軸重與動靜載荷比影響因素分析

苗曉雨,熊 芯,王新銳,陳政南,曲金娟

(中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所,北京100081)

隨著我國鐵路重載運輸?shù)陌l(fā)展,新型的大軸重鐵路貨車也將研制運用。鐵路貨車軸重的增加,在增加鐵路運輸效率的同時,無疑也會給線路、橋梁和貨車本身的疲勞帶來一定的影響,這種影響的主要因素之一是車輪載荷的變化。車輪載荷可分為靜載荷和在運行中產(chǎn)生的動載荷。靜載荷的增加是軸重增加帶來的必然結(jié)果,不可避免。動載荷是由于車輛在實際線路上運行產(chǎn)生振動而引起的附加載荷,這類載荷可以通過改善線路條件或車輛的運行品質(zhì)來得到緩解或控制,比如轉(zhuǎn)向架的低動力作用就是為了這個目的。就現(xiàn)有21,23,25 t軸重車輛在線路動力學(xué)性能試驗中的動靜載荷比情況,分析軸重增加與動載荷的關(guān)系,為大軸重低動力轉(zhuǎn)向架的設(shè)計提供借鑒,為大軸重車輛、線路和橋梁疲勞可靠性設(shè)計提供參考。

1 數(shù)據(jù)樣本說明與分析方法

數(shù)據(jù)樣本來自于提速貨車120 km/h可靠性試驗第2階段末期動力學(xué)試驗,可靠性試驗中參試車型和試驗工況相對齊全,具有較強的代表性和對比性。試驗車輛共68輛,包括進行120 km/h可靠性試驗的敞車、棚車、平車、罐車、雙層集裝箱等多種車型。為了檢驗軸重對動靜載荷比產(chǎn)生的影響,把68輛試驗車輛分為6組,其中21 t軸重的重車19輛、23 t軸重的重車8輛、25 t軸重的重車6輛、21 t軸重的空車 24輛、23 t軸重的空車8輛、25 t軸重的空車 3輛。

末期動力學(xué)試驗線路為京承線(雙橋—洞廟河)和京秦線(雙橋—豐潤或唐山)。京承線上主要進行曲線(R300,R400,R600,R800)工況的試驗及部分直線試驗,在京秦線上主要進行直線高速試驗(100～130 km/h)。試驗時,直線區(qū)段按70～130 km/h各速度級進行。

根據(jù)GB/T 5599-1985的要求,每個數(shù)據(jù)采樣段(一般為6 s)出一個數(shù)值,此數(shù)值是6 s中的最大值。為了能掌握車輪(垂向)動載荷實際的分布情況,運用軟件提取全部輪軌力數(shù)據(jù)用于分析數(shù)據(jù)樣本。

動靜載荷比是指車輛在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的動軸重數(shù)值與車輛靜止時的靜軸重數(shù)值之比。使用實際測出的動軸重和靜軸重數(shù)值,進行車輛動靜載荷比的計算。將各車輛的動靜載荷比最大值按組取平均值,利用平均最大值進行比較可以更好的顯示不同情況下的動靜載荷比數(shù)值的變化趨勢。

2 不同線路工況條件下分析

2.1 軸重與動靜載荷比的關(guān)系

圖1、圖2是京承線曲線和直線工況下21,23,25 t軸重車輛的空、重車動靜載荷比的變化情況。由圖1、圖2可以看出,在京承線曲線半徑為 R300,R400,R600,R800 m和直線線路條件下,裝配轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的23 t軸重車輛的動靜載荷比小于裝配轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架的21 t軸重車輛時動靜載荷比。裝配轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的23 t軸重車輛的動靜載荷比小于25 t軸重車輛的動靜載荷比。

相對于21 t軸重車輛來說,23 t軸重車輛空車動靜載荷比,曲線時減小幅度在5.66%～20.01%之間,直線減小幅度為8.97%;重車動靜載荷比,曲線時減小幅度在12.74%～17.57%之間,直線減小幅度為3.41%。23 t軸重車輛比21 t軸重車輛軸重增幅為9.52%,而動載荷增加幅度為-9.71%～7.72%。重車動載荷是動靜載荷比與各自車輛軸重的乘積。23 t軸重車輛與21 t軸重車輛動載荷增加的幅度小于軸重增加的幅度,說明轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架采用改進型軸箱橡膠墊,降低車輛垂向動作用力,轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架采用擺動式技術(shù),改善了受力關(guān)系,轉(zhuǎn)K6、K5型轉(zhuǎn)向架低動力作用明顯。

相對于23 t軸重車輛來說,25 t軸重車輛空車動靜載荷比,曲線增幅在2.91%～18.64%之間,直線增幅為18.86%;重車動靜載荷比,曲線增幅在10.41%～17.11%之間,直線增幅為8.79%。25 t軸重車輛比23 t軸重車輛軸重增幅為8.70%,而25t軸重車輛比23 t軸重車輛的動載荷增加幅度為18.25%～27.30%。軸重增加的幅度比動載荷增加的幅度小。同樣裝配轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架車輛25 t軸重時比23 t軸重時的動靜載荷比大,這表明同一轉(zhuǎn)向架承載總重(實際軸重)增加,垂向動載荷增加,且增加的幅度大于軸重增加的幅度。考慮到京承線的線路條件,分析線路條件相對較好的京秦線直線動載荷增幅為11.31%,和京承線結(jié)論一致。

不同線路工況條件下分析軸重與車輛動靜載荷比關(guān)系說明:轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn) K5型轉(zhuǎn)向架比轉(zhuǎn) K2、轉(zhuǎn) K4型轉(zhuǎn)向架具有較好的低動力作用,能有效地減小輪軌間的動作用力;同一類型的轉(zhuǎn)向架,在轉(zhuǎn)向架沒有進一步改進的條件下,實際軸重增加動載荷也將增加,動載荷增加的比例可能要大于軸重增加的比例,對發(fā)揮轉(zhuǎn)向架的低動力作用不利。

圖1 京承線空車在同一工況下軸重與動靜載荷比的關(guān)系

圖2 京承線重車在同一工況下軸重與動靜載荷比的關(guān)系

2.2 線路工況對動靜載荷比的影響

京承線為曲線及部分直線試驗工況,在測試結(jié)果上可以看出小曲線時動靜載荷比數(shù)值較大,曲線半徑為R300 m時車輛動靜載荷比空車最大為0.40,重車最大為0.18;直線時動靜載荷比數(shù)值相對較小,空車最大為0.28,重車最大為0.16,空車情況下對比尤為明顯,其中最大值分別出現(xiàn)在21 t和25 t軸重車輛時,23 t軸重車輛數(shù)值較小。

曲線半徑大于等于R800 m的情況下,動靜載荷比與直線情況下數(shù)值無明顯差別,對貨車來講近似于直線數(shù)值。曲線半徑由R300增加到R800,21,23,25 t軸重空車動靜載荷比最大值分別減少了53.85%,58.33%,39.29%,重車動靜載荷比最大值分別減少了 20%,14.29%,12.5%。

小曲線動靜載荷比較大的原因可能是由于線路變坡和超高的原因發(fā)生輪重轉(zhuǎn)移。曲線的特征參數(shù)(曲線半徑、超高、順坡率等)是影響動靜載荷比指標的主要因素之一。

2.3 空、重車對動靜載荷比的影響

圖3 京承線R300線況下車輛動靜載荷比空、重車對比圖

圖4 京承線直線線況下車輛動靜載荷比空、重車對比圖

為了比較空車和重車對動靜載荷比的影響,分別就不同線路工況條件下68輛測試車輛的動靜載荷比最大值進行比較。圖3是曲線半徑為R300 m時的各車動靜載荷比的平均最大值情況,橫坐標是車輛序號。圖4是直線試驗工況下動靜載荷比情況。兩者工況下顯示出,在測試情況完全相同的情況下,空車的動靜載荷比值明顯大于重車的數(shù)值。R300 m線路工況下空車動靜載荷比最大值為0.47,重車動靜載荷比最大值為0.23。直線下空車動靜載荷比最大值為0.32,重車動靜載荷比最大值0.21。空車、重車的區(qū)別是影響動靜載荷比指標的主要因素之一。

3 不同運行速度條件下分析

3.1 軸重與動靜載荷比的關(guān)系

京秦線為直線高速試驗線路,線路條件優(yōu)于京承線,京秦線的車輛動靜載荷比的數(shù)值明顯小于京承線的數(shù)值。由圖5、圖6可以看出,在京秦線運行速度為90～130 km/h各不同速度級下,轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的23 t軸重車輛的動靜載荷比小于轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架的21 t軸重車輛時動靜載荷比,相對于21 t軸重車輛來說,23 t軸重車輛空車減小幅度在9.08%～17.85%之間,重車減小幅度在0.76%～17.21%之間。同為轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架,23 t軸重車輛的動靜載荷比小于25 t軸重時的動靜載荷比,其中空車動靜載荷比最大值為0.205。相對于23 t軸重車輛來說,25 t軸重車輛空車增幅在 15.85%～24.09%之間,重車增幅在-3.54%～10.76%之間,高速情況對比數(shù)值比較明顯。

圖5 京秦線空車在不同速度條件下軸重與動靜載荷比的關(guān)系

圖6 京秦線重車在不同速度條件下軸重與動靜載荷比的關(guān)系

不同速度級下,軸重對動靜載荷比影響分析結(jié)果與不同線路工況條件下的分析結(jié)果基本一致,轉(zhuǎn)K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架相對于轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架具有較好的低動力作用;同一類型的轉(zhuǎn)向架,實際軸重增加動載荷也將增加,動載荷增加的比例可能要大于軸重增加的比例,對發(fā)揮轉(zhuǎn)向架的低動力作用不利。

3.2 運行速度對動靜載荷比的影響

由圖7可以看出,空車情況下車輛運行速度增大,車輛動靜載荷比增大。隨著速度的增大,鋼軌對車輛的激擾頻率增加,加大車輛振動,動作用力增大,可能是影響動靜載荷比的原因。重車隨著運行速度增加,車輛的動靜載荷比在70～110 km/h的速度增幅不明顯,重車動靜載荷比數(shù)值比空車數(shù)值小,而且京秦線直線數(shù)值也較小,所以數(shù)值增幅情況不明顯,但是在120～130 km/h時數(shù)值增幅較大。

圖7 京秦線不同速度級下車輛動靜載荷比空、重車對比圖

3.3 不同線路條件對動靜載荷比的影響

京秦線直線動靜載荷比數(shù)值明顯小于京承線數(shù)值。京承線直線線路條件不好;京秦線是客貨共線的客車提速線路,線路狀態(tài)良好。表1是兩條線路同為直線工況下空、重車動靜載荷比對比表。京承線上車輛的動靜載荷比,測試結(jié)果大于京秦線,空車差別更加明顯。空車最大差別56.85%,重車最大差別9.88%。線路狀態(tài)情況也是影響動力學(xué)性能指標的因素之一。

表1 京秦、京承直線上空、重車動靜載荷比

4 結(jié)束語

軸重與動靜載荷比的關(guān)系分析表明轉(zhuǎn) K6、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架比轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K4型轉(zhuǎn)向架具有較好的低動力作用,能有效地減小輪軌間的動作用力;同一類型的轉(zhuǎn)向架,實際軸重增加,動載荷也將增加,動載荷增加的比例可能要大于軸重增加的比例,對發(fā)揮轉(zhuǎn)向架的低動力作用不利。

對于大軸重貨車,設(shè)計低動力作用的貨車轉(zhuǎn)向架,可以減小輪對簧下質(zhì)量,降低動作用力,可以起到降低噪聲以及車輪與鋼軌的磨耗作用。提高走行質(zhì)量,可提高通過小曲線的動力學(xué)性能,較平穩(wěn)地通過鋼軌接頭和減小振動。低動力作用設(shè)計應(yīng)為大軸重貨車轉(zhuǎn)向架設(shè)計重點關(guān)注的問題。

[1] 李學(xué)峰.提速貨車120 km/h可靠性試驗第二階段試驗研究報告,TY字第2470號[R],中國鐵道科學(xué)研究院機車車輛研究所,2009.

[2] 嚴雋耄.車輛工程(第3版)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[3] 李渝生朱公然,25 t低動力作用轉(zhuǎn)向架的研究與開發(fā)[J].鐵道車輛,1998,(2):16-20.