江車輛有限公司，湖北武漢430212）

介紹既有鐵路自翻車的傾卸穩(wěn)定性能評價(jià)方法，探討引用《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811－2008）和AS 1418.1－2002中校核起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性能的方法應(yīng)用于校核鐵路自翻車傾卸穩(wěn)定性能的可能性。建議采用傾卸穩(wěn)定系數(shù)作為鐵路自翻車的傾卸穩(wěn)定性能評價(jià)指標(biāo)。以KF－60型自翻車為例，采用傾卸穩(wěn)定系數(shù)分析和評價(jià)該車的傾卸穩(wěn)定性能。

鐵道自翻車；傾卸穩(wěn)定性能

自翻車是一種把卸車設(shè)備和車輛結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的鐵路車輛，采用傾翻缸推動車廂向任一側(cè)傾翻40°～55°，側(cè)門開閉機(jī)構(gòu)控制卸貨側(cè)的側(cè)門逐漸打開并作為地板面的延續(xù)面，貨物在側(cè)門板上滑移，車廂和貨物的重心逐漸向卸貨側(cè)偏移。重心向卸貨側(cè)偏移引起車廂出現(xiàn)側(cè)向傾覆趨勢，為了分析自翻車在正常傾翻卸貨作業(yè)過程能否滿足安全要求，需要對傾卸穩(wěn)定性能進(jìn)行校核。

1 傾翻穩(wěn)定簡單分析

南車長江車輛有限公司曾經(jīng)多年生產(chǎn)KF－60型自翻車，從2005年開始陸續(xù)研制開發(fā)了多種新型自翻車，2009～2012年完成了原鐵道部科技司科技研究開發(fā)課題——新型自翻車技術(shù)研究。在實(shí)施這些項(xiàng)目過程中開展了自翻車傾卸穩(wěn)定性能等方面的研究。為了研究自翻車傾翻卸貨規(guī)律，我們多次進(jìn)行自翻車的傾翻卸貨試驗(yàn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在傾翻卸貨作業(yè)過程中，當(dāng)車廂傾翻至任意角度時(shí)，車廂內(nèi)的散粒貨物的滑移面與水平面的最小夾角同散粒貨物的運(yùn)動安息角基本一致，車廂內(nèi)的散粒貨物在滑移面上方的部分沿滑移面向卸料側(cè)流動，超出側(cè)門高度的部分從側(cè)門上方卸出車廂，其余部分被側(cè)門擋住留在車廂內(nèi)。隨著車廂逐漸傾翻，側(cè)門開度不斷增大，車廂內(nèi)的貨物逐漸從側(cè)門上方流出車廂。如果車廂出現(xiàn)意外失控而造成傾覆扣斗現(xiàn)象，容易拖動底架和轉(zhuǎn)向架等一同傾覆，造成整車傾覆和脫軌。如果車廂始終處于受控狀態(tài)，整車就始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，車廂不發(fā)生傾覆是整車保持穩(wěn)定的前提條件。傾翻卸貨試驗(yàn)現(xiàn)場見圖1，傾翻卸貨作業(yè)過程及車廂內(nèi)裝載的散粒貨物截面形狀的簡化示意見圖2。

圖1 傾翻卸貨作業(yè)試驗(yàn)現(xiàn)場

2 既有傾卸穩(wěn)定性能評價(jià)和計(jì)算方法

我國目前尚無評價(jià)自翻車在傾翻卸貨過程中穩(wěn)定狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一規(guī)定，各個(gè)自翻車制造企業(yè)通常借鑒以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。KF－60型自翻車在我國運(yùn)用已經(jīng)多年，后繼生產(chǎn)的其他車型自翻車的傾卸穩(wěn)定性均以該車作為參照車作簡單的對比。

我國鐵路行業(yè)主要采用下列3種方法分析自翻車的傾卸穩(wěn)定性能：

（1）橫向穩(wěn)定系數(shù)法［3-4］

（2）傾覆系數(shù)法［5］

（3）穩(wěn)定距離法［6］

上述3種計(jì)算方法都是鐵路自翻車行業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)積累，但在運(yùn)用過程中發(fā)現(xiàn)這些評價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法存在若干不足，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。如按上述3種計(jì)算方法評價(jià)KF－60型自翻車傾卸穩(wěn)定性滿足安全要求，但該型車在實(shí)際應(yīng)用中若不采用外設(shè)安全裝置就容易發(fā)生傾覆事故；采用這些方法判斷傾卸穩(wěn)定性的裕量比較模糊，無法分析車廂外形和側(cè)門開閉機(jī)構(gòu)對傾卸穩(wěn)定性的影響；生產(chǎn)出口自翻車時(shí)國外用戶不接受這些評價(jià)方法。經(jīng)歷這些事情之后，我們發(fā)現(xiàn)上述3種計(jì)算方法主要存在下列不足：

圖2 傾翻卸貨作業(yè)過程簡化示意圖

（1）前兩種計(jì)算方法是按車廂內(nèi)的貨物質(zhì)量和堆積形狀始終固定不變計(jì)算重心位置，但在傾翻卸貨過程中車廂內(nèi)貨物的質(zhì)量和堆積形狀不斷發(fā)生變化，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。

（2）沒有考慮在傾翻卸貨過程中車廂內(nèi)的貨物對側(cè)門的壓力通過側(cè)門開閉裝置傳遞到底架上所增加的車廂傾翻力矩。

（3）沒用考慮傾翻卸貨過程中風(fēng)載荷對傾翻穩(wěn)定性的影響。

（4）第3種方法要求保持足夠的穩(wěn)定距離，無法判斷傾卸穩(wěn)定性的裕量。

3 評價(jià)指標(biāo)

上面介紹的3種計(jì)算自翻車傾翻穩(wěn)定性的方法所采用的評價(jià)指標(biāo)分別為：橫向穩(wěn)定系數(shù)、傾覆系數(shù)、穩(wěn)定距離。

鑒于鐵道車輛的“傾覆穩(wěn)定性”、“傾覆系數(shù)”一般系指車輛在運(yùn)行中在側(cè)向風(fēng)力、離心力、橫向慣性力等同時(shí)作用下是否會導(dǎo)致車輛傾覆。自翻車在停車卸貨作業(yè)時(shí)的傾覆問題主要是在傾翻卸貨過程中車輛的重心發(fā)生偏移是否會導(dǎo)致車輛傾覆，屬于兩類不同的問題。為避免混淆，我們認(rèn)為在討論自翻車傾翻卸貨作業(yè)的抗傾覆穩(wěn)定性問題時(shí)，采用“傾卸穩(wěn)定性”更為合適。

我們經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證后確認(rèn)：造成自翻車在傾翻卸貨過程中出現(xiàn)失控及傾覆的原因與起重機(jī)出現(xiàn)傾覆的原因相同：穩(wěn)定力矩小于傾翻力矩。因此，可以借鑒起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性基本要求和分析計(jì)算方法，通過分析和計(jì)算穩(wěn)定力矩與傾翻力矩等方式來評價(jià)自翻車的傾卸穩(wěn)定性能。

（1）起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算方法和評價(jià)方法

①《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811－2008）在該標(biāo)準(zhǔn)的8.1.1條中規(guī)定：在校核計(jì)算中，當(dāng)穩(wěn)定力矩的代數(shù)和大于傾翻力矩的代數(shù)和時(shí)，則認(rèn)為該起重機(jī)整機(jī)是穩(wěn)定的。

由自重載荷產(chǎn)生穩(wěn)定力矩，由除自重載荷外其他載荷產(chǎn)生傾翻力矩，它們都是對所規(guī)定的特定傾覆線計(jì)算的結(jié)果。

在風(fēng)速不大于8.3 m/s（折合風(fēng)壓值為43.1 N/m2，即5級風(fēng)）的風(fēng)載荷作用下，流動式起重機(jī)作穩(wěn)定性試驗(yàn)或帶載運(yùn)行。用自重載荷與規(guī)定的載荷（乘以1.33的載荷系數(shù)）計(jì)算出相應(yīng)穩(wěn)定力矩和傾覆力矩，來判定起重機(jī)是否符合整體抗傾覆穩(wěn)定力矩的條件。

②澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 1418.1－2002

該標(biāo)準(zhǔn)第6章規(guī)定按下列方法校核起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性：

式中Fs為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，不小于1.4；Ms為最小穩(wěn)定力矩；Mo為載荷和風(fēng)力下的最大傾翻力矩。

我們在為澳大利亞用戶生產(chǎn)自翻車時(shí)，用戶要求參照此標(biāo)準(zhǔn)校核傾卸穩(wěn)定性，車廂的穩(wěn)定力矩/傾覆力矩之比不小于1.4，存在不小于40%的安全裕度。

（2）對比分析

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性的評價(jià)都是采用對比分析計(jì)算起重機(jī)的穩(wěn)定力矩與傾翻力矩之間的比例關(guān)系，只是計(jì)算公式形式不同，但實(shí)質(zhì)是相同的。

鑒于抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)比較直觀，因此建議參照起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法，在分析自翻車傾翻卸貨過程中的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，采用傾卸穩(wěn)定系數(shù)作為自翻車傾翻穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)。

傾卸穩(wěn)定系數(shù)定義為：Ft為自翻車的傾卸穩(wěn)定系數(shù)；Mt為車輛或車廂承載的穩(wěn)定力矩；Mc為車輛或車廂承載的傾翻力矩。

校核在中國運(yùn)用的自翻車傾卸穩(wěn)定性時(shí)可以借鑒《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811－2008）的要求，穩(wěn)定力矩＞1.33×傾翻力矩，傾卸穩(wěn)定系數(shù)不小于1.33，存在不小于33%的安全裕度。校核國外運(yùn)用的自翻車傾卸穩(wěn)定性時(shí)，傾卸穩(wěn)定系數(shù)可按運(yùn)用國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或用戶的要求確定最小值。

4 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以KF－60型自翻車為例，采用傾卸穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算、分析、評價(jià)該車的傾卸穩(wěn)定性能。

KF－60型自翻車用于裝運(yùn)礦石、礫石、石塊、爐渣等黏聚力較小的散粒貨物。傾翻卸貨時(shí)，車廂內(nèi)散粒貨物的穩(wěn)定狀態(tài)符合沙性土土坡的穩(wěn)定性特征，流動時(shí)滑移面近似平面，在斷面上近似呈一直線。散粒貨物表面上的一層最容易滑動，在與水平面夾角等于運(yùn)動安息角的滑移面上，處于極限平衡狀態(tài)，在滑移面下方的部分保持穩(wěn)定靜止，在滑移面上方的部分沿滑移面整體滑動。

KF－60型自翻車車廂的側(cè)門為上開式，側(cè)門開閉機(jī)構(gòu)采用抑制肘式。車廂、抑制肘和車廂內(nèi)裝載的貨物的簡化示意參見圖3和圖4。

圖3 車廂、抑制肘和車廂內(nèi)裝載貨物的簡化示意（運(yùn)輸工況）

圖4 車廂、抑制肘和車廂內(nèi)裝載貨物的簡化示意（傾翻工況）

（1）對重心移動的計(jì)算分析

為了研究自翻車的傾卸穩(wěn)定性能，首先計(jì)算分析在傾翻卸貨過程中車廂和車廂內(nèi)散粒貨物重心的移動軌跡及整車重心的移動軌跡，分析重心偏移量是否在安全范圍內(nèi)。

為便于分析問題和簡化計(jì)算，現(xiàn)假設(shè)：

①同側(cè)車輪、轉(zhuǎn)軸、傾翻缸、側(cè)門所受載荷相等；

②車廂內(nèi)的散粒貨物的幾何尺寸相同且均勻分布，傾翻卸貨時(shí)散粒貨物呈均勻、連續(xù)狀態(tài)滑移和流動；

③不考慮側(cè)門與端墻開縫間流出的散粒貨物；

④增載側(cè)與減載側(cè)的車輪和轉(zhuǎn)軸的載荷增減絕對值相等；

⑤選擇散粒貨物的運(yùn)動安息角為35°；

⑥車廂地板從水平連續(xù)傾翻至45°，傾翻角度按2.5°離散。

經(jīng)過分析計(jì)算，傾翻卸貨過程中車廂內(nèi)的散粒貨物的質(zhì)量和卸貨比率參見圖5，包括車廂自重、車廂內(nèi)散粒貨物等在內(nèi)的合成重心移動軌跡參見圖6，包括車輛和車廂內(nèi)裝載的散粒貨物在內(nèi)的整車重心移動軌跡參見圖7。

圖5 車廂內(nèi)散粒貨物質(zhì)量和卸貨比率

圖6 車廂及貨物合成重心移動軌跡圖

圖7 整車重心移動軌跡圖

分析圖5可知：當(dāng)車廂傾翻至25°時(shí)，車廂內(nèi)的散粒貨物開始卸貨，當(dāng)車廂傾翻至37.5°時(shí)，車廂內(nèi)的散粒貨物已卸空。

分析圖6可知：車廂和車廂內(nèi)的散粒貨物的合成重心始終處于傾翻缸和轉(zhuǎn)軸之間。合成重心到通過卸料側(cè)轉(zhuǎn)軸中心垂直平面的最小距離即參考文獻(xiàn)［6］中介紹的穩(wěn)定距離，該文獻(xiàn)介紹KF－60型自翻車的穩(wěn)定距離為273 mm。我們通過計(jì)算車廂內(nèi)堆積形狀不斷變化的貨物重心偏移量，該值為260 mm。因此，在正常作業(yè)情況下，車廂和車廂內(nèi)的散粒貨物的合成重心的偏移不會導(dǎo)致車廂出現(xiàn)失控問題。

分析圖7可知：在傾翻卸貨作業(yè)過程中，整車重心始終處于兩軌之間，與卸貨側(cè)車輛輪軌間的回轉(zhuǎn)中心的水平距離320 mm以上。因此，在正常作業(yè)情況下，整車重心的偏移不會導(dǎo)致整車出現(xiàn)失控問題。

（2）計(jì)算傾卸穩(wěn)定系數(shù)

在車廂傾翻過程中，車廂和貨物合成重心及貨物質(zhì)量在車廂開始卸貨后隨著車廂傾翻角度的變化而變化，車廂自重和貨物質(zhì)量繞車廂翻轉(zhuǎn)支點(diǎn)（轉(zhuǎn)軸）形成穩(wěn)定力矩：

卸貨側(cè)的側(cè)門承載散粒貨物的側(cè)壓力等效為作用在側(cè)門折頁上集中力F1，F(xiàn)1和卸貨側(cè)的側(cè)門自重F7通過側(cè)門折頁、抑制肘組成將力傳遞至底架。

側(cè)門折頁對抑制肘支承力F2：

作用在抑制肘組成的各種載荷處于平衡狀態(tài)，側(cè)門折頁對抑制肘支承力F2，抑制肘組成中的彈簧組成的回彈力F3，底架的支承對抑制肘支承力F4，抑制肘安裝銷軸的支承力F6等載荷的合力和對抑制肘安裝銷軸中心軸的合力矩為0。

在車廂傾翻過程中，車廂繞卸貨側(cè)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，車廂內(nèi)散粒貨物對側(cè)門的壓力F1和卸貨側(cè)的側(cè)門自重驅(qū)動側(cè)門繞安裝在車廂底架側(cè)面的側(cè)門銷轉(zhuǎn)動。抑制肘組成的滾子壓住側(cè)門折頁，抑制肘對側(cè)門折頁的反作用力大小與F2相同，方向相反，限制側(cè)門轉(zhuǎn)動。載荷F1、F7和－F2對側(cè)門銷中心軸的合力矩為0，載荷F1、F7和－F2的合力F5通過側(cè)門銷將載荷傳遞至車廂底架，牽引車廂向卸貨側(cè)傾翻，組成車廂傾翻力矩：

式中

L6為F5對車廂轉(zhuǎn)動中心（轉(zhuǎn)軸軸心）的力臂長度；Lf為迎風(fēng)面形心與轉(zhuǎn)軸的垂直高度；Ff為作用在車廂迎風(fēng)面上的風(fēng)載荷：重心等均發(fā)生變化；Wg，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6，F(xiàn)f，Lg，L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，Lf等數(shù)值同時(shí)發(fā)生變化，傾卸穩(wěn)定系數(shù)Ft也隨車廂傾翻角度變化而變化。

風(fēng)載荷按最不利方位加載即風(fēng)載荷方向垂直于車廂起升側(cè)的側(cè)面。

計(jì)算風(fēng)壓為q＝43.1 N/m2，迎風(fēng)面積A隨傾翻角度變化而變化。

式中Bcx為車廂底面寬度；Hcx為車廂側(cè)部高度；Lcx為車廂長度。

傾卸穩(wěn)定系數(shù)按公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

在傾翻過程中隨著車廂傾翻，車廂的傾翻角度、側(cè)門開門角度、車廂的位置、貨物的形態(tài)、車廂和貨物合成

整車傾卸穩(wěn)定系數(shù)也按公式（2）進(jìn)行計(jì)算，其中穩(wěn)定力矩為底架、轉(zhuǎn)向架、傾翻氣缸等自重載荷和傾翻氣缸負(fù)荷對卸貨側(cè)輪軌回轉(zhuǎn)中心的力矩，傾翻力矩為作用在卸貨側(cè)轉(zhuǎn)軸上的載荷對卸貨側(cè)輪軌回轉(zhuǎn)中心的力矩。

經(jīng)過分析計(jì)算，KF－60自翻車在傾翻卸貨作業(yè)過程中的車廂和整車的傾卸穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 傾卸穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

分析表1的數(shù)據(jù)可知：KF－60自翻車在車廂傾翻至25°～32.5°之間，車廂傾卸穩(wěn)定系數(shù)較小，特別是當(dāng)車廂傾翻至27.5°時(shí)，車廂傾卸穩(wěn)定系數(shù)僅為1.11，安全裕量明顯不足，當(dāng)貨物流動不均勻時(shí)引起車廂晃動，容易引起車廂失控從而發(fā)生傾覆事故。正因如此，KF－60型自翻車在傾卸作業(yè)時(shí)需要配裝鋼絲繩、防扣門擋之類的安全裝置才能預(yù)防傾覆事故。

車廂的傾卸穩(wěn)定性安全裕量遠(yuǎn)小于整車的傾卸穩(wěn)定性安全裕量，傾翻卸貨作業(yè)過程中車廂的傾卸穩(wěn)定性相對薄弱。因此，評價(jià)自翻車在傾翻卸貨作業(yè)過程中是否安全，最重要的是分析計(jì)算車廂的傾卸穩(wěn)定性能，只有車廂有足夠的傾卸穩(wěn)定安全裕量，才能確保整車的傾卸穩(wěn)定性能。

采用傾卸穩(wěn)定系數(shù)法通過分析車廂形狀、側(cè)門開閉機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)位置等因素對傾卸穩(wěn)定性能的影響，為提高傾卸穩(wěn)定性能提供優(yōu)化車廂和側(cè)門開閉機(jī)構(gòu)的理論依據(jù)。

5 結(jié)束語

我國對自翻車傾翻穩(wěn)定性的評價(jià)已有橫向穩(wěn)定系數(shù)法、傾覆系數(shù)法、穩(wěn)定距離法等3種評價(jià)方法，其中橫向穩(wěn)定系數(shù)法、傾覆系數(shù)法是借用鐵道車輛動力學(xué)性能評定方法，這些方法主要用于分析車輛運(yùn)行中在側(cè)向風(fēng)力、離心力、橫向慣性力等同時(shí)作用下是否會導(dǎo)致車輛傾覆。穩(wěn)定距離法是基于國內(nèi)既有自翻車有關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出的一種方法，要求車廂須具備足夠的穩(wěn)定力臂長度，但不能直接評價(jià)傾卸穩(wěn)定性。自翻車在停車卸貨作業(yè)時(shí)的傾卸穩(wěn)定性能實(shí)質(zhì)上是穩(wěn)定力矩是否大于傾翻力矩的問題，傾卸穩(wěn)定系數(shù)是參照起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性的評價(jià)方法，分析傾翻卸貨過程中穩(wěn)定力矩和傾翻力矩的關(guān)系，作為鐵路自翻車的傾卸穩(wěn)定性能評價(jià)指標(biāo)，該評價(jià)指標(biāo)更加科學(xué)、合理。

通過以KF－60型自翻車為例，采用傾卸穩(wěn)定系數(shù)分析和評價(jià)該車的傾卸穩(wěn)定性能，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用情況比較吻合，具有足夠的可信度。因此，建議采用傾卸穩(wěn)定系數(shù)作為鐵路自翻車傾卸穩(wěn)定性能的評價(jià)指標(biāo)。

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Research on Evaluation Index of Dumping Stability for Railway Automatic Dumping Car

SHI Feng
（CSR Yangtze Rolling Stock Co.，Ltd.，Wuhan 430212 Hubei，China）

This paper introduces the current dumping stability evaluation methods of railway automatic dumping car，inquires into applying the checking methods of derrick stability against overturning in《derrick design norm（GB/T 3811－2008）》and AS 1418.1－2002 for the dumping stability checking of railway automatic dumping car，and suggests adopting the dumping stability coefficient as the evaluation index of dumping stability for railway automatic dumping car.Taking KF－60－type automatic dumping car as example，the dumping stability is analyzed and evaluated with the dumping stability coefficient.

automatic dumping car；dumping stability

U272.6＋3

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.25

1008－7842（2014）04－0106－05

*鐵道部科技司科技研究開發(fā)項(xiàng)目（2009J006－C）

?）男，高級工程師（

2013－12－23）