世界鐵路機(jī)車車輛縱向載荷設(shè)計(jì)試驗(yàn)運(yùn)用與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定研究綜述

田葆栓

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

隨著列車編組數(shù)量、軸重的增加和運(yùn)用效率的提高，鐵路機(jī)車車輛之間的縱向載荷不斷加大。過大的列車縱向載荷及列車縱向沖動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)車車輛運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響，縱向載荷超過車鉤強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)發(fā)生斷鉤甚至造成列車分離，因此對(duì)制動(dòng)及同步控制技術(shù)的可靠性提出了更高的要求。為提高運(yùn)輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟(jì)性，世界鐵路機(jī)車車輛強(qiáng)度相關(guān)試驗(yàn)和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(縱向載荷取值)隨著其外部環(huán)境和運(yùn)用條件的變化已進(jìn)行過多次修訂和完善[1]。鐵路機(jī)車車輛縱向載荷設(shè)計(jì)試驗(yàn)運(yùn)用與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)研究對(duì)列車及單車合理設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義，可有效開發(fā)機(jī)車車輛新結(jié)構(gòu)，并有利于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化改造。為此，鐵道部以重載貨車需求發(fā)展為契機(jī)，成立重大專項(xiàng)課題開展強(qiáng)度考核標(biāo)準(zhǔn)及縱向載荷相關(guān)研究。本文將系統(tǒng)總結(jié)借鑒北美、俄羅斯、歐盟等世界各國(guó)及鐵路組織(以下簡(jiǎn)稱鐵組)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比縱向載荷標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際作用載荷的差異，調(diào)查分析其載荷取值來源和適用性，溯源標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)縱向載荷設(shè)計(jì)發(fā)展過程、使用條件、運(yùn)用差異、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、安全裕量等方面綜合比對(duì)研究；并綜合分析我國(guó)鐵路特有的運(yùn)用條件(國(guó)情、路情)，提出我國(guó)鐵路機(jī)車車輛縱向載荷設(shè)計(jì)取值建議。

1 影響縱向載荷的因素

鐵路機(jī)車車輛縱向載荷即縱向力，是指列車運(yùn)行工況(啟動(dòng)、制動(dòng)、變速、上下坡道)和編組調(diào)車作業(yè)時(shí)車輛與車輛、車輛與機(jī)車間相互作用產(chǎn)生的拉伸力和壓縮力，以及此時(shí)產(chǎn)生的由各零部件承受的慣性力。影響列車縱向載荷的因素非常復(fù)雜，包括機(jī)車、車輛、線路、列車編組、機(jī)車配置及司機(jī)操縱等諸多因素。從整個(gè)系統(tǒng)考慮，與鐵路運(yùn)營(yíng)管理(縱向載荷工況和列車操縱控制)水平也密切相關(guān)，主要有機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)剛度和連接剛度(包括車體、車鉤、緩沖器、制動(dòng)系統(tǒng)等)，裝載貨物(種類、固定方式)，列車運(yùn)行參數(shù)(包括運(yùn)行速度、編組重量、機(jī)車動(dòng)力配置、線路狀況、司機(jī)操縱等)，調(diào)車作業(yè)(包括列車編組、沖擊速度等)。

從沖擊碰撞能量吸收耗散角度來看，鐵路列車是一個(gè)由多個(gè)吸能裝置構(gòu)成的能量耗散系統(tǒng)，通過速度引起的沖量，實(shí)現(xiàn)能量的有序秏散。列車系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能有效承受耗散沖擊縱向力，結(jié)合線路情況，系統(tǒng)考慮列車總體技術(shù)參數(shù)，如列車編組形式、機(jī)車動(dòng)力配置、車輛質(zhì)量、車體強(qiáng)度、車鉤緩沖裝置配置以及不導(dǎo)致車體損壞的最大沖擊速度等，必要時(shí)設(shè)計(jì)吸能裝置。

因?yàn)榭v向力大小與機(jī)車功率、列車編組重量、運(yùn)行速度、制動(dòng)機(jī)性能、車體縱向剛度、調(diào)車時(shí)碰撞速度以及緩沖器容量等多種復(fù)雜因素有關(guān)，所以準(zhǔn)確地確定縱向力數(shù)值是很困難的。目前各國(guó)都依靠大量的運(yùn)用和試驗(yàn)資料并采用概率論方式定出一個(gè)合適的計(jì)算值作為車體強(qiáng)度設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的依據(jù)。機(jī)車車輛的用途、運(yùn)用環(huán)境和運(yùn)營(yíng)管理水平?jīng)Q定車體的縱向載荷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷改進(jìn)修正縱向載荷設(shè)計(jì)數(shù)值，使其有利于結(jié)構(gòu)輕量化和安全可靠性。

2 列車縱向載荷運(yùn)用工況分類

我國(guó)早期的 TB 1335—1978《鐵路車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》是在前蘇聯(lián)(俄羅斯)規(guī)范的基礎(chǔ)上制定的。前蘇聯(lián)依靠大量的運(yùn)用和試驗(yàn)資料并用概率論確定了縱向載荷等強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)鐵路縱向載荷工況分類相應(yīng)借鑒俄羅斯鐵路標(biāo)準(zhǔn)，以縱向載荷為主線分為2種工況：穩(wěn)定工況和非穩(wěn)定工況(或過渡工況)。受外部常力或緩慢變化力作用的列車勻速運(yùn)動(dòng)和等加速(或等減速)運(yùn)動(dòng)屬于第1種工況(運(yùn)行工況，即第一工況)，此時(shí)，列車中車輛相對(duì)位移很小，縱向車鉤力由外力和列車作為統(tǒng)一剛體而產(chǎn)生的慣性力來確定。車輛啟動(dòng)、制動(dòng)、牽引等伴有車輛互撞時(shí)屬于第2種工況(調(diào)車工況，即第二工況)。從能量轉(zhuǎn)換角度分析，調(diào)車工況和列車運(yùn)行工況的緩沖器的工作原理是不同的。調(diào)車工況下緩沖器吸收的能量來自沖擊車輛相對(duì)動(dòng)能的變化，為速度型沖動(dòng)；列車運(yùn)行工況下因制動(dòng)的不同步、車鉤緩沖裝置的間隙，造成列車內(nèi)部所有的車輛間連續(xù)產(chǎn)生相互擠壓性的沖擊作用并延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，沖擊作用是通過車鉤力以外力的形式傳遞，使車輛間形成很大的沖擊力，為載荷型沖動(dòng)。但是，當(dāng)調(diào)車工況下沖擊車輛間的速度差與列車運(yùn)行工況下首尾車輛間的速度差相同時(shí)，2種工況下的最大車鉤力大致相同。俄羅斯鐵路通過列車動(dòng)力學(xué)理論分析及線路試驗(yàn)，研究了列車處于過渡工況時(shí)各車輛間的縱向作用力，包括調(diào)車作業(yè)中車輛碰撞、列車啟動(dòng)、牽引力急劇增大或減小、列車制動(dòng)以及列車通過坡度起伏的線路縱斷面時(shí)的運(yùn)動(dòng)，得出列車最大縱向力發(fā)生在2種工況下，即低速緊急制動(dòng)時(shí)的壓縮力和低速緩解時(shí)的拉伸力。根據(jù)安全條件，機(jī)車牽引力不應(yīng)超過自動(dòng)車鉤強(qiáng)度允許的應(yīng)力。我國(guó)鐵路車輛第一工況和第二工況采用由不同的安全系數(shù)確定的許用應(yīng)力評(píng)定。

2.1 第一工況(運(yùn)行工況)

在我國(guó)車輛強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)中，第一工況起源對(duì)應(yīng)于俄羅斯強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)工況Ⅲ，包括周期性的常用調(diào)速制動(dòng)、中等的碰撞和溜放以及較高速度運(yùn)行?？紤]運(yùn)行列車中發(fā)生頻度較高的、數(shù)值中等的載荷的組合，要求零部件不允許疲勞破壞。許用應(yīng)力根據(jù)材料疲勞極限，準(zhǔn)靜態(tài)、振動(dòng)和沖擊載荷，腐蝕影響等因素確定。

2.2 第二工況(調(diào)車工況)

第二工況起源對(duì)應(yīng)于俄羅斯強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)工況Ⅰ，包括列車的退行和啟動(dòng)、調(diào)車作業(yè)中從駝峰溜放車輛的碰撞以及低速運(yùn)行時(shí)列車緊急制動(dòng)(對(duì)于客車，是指調(diào)車作業(yè)中的事故碰撞和非定員情況下的車輛互撞以及編入貨物列車運(yùn)行時(shí)的車輛事故碰撞),考慮的是很少發(fā)生的極端載荷的組合，要求零部件不允許出現(xiàn)殘余變形(損傷)。許用應(yīng)力考慮載荷作用特性(準(zhǔn)靜態(tài)、沖擊等)和材料性能，取材料的屈服極限和強(qiáng)度極限。目前我國(guó)鐵路貨物列車低速緊急制動(dòng)工況測(cè)試的縱向力已遠(yuǎn)小于調(diào)車作業(yè)工況。

世界各國(guó)鐵路通常把調(diào)車編組作業(yè)場(chǎng)的沖擊作為沖擊試驗(yàn)強(qiáng)度評(píng)價(jià)的主要工況。調(diào)車速度是決定車鉤縱向沖擊力的重要因素，由于調(diào)車速度的差異，尤其是在設(shè)計(jì)中要考慮事故沖擊的發(fā)生概率，各國(guó)的縱向設(shè)計(jì)載荷和沖擊速度有所不同。中國(guó)、俄羅斯和北美鐵路的鉤緩連接系統(tǒng)與歐洲鉤緩連接系統(tǒng)不同，結(jié)構(gòu)、受力方式差別較大。美國(guó)調(diào)車速度較高，是考慮事故沖擊的可能性，車鉤縱向沖擊力取5 560 kN或沖擊速度達(dá)22.5 km/h；中國(guó)借鑒俄羅斯經(jīng)驗(yàn)，但又考慮實(shí)際運(yùn)用情況，并結(jié)合當(dāng)時(shí)貨車配裝緩沖器、車鉤等技術(shù)性能水平，取值低于俄羅斯。

機(jī)車車輛沖擊主要包括車輛連掛、列車啟動(dòng)、機(jī)車牽引、制動(dòng)及事故等。有些國(guó)家在確定車端載荷時(shí)以事故載荷作為依據(jù)，如：美國(guó)規(guī)定壓縮力363.2 t，主要是根據(jù)芝加哥發(fā)生的一次大事故時(shí)產(chǎn)生的沖擊力確定的；法國(guó)通過撞車、翻車事故證明了壓縮力值取200 t的合理性[2]。為了保證車內(nèi)旅客的安全，除了計(jì)算與各種運(yùn)用狀況有關(guān)的載荷以外，客車還要另外計(jì)算與事故狀態(tài)有關(guān)的、數(shù)值提高了的假定載荷。

3 世界各國(guó)鐵路機(jī)車車輛縱向載荷設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)取值和試驗(yàn)評(píng)定比較分析

世界各國(guó)鐵路機(jī)車車輛縱向載荷工況和作用方式比較見表1,各國(guó)鐵路貨車縱向載荷對(duì)比見表2[3-10]，客車(含動(dòng)車組)縱向載荷對(duì)比見表3[11-14]，機(jī)車縱向載荷對(duì)比見表4。值得說明的是，表1中載荷工況按許用應(yīng)力評(píng)定取值劃分，具體見表2、表3和表4。

表1 世界各國(guó)鐵路機(jī)車車輛縱向載荷工況和作用方式比較

表2 世界各國(guó)鐵路貨車縱向載荷對(duì)比 kN

表3 世界各國(guó)鐵路客車(含動(dòng)車組)縱向載荷對(duì)比 kN

機(jī)車車輛縱向載荷與機(jī)車用途密切相關(guān)。國(guó)外機(jī)車車輛縱向載荷相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：AAR RP 548:1994(M分冊(cè))《機(jī)車額定性能列車/軌道阻力》、AAR S 580《機(jī)車防撞性要求》、美國(guó)公共運(yùn)輸協(xié)會(huì)APTA SS-C & S 034：2006《鐵路客運(yùn)車輛設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)》﹑《俄羅斯聯(lián)邦鐵路機(jī)車走行部分承載件機(jī)械強(qiáng)度、動(dòng)力性能及其對(duì)線路作用的計(jì)算與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、澳大利亞鐵路工業(yè)安全與標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)AS-RISSB 7520.1《機(jī)車車體結(jié)構(gòu)》等。APTA SS-C & S 034標(biāo)準(zhǔn)包含鐵路車輛設(shè)備結(jié)構(gòu)和防撞性能要求，適用于機(jī)車牽引設(shè)備、動(dòng)車組、首尾車、非載客電力機(jī)車、機(jī)車，規(guī)定車體縱向載荷不小于3 560 kN。澳大利亞AS-RISSB 7520.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了澳大利亞機(jī)車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

表4 世界各國(guó)鐵路機(jī)車縱向壓縮和拉伸載荷對(duì)比 kN

3.1 中國(guó)

中國(guó)鐵道車輛強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2種工況、4種作用方式，即第一工況拉伸和壓縮(拉壓比0.8取自前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)數(shù))，第二工況壓縮(單端沖擊和雙端壓縮)。借鑒俄羅斯經(jīng)驗(yàn), 第二工況縱向壓縮力取200 t，有2種作用方式：一是沿車鉤中心線作用于車輛兩端的后從板座上；二是沿車鉤中心線作用于車輛一端的后從板座上，而為車輛及其所載貨物的慣性力所平衡。單端沖擊作用方式主要考慮貨車結(jié)構(gòu)底架橫向構(gòu)件強(qiáng)度的真實(shí)影響，如枕梁等。TB 1335—1978標(biāo)準(zhǔn)考慮新設(shè)計(jì)車輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，貨車應(yīng)能承受7 km/h的調(diào)車沖擊，車鉤縱向力達(dá)200 t；客車沖擊試驗(yàn)時(shí)車鉤縱向力最大達(dá)120 t，客車縱向力原來考慮了回送可能編入貨物列車的情況，鑒于這種情況很少發(fā)生，故數(shù)值保持不變。

在修訂的TB/T 1335—1996標(biāo)準(zhǔn)中，第二工況單端沖擊和雙端壓縮數(shù)值相同，主要基于：非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，即調(diào)車沖擊與低速緊急制動(dòng)和列車啟動(dòng)時(shí)的縱向力應(yīng)相同，據(jù)此確定調(diào)車沖擊速度，是一種有利于提高調(diào)車速度的科學(xué)而合理的方法。同時(shí)，通過對(duì)車輛在各種狀態(tài)如車鉤間隙、不同緩沖器組合、不同車輛數(shù)、各種載重、空重車混編及不同連掛速度下的計(jì)算，得到車輛調(diào)車沖擊時(shí)所受到的縱向沖擊力及加速度。根據(jù)80年代初的大量沖擊試驗(yàn)結(jié)果，以車輛車體能承受的最大縱向沖擊力229.0 t和縱向加速度4.0g為出發(fā)點(diǎn)，提出各種車輛、緩沖器、調(diào)車連掛速度三者之間應(yīng)遵守的關(guān)系以及評(píng)價(jià)各種載重車輛的強(qiáng)度時(shí)應(yīng)遵守的基本準(zhǔn)則。隨著列車操縱控制技術(shù)的發(fā)展，列車制動(dòng)工況產(chǎn)生的制動(dòng)力大為減小。運(yùn)用和試驗(yàn)表明，制動(dòng)工況產(chǎn)生的縱向力已遠(yuǎn)小于調(diào)車工況產(chǎn)生的縱向力。

我國(guó)機(jī)車強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有TB/T 2541—2010《機(jī)車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范》，機(jī)車縱向力試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)最早借鑒我國(guó)鐵路貨車取值標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 鐵組

鐵組標(biāo)準(zhǔn)體系主要以俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15-18]為主。車輛強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)有3種工況、5種作用方式，即工況Ⅰ拉伸和壓縮，工況Ⅲ拉伸和壓縮，工況Ⅱ拉伸(或壓縮)?？v向力是在隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)分析及多年的試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，采用載荷組合理論確定的。1983年版《交通部軌距1 520 mm鐵路新造和改造(非自動(dòng))車輛計(jì)算和設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下稱《規(guī)范》)規(guī)定：第Ⅰ工況是指列車啟動(dòng)、退行或低速下緊急制動(dòng)以及調(diào)車作業(yè)車輛互撞；第Ⅲ工況是指列車以最高容許速度運(yùn)行并進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)等；第Ⅱ工況是指客車編入貨車時(shí)，列車運(yùn)行于計(jì)算坡道。1996年版《規(guī)范》將第Ⅱ工況改為附加特殊的工況，用于個(gè)別車型并以該車輛為特征的載荷的組合(如裝卸作業(yè)、修理作業(yè)等載荷)。1984年版《規(guī)范》(至今沒有變化)規(guī)定，在初步設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，列車和調(diào)車作業(yè)中發(fā)生的重車質(zhì)量慣性力允許按如下方法確定：

在低速運(yùn)行和緊急制動(dòng)、沖擊、駝峰調(diào)車場(chǎng)時(shí)(工況Ⅰ)減速度(加速度)：4軸貨車3.5g，客車4.5g；

在正常速度運(yùn)行和帶有沖擊的常用制動(dòng)時(shí)(工況Ⅲ)減速度(加速度)：4軸貨車1.0g，編于貨物列車的客車1.5g；

在正常速度和較高速度運(yùn)行、無沖擊的常用制動(dòng)和調(diào)速制動(dòng)時(shí)(工況Ⅲ的部分情況)，全部車輛減速度為0.2g；

此外，還規(guī)定了抗脫軌安全性的縱向力，規(guī)定了空車以一定的速度行進(jìn)在不同的曲線半徑線路上的縱向力限值。

3.3 北美

北美鐵道協(xié)會(huì)AAR標(biāo)準(zhǔn)以運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，主要有3種組合工況、3種作用方式，即牽引載荷(拉伸或壓縮)、車端壓縮載荷、沖擊載荷3種作用方式。1929年AAR規(guī)定載荷基本組合的縱向載荷分別為25×104lb(113 t)、50×104lb(227 t)和100×104lb(454 t)。454 t沖擊載荷與10 mile/h(約16.1 km/h)沖擊力相當(dāng)。而美國(guó)編組站調(diào)車沖擊速度高達(dá)14 mile/h(約22.5 km/h)以上，因此，1964年AAR規(guī)定貨車沖擊試驗(yàn)需承受14 mile/h的沖擊速度，載荷達(dá)125×104lb(545 t)。AAR《鐵道貨車制造規(guī)范》(1964年版)規(guī)定貨車牽引載荷為30×104lb(136 t)，端部壓縮載荷為80×104lb(363 t)，沖擊載荷為100×104lb(454 t)或125×104lb(545 t)，許用應(yīng)力分別為屈服點(diǎn)除以1.8載荷系數(shù)、屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度。AAR M 1001：1996《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》規(guī)定的縱向載荷見表5。

表5 AAR M 1001：1996《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》規(guī)定的縱向載荷

美國(guó)公共運(yùn)輸協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)APTA SS-C&S 034：1999，Rev.2《鐵道客車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了結(jié)構(gòu)和耐碰撞性要求，適用于美國(guó)常規(guī)鐵路系統(tǒng)的所有類型的新造客運(yùn)裝備，包括機(jī)車牽引裝備、動(dòng)車組車輛、不載客的動(dòng)力車和機(jī)車。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了端部靜態(tài)壓縮強(qiáng)度要求，有碰撞能量管理 (CEM)系統(tǒng)且?guī)Ъ羟熊囥^的車體壓縮力為2 560 kN，無CEM系統(tǒng)的車體壓縮力為3 560 kN，車體結(jié)構(gòu)應(yīng)不產(chǎn)生永久變形。

3.4 歐洲

1950年，UIC在荷蘭烏德勒支組建國(guó)際鐵路聯(lián)盟實(shí)驗(yàn)研究所(ORE)，1991年更名為歐洲鐵道研究所(ERRI)，其研究報(bào)告(RP)給出的標(biāo)準(zhǔn)有 4種組合評(píng)定工況、5種作用方式，即垂向載荷、牽引載荷、200 t壓縮載荷加垂向靜載荷、15 km/h與17 km/h速度沖擊4種工況[19-21]。UIC 577 OR《貨車的載荷》和UIC 566 OR《客車車體及其零部件的載荷》規(guī)定的縱向載荷見表6。EN 12663：1999《鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定的縱向載荷見表7。UIC國(guó)際聯(lián)運(yùn)客車與EN 12663中P-Ⅰ類客車壓縮載荷相同。UIC 566和EN 12663均適用于多個(gè)國(guó)家，壓縮載荷取值較大。EN 12663中固定編組車輛(P-Ⅱ類)壓縮載荷比P-Ⅰ類客車低，是因?yàn)楣潭ň幗M列車自帶動(dòng)力，幾乎不需要機(jī)車調(diào)車，各國(guó)對(duì)這類車輛的運(yùn)營(yíng)管理比較重視且運(yùn)營(yíng)管理水平較高。EN 12663中P-Ⅲ類、P-Ⅳ類和P-Ⅴ類(城軌車輛)也屬于固定編組車輛，但由于車輛自重小，多在專用線路上運(yùn)行，且車輛端部大多采用了吸能裝置(如壓潰管、車端吸能器等)，故壓縮載荷要求更低。EN 12663中P-Ⅰ類客車?yán)燧d荷要求與UIC 566中的國(guó)際聯(lián)運(yùn)客車相同，數(shù)值優(yōu)先按歐洲常用慣例1 000 kN取值，但也保留了與UIC 566同樣的1 500 kN。拉伸載荷還與列車編組長(zhǎng)度、車輛質(zhì)量、車鉤緩沖裝置形式、列車動(dòng)力配置有關(guān)，動(dòng)力分散固定編組列車承受的拉伸載荷更小。EN 12663規(guī)定P-Ⅲ類、P-Ⅳ類、P-Ⅴ類車輛拉伸載荷由運(yùn)營(yíng)商和設(shè)計(jì)者商定。

4 世界鐵路縱向載荷設(shè)計(jì)發(fā)展歷程溯源分析

4.1 中國(guó)鐵路車輛縱向載荷設(shè)計(jì)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過程

4.1.1 縱向載荷取值變化

縱向力與列車牽引重量、列車動(dòng)力分布類型、運(yùn)行速度、制動(dòng)形式、鉤緩裝置形式和性能等因素密切相關(guān)?？紤]軸重和列車牽引重量的變化，縱向力取值標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定經(jīng)歷了幾次修改，主要有TB 1335—1978與TB/T 1335—1996，1996—2019年間通過會(huì)議紀(jì)要和文件方式補(bǔ)充規(guī)定了縱向力，2020年中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán))頒布了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CR 793—2020《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件(暫行)》(原鐵總文件TJ/CL 025—2012)。具體變化如下：

1978年以前，中國(guó)尚無鐵路強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，更無縱向載荷設(shè)計(jì)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1978年，參照前蘇聯(lián)1954年版《鐵路員工技術(shù)手冊(cè)》第六卷第八分冊(cè)，借鑒前蘇聯(lián)鐵路標(biāo)準(zhǔn)體系，制定了TB 1335—1978《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》，規(guī)定縱向力取200 t(1 962 kN)。1980年，鐵道部組織了敞車沖擊試驗(yàn)和過駝峰試驗(yàn)以驗(yàn)證相關(guān)縱向沖擊力標(biāo)準(zhǔn)。1993年，制定了TB/T 2369《鐵道車輛沖擊試驗(yàn)方法與技術(shù)條件》。

表6 UIC 577 《貨車的載荷》和UIC 566 《客車車體及其零部件的載荷》規(guī)定的縱向載荷 kN

表7 EN 12663《鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定的縱向載荷 kN

1996年，對(duì)TB 1335—1978《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》進(jìn)行了修訂，修訂后的TB/T 1335—1996規(guī)定縱向沖擊力取2 500 kN或沖擊試驗(yàn)速度8 km/h，先達(dá)到為止。

2003年初，鐵道部提出大秦線開行2萬t列車，以滿足年運(yùn)量2億t的要求?！洞笄鼐€運(yùn)輸擴(kuò)能貨車技術(shù)研討會(huì)會(huì)議紀(jì)要》(運(yùn)裝貨車[2003]63號(hào)，以下稱《會(huì)議紀(jì)要》)確定2萬t列車設(shè)計(jì)車體強(qiáng)度第一工況縱向拉伸載荷取2 250 kN、壓縮載荷取2 500 kN，第二工況縱向壓縮載荷取2 800 kN。大秦線重載貨車規(guī)定縱向沖擊力取2 800 kN或沖擊試驗(yàn)速度8 km/h。

2004年，鐵道部立項(xiàng)計(jì)劃開發(fā)25 t軸重70 t級(jí)敞車(2004J009-A)。根據(jù)我國(guó)大秦線萬噸列車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)最大拉鉤力148.7 t，最大壓鉤力163 t，按此數(shù)值推算，牽引總重1.2萬t列車用最大拉鉤力應(yīng)不小于180 t，最大壓鉤力應(yīng)不小于196 t，即第一工況縱向拉伸力為1 780 kN，壓縮力為1 920 kN，第二工況縱向壓縮力為2 500 kN。這只是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的推算結(jié)果，僅作為強(qiáng)度計(jì)算參考，最終應(yīng)以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)?？萍佳b[2004]104號(hào)文明確規(guī)定了萬噸列車的通用貨車縱向沖擊力為2 500 kN或沖擊試驗(yàn)速度8 km/h。

2012年，鐵道部發(fā)布《大軸重鐵路貨車總體技術(shù)條件(暫行)》(鐵科技[2012]154號(hào))，規(guī)定27 t軸重鐵路通用貨車、30 t軸重專用貨車的考核標(biāo)準(zhǔn)：27 t軸重通用貨車縱向力與70 t級(jí)敞車相同，30 t軸重專用貨車與《會(huì)議紀(jì)要》的規(guī)定相同。上述變化是以軸重和編組為主線，也可按通用貨車和專用貨車(在專用線路上的運(yùn)煤敞車)基于列車編組輛數(shù)和牽引制動(dòng)控制系統(tǒng)綜合考慮縱向力工況。我國(guó)21 t軸重60 t級(jí)通用貨車、23 t軸重70 t級(jí)通用貨車、25 t軸重80 t級(jí)專用貨車沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊試驗(yàn)速度8 km/h下，車鉤縱向沖擊力在2 000 kN左右。

4.1.2 縱向載荷第一工況和第二工況來源確定

1978年制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，縱向載荷取值根據(jù)機(jī)車的啟動(dòng)牽引力計(jì)算確定。針對(duì)新設(shè)計(jì)車輛的縱向載荷，貨運(yùn)機(jī)車啟動(dòng)牽引力按80 t計(jì)算，客運(yùn)機(jī)車按40～45 t計(jì)算。針對(duì)新設(shè)計(jì)車輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，貨車按承受7 km/h的調(diào)車沖擊，車鉤縱向力達(dá)200 t；客車沖擊試驗(yàn)時(shí)的車鉤縱向力最大達(dá)120 t。按當(dāng)時(shí)已有的客運(yùn)機(jī)車機(jī)型最大牽引力約為43 t計(jì)算，客車可能產(chǎn)生的最大縱向力為43×2.52=108 t，與貨車第一工況相近，因而，客車不考慮第二工況。

1989年鐵道部的《鐵道車輛強(qiáng)度課題研究》同樣認(rèn)為：當(dāng)牽引定數(shù)達(dá)一定量之后，列車最大縱向力與列車總重?zé)o明顯關(guān)系，但與啟動(dòng)總牽引力成正比。按照雙機(jī)總牽引力880～892 kN來確定最大縱向力為2 218～2 248 kN。1996年修訂TB 1335—1978標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，最大縱向力按2 250 kN取值；提出車輛作用載荷的最大可能理論，按“最大可能組合”原則：第一工況縱向壓縮力為2 250×0.625=1 406 kN，建議取1 400 kN，縱向拉伸力為1 125 kN。車鉤拉伸破壞載荷為1 406.25×2.48=3 457.5 kN，取整為3 500 kN。TB 1335—1978標(biāo)準(zhǔn)第一工況和第二工況縱向載荷均來源于此。

4.1.3 縱向載荷相關(guān)科研課題研究

由中車青島四方車輛研究所有限公司負(fù)責(zé)的2011年鐵道部科技發(fā)展計(jì)劃重大項(xiàng)目《重載貨車研究——30 t軸重貨車考核標(biāo)準(zhǔn)研究》(2011J005-C)，對(duì)各種車型和不同軸重的貨車沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了匯總分析研究，提出了30 t軸重貨車的縱向載荷取值建議[22]。課題在TB/T 1335—1996和TB 1335—1978的基礎(chǔ)上，綜合我國(guó)21 t軸重60 t級(jí)通用貨車、23 t軸重70 t級(jí)通用貨車、25 t軸重80 t級(jí)專用貨車、27 t軸重80 t級(jí)通用貨車各項(xiàng)試驗(yàn)(70 t級(jí)通用貨車載荷譜試驗(yàn)、C80B型敞車載荷譜試驗(yàn)、大秦線多次大型綜合試驗(yàn)、朔黃線綜合試驗(yàn)、晉中南線重載試驗(yàn))及運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，借鑒北美、俄羅斯、歐盟等世界各國(guó)鐵路運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)貨車的編組調(diào)車作業(yè)與運(yùn)行工況的車鉤縱向沖擊載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析研究，給出了我國(guó)30 t軸重鐵路專用貨車在2萬t編組條件下考核標(biāo)準(zhǔn)取值建議：第一工況縱向拉伸載荷取1 554 kN，取整為1 600 kN；縱向壓縮載荷取1 733 kN，取整為1 800 kN。第二工況縱向壓縮載荷取2 427 kN，考慮多車動(dòng)態(tài)沖擊力增加25%的情況[23]，為3 034 kN，取整為3 000 kN，此時(shí)按材料的屈服極限考核；縱向拉伸載荷取2 036 kN，取整為2 000 kN。

4.2 美國(guó)鐵路貨車縱向載荷取值變化的歷程

北美鐵道協(xié)會(huì)AAR在1964年版《鐵道貨車制造規(guī)范》中規(guī)定了縱向載荷與垂向載荷的3種基本組合，分別為：(1)牽引載荷300 000 lb(約136 t)與自重及有效載荷組合； (2)端部壓縮載荷800 000 lb(約363 t)與自重及有效載荷組合；(3)沖擊載荷1 000 000 lb(約454 t)，同時(shí)定義了由縱向載荷參與組合的各工況，并對(duì)參與組合的各載荷定義了載荷系數(shù)。

AAR在2015年版《鐵道貨車制造規(guī)范》中規(guī)定了貨車的縱向載荷：牽引載荷和壓縮載荷均為350 000 lb(1 557 kN)，用于組合列車的散貨車輛的縱向力為500 000 lb(2 225 kN)，車端壓縮載荷為1 000 000 lb(4 450 kN)。其中明確了由縱向載荷參與的組合工況中，對(duì)于載重、車體自重和牽引載荷(壓縮載荷)單獨(dú)作用或組合作用的所有狀態(tài)，各載荷的載荷系數(shù)均取1.8，許用應(yīng)力取屈服極限或80%極限強(qiáng)度中的較低值，或取臨界屈曲應(yīng)力；對(duì)于由載重，車體自重，叉車、裝載拖車的牽引車或車端壓縮載荷的組合作用所形成的所有臨界狀態(tài)，各載荷的載荷系數(shù)均取1.0，許用應(yīng)力取屈服極限或80%極限強(qiáng)度中的較低值，或取臨界屈曲應(yīng)力。

4.3 俄羅斯鐵路貨車縱向載荷取值變化的歷程

1934年版《1 524 mm寬軌鐵路車輛設(shè)計(jì)基本資料》是原蘇聯(lián)最早的車輛設(shè)計(jì)參考規(guī)范，自動(dòng)車鉤時(shí)縱向沖擊力取80 t，牽引力取65 t。在《鐵路員工技術(shù)手冊(cè)》第六卷第八分冊(cè)的基礎(chǔ)上修訂頒布實(shí)施了《交通部軌距1 520 mm鐵路新造和改造(非自動(dòng))車輛計(jì)算和設(shè)計(jì)規(guī)范》。《鐵路員工技術(shù)手冊(cè)》是根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)編寫的關(guān)于車輛計(jì)算、設(shè)計(jì)和評(píng)定的規(guī)定，沒有經(jīng)過程序批準(zhǔn)，不是強(qiáng)制性的，是建議和參考資料，故1953年由國(guó)家立法頒布實(shí)施?！惰F路員工技術(shù)手冊(cè)》規(guī)定，貨車強(qiáng)度計(jì)算時(shí)縱向壓縮力取100 t，縱向拉伸力取80 t，同時(shí)還補(bǔ)充規(guī)定車體端部載荷為362 t。俄羅斯鐵道車輛縱向載荷取值變化見表8。

1983年版《規(guī)范》規(guī)定，貨車強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，第Ⅰ工況縱向壓縮力取 -2 500 kN，對(duì)于從駝峰上溜放的貨車縱向壓縮力取 -3 000 kN，拉伸力取+2 500 kN，在壽命期內(nèi)重復(fù)次數(shù)為1 000～1 500次。第Ⅲ工況縱向壓縮力和拉伸力均取1 000 kN，在壽命期內(nèi)重復(fù)次數(shù)為2.5×105次。第Ⅱ工況縱向拉伸力均取1 500 kN。

1996年版《規(guī)范》規(guī)定，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，主型貨車(不含保溫車、漏斗車和自翻車)第Ⅰ工況準(zhǔn)靜態(tài)力的壓縮力取-3 000 kN、拉伸力取+2 500 kN，沖擊力的壓縮力取-3 000 kN、拉伸力取+2 500 kN。而第Ⅲ工況準(zhǔn)靜態(tài)力和沖擊力的壓縮力均取-1 000 kN、拉伸力均取+1 000 kN。進(jìn)一步明確規(guī)定了2種基本工況(第Ⅰ工況、第Ⅲ工況)和1種附加特殊工況(第Ⅱ工況)。同時(shí)，給出了運(yùn)用一年內(nèi)的車輛縱向力統(tǒng)計(jì)分布。在運(yùn)用條件下，符合工況Ⅲ的是列車中的車輛在周期性的常用調(diào)速制動(dòng)、中等的碰撞和溜放、車輛編組作業(yè)時(shí)，以允許速度直至構(gòu)造速度運(yùn)行于線路的直線、曲線區(qū)間和道岔的情況。附加的特殊工況Ⅱ，用于個(gè)別車型并以該車輛為特征的載荷的組合(如裝卸作業(yè)、修理作業(yè)等載荷)。

1996年版《規(guī)范》于2000年第1次進(jìn)行了修訂，主型貨車(不含保溫車、漏斗車和自翻車)第Ⅰ工況準(zhǔn)靜態(tài)力的壓縮力由-3 000 kN改為-2 500 kN、拉伸力由+2 500 kN改為+2 000 kN。第Ⅰ工況沖擊力的壓縮力、拉伸力以及第Ⅲ工況的準(zhǔn)靜態(tài)力、沖擊力均沒有修改。2002年第2次修訂時(shí)對(duì)主型貨車縱向力的規(guī)定也沒有修改。

表8 俄羅斯鐵道車輛縱向載荷取值變化 kN

4.4 歐盟鐵路車輛縱向載荷取值溯源

從歐洲關(guān)于縱向沖擊力理論和試驗(yàn)研究的文獻(xiàn)可知[2]，通常縱向力取200 t，至少可非常接近地控制住在實(shí)際運(yùn)用條件下所產(chǎn)生的沖擊力，所以規(guī)定貨車所受的最大沖擊速度為15 km/h，這雖不符合現(xiàn)行的運(yùn)行規(guī)章，卻符合實(shí)際的極限值。針對(duì)正常運(yùn)行的客車，如此高的沖擊速度幾乎不加以考慮，但從安全角度出發(fā)，仍采用相同的力來計(jì)算?；贠RE B7委員會(huì)的研究，UIC規(guī)程車體強(qiáng)度規(guī)定：緩沖器間靜壓縮強(qiáng)度取2 000 kN，自動(dòng)車鉤間靜壓縮強(qiáng)度取2 500 kN，自動(dòng)車鉤間牽引強(qiáng)度取1 500 kN，靜壓縮強(qiáng)度(對(duì)角緩沖器間)取500 kN，距軌面350 mm處?kù)o壓縮強(qiáng)度取400 kN。

4.5 縱向載荷工況比較分析

4.5.1 設(shè)計(jì)理念和注重點(diǎn)

北美、歐洲、俄羅斯、日本等國(guó)家的縱向載荷標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別在于設(shè)計(jì)理念和注重點(diǎn)。北美鐵路貨車最大縱向載荷取5 560 kN，來源于碰撞沖擊事故，其試驗(yàn)沖擊速度也規(guī)定為22.5 km/h。美國(guó)鐵道客車有CEM且?guī)Ъ羟熊囥^的車體壓縮載荷為2 560 kN，無CEM 系統(tǒng)時(shí)為3 560 kN。歐洲強(qiáng)調(diào)發(fā)生事故后的消極防護(hù)，UIC 577 OR、UIC 566 OR和EN 12663側(cè)重運(yùn)輸貨物完好和乘客的安全性，要求承受縱向載荷大，對(duì)車端強(qiáng)度要求很高。EN 12663依據(jù)車輛種類規(guī)定了不同的縱向載荷：干線客車為1 500 kN 或2 000 kN，城軌車輛為800 kN。我國(guó)TB /T 1335規(guī)定客車縱向壓縮載荷為1 180 kN。UIC 566 OR規(guī)定車體縱向壓縮載荷為2 000 kN。日本追求輕量化車體結(jié)構(gòu)，一般通過信號(hào)、列車控制方面來保證安全性。日本JIS E 7105規(guī)定的縱向載荷最低，客車縱向壓縮載荷為980 kN、拉伸載荷為490 kN，而對(duì)車端載荷沒有明確要求。

4.5.2 縱向載荷組合和評(píng)定

對(duì)于組合載荷作用， UIC 566 OR規(guī)定縱向載荷與超常載荷疊加，也就是在最大載重情況下發(fā)生最大縱向載荷；EN 12663規(guī)定縱向載荷與最大靜載荷和最小靜載荷分別疊加，也就是在靜態(tài)最大載重情況下發(fā)生最大縱向載荷或在靜態(tài)最小載重情況下發(fā)生最大縱向載荷。日本規(guī)定縱向載荷與1.1倍的空車垂向靜載荷疊加，也就是僅考慮空車狀態(tài)下才發(fā)生最大縱向載荷。

5 中國(guó)鐵路車輛縱向載荷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)解析

確定載荷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須考慮其作用特性，包括靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的，單次作用的或重復(fù)作用的，以及制造車輛材料能否承受所有特性的力的作用等因素。

5.1 評(píng)定方法

各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定方法不同。俄羅斯、TB、UIC考慮標(biāo)準(zhǔn)體系，根據(jù)運(yùn)用工況統(tǒng)計(jì)載荷分布與作用次數(shù)，考慮安全系數(shù)，按材料的許用應(yīng)力評(píng)價(jià)，試驗(yàn)載荷為基本作用載荷。AAR標(biāo)準(zhǔn)體系根據(jù)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)、事故結(jié)果分析(裂損)確定最大載荷。正常運(yùn)用工況下，載荷強(qiáng)化相當(dāng)于增大安全系數(shù)，按材料的屈服極限和強(qiáng)度極限評(píng)價(jià)，并考慮各種工況下的載荷系數(shù)，試驗(yàn)載荷為基本作用載荷乘以載荷系數(shù)，即采用加大試驗(yàn)載荷的方式進(jìn)行強(qiáng)度考核。

TB 1335規(guī)定試驗(yàn)載荷應(yīng)最大限度地模擬試件實(shí)際運(yùn)用時(shí)的受力狀態(tài)，試驗(yàn)載荷應(yīng)不小于基本作用載荷。許用應(yīng)力可理解為在已知因素下所產(chǎn)生應(yīng)力的限度。AAR與TB 1335強(qiáng)度評(píng)價(jià)本質(zhì)相同，但需要對(duì)其不同的安全系數(shù)及載荷系數(shù)進(jìn)行考核。

歐洲按安全系數(shù)為1.15考慮，折算壓縮載荷為1 725 kN、拉伸載荷為1 150 kN，歐洲列車相對(duì)來說安全性更好，但車體自重大。TB/T 3541—2016《動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)》和《200 km/h及以上速度級(jí)鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定暫行規(guī)定》(以下稱《暫規(guī)》)中拉伸載荷以及動(dòng)力集中式的壓縮載荷與歐洲標(biāo)準(zhǔn)一致，動(dòng)力分散式壓縮載荷介于日本標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)之間，但是許用應(yīng)力安全系數(shù)高達(dá)1.5，折算拉伸載荷為1 500 kN、壓縮載荷為2 250 kN (動(dòng)力集中式)和1 500 kN (動(dòng)力分散式)，比歐洲標(biāo)準(zhǔn)還要高。考慮到我國(guó)車體制造用材質(zhì)及工藝方面與國(guó)外仍有差距，《暫規(guī)》對(duì)車鉤壓縮以及拉伸載荷取值的規(guī)定還是合理的。

5.2 靜載荷

俄羅斯一般指靜載荷工況，動(dòng)載荷和載荷重復(fù)性的影響一般在許用應(yīng)力中考慮。我國(guó)鐵路車輛強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)在1978年制定時(shí)也沿襲了俄羅斯鐵路的理念。1996年修訂時(shí)，又強(qiáng)化“以動(dòng)化靜”的理念，主要考慮降低強(qiáng)度試驗(yàn)的工作量，節(jié)約時(shí)間和試驗(yàn)成本，因?yàn)閯?dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)需要提供測(cè)試線路條件，增本耗時(shí)。垂向動(dòng)荷系數(shù)來源于俄羅斯的統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式。對(duì)于縱向載荷工況，也是以靜壓縮力考慮，通過沖擊試驗(yàn)來模擬動(dòng)態(tài)的壓縮力。

5.3 動(dòng)載荷(沖擊載荷與沖擊速度)

沖擊速度是調(diào)車編組自動(dòng)化對(duì)車輛提出的要求。隨著牽引重量的不斷增加，列車在啟動(dòng)、運(yùn)行中產(chǎn)生的縱向力比緩沖器壓死允許的力還要大。鑒于這種情況，許多國(guó)家一方面研究開發(fā)大容量緩沖器，另一方面把沖擊速度限制在所產(chǎn)生的縱向力與運(yùn)行中產(chǎn)生的最大力相當(dāng)，既有利于提高編組速度，加速車輛周轉(zhuǎn)，也有利于發(fā)揮車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度潛能。70 t 級(jí)和80 t 級(jí)貨車大量沖擊試驗(yàn)表明，沖擊速度達(dá)到 8 km/h 時(shí)，車鉤力還遠(yuǎn)未達(dá)到 2 500 kN，沒有充分發(fā)揮車體抗沖擊能力。為考核車輛整體沖擊性能，在保證調(diào)車工況下的車鉤力不大于鉤舌最小破壞載荷的前提下，應(yīng)研究提高沖擊速度及縱向沖擊載荷的評(píng)定方法。

世界各國(guó)鐵路對(duì)貨車縱向沖擊載荷的規(guī)定為：北美鐵路縱向沖擊載荷為5 562 kN或沖擊試驗(yàn)速度22.5 km/h；歐盟縱向沖擊載荷為5 562 kN或沖擊試驗(yàn)速度為15 km/h；1984年前蘇聯(lián)、1996年俄羅斯的縱向沖擊載荷為3 000 kN或沖擊試驗(yàn)速度為12 km/h，2001年俄羅斯將縱向沖擊載荷降為2 500 kN或沖擊試驗(yàn)速度為12 km/h。比較分析認(rèn)為，2001年俄羅斯規(guī)定較合理。由于緩沖器性能提高，在相同的沖擊速度下，車鉤沖擊力有所降低。

俄羅斯鐵路研究表明，在車輛調(diào)車沖擊時(shí)縱向力和加速度最大，因此緩沖器動(dòng)力特性的主要指標(biāo)通常都是根據(jù)車輛沖擊時(shí)保證不發(fā)生事故來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在現(xiàn)有運(yùn)用條件下，車輛調(diào)車沖擊時(shí)的平均速度為7 km/h，其均方根差大約為1.8 km/h。貨車的沖擊設(shè)計(jì)速度，即由沖擊平均速度及其2倍的均方根差之和所決定的速度，在現(xiàn)有運(yùn)用條件下可取10.8 km/h，而在將來則可取12 km/h。對(duì)于不可沖擊的機(jī)保車、專用棚車和裝運(yùn)集裝箱的平車以及裝運(yùn)易損貨物的貨車，沖擊設(shè)計(jì)速度應(yīng)當(dāng)按平均沖擊速度加上其3倍的均方根差來確定，也就是說應(yīng)當(dāng)取14～15 km/h[24]。當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)1990年駝峰調(diào)車場(chǎng)上車輛的沖擊速度可達(dá)如下數(shù)值：平均沖擊速度為6.3 km/h，均方偏差為2.38 km/h，沖擊速度為11～12 km/h的累計(jì)頻次為0.028 8[25]。

雖然我國(guó)鐵路貨車標(biāo)準(zhǔn)提出按沖擊速度和車鉤力考核車體強(qiáng)度，以先達(dá)到為準(zhǔn)。但按沖擊速度考核車體強(qiáng)度不合適，應(yīng)該按車鉤力考核車體強(qiáng)度，因?yàn)椴煌能囆驮谕凰俣认碌能囥^力是不同的。1978年制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)不考慮沖擊速度，規(guī)定車鉤力達(dá)到200 t即可。1993年制定的TB/T 2369規(guī)定沖擊速度為10 km/h，也是考慮車鉤沖擊力。1996年，通過試驗(yàn)認(rèn)為沖擊速度7 km/h和車鉤力200 t有較好的一致性。沖擊速度提高到8 km/h有如下原因：(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際連掛速度(《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》最低要求為5 km/h，實(shí)際有可能超于該值)；(2)自重輕的車(如平車)，沖擊速度低，車鉤力達(dá)不到200 t。由于7 km/h和8 km/h差別不大，所以取8 km/h?！都家?guī)》是最低要求，但車體強(qiáng)度要有一定的安全裕量。通過試驗(yàn)并綜合當(dāng)時(shí)的情況，從俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)體系統(tǒng)計(jì)推斷確定的沖擊速度，沒有精確的理論依據(jù)。按概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如3σ原則，認(rèn)為3σ分布很難出現(xiàn)，一般取2σ，通用調(diào)車沖擊速度按2σ的取值作為最大可能值。

5.4 最大車鉤力

TB/T 1335—1996規(guī)定貨車車鉤拉伸載荷不得小于3 100 kN，第二工況的壓縮力為2 250 kN，未對(duì)拉伸力作規(guī)定。重載列車車輛縱向載荷應(yīng)提高到第二工況拉伸力和壓縮力均為2 500 kN，對(duì)重載長(zhǎng)大貨物列車減小縱向沖動(dòng)意義重大。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)如AAR規(guī)范，一般均對(duì)拉伸和壓縮工況下車輛強(qiáng)度有嚴(yán)格的要求?！兑?guī)范》(2002年修訂版)附錄1給出了在運(yùn)用一年內(nèi)經(jīng)車鉤作用于車輛的縱向拉伸力和壓縮力的統(tǒng)計(jì)分布：鐵路貨車在縱向力2 400～2 800 kN范圍內(nèi)，實(shí)際拉伸力和壓縮力的作用頻次分別為0.003 4 和0.019；循環(huán)數(shù)分別為60和120次。從國(guó)外車輛運(yùn)用情況可見，拉伸力和壓縮力無論力值大小和作用頻次多少，都不可忽視。

綜合來看，最大車鉤力的安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)需根據(jù)車鉤強(qiáng)度要求和車輛縱向載荷規(guī)定取其小者。最大車鉤力限度應(yīng)取2 250 kN，因?yàn)門B/T 1335—1996已明確規(guī)定該值為第二工況車輛縱向壓縮力，小于車鉤力標(biāo)準(zhǔn)。由于TB/T 1335—1996未規(guī)定第二工況縱向拉伸力，應(yīng)暫以重載列車第二工況縱向拉伸載荷2 500 kN作參考，結(jié)合車鉤拉伸強(qiáng)度要求，再考慮較大的安全裕量，可暫定2 000 kN，供今后制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)參考。采集分析鐵路貨車在線實(shí)際運(yùn)行及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，增加第二工況的縱向拉伸力要求，可全面反映列車啟動(dòng)、使車輛退行或低速制動(dòng)的車輛受拉較大的情況，提高貨車運(yùn)用可靠性。

6 中國(guó)鐵路機(jī)車車輛縱向載荷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法展望與建議

鐵路干線運(yùn)用的車輛在強(qiáng)度、運(yùn)行可靠性和安全性方面的標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)與現(xiàn)代和未來的運(yùn)用條件相適應(yīng)。這些條件是由綜合運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和科技成就的基礎(chǔ)上擬定的文件規(guī)定的。車輛設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的擬定乃是大量研究結(jié)果的綜合，其中包括車輛運(yùn)用工況及其不同工況的車輛動(dòng)力學(xué)性能研究，以及車輛所采用材料的疲勞特性和其他強(qiáng)度特性的研究。由此可見，在新標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)反映出車輛動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)度、運(yùn)用可靠性方面和相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域中最主要的成就。

鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算及試驗(yàn)評(píng)定應(yīng)真實(shí)反映實(shí)際作用載荷工況，而且留有足夠的安全裕量，同時(shí)安全裕量又不宜過大，以節(jié)約制造維修成本，要總結(jié)現(xiàn)有的貨車運(yùn)用條件并對(duì)未來的貨車運(yùn)用條件進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測(cè)。作用載荷的取值應(yīng)建立在以往多年大量的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，充分體現(xiàn)技術(shù)發(fā)展過程并能反映未來幾年乃至10年鐵路技術(shù)進(jìn)步的趨勢(shì)?；谏鲜鲈瓌t確定的載荷才能形成科學(xué)、合理、可行的標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)對(duì)比分析各國(guó)鐵路縱向載荷標(biāo)準(zhǔn)，追溯標(biāo)準(zhǔn)來源、使用條件、發(fā)展變化，研究分析其在中國(guó)的適用性。在我國(guó)TB/T 1335《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的基礎(chǔ)上，借鑒北美、俄羅斯、歐盟等世界各國(guó)鐵路的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)我國(guó)機(jī)車車輛運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)以及我國(guó)鐵路行業(yè)的大型科研項(xiàng)目、綜合試驗(yàn)，對(duì)各工況的車鉤縱向沖擊載荷進(jìn)行綜合分析研究，提出考核標(biāo)準(zhǔn)值。

(1) 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)貨車的編組調(diào)車作業(yè)與運(yùn)行工況進(jìn)行綜合分析研究，確定車鉤縱向設(shè)計(jì)載荷取值原則，提出考核標(biāo)準(zhǔn)取值建議。車體設(shè)計(jì)時(shí)縱向沖擊載荷要留有安全裕量，但并不是越大越好，還要同時(shí)兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。縱向力取值過大雖然提高了安全系數(shù)，卻使車體自重顯著增加，同時(shí)，對(duì)車鉤緩沖裝置的容量也有影響，這在各國(guó)都在力求車體輕量化的今天顯然不可?。贿^分追求車體的安全性，必然要在經(jīng)濟(jì)上付出代價(jià)。我國(guó)設(shè)計(jì)、工藝以及材質(zhì)方面與國(guó)外的差距日趨縮小，技術(shù)進(jìn)步已日漸顯現(xiàn)，在我國(guó)特有的運(yùn)用條件下對(duì)貨車縱向壓縮和拉伸載荷的取值也應(yīng)體現(xiàn)出技術(shù)成就。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)溯源。我國(guó)縱向載荷取值標(biāo)準(zhǔn)源于前蘇聯(lián)及俄羅斯的鐵路標(biāo)準(zhǔn)體系，并結(jié)合計(jì)算分析、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，基于統(tǒng)計(jì)推斷確定。中國(guó)鐵路綜合當(dāng)時(shí)車輛結(jié)構(gòu)及車鉤、緩沖器等關(guān)鍵零部件的各種情況，通過仿真分析，統(tǒng)計(jì)推斷不確定的項(xiàng)點(diǎn)，有針對(duì)性地作了一些必要試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上確定縱向載荷取值標(biāo)準(zhǔn)。從其歷史發(fā)展歷程看，采用類比方法，結(jié)合統(tǒng)計(jì)推斷法得出的結(jié)果更有實(shí)際意義。車鉤沖擊力的統(tǒng)計(jì)分析概率取值，TB按許用應(yīng)力評(píng)定，可以理解為按均值統(tǒng)計(jì)；如果按屈服極限評(píng)定，可以按1σ或2σ取值：按疲勞存活率95%取2σ，若認(rèn)為調(diào)車發(fā)生頻次較少不考慮疲勞則取1σ。

(3) 鑒于沖擊試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，應(yīng)補(bǔ)充試驗(yàn)，增加數(shù)據(jù)樣本，提高數(shù)據(jù)分析的可靠度。統(tǒng)計(jì)分析的關(guān)鍵是要有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)加強(qiáng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，研究分布規(guī)律和分散度，為進(jìn)一步制定沖擊條件提供依據(jù)。除加強(qiáng)試驗(yàn)外，還要加強(qiáng)理論分析，如用有限元法計(jì)算沖擊響應(yīng)，模擬沖擊運(yùn)用條件，研究傳遞函數(shù)，更有效地分析利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(4) 在《技規(guī)》規(guī)定的調(diào)車連掛沖擊速度不超過5 km/h的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，分析確定調(diào)車連掛沖擊速度。目前尚缺少貨車實(shí)際調(diào)車速度的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研測(cè)試組織難度高和工作量大，建議由國(guó)家鐵路局和國(guó)鐵集團(tuán)立專項(xiàng)分析調(diào)查試驗(yàn)研究。統(tǒng)計(jì)分析調(diào)車連掛沖擊速度，建議按概率統(tǒng)計(jì)2σ原則作為最大可能值。運(yùn)輸特殊貨物的特種貨車，采用3σ原則統(tǒng)計(jì)確定調(diào)車連掛沖擊速度。

(5) 評(píng)定準(zhǔn)則。應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)、載荷(作用工況)、強(qiáng)度(應(yīng)力結(jié)果)、評(píng)定(安全裕量)。第二工況壓縮力分靜態(tài)壓縮力和動(dòng)態(tài)沖擊力，靜態(tài)壓縮工況按許用應(yīng)力評(píng)定，動(dòng)態(tài)沖擊壓縮工況按材料的屈服極限評(píng)定。結(jié)構(gòu)、載荷、強(qiáng)度、許用應(yīng)力密不可分，強(qiáng)度還涉及安全系數(shù)。

(6) 增加車輛在曲線上縱向穩(wěn)定性分析試驗(yàn)考核工況。建議系統(tǒng)研究車輛在曲線上的受壓穩(wěn)定性，提出縱向載荷限值。