田葆栓, 李家寶, 魏鴻亮
(1 中車青島四方車輛研究所有限公司, 山東青島 266031;2 中車齊齊哈爾車輛有限公司, 遼寧大連 116041)
鐵路貨車沖擊試驗(yàn)研究對(duì)鑒定貨車強(qiáng)度、改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要的意義。貨車在運(yùn)用中,如在編組場(chǎng)調(diào)車、溜放;列車起動(dòng)、制動(dòng);運(yùn)行中加速、減速;正面碰撞事故等都會(huì)發(fā)生不同程度的沖擊或沖動(dòng),產(chǎn)生很大的縱向沖擊力。除事故沖突外,在正常情況下以列車突然起動(dòng)、低速緊急制動(dòng)和駝峰溜放沖擊最嚴(yán)重。鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,將沖擊試驗(yàn)作為第2工況評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的主要手段。貨車沖擊試驗(yàn)是為了探討貨車調(diào)車作業(yè)時(shí),沖擊速度、縱向沖擊力、沖擊加速度、貨車質(zhì)量、緩沖器性能的關(guān)系,以便確定合理的調(diào)車允許速度。相鄰貨車速度差引起的沖擊如調(diào)車場(chǎng)上的調(diào)車沖擊是導(dǎo)致貨車結(jié)構(gòu)及裝載貨物損壞的主要因素。世界各國(guó)鐵路非常重視調(diào)車沖擊工況的研究。通過大量的沖擊試驗(yàn),模擬編組場(chǎng)溜放作業(yè)情況,研究在不同調(diào)車連掛速度下的縱向沖擊力,為設(shè)定合理的調(diào)車連掛速度和修訂縱向載荷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù),可在保證可靠性的前提下,提高貨車運(yùn)輸效率。
縱向載荷設(shè)計(jì)時(shí),最大困難之一是設(shè)計(jì)用沖擊工況縱向載荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏。工程沖擊、振動(dòng)問題中的參數(shù),一般是隨機(jī)變量,必須用統(tǒng)計(jì)方法描述。沖擊、振動(dòng)條件的制定依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理。統(tǒng)計(jì)分析的關(guān)鍵是要有試驗(yàn)數(shù)據(jù)。文中在全面地分析、整理鐵路貨車系統(tǒng)30多年來的大量的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,對(duì)縱向沖擊載荷在軸重、車型、緩沖器型式、車鉤間隙等方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,分析推斷了在給定沖擊速度下調(diào)車沖擊工況縱向載荷分布和最大值。
雖然貨車沖擊涉及許多因素,但是如果不考慮產(chǎn)生沖擊的因素,只討論由于相鄰兩貨車之間存在速度差而發(fā)生沖擊的過程,則溜放沖擊與列車沖擊無本質(zhì)區(qū)別,可把溜放沖擊作為貨車沖擊的基本工況進(jìn)行研究。貨車沖擊研究是縱向動(dòng)力學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一。主要研究調(diào)車編組時(shí)貨車的互撞規(guī)律,但在相當(dāng)程度上表征整個(gè)列車非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)工況。
在1978年以前,我國(guó)沒有貨車沖擊強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。1978年參照前蘇聯(lián)1953年規(guī)范,提出了TB 1335-1978《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱1978版《規(guī)范》)。原鐵道部組織進(jìn)行了敞車沖擊試驗(yàn)和過駝峰試驗(yàn)。采用機(jī)車推送方式的沖擊試驗(yàn)研究了沖擊速度與車鉤力的關(guān)系,驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn),為確定敞車調(diào)車作業(yè)時(shí)的允許沖擊速度提供了依據(jù)。80年代中期,我國(guó)通過建成的專用沖擊試驗(yàn)線進(jìn)行了C61型運(yùn)煤敞車等貨車的沖擊試驗(yàn),積累了經(jīng)驗(yàn)。
1988年根據(jù)原鐵道部科研項(xiàng)目《提高貨車允許連掛速度的研究》,在北京局雙橋編組站進(jìn)行了在3~7 km/h共5個(gè)沖擊速度等級(jí)下的現(xiàn)場(chǎng)沖擊試驗(yàn)。測(cè)得了貨車與貨物變化的相關(guān)數(shù)據(jù)。據(jù)此,將貨車允許連掛速度由3 km/h提高到5 km/h。我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定,調(diào)車作業(yè)速度不得高于5 km/h。
1993年起草了TB/T 2369-1993《鐵道車輛沖擊試驗(yàn)方法與技術(shù)條件》。1996年將TB/T 1335-1978修訂為TB/T 1335-1996,規(guī)定了沖擊試驗(yàn)與試驗(yàn)方法:沖擊車沖擊速度從3 km/h開始,每次遞增1~2 km/h,直到車鉤力達(dá)到2 250 kN或沖擊速度達(dá)到8 km/h。2003年初原鐵道部提出在大秦線開行2萬t列車以滿足年運(yùn)量2億t的要求,2萬t列車貨車設(shè)計(jì)車體強(qiáng)度第1工況縱向拉伸載荷取為2 250 kN、壓縮載荷取為2 500 kN;第2工況縱向壓縮載荷取為2 800 kN。在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí),車鉤力達(dá)到2 800 kN或沖擊速度達(dá)到8 km/h為止。2012年中國(guó)鐵路總公司立項(xiàng)研究,制定了《大軸重鐵路貨車技術(shù)條件》,規(guī)定了軸重27 t和軸重30 t貨車縱向載荷。
在給定沖擊速度下的沖擊縱向載荷(以下簡(jiǎn)稱車鉤力)的確定,依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理。因?yàn)闆_擊的量是隨機(jī)變量,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理恰當(dāng)與否,直接影響設(shè)計(jì)載荷的制定。統(tǒng)計(jì)分析時(shí),應(yīng)采用合理的統(tǒng)計(jì)方法與恰當(dāng)?shù)母怕蕵?biāo)準(zhǔn)。
鐵路的車輛載荷、強(qiáng)度是由一些隨機(jī)變量決定的。因而,應(yīng)根據(jù)它們的統(tǒng)計(jì)特性來描述和設(shè)計(jì)。對(duì)載荷和強(qiáng)度作統(tǒng)計(jì)描述與分析,認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)受力特性,研究確定載荷與強(qiáng)度的大小和分布發(fā)散程度,將有助于可靠性設(shè)計(jì)。通常情況,強(qiáng)度與載荷服從正態(tài)分布。文中主要應(yīng)用正態(tài)分布,回歸分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。匯總沖擊試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù),采用EXECL分析軟件對(duì)不同沖擊速度下的縱向沖擊載荷進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。例如,在8 km/h沖擊速度下縱向載荷的頻數(shù)分布直方圖見圖1。從直方圖中可見沖擊速度下縱向沖擊載荷的大小與其出現(xiàn)的頻次分布,其分布趨勢(shì)為正態(tài)分布。用樣本的均值與標(biāo)準(zhǔn)差分別代替總體的樣本均值與方差。通過EXECL進(jìn)行通過回歸分析(一般為一元線性方程),得出最大縱向載荷隨沖擊速度變化的規(guī)律。經(jīng)過回歸分析,分別進(jìn)行T檢驗(yàn),F(xiàn)檢驗(yàn),并得到相關(guān)系數(shù)為0.979,而T檢驗(yàn)與F檢驗(yàn)分別為顯著度為0.05的假設(shè)檢驗(yàn),證明了回歸方程有效。通過相關(guān)的檢驗(yàn)和較高的相關(guān)系數(shù),有95%的概率回歸分析方程。分別計(jì)算發(fā)生概率為95%時(shí)每個(gè)速度級(jí)下縱向載荷的最大值。
圖1 沖擊速度8 km/h時(shí)車鉤縱向載荷分布規(guī)律
誤差統(tǒng)計(jì)分布是正態(tài)分布,隨機(jī)誤差落在±σ以內(nèi)的概率為68%,即一倍標(biāo)準(zhǔn)差(1σ)的概率值是68.3%,二倍標(biāo)準(zhǔn)差(2σ)的概率值為95.5%;三倍標(biāo)準(zhǔn)差(3σ)的概率值是99.7%。許多中外文獻(xiàn)所述的“精度”多為一倍標(biāo)準(zhǔn)差(1σ),對(duì)于工程沖擊問題,取二倍標(biāo)準(zhǔn)差(2σ)。鐵路車輛沖擊試驗(yàn)的大量數(shù)據(jù),各種變量間的相互關(guān)系大多系線性相關(guān),經(jīng)線性回歸分析擬合之后,因變量加上兩倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差,稱為因變量的“實(shí)際可能最大值”。
60年代中期,為進(jìn)行列車及貨車縱向動(dòng)力學(xué)研究,曾進(jìn)行過一些貨車沖擊試驗(yàn)。1978年為了制定強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)敞車沖擊進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,并將沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)考核納入規(guī)范。2005年以來,為了評(píng)定貨車沖擊強(qiáng)度和緩沖器性能,中車齊齊哈爾車輛有限公司、原二七車輛有限公司和中車青島四方車輛研究所有限公司(以下簡(jiǎn)稱四方所)也建立了貨車沖擊試驗(yàn)線。為鑒定貨車沖擊強(qiáng)度進(jìn)行了大量的沖擊試驗(yàn)。
1978年根據(jù)原鐵道部文件要求,由原鐵道部標(biāo)準(zhǔn)所,四方所等17家單位在長(zhǎng)沙分局湘潭車站進(jìn)行了一次規(guī)模較大的通用貨車沖擊試驗(yàn),其試驗(yàn)報(bào)告及結(jié)論通過了原鐵道部鑒定。報(bào)告分析主要確認(rèn)結(jié)論如下:
(1)沖擊試驗(yàn)不僅表征編組調(diào)車沖擊,也表征整個(gè)非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沖擊;
(2)最高縱向力的取值原則是:以列車非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生的最大車鉤力做第2工況兩種作用方式的取值標(biāo)準(zhǔn),而用控制緩沖器容量的方法,使車輛滿足7 km/h調(diào)車沖擊速度,使沖擊車鉤力在200 t(非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài))之內(nèi)。這種取值原則經(jīng)濟(jì)、合理、切實(shí)可行。在鑒定與現(xiàn)行結(jié)構(gòu)相近的貨車結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)強(qiáng)度時(shí),允許采用一輛對(duì)一輛的沖擊工況,評(píng)定車鉤力達(dá)200 t。
(3)在一定沖擊速度下,車輛可能承受的最大車鉤力,發(fā)生在3~5輛車組成的車列,向后部具有阻擋車列的車輛沖擊時(shí)。在v=3~7 km/h范圍內(nèi),3~5輛車組成的車列向有阻擋的車輛沖擊,車鉤力最大值,比一對(duì)一沖擊工況產(chǎn)生的高25%,試驗(yàn)證明:現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式的車輛,當(dāng)車鉤力相同時(shí),其沖擊動(dòng)應(yīng)力與沖擊工況幾乎無關(guān),可以考慮一輛對(duì)一輛的單端沖擊,按《規(guī)范》確定的載荷鑒定車體強(qiáng)度。這就是沖擊試驗(yàn)只作一輛對(duì)一輛沖擊簡(jiǎn)化試驗(yàn)的來源。
(4)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了TB 1335-1978所訂參數(shù)取值的可靠性。C62型敞車(裝用MX-1緩沖器)能經(jīng)受車鉤力200 t﹑沖擊速度為7 km/h的考驗(yàn),此時(shí)車鉤力平均最大值為207 t,實(shí)際可能最大值為235 t(2倍標(biāo)準(zhǔn)差2σ)。
1980年根據(jù)原鐵道部文件,基于1978年貨車沖擊試驗(yàn)結(jié)果,由四方所和濟(jì)南局主持在青島分局南泉站鹽務(wù)局專用線進(jìn)行3種載重75 T敞車4種不同結(jié)構(gòu)方案的5種工況的1沖1車輛沖擊試驗(yàn)。
1997—2005年中國(guó)鐵路貨車制造企業(yè)研制了21 t軸重系列貨車,21 t軸重貨車(裝MT-3緩沖器)沖擊試驗(yàn)車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值見表1。
表1 21 t軸重貨車車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值 kN
由表1可見,各車型在同一沖擊速度下,敞車車鉤力最大。
2005—2009年中國(guó)鐵路貨車制造企業(yè)研制了多種23 t軸重貨車,四方所對(duì)3種敞車、3種棚車、3種漏斗車、7種平車、10種罐車樣車進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。被試貨車大部分載重70 t,總重約93 t,裝用MT-2型緩沖器。沖擊編組方式為1輛沖1輛。車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值見表2。
表2 23 t軸重貨車車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值 kN
2003—2005年間中國(guó)鐵路貨車制造企業(yè)研制了多種25 t軸重貨車,四方所對(duì)12種敞車、3種漏斗車樣車進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。被試敞車載重80 t,自重約20 t,被試漏斗車載重約78 t,自重約22 t,總重均為100 t,裝用MT-2型緩沖器。沖擊編組方式為1輛沖1輛。車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值見表3。
表3 25 t軸重貨車車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值 kN
2009—2012年在27 t軸重貨車的研制過程中,四方所對(duì)5種敞車、1種棚車、5種漏斗車、2種平車(5種工況)、7種罐車樣車進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。被試貨車載重80 t,自重約26~27 t,總重120 t,均裝用HM-1型緩沖器。沖擊編組方式為1輛沖1輛。車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值見表4。
表4 27 t軸重敞車車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值 kN
2009—2014年在30 t軸重貨車的研制過程中,四方所對(duì)4種敞車、3種漏斗車進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。被試敞車載重96 t,總重120 t,均裝用HM-1型和MT-2型緩沖器。被試漏斗車載重97.6 t,總重120 t,裝用HM-1型緩沖器。沖擊編組方式為1輛沖1輛。30 t軸重敞車(2009年方案)和C96型敞車車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值見表6。
表5 30 t軸重敞車車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)值 kN
由表6可見,在8 km/h 的調(diào)車沖擊速度下,車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)平均值為1 903 kN,標(biāo)準(zhǔn)方差為262 kN。緩沖器行程統(tǒng)計(jì)平均值為43.6 mm,說明緩沖器還沒有被壓死。按2倍標(biāo)準(zhǔn)差(2σ),車鉤沖擊力可能最大值為2 427 kN。
2012年四方所對(duì)齊齊哈爾軌道裝備公司30 t軸重不銹鋼專用敞車進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。分別裝載總重120 t(軸重30 t)、總重108 t(軸重27 t)和總重100 t(軸重25 t)。主要研究“其他條件相同,僅由于不同軸重導(dǎo)致貨車總重不同,對(duì)車鉤沖擊力的影響”。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著貨車軸重增加,車鉤沖擊力增大。
2003年12月四方所對(duì)齊齊哈爾軌道裝備公司試制的25 t軸重鋁合金運(yùn)煤敞車(聯(lián)合設(shè)計(jì))進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。為了比較單車沖擊和多車沖擊對(duì)測(cè)試參數(shù)的影響,試驗(yàn)分為兩種情況,1對(duì)1沖擊工況和3對(duì)1沖擊工況。試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表7。
表6 1對(duì)1沖擊工況和3對(duì)1沖擊工況比較
由表7可見, 1對(duì)1沖擊車鉤力統(tǒng)計(jì)擬合值為1 359 kN,3對(duì)1沖擊車鉤力為1 547 kN。3對(duì)1沖擊工況比1對(duì)1沖擊工況的車鉤沖擊力增加13.8%。
車輛沖擊時(shí)影響車鉤力的主要因素是沖擊速度、互撞的質(zhì)量、緩沖器的性能,互撞車輛本身的縱向剛度、以及車列的輛數(shù)和有無阻擋車列。
隨著沖擊速度的提高,車鉤沖擊力增大。在3~8 km/h的沖擊速度下,車鉤力幾乎呈線性增長(zhǎng)。10 km/h的沖擊速度下,急劇增長(zhǎng),緩沖器達(dá)到滿行程或者壓死。
1978年編制《規(guī)范》明確最高許可調(diào)車連掛速度為7 km/h。據(jù)中國(guó)鐵道科學(xué)研究院給出的南翔站連掛相撞速度分布統(tǒng)計(jì)圖2可見(《駝峰溜放半自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)研究試驗(yàn)報(bào)告》,連掛沖擊速度在3~7 km/h占74%,在7 km/h之內(nèi)的占87%。
圖2 南翔站車輛連掛沖擊速度分布統(tǒng)計(jì)圖
2012年中國(guó)鐵道科學(xué)院機(jī)車車輛研究所根據(jù)原鐵道部課題要求在昆明東編組場(chǎng)和豐臺(tái)西編組場(chǎng)對(duì)目前我國(guó)編組場(chǎng)編組的實(shí)際連掛速度進(jìn)行調(diào)研。25組溜放實(shí)測(cè)連掛速度,最高實(shí)測(cè)連掛速度8.1 km/h,速度≤5 km/h 的占60%;速度>5 km/h的占40%,其中速度≥6 km/h的占20%,速度≥8 km/h的占4%。溜放中多車一組溜放的情況較單車溜放的情況更為普遍。
成組沖擊基本與1對(duì)1沖擊相同,其中最大的3沖1工況比1對(duì)1約大15%。
隨著軸重的提高,車鉤沖擊力有所增大。見表7。
緩沖器型式對(duì)車鉤沖擊力的影響見表8。
表7 各種軸重、系列載重敞車沖擊試驗(yàn)車鉤力 kN
表8 30 t軸重C96型敞車配裝不同的緩沖器時(shí),車鉤沖擊力比較 kN
車鉤間隙越小,縱向沖擊力越小。
4.6.1車型結(jié)構(gòu)
敞車是鐵路貨車的代表車型,其車鉤沖擊力比棚車、漏斗車車鉤稍大,而罐車和平車車鉤沖擊力較小。
4.6.2縱向剛度
縱向剛度越大,車鉤沖擊力越大。1978年 C62型敞車沖擊試驗(yàn)車鉤力為C60型敞車的171%,分析原因,C62車體縱向剛度為122 t/cm,而C60僅為70 t/cm。降低車體縱向剛度,可有效降低縱向力。
4.6.3重心高度
重心高度越大,附加彎距越大?;剞D(zhuǎn)加速度增加,縱向力有所增加。
通過對(duì)中國(guó)鐵路貨車沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析,結(jié)論和建議如下:
(1)沖擊試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,在8 km/h 的調(diào)車沖擊速度下,25 t軸重敞車,車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)平均值為1 658 kN,可能最大值為2 092 kN;軸重27 t載重80 t敞車車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)平均值為1 674 kN,可能最大值為2 212 kN;軸重30 t載重96 t敞車車鉤沖擊力統(tǒng)計(jì)平均值為1 903 kN,可能最大值為2 427 kN。通過軸重25 t、軸重27 t和軸重30 t貨車縱向載荷試驗(yàn)研究,可完善鐵路貨車標(biāo)準(zhǔn),尤其是重載貨車的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。提高重載貨車的運(yùn)用安全。
(2)盡管編組場(chǎng)調(diào)車時(shí)互撞車組組合是多樣的,當(dāng)確定最高許可調(diào)車相掛速度后,車輛可能承受的最大車鉤力是一定值?,F(xiàn)有1輛沖擊1輛的簡(jiǎn)化試驗(yàn)方法可以滿足運(yùn)用要求。
(3)通過調(diào)研分析,按照現(xiàn)有的車型和緩沖器配置,可以滿足調(diào)車速度8 km/h的實(shí)際運(yùn)用要求。建議廣泛調(diào)查各鐵路局的實(shí)際調(diào)車速度,研究提高調(diào)車速度,加快車輛周轉(zhuǎn),提質(zhì)增效。進(jìn)行大量的沖擊試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)沖擊強(qiáng)度分析,研究其分布規(guī)律和分散度,為進(jìn)一步制訂調(diào)車技術(shù)條件作依據(jù)。為制訂好的條件,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),預(yù)示沖擊條件,研究傳遞函數(shù),更有效的利用、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。加強(qiáng)理論分析,有利于做好統(tǒng)計(jì)分析工作。
(4)貨車縱向載荷分析研究,可進(jìn)一步完善鐵路貨車標(biāo)準(zhǔn),尤其是重載貨車的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),提高貨車的設(shè)計(jì)水平和運(yùn)用安全。合理的縱向載荷設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)評(píng)定值,在保證安全的前提下,可有效地降低貨車自重,節(jié)約能源消耗,降低制造成本。
(5)鐵路貨車沖擊試驗(yàn)研究對(duì)鑒定貨車強(qiáng)度、改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要的普遍意義。就世界鐵路車輛范圍而言,世界各國(guó)在該領(lǐng)域研究的工程技術(shù)人員和專家一同探討研究,為設(shè)定合理的調(diào)車連掛速度和修訂縱向載荷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù),可在保證可靠性的前提下,提高貨車運(yùn)輸效率。