鐵路落下孔車橫向止擋載荷監(jiān)測技術(shù)與安全評估

李國飛，周偉，韓天虎，高尊軍，張港麗，張強(qiáng)

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，教育部軌道交通安全重點實驗室，湖南 長沙410075；2.中特物流有限公司，北京100070)

作為鐵路運(yùn)輸家族中的特殊成員—長大貨物車，雖然其數(shù)量較少，但承擔(dān)著超高壓輸變電設(shè)備、大型機(jī)電設(shè)備等國家重點工程建設(shè)項目的鐵路運(yùn)輸任務(wù)[1]。為保障大型設(shè)備的鐵路運(yùn)輸安全，對長大貨物車的運(yùn)輸監(jiān)測與安全評估具有重要的現(xiàn)實意義。目前，鐵路超限專列運(yùn)輸都安排有常規(guī)安全監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容涵蓋車體結(jié)構(gòu)動應(yīng)力、懸掛彈簧動靜撓度比和小底架心盤振動加速度等，針對上述監(jiān)測項點規(guī)定了相應(yīng)安全控制指標(biāo)，但這些監(jiān)測內(nèi)容并沒有包括止擋結(jié)構(gòu)等局部承載件的動載荷監(jiān)控，而這些局部承載結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)安全評估又是鐵路運(yùn)輸部門關(guān)心的重點。因此，亟待開展鐵路超限貨車止擋結(jié)構(gòu)件的動載荷在途監(jiān)測與安全評估研究。車輛運(yùn)輸動態(tài)載荷的監(jiān)測方法分為直接法與間接法。程相生等[2]通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，根據(jù)虛擬實驗統(tǒng)計分析推導(dǎo)出負(fù)重輪與特定點加速度之間的函數(shù)關(guān)系，間接獲取車輛動載；何磊等[3]提出一種基于應(yīng)變感知的汽車稱重裝置，利用載荷與結(jié)構(gòu)形變量之間的關(guān)系，間接獲取汽車載重；張瑞國等[4]提出了一種基于紅外測距的車載電子稱重系統(tǒng)方案，能夠?qū)崟r間接測量鐵路貨車載重量。盡管鐵路長大貨物運(yùn)輸安全保障技術(shù)較為成熟[5-6]，但長大貨物車運(yùn)行過程中橫向動載測量難度大、可控性低，通過間接法并不能真實表征車輛與貨物的載荷狀態(tài)。且在傳統(tǒng)常規(guī)安全監(jiān)測中，關(guān)注點在車體整體結(jié)構(gòu)上，對約束貨物的橫向止擋承載結(jié)構(gòu)關(guān)注較少，因此有必要研發(fā)超限落下孔車的橫向止擋動載荷監(jiān)測技術(shù)，并進(jìn)行系統(tǒng)安全評估。落下孔車是一種常用的長大貨物車，它由一組承載框架、多層底架結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向裝置、液壓裝置、制動裝置和車鉤緩沖裝置等組成。承載框架主要由側(cè)梁、心盤導(dǎo)向梁及連接撐桿組成，心盤導(dǎo)向梁采用空載導(dǎo)向梁和重載導(dǎo)向梁兩種結(jié)構(gòu)。重載時，兩側(cè)梁與重載心盤導(dǎo)向梁相連，其寬度可通過側(cè)梁間撐桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同寬度的貨物；空車時，兩側(cè)梁與空載心盤導(dǎo)向梁相連，以滿足機(jī)車車輛限界要求。圖1所示為DK36型落下孔車貨物裝載圖，落下孔車通過多層底架結(jié)構(gòu)將載重分配到8個轉(zhuǎn)向架的24根軸重，變壓器通過4個承載肩座落在大車的2根側(cè)承梁上；在肩座旁設(shè)置橫向鋼木止擋結(jié)構(gòu)，防止通過曲線線路時貨物橫向滑動；在列車前進(jìn)方向設(shè)置縱向螺桿頂緊裝置，防止列車在啟動或制動時貨物發(fā)生縱向滑移。本文的研究對象為橫向鋼木止擋結(jié)構(gòu)，通過測力鋼木擋實時監(jiān)測動載荷并進(jìn)行安全評估。

圖1 落下孔車裝載加固示意圖與實車Fig.1 Schematic diagram of loading and reinforcement of the well hole car and the actual car diagram

1 載荷感知

落下孔車在通過曲線線路時，如果貨物承載肩座的摩擦力不足以克服橫向慣性力，運(yùn)輸過程中貨物會發(fā)生橫向滑移，需要增加橫向止擋以約束貨物的橫向移動。橫向止擋結(jié)構(gòu)包括鋼擋和木擋(如圖2(a)所示)，鋼擋為槽型鋼結(jié)構(gòu)焊接在側(cè)承梁頂部的承載肩座附近，在鋼擋和貨物(變壓器)之間放置木擋，并在鋼擋和木擋之間打入木楔進(jìn)行壓實，運(yùn)行過程中橫向慣性力通過木擋傳遞至鋼擋、再傳遞到側(cè)承梁和大車結(jié)構(gòu)。

為實現(xiàn)對橫向止擋載荷的直接測量，在鋼擋和木擋之間設(shè)置一定間隙，設(shè)計由貨物-木擋-載荷感知元-鋼擋結(jié)構(gòu)的組合式橫向載荷測量裝置實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的獲取[7-10](如圖2(b)所示)。為增加測力鋼木擋安裝和預(yù)壓的現(xiàn)場可操作性，在輪輻式壓力傳感器與鋼擋之間設(shè)置傳力螺桿，螺桿根部焊接在鋼擋內(nèi)表面中部位置，螺桿端部以間隙配合伸入壓力傳感器的中心孔，在螺桿上安裝預(yù)壓螺母與墊片，通過擰緊螺母即可將木擋向變壓器進(jìn)行壓實。該組合式橫向止擋載荷監(jiān)測技術(shù)，可實現(xiàn)橫向動載荷從貨物-木擋-載荷感知元-預(yù)壓螺母-傳力螺桿-鋼擋-承載梁的力流傳遞(如圖2(c)所示)，并將載荷感知元的壓力信號輸出?；趥鞲衅鞯墓ぷ髟砗弯撃緭醯脑O(shè)置目的，測力鋼木擋只能輸出貨物對止擋結(jié)構(gòu)的壓力，而非反方向的拉力。

圖2 橫向測力止擋原理與實物Fig.2 Principle and physical diagram of lateral force stop

2 實車試驗

2.1 試驗概況

實車試驗依托昌吉換流站大型變壓器鐵路運(yùn)輸項目，采用DK36型落下孔車運(yùn)輸。運(yùn)輸發(fā)站章丘、到站準(zhǔn)東，運(yùn)輸日期2017年3月15日至3月25日，運(yùn)輸里程3 940 km，運(yùn)輸變壓器重量327.76 t，尺寸為12 232 mm(長)×3 934 mm(寬，含肩座)×4 810 mm(高)，變壓器重心縱向偏離變壓器幾何中心341 mm、橫向與變壓器幾何中心重合，距變壓器底面2 315 mm。落下孔車重車情況下，最高運(yùn)行車速為50 km/h，在不同曲線線路運(yùn)行的速度限值如表1所示。

表1 不同曲線下速度限制表Table 1 Speed limit table under different curves

鋼木擋橫向動載荷數(shù)據(jù)通過IMC數(shù)采設(shè)備進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采樣頻率為256 Hz，數(shù)據(jù)分析的低通濾波頻率為40 Hz；列車運(yùn)行速度通過GPS和雷達(dá)測速模塊進(jìn)行測量，并通過鐵路里程碑進(jìn)行定段校正；線路曲線及超高資料由專列添乘的工務(wù)部門提供。

2.2 數(shù)據(jù)分析

落下孔車變壓器裝載時，測力鋼木擋按照常規(guī)砸木楔的方式進(jìn)行預(yù)壓，而不是通過螺母進(jìn)行擰緊預(yù)壓，測得左側(cè)鋼木擋初始預(yù)壓力為1.2 kN，右側(cè)鋼木擋初始預(yù)壓力為3.5 kN。超限專列運(yùn)輸過程中，列車運(yùn)行速度由GPS和雷達(dá)測速模塊獲取，曲線線路方向定義為沿列車前進(jìn)方向的曲線外軌離心力方向，曲線線路半徑與線路超高數(shù)據(jù)由鐵路工務(wù)部門提供，結(jié)合列車實時監(jiān)測的運(yùn)行速度、運(yùn)行里程、最大橫向止擋力對應(yīng)線路曲線半徑與曲線超高，前進(jìn)方向左側(cè)、右側(cè)鋼木擋載荷監(jiān)測結(jié)果如表2所示，截選線路曲線較多的運(yùn)行區(qū)間繪制橫向止擋載荷時程曲線如圖3所示。

表2 左右側(cè)測力鋼木擋數(shù)據(jù)對照Table 2 Comparison table of stop structure data on both sides

由表2和圖3可知，當(dāng)列車以5 km/h通過半徑300 m右向曲線線路時，前進(jìn)方向承載梁左側(cè)橫向止擋最大載荷為66.1 kN；當(dāng)列車以15 km/h通過半徑260 m左向曲線線路時，前進(jìn)方向右側(cè)橫向止擋最大載荷為61.2 kN。在通過右向線路曲線時，左側(cè)鋼木擋被壓實，產(chǎn)生較大止擋力，而右側(cè)鋼木擋有微小緩解；同樣在列車通過左向線路曲線時，右側(cè)鋼木擋被壓實產(chǎn)生止擋，而左側(cè)鋼木擋發(fā)生緩解，其緩解力的大小取決于該木擋的初始預(yù)壓力，本次試驗是按照常規(guī)砸木楔的方式進(jìn)行預(yù)壓，測得的初始預(yù)壓力與實際情況相同。另外，監(jiān)測結(jié)果顯示，預(yù)壓力過小導(dǎo)致曲線通過時緩解側(cè)壓力消失，木擋與變壓器之間存在間隙，而在恢復(fù)至直線區(qū)段運(yùn)行都不能完全恢復(fù)壓實狀態(tài)(如圖3左圖第3～第6個波峰)，只有進(jìn)入另外一條反曲線區(qū)段時，變壓器才會重新對木擋進(jìn)行壓實。

圖3 橫向止擋載荷時程曲線與最大載荷局部放大Fig.3 Time-history curve of lateral stop load and local diagram of the maximum lateral load

為解釋左向曲線通過時右側(cè)鋼木擋止擋而左側(cè)鋼木擋緩解、右向曲線通過時左側(cè)鋼木擋止擋而右側(cè)鋼木擋緩解的現(xiàn)象，以列車通過右向線路曲線運(yùn)行工況為例，建立落下孔車裝載貨物后的側(cè)向力學(xué)分析模型[11-12]。以變壓器為分析對象，以變壓器重心為原點或建立局部坐標(biāo)系，x軸沿變壓器寬度方向、y軸沿變壓器高度方向，變壓器承受作用在重心位置的重力FG，慣性離心力FC，承受左肩座與右肩座的垂向支承力NL與NR，承受橫向鋼木擋的止擋力FT(由于鋼木擋僅壓實時起作用，止擋力僅出現(xiàn)在一側(cè))，如圖4所示。根據(jù)力平衡與彎矩平衡方程，對重心位置取矩，不難判斷當(dāng)NR>NL時，F(xiàn)T出現(xiàn)在左側(cè)鋼木擋；當(dāng)NL>NR時，F(xiàn)T出現(xiàn)在右側(cè)鋼木擋。針對圖6的2種受力情況，建立力與力矩平衡方程如下。

圖4 落下孔車右向曲線運(yùn)行工況下側(cè)向力學(xué)分析Fig.4 Mechanical analysis in right curve passing of well-hole car

圖6 橫向止擋載荷與橫向加速度系數(shù)的數(shù)據(jù)擬合Fig.6 Data fitting between lateral stop load and lateral acceleration coefficient

式中：W為承載肩座橫向間距；HS為貨物中心與橫向止擋的垂向距離；m為貨物重量；g為重力加速度(取為9.8 m/s2)；v為運(yùn)行車速；R為曲線半徑；曲線超高夾角θ=sin?1(hs/Dt)；hs為曲線超高值；Dt為軌距(取為1 435 mm)。

由式(1)可知，在右向曲線上判斷橫向止擋力位置，其本質(zhì)是判斷右肩座與左肩座支承力的大小，即(NR–NL)的正負(fù)。定義橫向加速度系數(shù)ah=(g?tanθ-v2/R)，當(dāng)ah>0時，由式(1)可知NR>NL，此時橫向止擋力FT出現(xiàn)在前進(jìn)方向左側(cè)；反之當(dāng)ah<0時，NR

圖5 橫向加速度系數(shù)與離心加速度散點分布Fig.5 Scatter diagram between lateral acceleration and centrifugal acceleration coefficient

由繪制的散點分布圖可知，無論是左向還是右向曲線通過，其向心橫向加速度系數(shù)均為正值，即曲線外軌側(cè)的肩座支承力要高于內(nèi)軌側(cè)(即圖4(a)情況)，列車曲線通過時由于限速導(dǎo)致離心力偏小，不足以克服變壓器重力產(chǎn)生的向心力，因此均是在內(nèi)軌側(cè)的鋼木擋位置進(jìn)行壓實，產(chǎn)生止擋力以克服重力分量的向心力，此分析結(jié)論與試驗數(shù)據(jù)列表中橫向止擋力的出現(xiàn)位置一致。

3 評估預(yù)測

3.1 安全評估

考慮列車曲線通過時的橫向慣性力、橫向風(fēng)力、橫向摩擦力，計算當(dāng)風(fēng)力與慣性力同向時承載肩座的摩擦力是否足以平衡該橫向力，為此定義貨物水平移動的橫向穩(wěn)定性指標(biāo)S如式(2)所示。

式中：HI為貨物橫向慣性力；FW為橫向風(fēng)力；Ff為橫向摩擦力。根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》[13]，當(dāng)橫向慣性力與風(fēng)力的1.25倍小于橫向摩擦力時，貨物穩(wěn)定無水平移動；而當(dāng)S大于0時，貨物橫向水平移動失穩(wěn)，需額外增加橫向加固措施，穩(wěn)定性指標(biāo)S即為加固橫向止擋結(jié)構(gòu)的理論承受載荷。

在式(2)中，貨物的橫向慣性力HI是每單位重量貨物的慣性力n0與總質(zhì)量m的乘積。根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，貨物橫向慣性力HI計算為：

其中：α1=2.82 kN/t；β1=2.2 kN/t；a為貨物重心偏離車輛橫中心線的距離(此次裝載a=0 mm)；l為負(fù)重車底架心盤中心距(l=36 000 mm)；貨物總質(zhì)量為m=327.76 t。由此計算得橫向慣性力為HI=924.3 kN。

運(yùn)輸過程中的橫向風(fēng)力大小與貨物的形狀、受風(fēng)面積和風(fēng)壓大小有關(guān)。風(fēng)力FW的計算為：

式中：q是側(cè)向受風(fēng)面單位面積的承載能力[13]；考慮環(huán)境橫風(fēng)風(fēng)速為28 m/s時，q=0.49 kN/m2；受風(fēng)面積為A=53.1 m2。由此計算橫向風(fēng)載為FW=26 kN。

橫向摩擦力與貨物的垂向支承力及摩擦因數(shù)有關(guān)，橫向摩擦力Ff的計算為：

式中：μ是橡膠墊與鋼板之間的摩擦因數(shù)(取0.5)；g為重力加速度(9.8 m/s2)；Q為貨物的垂向慣性力；其計算系數(shù)為α2=4.53 kN/t；β2=7.84 kN/t；a和l定義與上同。由此計算橫向摩擦力為Ff=863.7 kN。

將式(3)~(5)代入式(2)，計算得S=324.2 kN>0，因此需要增設(shè)橫向止擋結(jié)構(gòu)。承載框架每一側(cè)設(shè)置2個橫向止擋，平均到每個止擋結(jié)構(gòu)的理論最大橫向力為162.1 kN。而實測最大橫向止擋載荷為66.1 kN，要低于理論最大橫向載荷162.1 kN，滿足穩(wěn)定性安全指標(biāo)要求[14]。

理論最大橫向載荷作用下，橫向鋼木擋的焊縫長度校核計算為：

式中：K為焊縫高度，cm；[τ]為焊縫的許用剪切應(yīng)力70 MPa；計算所需焊縫長度為LH=33.1 cm。

實際鋼木擋的焊縫長度為70 cm，包括了沿車長1塊鋼板(38 cm)、沿車寬2塊鋼板(各16 cm)與承載梁的焊縫長度，實際施焊總長度要大于理論安全焊縫長度33.1 cm，滿足安全要求。

3.2 載荷預(yù)測

實車試驗結(jié)果給出了不同曲線方向、曲線半徑、線路超高與運(yùn)行車速下不同側(cè)止擋結(jié)構(gòu)的橫向動載，而作為試驗數(shù)據(jù)的延伸應(yīng)用，通過進(jìn)一步研究止擋橫向載荷數(shù)據(jù)與線路參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可為后續(xù)相同專列運(yùn)輸相同貨物、以不同限速條件行經(jīng)不同線路的超限運(yùn)輸提供載荷預(yù)測和科學(xué)指導(dǎo)[15]。為此，如果對止擋橫向動載與線路參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行多維曲面擬合，難以準(zhǔn)確描述各參數(shù)相互之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，給出的預(yù)測模型是從純擬合的角度建立的數(shù)學(xué)模型，缺乏物理和力學(xué)內(nèi)涵支撐。因此，根據(jù)前文數(shù)據(jù)分析部分的討論，橫向止擋力與左右側(cè)肩座支承力差值，即定義的橫向加速度系數(shù)ah直接相關(guān)，按照橫向加速度系數(shù)的定義公式對表2進(jìn)行重新計算，將曲線半徑、線路超高、軌距和運(yùn)行車速進(jìn)行整合降維，得到以橫向加速度系數(shù)為橫坐標(biāo)、橫向止擋載荷為縱坐標(biāo)的散點圖如圖6所示。

通過對散點數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果基本能夠反映止擋結(jié)構(gòu)橫向載荷與橫向加速度系數(shù)的線性關(guān)系，且線性擬合度均在0.92以上。由此建立的橫向止擋動載荷預(yù)測模型，考慮散點與擬合直線的誤差帶寬分布，可為同型落下孔車，以相同裝載尺寸、裝載重量與偏心情況，在不同限速條件、不同半徑與超高曲線線路的超限專列運(yùn)輸，提供最大橫向止擋載荷的預(yù)測，該預(yù)測載荷也可為橫向止擋結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度校核與安全評估提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

1)研發(fā)了從貨物-木擋-載荷感知元-預(yù)壓螺母-傳力螺桿-鋼擋的組合式橫向止擋載荷監(jiān)測技術(shù)及裝置。

2)采用研發(fā)的鋼木擋測力裝置，對章丘-準(zhǔn)東開行的超限運(yùn)輸全程進(jìn)行了實車監(jiān)測，當(dāng)列車以5 km/h通過半徑300 m右向曲線線路時，前進(jìn)方向承載梁左側(cè)橫向止擋最大載荷為66.1 kN；當(dāng)列車以15 km/h通過半徑260 m左向曲線線路時，前進(jìn)方向右側(cè)橫向止擋最大載荷為61.2 kN。最大橫向止擋載荷低于理論安全橫向載荷162.1 kN，滿足穩(wěn)定性安全指標(biāo)要求。

3)通過理論分析線路參數(shù)與列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在專列通過右向線路曲線時，左側(cè)鋼木擋產(chǎn)生止擋力；而通過左向線路曲線時，右側(cè)鋼木擋產(chǎn)生止擋力，該規(guī)律與鋼木擋測力結(jié)果吻合。

4)建立了以線路參數(shù)、列車運(yùn)行速度為輸入的落下孔車鋼木擋橫向止擋載荷預(yù)測模型，該模型適用于以相同車型運(yùn)輸相同規(guī)格貨物，以不同限速通過不同半徑與超高曲線線路的超限專列運(yùn)輸，提供最大橫向止擋載荷的預(yù)測估計，為后續(xù)超限專列開行的橫向止擋結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度校核與安全評估提供了科學(xué)依據(jù)。