鐵路貨車轉(zhuǎn)向架靜態(tài)模擬試驗(yàn)研究

劉立平，王云華，韓金剛，閆云霞

（中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 豐臺(tái)車輛段，北京 100070）

鐵路貨車轉(zhuǎn)向架心盤和彈性旁承各自承載的垂向載荷是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定范圍，對(duì)車輛靜態(tài)力學(xué)性能有著決定性影響。垂向載荷在對(duì)車輛實(shí)現(xiàn)均衡承載的同時(shí)，還決定著車輛運(yùn)行時(shí)橫向擺動(dòng)的回轉(zhuǎn)力矩，因此，靜態(tài)力學(xué)性能是保障車輛動(dòng)力學(xué)性能的基礎(chǔ)要素。目前，貨車的靜態(tài)力學(xué)性能尚無(wú)明確的試驗(yàn)手段和標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)方法主要依靠控制彈性旁承等配件的尺寸參數(shù)等間接手段，偏差較大、離散性強(qiáng)，制約了貨車運(yùn)行品質(zhì)的穩(wěn)定和提升。

模擬靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)就是通過(guò)專用試驗(yàn)裝備，模擬貨車轉(zhuǎn)向架對(duì)空車車體部分的承載作用，取得心盤及左、右彈性旁承3個(gè)位置分別承載的垂向載荷值，在車輛落成前判定轉(zhuǎn)向架是否符合整車靜態(tài)力學(xué)性能要求。其主要目的是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向架靜態(tài)承載載荷偏差較大者進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，解決少數(shù)車輛運(yùn)行的失穩(wěn)周期短于車輛定檢周期帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)問題。

1 轉(zhuǎn)向架承載結(jié)構(gòu)分析

目前，我國(guó)通用鐵路貨車采用心盤和常接觸式旁承共同承載的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，主型為JC型彈性旁承（文中均以該型旁承為例）。在車輛落成時(shí)，通過(guò)控制彈性旁承的壓縮量來(lái)獲得合適的垂向支承載荷。需要測(cè)量和控制的參數(shù)主要有：

（1）彈性旁承組成自由狀態(tài)下旁承磨耗板上平面與滾子上部距離（如圖1所示的B，下同）。

（2）車輛落成時(shí)，上旁承磨耗板下平面與滾子上平面的距離（如圖2所示的S，下同）。

圖1 JC系列彈性旁承

圖2 旁承在車輛上的安裝位置示意圖

除下心盤提供的支承載荷外，彈性旁承通過(guò)上旁承給車體提供適當(dāng)?shù)闹С至支。為了在同一車輛的每個(gè)彈性旁承上取得合適的支承載荷，F(xiàn)支通過(guò)彈性旁承在車輛上安裝后的壓縮量ΔH（ΔH=B-S）確定，如式（1）。式中的“K”值即為彈性旁承的常溫垂直剛度，簡(jiǎn)稱剛度。無(wú)論是對(duì)于新品還是在壽命期內(nèi)使用的彈性旁承，其K值通常被視為在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

按工藝文件要求，在彈性旁承組成向轉(zhuǎn)向架安裝時(shí)，B值應(yīng)被限定為15+2-1mm；車輛落成時(shí)，S值應(yīng)被限定為5±1 mm。彈性旁承壓縮量ΔH的公稱值為10 mm。

對(duì)于裝用常溫垂直剛度為標(biāo)準(zhǔn)值的彈性旁承（即符合2.2±0.2 MN/m）的新制車輛，在壓縮量ΔH為標(biāo)準(zhǔn)值的理想情況下（空車工況），轉(zhuǎn)向架下心盤及各彈性旁承的理想承載載荷值可以通過(guò)各車型自重及轉(zhuǎn)向架標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)算，C64K等幾種常見車型的相關(guān)測(cè)算數(shù)值參見表1。

表1 幾種常見車型的標(biāo)準(zhǔn)載荷分布測(cè)算表

2 影響車輛靜態(tài)垂向載荷的因素分析

通過(guò)上面分析，車輛各彈性旁承的載荷值F支與其剛度K及壓縮量ΔH相關(guān)。

2.1 彈性旁承剛度離散性

根據(jù)JC型旁承的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，新品JC型彈性旁承剛度K范圍為2.2±0.2 MN/m，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，K值通常會(huì)不斷增大。為了分析彈性旁承剛度的變化情況，從10輛段修到期的敞車上卸下彈性旁承中隨機(jī)抽取了24塊進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)情況見表2。

表2 旁承剛度抽測(cè)情況表

從表2的數(shù)據(jù)可以分析得出以下結(jié)論：

（1）與新品旁承相比，彈性旁承在運(yùn)用后剛度均值明顯增大，增加量的平均值為0.55 MN/m，增大幅度25%。

（2）運(yùn)用旁承剛度值的離散程度較大。在24個(gè)旁承樣品中，最小7塊的均在新品標(biāo)準(zhǔn)值公差范圍內(nèi)，占比例30%；而最大3塊的平均值達(dá)3.44 MN/m，與新品標(biāo)準(zhǔn)值相差則達(dá)到56.4%。

（3）剛度值變化率與運(yùn)用時(shí)間缺乏的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即運(yùn)用旁承剛度增大的速率在壽命期內(nèi)不穩(wěn)定。

2.2 彈性旁承體壓縮量偏差

彈性旁承的實(shí)際壓縮量ΔH與公稱值的偏差來(lái)源于設(shè)計(jì)公差和測(cè)量誤差兩個(gè)方面，兩方面的誤差既有可能抵消，也有可能疊加。

2.2.1公差

由于ΔH實(shí)際值是通過(guò)測(cè)量B和S而確定的，B和S實(shí)際存在的公差擴(kuò)大了ΔH的允許偏差范圍。根據(jù)工藝規(guī)定：B為mm，S為5±1 mm，那么ΔH值就為

（1）長(zhǎng)期處于壓縮狀態(tài)的彈性旁承在載荷去除后過(guò)一段時(shí)間（通常在24 h左右）塑性變形才能較徹底的消除，因此，車輛原車裝用的彈性旁承在較短時(shí)間內(nèi)測(cè)量B時(shí)會(huì)稍小于實(shí)際值，屬于系統(tǒng)誤差。

（2）彈性旁承體檢修時(shí)如更換旁承磨耗板，或在旁承體與旁承座間加裝調(diào)整墊板時(shí)，存在的間隙會(huì)使B相比車輛運(yùn)用狀態(tài)偏大，屬于系統(tǒng)誤差。

（3）B的測(cè)量誤差，屬于偶然誤差。

（4）S的測(cè)量誤差，也屬于偶然誤差，但受檢測(cè)手段的限制誤差一般較大。

綜上所述，目前車輛維修對(duì)彈性旁承載荷F支的控制方法存在如下問題：

①?gòu)椥耘猿袆偠菿的離散性較大。

（2）緊扣基礎(chǔ)業(yè)務(wù)展開業(yè)務(wù)信息庫(kù)建設(shè)。應(yīng)當(dāng)借鑒公安機(jī)關(guān)人口管理信息系統(tǒng)、車輛管理信息系統(tǒng)、失蹤人查詢信息系統(tǒng)、贓物查詢系統(tǒng)等信息庫(kù)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行基礎(chǔ)業(yè)務(wù)信息庫(kù)的建設(shè)?；A(chǔ)業(yè)務(wù)信息庫(kù)的建設(shè)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體日常業(yè)務(wù)中職能部門日常工作流程和內(nèi)容的信息化轉(zhuǎn)型。在此基礎(chǔ)上，再針對(duì)職務(wù)犯罪調(diào)查進(jìn)行定位開發(fā)基礎(chǔ)信息庫(kù)。

②旁承壓縮量ΔH與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差范圍較大。

彈性旁承剛度K和旁承壓縮量ΔH的偏差因素發(fā)生疊加時(shí)，部分車輛各旁承的F支值就可能較多的偏離預(yù)定設(shè)計(jì)參數(shù)范圍，成為使車輛運(yùn)行品質(zhì)惡化的重要隱患。對(duì)車輛各支承位置進(jìn)行垂向載荷檢測(cè)就是針對(duì)的這一問題。

3 對(duì)車輛落成狀態(tài)的靜態(tài)模擬檢測(cè)方案

在車輛落成時(shí)，為了保證轉(zhuǎn)向加心盤和左、右旁承3個(gè)位置的垂向承載比例合理，可以采用在支承面預(yù)置專用傳感器的方法直接進(jìn)行載荷檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)范圍進(jìn)行對(duì)比，偏差過(guò)大時(shí)更換彈性旁承進(jìn)行調(diào)整。該方法的主要缺點(diǎn)為：一是每次載荷測(cè)量均需要在車輛修理完成和落成后進(jìn)行，在測(cè)量結(jié)束后需要重新架車取出傳感器，影響生產(chǎn)程序特別是維修程序的流暢性，制約生產(chǎn)和維修效率；二是無(wú)法對(duì)彈性旁承剛度這一重要參數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)。另外，若需更換彈性旁承時(shí)，須通過(guò)起架車作業(yè)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，安全性差。

靜態(tài)模擬檢測(cè)方案是在轉(zhuǎn)向架落成后進(jìn)行，方法是模擬該轉(zhuǎn)向架所對(duì)應(yīng)車型的空車工況，即：從下心盤和左、右旁承3個(gè)位置同時(shí)施加垂向載荷，使垂向載荷之和與車輛實(shí)際空車工況相當(dāng)，同時(shí)進(jìn)行位置模擬，通過(guò)彈性旁承的壓縮使上旁承磨耗板下平面與滾子上平面的距離S達(dá)到車輛標(biāo)準(zhǔn)工況。分別記錄3個(gè)承載位置的載荷值，并把測(cè)得的彈性旁承載荷F支與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)范圍進(jìn)行對(duì)比，對(duì)偏差過(guò)大者通過(guò)更換彈性旁承進(jìn)行調(diào)整。上述方案與車輛實(shí)際工況基本相當(dāng)，垂向載荷的檢測(cè)結(jié)果消除了彈性旁承剛度偏差及旁承壓縮量ΔH測(cè)量誤差等因素的影響。同時(shí)，模擬測(cè)量可以通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)采集的載荷值和壓縮量計(jì)算出彈性旁承的剛度值K，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性旁承的關(guān)鍵性能監(jiān)測(cè)。

從工藝流程的角度看，由于靜態(tài)模擬試驗(yàn)在車輛落成前的轉(zhuǎn)向架修竣工序完成，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)載荷分布或彈性旁承剛度存在偏差較大時(shí)，可以方便地更換彈性旁承進(jìn)行調(diào)配和重新測(cè)量。

4 轉(zhuǎn)向架靜態(tài)模擬性能試驗(yàn)

4.1 方案概述

在轉(zhuǎn)向架落成后使用模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)。

靜態(tài)模擬試驗(yàn)機(jī)在轉(zhuǎn)向架下心盤及左、右下旁承3個(gè)位置設(shè)置用于垂向加載的活塞。在試驗(yàn)時(shí)，一方面進(jìn)行載荷模擬，使同一轉(zhuǎn)向架下心盤和兩個(gè)彈性旁承所受垂向載荷之和與待落成車輛實(shí)際工況（空車）相當(dāng)，另一方面進(jìn)行位置模擬，使兩個(gè)下旁承相對(duì)于下心盤的垂直高度差與車輛實(shí)際工況一致，從而獲得轉(zhuǎn)向架的3個(gè)支承位置的垂向載荷分布，并計(jì)算出各彈性旁承的剛度值。

試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械原理圖參見圖3，系統(tǒng)各部分的工作結(jié)構(gòu)參見圖4。

4.2 模擬試驗(yàn)主要步驟

（1）預(yù)壓

左、右旁承對(duì)應(yīng)的活塞下移至與旁承頂面接觸的位置（即加載到0.3 kN，下同），施加載荷將旁承體壓縮5～10 mm后復(fù)位。預(yù)壓的目的是消除各部垂向間隙的誤差。

（2）B值測(cè)量

左、右旁承對(duì)應(yīng)的活塞移至與旁承頂面接觸的位置，然后由模擬試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量裝置對(duì)兩個(gè)彈性旁承組成進(jìn)行B值測(cè)量。根據(jù)B值測(cè)量結(jié)果確定載荷試驗(yàn)時(shí)的左右旁承壓縮量ΔH左和ΔH右：

其中，5 mm為S值的公稱值。

（3）加載試驗(yàn)

將各活塞施加垂向載荷下移，控制系統(tǒng)通過(guò)試驗(yàn)裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)時(shí)控制，在達(dá)到終止條件時(shí)各活塞停止加載。終止條件為：3個(gè)活塞的載荷之和達(dá)到模擬載荷值，同時(shí)，兩旁承對(duì)應(yīng)的活塞位移值為下心盤活塞位移值與其旁承壓縮量ΔH之和。

（4）剛度計(jì)算

模擬試驗(yàn)機(jī)的操作軟件對(duì)采集的F支依據(jù)式(3)進(jìn)行運(yùn)算。

在模擬試驗(yàn)測(cè)量剛度值K時(shí)，ΔH值為旁承體的實(shí)際壓縮量，由式(2)確定。

（5）試驗(yàn)結(jié)果的分析和判定

圖3 機(jī)械原理圖

圖4 系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)系統(tǒng)采集的3個(gè)活塞終止垂向載荷值、運(yùn)算獲得的旁承剛度值K等數(shù)值，依據(jù)預(yù)設(shè)的評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和判別。評(píng)價(jià)參數(shù)包括：下心盤的承載載荷比，左右旁承載荷差，彈性旁承剛度，B值等，并可給出下心盤工作高（含磨耗盤）及旁承墊板厚度推薦值等。

（6）優(yōu)化調(diào)配

當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果相比標(biāo)準(zhǔn)值存在較大偏差時(shí)，更換彈性旁承進(jìn)行調(diào)配，調(diào)配后重新進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

4.3 主要指標(biāo)

載荷測(cè)量精度：±200 N；

B值測(cè)量范圍：0～25 mm，精度：±0.2 mm；

試驗(yàn)時(shí)間：不大于3.5 min/次。

5 模擬試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用情況及建議

鐵路貨車轉(zhuǎn)向架靜態(tài)模擬試驗(yàn)機(jī)自樣機(jī)投入應(yīng)用后，已檢測(cè)超過(guò)110輛份轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K6型通用貨車轉(zhuǎn)向架（現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片見圖5），依據(jù)檢測(cè)結(jié)果先后對(duì)4臺(tái)支承載荷分布不合理的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了彈性旁承更換調(diào)整，達(dá)到了對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行檢測(cè)分析和優(yōu)化的目的，驗(yàn)證了試驗(yàn)方案的可行性。建議：

（1）在貨車廠、段修時(shí)開展轉(zhuǎn)向架靜態(tài)模擬性能試驗(yàn)，從而提高車輛運(yùn)行品質(zhì)穩(wěn)定周期與維修周期的匹配性。

（2）應(yīng)用同一轉(zhuǎn)向架3個(gè)支承位置的終止垂直高度，為車輛落成時(shí)應(yīng)加裝的旁承墊板和下心盤墊板厚度給出較精確工藝值，有效提高車輛旁承間隙S值的一次落成合格率，在車輛落成時(shí)減少反復(fù)架落車次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，提高作業(yè)安全性。

（3）在轉(zhuǎn)向架模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，利用HMIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)在役彈性旁承關(guān)鍵參數(shù)按不同運(yùn)用期限、不同制造廠家的大數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測(cè)。

（4）使用轉(zhuǎn)向架模擬試驗(yàn)機(jī)，對(duì)TPDS系統(tǒng)預(yù)警的運(yùn)行品質(zhì)不良貨車開展轉(zhuǎn)向架失效的輔助模擬分析，為貨車造修源頭質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支持。

目前，還缺乏對(duì)在役鐵路貨車靜態(tài)力學(xué)性能的評(píng)價(jià)規(guī)范和在用旁承剛度值的評(píng)價(jià)參數(shù)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向架模擬試驗(yàn)積累數(shù)據(jù)的分析和研究，將為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)的確定提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而對(duì)促進(jìn)鐵路貨車及轉(zhuǎn)向架承載性能的提升起到積極作用。