鐵路自翻車傾卸穩定性能評價指標的研究*

石 峰

（南車長江車輛有限公司，湖北武漢430212）

風載荷按最不利方位加載即風載荷方向垂直于車廂起升側的側面。

計算風壓為q＝43.1 N/m2，迎風面積A隨傾翻角度變化而變化。

式中Bcx為車廂底面寬度；Hcx為車廂側部高度；Lcx為車廂長度。

傾卸穩定系數按公式（2）進行計算。

在傾翻過程中隨著車廂傾翻，車廂的傾翻角度、側門開門角度、車廂的位置、貨物的形態、車廂和貨物合成

鐵路自翻車傾卸穩定性能評價指標的研究*

石 峰

（南車長江車輛有限公司，湖北武漢430212）

介紹既有鐵路自翻車的傾卸穩定性能評價方法，探討引用《起重機設計規范》（GB/T 3811－2008）和AS 1418.1－2002中校核起重機抗傾覆穩定性能的方法應用于校核鐵路自翻車傾卸穩定性能的可能性。建議采用傾卸穩定系數作為鐵路自翻車的傾卸穩定性能評價指標。以KF－60型自翻車為例，采用傾卸穩定系數分析和評價該車的傾卸穩定性能。

鐵道自翻車；傾卸穩定性能

自翻車是一種把卸車設備和車輛結構結合在一起的鐵路車輛，采用傾翻缸推動車廂向任一側傾翻40°～55°，側門開閉機構控制卸貨側的側門逐漸打開并作為地板面的延續面，貨物在側門板上滑移，車廂和貨物的重心逐漸向卸貨側偏移。重心向卸貨側偏移引起車廂出現側向傾覆趨勢，為了分析自翻車在正常傾翻卸貨作業過程能否滿足安全要求，需要對傾卸穩定性能進行校核。

1 傾翻穩定簡單分析

南車長江車輛有限公司曾經多年生產KF－60型自翻車，從2005年開始陸續研制開發了多種新型自翻車，2009～2012年完成了原鐵道部科技司科技研究開發課題——新型自翻車技術研究。在實施這些項目過程中開展了自翻車傾卸穩定性能等方面的研究。為了研究自翻車傾翻卸貨規律，我們多次進行自翻車的傾翻卸貨試驗。通過試驗發現：在傾翻卸貨作業過程中，當車廂傾翻至任意角度時，車廂內的散粒貨物的滑移面與水平面的最小夾角同散粒貨物的運動安息角基本一致，車廂內的散粒貨物在滑移面上方的部分沿滑移面向卸料側流動，超出側門高度的部分從側門上方卸出車廂，其余部分被側門擋住留在車廂內。隨著車廂逐漸傾翻，側門開度不斷增大，車廂內的貨物逐漸從側門上方流出車廂。如果車廂出現意外失控而造成傾覆扣斗現象，容易拖動底架和轉向架等一同傾覆，造成整車傾覆和脫軌。如果車廂始終處于受控狀態，整車就始終處于穩定狀態。因此，車廂不發生傾覆是整車保持穩定的前提條件。傾翻卸貨試驗現場見圖1，傾翻卸貨作業過程及車廂內裝載的散粒貨物截面形狀的簡化示意見圖2。

圖1 傾翻卸貨作業試驗現場

2 既有傾卸穩定性能評價和計算方法

我國目前尚無評價自翻車在傾翻卸貨過程中穩定狀態的標準和統一規定，各個自翻車制造企業通常借鑒以往設計經驗進行計算和設計。KF－60型自翻車在我國運用已經多年，后繼生產的其他車型自翻車的傾卸穩定性均以該車作為參照車作簡單的對比。

我國鐵路行業主要采用下列3種方法分析自翻車的傾卸穩定性能：

（1）橫向穩定系數法［3-4］

（2）傾覆系數法［5］

（3）穩定距離法［6］

上述3種計算方法都是鐵路自翻車行業多年的經驗積累，但在運用過程中發現這些評價指標和計算方法存在若干不足，計算結果與實際情況相差較大。如按上述3種計算方法評價KF－60型自翻車傾卸穩定性滿足安全要求，但該型車在實際應用中若不采用外設安全裝置就容易發生傾覆事故；采用這些方法判斷傾卸穩定性的裕量比較模糊，無法分析車廂外形和側門開閉機構對傾卸穩定性的影響；生產出口自翻車時國外用戶不接受這些評價方法。經歷這些事情之后，我們發現上述3種計算方法主要存在下列不足：

圖2 傾翻卸貨作業過程簡化示意圖

（1）前兩種計算方法是按車廂內的貨物質量和堆積形狀始終固定不變計算重心位置，但在傾翻卸貨過程中車廂內貨物的質量和堆積形狀不斷發生變化，因此計算結果與實際情況相差較大。

（2）沒有考慮在傾翻卸貨過程中車廂內的貨物對側門的壓力通過側門開閉裝置傳遞到底架上所增加的車廂傾翻力矩。

（3）沒用考慮傾翻卸貨過程中風載荷對傾翻穩定性的影響。

（4）第3種方法要求保持足夠的穩定距離，無法判斷傾卸穩定性的裕量。

3 評價指標

上面介紹的3種計算自翻車傾翻穩定性的方法所采用的評價指標分別為：橫向穩定系數、傾覆系數、穩定距離。

鑒于鐵道車輛的“傾覆穩定性”、“傾覆系數”一般系指車輛在運行中在側向風力、離心力、橫向慣性力等同時作用下是否會導致車輛傾覆。自翻車在停車卸貨作業時的傾覆問題主要是在傾翻卸貨過程中車輛的重心發生偏移是否會導致車輛傾覆，屬于兩類不同的問題。為避免混淆，我們認為在討論自翻車傾翻卸貨作業的抗傾覆穩定性問題時，采用“傾卸穩定性”更為合適。

我們經過理論分析和試驗驗證后確認：造成自翻車在傾翻卸貨過程中出現失控及傾覆的原因與起重機出現傾覆的原因相同：穩定力矩小于傾翻力矩。因此，可以借鑒起重機的抗傾覆穩定性基本要求和分析計算方法，通過分析和計算穩定力矩與傾翻力矩等方式來評價自翻車的傾卸穩定性能。

（1）起重機的抗傾覆穩定性計算方法和評價方法

①《起重機設計規范》（GB/T 3811－2008）在該標準的8.1.1條中規定：在校核計算中，當穩定力矩的代數和大于傾翻力矩的代數和時，則認為該起重機整機是穩定的。

由自重載荷產生穩定力矩，由除自重載荷外其他載荷產生傾翻力矩，它們都是對所規定的特定傾覆線計算的結果。

在風速不大于8.3 m/s（折合風壓值為43.1 N/m2，即5級風）的風載荷作用下，流動式起重機作穩定性試驗或帶載運行。用自重載荷與規定的載荷（乘以1.33的載荷系數）計算出相應穩定力矩和傾覆力矩，來判定起重機是否符合整體抗傾覆穩定力矩的條件。

②澳大利亞標準AS 1418.1－2002

該標準第6章規定按下列方法校核起重機的抗傾覆穩定性：

式中Fs為抗傾覆穩定系數，不小于1.4；Ms為最小穩定力矩；Mo為載荷和風力下的最大傾翻力矩。

我們在為澳大利亞用戶生產自翻車時，用戶要求參照此標準校核傾卸穩定性，車廂的穩定力矩/傾覆力矩之比不小于1.4，存在不小于40%的安全裕度。

（2）對比分析

兩個標準對起重機的抗傾覆穩定性的評價都是采用對比分析計算起重機的穩定力矩與傾翻力矩之間的比例關系，只是計算公式形式不同，但實質是相同的。

鑒于抗傾覆穩定系數比較直觀，因此建議參照起重機的抗傾覆穩定系數計算方法，在分析自翻車傾翻卸貨過程中的穩定狀態時，采用傾卸穩定系數作為自翻車傾翻穩定性的評價指標。

傾卸穩定系數定義為：Ft為自翻車的傾卸穩定系數；Mt為車輛或車廂承載的穩定力矩；Mc為車輛或車廂承載的傾翻力矩。

校核在中國運用的自翻車傾卸穩定性時可以借鑒《起重機設計規范》（GB/T 3811－2008）的要求，穩定力矩＞1.33×傾翻力矩，傾卸穩定系數不小于1.33，存在不小于33%的安全裕度。校核國外運用的自翻車傾卸穩定性時，傾卸穩定系數可按運用國家的相關標準或用戶的要求確定最小值。

4 應用實例

現以KF－60型自翻車為例，采用傾卸穩定系數計算、分析、評價該車的傾卸穩定性能。

KF－60型自翻車用于裝運礦石、礫石、石塊、爐渣等黏聚力較小的散粒貨物。傾翻卸貨時，車廂內散粒貨物的穩定狀態符合沙性土土坡的穩定性特征，流動時滑移面近似平面，在斷面上近似呈一直線。散粒貨物表面上的一層最容易滑動，在與水平面夾角等于運動安息角的滑移面上，處于極限平衡狀態，在滑移面下方的部分保持穩定靜止，在滑移面上方的部分沿滑移面整體滑動。

KF－60型自翻車車廂的側門為上開式，側門開閉機構采用抑制肘式。車廂、抑制肘和車廂內裝載的貨物的簡化示意參見圖3和圖4。

圖3 車廂、抑制肘和車廂內裝載貨物的簡化示意（運輸工況）

圖4 車廂、抑制肘和車廂內裝載貨物的簡化示意（傾翻工況）

（1）對重心移動的計算分析

為了研究自翻車的傾卸穩定性能，首先計算分析在傾翻卸貨過程中車廂和車廂內散粒貨物重心的移動軌跡及整車重心的移動軌跡，分析重心偏移量是否在安全范圍內。

為便于分析問題和簡化計算，現假設：

①同側車輪、轉軸、傾翻缸、側門所受載荷相等；

②車廂內的散粒貨物的幾何尺寸相同且均勻分布，傾翻卸貨時散粒貨物呈均勻、連續狀態滑移和流動；

③不考慮側門與端墻開縫間流出的散粒貨物；

④增載側與減載側的車輪和轉軸的載荷增減絕對值相等；

⑤選擇散粒貨物的運動安息角為35°；

⑥車廂地板從水平連續傾翻至45°，傾翻角度按2.5°離散。

經過分析計算，傾翻卸貨過程中車廂內的散粒貨物的質量和卸貨比率參見圖5，包括車廂自重、車廂內散粒貨物等在內的合成重心移動軌跡參見圖6，包括車輛和車廂內裝載的散粒貨物在內的整車重心移動軌跡參見圖7。

圖5 車廂內散粒貨物質量和卸貨比率

圖6 車廂及貨物合成重心移動軌跡圖

圖7 整車重心移動軌跡圖

分析圖5可知：當車廂傾翻至25°時，車廂內的散粒貨物開始卸貨，當車廂傾翻至37.5°時，車廂內的散粒貨物已卸空。

分析圖6可知：車廂和車廂內的散粒貨物的合成重心始終處于傾翻缸和轉軸之間。合成重心到通過卸料側轉軸中心垂直平面的最小距離即參考文獻［6］中介紹的穩定距離，該文獻介紹KF－60型自翻車的穩定距離為273 mm。我們通過計算車廂內堆積形狀不斷變化的貨物重心偏移量，該值為260 mm。因此，在正常作業情況下，車廂和車廂內的散粒貨物的合成重心的偏移不會導致車廂出現失控問題。

分析圖7可知：在傾翻卸貨作業過程中，整車重心始終處于兩軌之間，與卸貨側車輛輪軌間的回轉中心的水平距離320 mm以上。因此，在正常作業情況下，整車重心的偏移不會導致整車出現失控問題。

（2）計算傾卸穩定系數

在車廂傾翻過程中，車廂和貨物合成重心及貨物質量在車廂開始卸貨后隨著車廂傾翻角度的變化而變化，車廂自重和貨物質量繞車廂翻轉支點（轉軸）形成穩定力矩：

卸貨側的側門承載散粒貨物的側壓力等效為作用在側門折頁上集中力F1，F1和卸貨側的側門自重F7通過側門折頁、抑制肘組成將力傳遞至底架。

側門折頁對抑制肘支承力F2：

作用在抑制肘組成的各種載荷處于平衡狀態，側門折頁對抑制肘支承力F2，抑制肘組成中的彈簧組成的回彈力F3，底架的支承對抑制肘支承力F4，抑制肘安裝銷軸的支承力F6等載荷的合力和對抑制肘安裝銷軸中心軸的合力矩為0。

在車廂傾翻過程中，車廂繞卸貨側的轉軸轉動，車廂內散粒貨物對側門的壓力F1和卸貨側的側門自重驅動側門繞安裝在車廂底架側面的側門銷轉動。抑制肘組成的滾子壓住側門折頁，抑制肘對側門折頁的反作用力大小與F2相同，方向相反，限制側門轉動。載荷F1、F7和－F2對側門銷中心軸的合力矩為0，載荷F1、F7和－F2的合力F5通過側門銷將載荷傳遞至車廂底架，牽引車廂向卸貨側傾翻，組成車廂傾翻力矩：

式中

L6為F5對車廂轉動中心（轉軸軸心）的力臂長度；Lf為迎風面形心與轉軸的垂直高度；Ff為作用在車廂迎風面上的風載荷：重心等均發生變化；Wg，F1，F2，F3，F4，F5，F6，Ff，Lg，L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，Lf等數值同時發生變化，傾卸穩定系數Ft也隨車廂傾翻角度變化而變化。

風載荷按最不利方位加載即風載荷方向垂直于車廂起升側的側面。

計算風壓為q＝43.1 N/m2，迎風面積A隨傾翻角度變化而變化。

式中Bcx為車廂底面寬度；Hcx為車廂側部高度；Lcx為車廂長度。

傾卸穩定系數按公式（2）進行計算。

在傾翻過程中隨著車廂傾翻，車廂的傾翻角度、側門開門角度、車廂的位置、貨物的形態、車廂和貨物合成

整車傾卸穩定系數也按公式（2）進行計算，其中穩定力矩為底架、轉向架、傾翻氣缸等自重載荷和傾翻氣缸負荷對卸貨側輪軌回轉中心的力矩，傾翻力矩為作用在卸貨側轉軸上的載荷對卸貨側輪軌回轉中心的力矩。

經過分析計算，KF－60自翻車在傾翻卸貨作業過程中的車廂和整車的傾卸穩定系數計算結果見表1。

表1 傾卸穩定系數計算結果

分析表1的數據可知：KF－60自翻車在車廂傾翻至25°～32.5°之間，車廂傾卸穩定系數較小，特別是當車廂傾翻至27.5°時，車廂傾卸穩定系數僅為1.11，安全裕量明顯不足，當貨物流動不均勻時引起車廂晃動，容易引起車廂失控從而發生傾覆事故。正因如此，KF－60型自翻車在傾卸作業時需要配裝鋼絲繩、防扣門擋之類的安全裝置才能預防傾覆事故。

車廂的傾卸穩定性安全裕量遠小于整車的傾卸穩定性安全裕量，傾翻卸貨作業過程中車廂的傾卸穩定性相對薄弱。因此，評價自翻車在傾翻卸貨作業過程中是否安全，最重要的是分析計算車廂的傾卸穩定性能，只有車廂有足夠的傾卸穩定安全裕量，才能確保整車的傾卸穩定性能。

采用傾卸穩定系數法通過分析車廂形狀、側門開閉機構鉸點位置等因素對傾卸穩定性能的影響，為提高傾卸穩定性能提供優化車廂和側門開閉機構的理論依據。

5 結束語

我國對自翻車傾翻穩定性的評價已有橫向穩定系數法、傾覆系數法、穩定距離法等3種評價方法，其中橫向穩定系數法、傾覆系數法是借用鐵道車輛動力學性能評定方法，這些方法主要用于分析車輛運行中在側向風力、離心力、橫向慣性力等同時作用下是否會導致車輛傾覆。穩定距離法是基于國內既有自翻車有關參數統計和以往設計經驗提出的一種方法，要求車廂須具備足夠的穩定力臂長度，但不能直接評價傾卸穩定性。自翻車在停車卸貨作業時的傾卸穩定性能實質上是穩定力矩是否大于傾翻力矩的問題，傾卸穩定系數是參照起重機的抗傾覆穩定性的評價方法，分析傾翻卸貨過程中穩定力矩和傾翻力矩的關系，作為鐵路自翻車的傾卸穩定性能評價指標，該評價指標更加科學、合理。

通過以KF－60型自翻車為例，采用傾卸穩定系數分析和評價該車的傾卸穩定性能，計算結果與實際應用情況比較吻合，具有足夠的可信度。因此，建議采用傾卸穩定系數作為鐵路自翻車傾卸穩定性能的評價指標。

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Research on Evaluation Index of Dumping Stability for Railway Automatic Dumping Car

SHI Feng
（CSR Yangtze Rolling Stock Co.，Ltd.，Wuhan 430212 Hubei，China）

This paper introduces the current dumping stability evaluation methods of railway automatic dumping car，inquires into applying the checking methods of derrick stability against overturning in《derrick design norm（GB/T 3811－2008）》and AS 1418.1－2002 for the dumping stability checking of railway automatic dumping car，and suggests adopting the dumping stability coefficient as the evaluation index of dumping stability for railway automatic dumping car.Taking KF－60－type automatic dumping car as example，the dumping stability is analyzed and evaluated with the dumping stability coefficient.

automatic dumping car；dumping stability

U272.6＋3

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.25

1008－7842（2014）04－0106－05

*鐵道部科技司科技研究開發項目（2009J006－C）

?）男，高級工程師（

2013－12－23）