不同牽引總重下C80型貨車車鉤載荷譜演化分析

卓 卉，朱 濤，俞正寬，肖守訥

(1. 國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司, 北京 100120；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610031)

隨著重載鐵路的不斷發(fā)展，列車的編組數(shù)量、速度和牽引總重不斷提高，連掛車輛之間的縱向載荷也隨之增大，使車鉤的受力條件更為惡劣，導(dǎo)致鉤體和鉤舌等車鉤組成部件的裂紋故障率增加。研究車鉤的裂紋萌生和擴(kuò)展壽命，需根據(jù)實(shí)際情況制定的合理的車鉤載荷譜對(duì)其進(jìn)行疲勞臺(tái)架試驗(yàn)和數(shù)值仿真。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)采用線路實(shí)測(cè)的方法對(duì)多種不同貨車進(jìn)行了線路測(cè)試，得到貨車車體以及關(guān)鍵零部件的載荷譜，歸納整理后編入AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)的《貨車設(shè)計(jì)制造規(guī)范》中。此外，力拓礦業(yè)公司等也通過實(shí)際線路測(cè)試得到了重載貨車的載荷譜，并對(duì)典型工況下的零部件疲勞可靠性進(jìn)行了分析[1]。我國(guó)對(duì)鐵路貨車載荷譜的研究始于20世紀(jì)80年代，1988年，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院聯(lián)合上海鐵道學(xué)院等單位在上海—齊齊哈爾以及上?！钲谶@2條線路上進(jìn)行了車鉤載荷譜測(cè)試，同時(shí)完成了13型車鉤的載荷譜編制工作；2006—2016年，北京交通大學(xué)在我國(guó)大秦線、神朔線和朔黃線等主要的運(yùn)煤線路上進(jìn)行了一系列的車鉤載荷譜研究測(cè)試，并依據(jù)實(shí)際測(cè)試車鉤載荷譜對(duì)車鉤的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)[2-3]。

本文主要針對(duì)神朔線和朔黃線這2條運(yùn)煤線路，分別對(duì)1萬t和2萬t重載列車貨車車鉤力進(jìn)行仿真分析，并與現(xiàn)有實(shí)測(cè)的1萬t重載列車貨車車鉤載荷譜進(jìn)行對(duì)比分析[4]，在此基礎(chǔ)上通過對(duì)載荷進(jìn)行相應(yīng)的修正，得到更接近于實(shí)際的2萬t重載列車貨車車鉤載荷譜，以用于車鉤疲勞臺(tái)架試驗(yàn)。

1 車鉤力仿真

1.1 仿真線路條件

在神朔線和朔黃線上實(shí)際運(yùn)行的貨車，去程為重車，返程為空車。

1.1.1 神朔線

神朔鐵路由大柳塔至朔州西，整個(gè)神朔段鐵路的剖視圖大致上呈現(xiàn)W形走勢(shì)，最高海拔高度約為1 500 m，最低海拔高度約為833 m，最大的上下坡坡度均為12‰。圖1為神朔線仿真分析中的海拔落差設(shè)置。

圖1 神朔線仿真分析中的海拔落差設(shè)置

1.1.2 朔黃線

朔黃鐵路西起神池南，與神朔鐵路相連，東至黃驊港，全線總長(zhǎng)581.2 km。線路以下坡為主，包含2段長(zhǎng)大下坡道：神池南站至原平南站路段，最大坡度為-12‰，平均坡度為-9.1‰；南灣站至古月站路段，最大坡度為-12‰，平均坡度為-7.2‰。圖2為朔黃線仿真分析中的海拔落差設(shè)置。

圖2 朔黃線仿真分析中的海拔落差設(shè)置

1.2 列車編組

結(jié)合神華鐵路貨車運(yùn)輸有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“神華貨車公司”)現(xiàn)有的貨車編組形式與實(shí)測(cè)線路數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，綜合考慮分析后設(shè)置的相關(guān)仿真列車編組和牽引總重如表1所示。

表1 仿真1和仿真2列車編組和牽引總重情況

1.3 車鉤力-時(shí)間歷程

仿真1和仿真2的最惡劣鉤位車鉤力-時(shí)間歷程如圖3和圖4所示。

圖3 仿真1最惡劣鉤位車鉤力-時(shí)間歷程

圖4 仿真2最惡劣鉤位車鉤力-時(shí)間歷程

仿真1的列車編組形式和實(shí)測(cè)1萬t重載列車車鉤載荷譜的列車編組形式相同，仿真的最大車鉤拉力為1 059 kN；仿真2的列車編組形式與神朔線1萬t和朔黃線現(xiàn)有的2萬t重載列車編組形式相同，仿真的最大車鉤拉力為1 421 kN。

2 載荷譜處理

將仿真得出的載荷譜和實(shí)測(cè)的載荷譜按照統(tǒng)一的方法進(jìn)行處理，并對(duì)其頻次和載荷幅值進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)。具體的處理流程如圖5所示。

圖5 載荷譜處理流程圖

以下按照載荷譜處理流程對(duì)實(shí)測(cè)的1萬t重載列車貨車車鉤載荷譜進(jìn)行處理。

首先在車鉤力-時(shí)間歷程中將車鉤壓縮載荷去除，保留拉伸載荷。

通過雨流計(jì)數(shù)法得到的載荷具有不同的數(shù)值，需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，依據(jù)Goodman等壽命曲線將所有載荷轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)循環(huán)載荷。試驗(yàn)中的最小載荷取值為50 kN，因此統(tǒng)一將各個(gè)循環(huán)載荷轉(zhuǎn)換成最小值為50 kN的脈動(dòng)循環(huán)載荷。

零部件受到的載荷小于疲勞極限時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子小于門檻值，不產(chǎn)生損傷，對(duì)疲勞壽命不產(chǎn)生影響，因此去除該載荷以下的無損傷載荷。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，結(jié)合貨車車鉤實(shí)際運(yùn)用情況和仿真分析結(jié)果，選取車鉤鉤舌下牽引臺(tái)上長(zhǎng)度為60 mm、深度為12 mm的裂紋，施加不同的載荷并計(jì)算其應(yīng)力強(qiáng)度因子，和材料試驗(yàn)測(cè)試得出的門檻值(216.85 MPa·mm1/2)進(jìn)行比較，得出一個(gè)下限載荷值。研究結(jié)果顯示：對(duì)車鉤施加80 kN的載荷時(shí)，其裂紋處的應(yīng)力強(qiáng)度因子在門檻值以下，可認(rèn)為80 kN以下的載荷對(duì)裂紋擴(kuò)展幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響。因此在載荷譜處理時(shí)可以將小于80 kN的載荷去除。

以50 kN作為臺(tái)架試驗(yàn)的最小起始加載載荷，并根據(jù)載荷的大小對(duì)載荷進(jìn)行等間隔劃分，以1 200 kN作為最大載荷、200 kN作為最小載荷，不同載荷級(jí)別間隔200 kN，所有真實(shí)載荷均按照分級(jí)的上限載荷進(jìn)行處理，例如1 069 kN取值成1 200 kN；996 kN取值成1 000 kN，以此類推。根據(jù)以上準(zhǔn)則對(duì)實(shí)測(cè)的1萬t重載列車貨車車鉤載荷譜進(jìn)行分級(jí)處理，共分成6級(jí)載荷譜，相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)頻次如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)1萬t重載列車貨車車鉤載荷譜初步統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在列車的一個(gè)往返過程中，車鉤受到的小載荷的循環(huán)次數(shù)占比較高，因此需要根據(jù)損傷當(dāng)量折算，把相應(yīng)的小載荷折算到大載荷上，以提高臺(tái)架試驗(yàn)的效率。損傷當(dāng)量折算公式為：

(1)

式中：neq——折算后的載荷頻次；

Sai——折算前的載荷；

Seq——折算后的載荷；

ni——折算前的載荷頻次；

m——材料參數(shù)，對(duì)于鋼材而言，m=3[6]。

根據(jù)上述方法對(duì)仿真1和仿真2的載荷進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到最終的載荷幅值和頻次統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 仿真1和仿真2載荷譜最終統(tǒng)計(jì)

3 載荷譜對(duì)比修正

依據(jù)損傷當(dāng)量折算方法可以將所有等級(jí)的載荷換算至同一等級(jí)，并且將不同工況下的載荷譜換算至同一頻次下，這樣能更直接地對(duì)載荷幅值進(jìn)行比較。車鉤載荷譜處理結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 車鉤載荷譜處理結(jié)果對(duì)比

綜合以上的仿真分析結(jié)果，考慮到臺(tái)架試驗(yàn)載荷的準(zhǔn)確性以及與真實(shí)線路的匹配性，對(duì)實(shí)測(cè)車鉤載荷譜進(jìn)行適當(dāng)放大以與目前線路的真實(shí)載荷進(jìn)行相應(yīng)的匹配。

仿真1的輸入條件和實(shí)測(cè)車鉤載荷譜一致，將所有載荷轉(zhuǎn)換至同一頻次下時(shí)，實(shí)測(cè)載荷譜的載荷放大系數(shù)為仿真的1.052倍，由式(1)可知，二者之間的損傷倍數(shù)為1.0523=1.16，即實(shí)測(cè)載荷譜的總損傷為仿真1總損傷的1.16倍，二者的誤差較小，總體誤差在20%以內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真1仿真結(jié)果的可靠性。

仿真2是依據(jù)目前神華貨車公司現(xiàn)有2萬t重載列車編組進(jìn)行的仿真，將仿真2和仿真1的載荷進(jìn)行對(duì)比，得出其載荷放大系數(shù)為仿真1的1.23倍，同理，得出仿真2的損傷為仿真1的1.233倍，即1.86倍，可見2萬t牽引總重下載荷對(duì)車鉤疲勞損傷影響更大，因此需要對(duì)實(shí)測(cè)1萬t重載列車貨車車鉤載荷譜進(jìn)行相應(yīng)的修正，以得到近似于實(shí)際2萬t重載列車貨車車鉤載荷譜。修正原則為：實(shí)際2萬t重載列車貨車車鉤載荷譜=(仿真2載荷譜/仿真1載荷譜)×實(shí)測(cè)1萬t重載列車貨車車鉤載荷譜。

由于仿真2的載荷放大系數(shù)為仿真1的1.23倍，出于安全考慮，取1.25作為載荷放大系數(shù)對(duì)各級(jí)載荷幅值進(jìn)行相應(yīng)放大，頻次不變，得到的車鉤載荷譜如表5所示。

表5 修正后的仿真2車鉤載荷譜

疲勞試驗(yàn)載荷譜的加載類型主要有“低-高”“低-高-低”和“高-低”3種。不同的加載次序下對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響不同，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，采用“低-高-低”加載方式時(shí)的疲勞壽命與實(shí)際加載情況相近，為此車鉤疲勞試驗(yàn)載荷譜選用短周期、且“低-高-低”的加載方式。

在實(shí)際的車鉤疲勞臺(tái)架試驗(yàn)中，將頻次放大10倍作為一個(gè)循環(huán)，得到可用于車鉤臺(tái)架試驗(yàn)的最終載荷譜，如表6所示。

表6 車鉤疲勞臺(tái)架試驗(yàn)最終載荷譜

表6中，頻次總計(jì)為164次，放大10倍后總計(jì)為1 640次。頻次為164次的載荷譜對(duì)應(yīng)朔黃線一個(gè)來回的里程為1 640 km；在臺(tái)架試驗(yàn)過程中，將載荷譜頻次放大10倍作為一個(gè)循環(huán)，此時(shí)一個(gè)循環(huán)下的頻次為1 640次，對(duì)應(yīng)里程為16 400 km。

4 總結(jié)

本文對(duì)神華貨車公司1萬t和2萬t重載列車的貨車車鉤力進(jìn)行了仿真分析，并以實(shí)測(cè)的1萬t重載列車貨車車鉤載荷譜為基準(zhǔn)，采用仿真對(duì)比分析的方法，得到了2萬t重載列車貨車車鉤載荷譜。結(jié)論如下：

(1) 以神華貨車公司實(shí)際線路條件和列車編組為輸入對(duì)車鉤縱向力進(jìn)行仿真計(jì)算，將1萬t重載列車貨車車鉤載荷譜的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。

(2) 基于雨流計(jì)數(shù)和等損傷理論等方法，對(duì)仿真的1萬t、2萬t重載列車以及實(shí)測(cè)的1萬t重載列車的貨車車鉤載荷譜進(jìn)行處理分析，并進(jìn)行相應(yīng)的修正，由此得到了2萬t重載列車的貨車車鉤縱向力載荷譜，研究成果對(duì)車鉤疲勞壽命仿真和貨車臺(tái)架試驗(yàn)具有較高的工程運(yùn)用價(jià)值。