鐵路貨車車體靜載荷變形對制動管系漏泄和應力影響研究

周炯，常明，李冬，王愛民，王毅

（中車眉山車輛有限公司科技創新中心，四川眉山 620032）

隨著鐵路貨車重載、提速技術的發展，鐵路貨車典型故障通常會大幅增加。但由于鐵路貨車相繼采用新結構、新材料、新工藝，其轉向架、車鉤緩沖裝置及車體的典型故障卻在大幅度下降。然而鐵路貨車制動系統故障卻比其他系統故障增多，其中，采用法蘭結構的制動管系漏泄甚至斷裂已成為典型故障［1］。主要原因基本歸為：車輛制造和組裝中的誤差、車輛運用中制動管系的振動、車體靜載荷變形引起的制動管系變形，使得法蘭接頭與制動管連接處應力集中，從而造成連接處緊固螺栓松動或接頭連接處斷裂，導致管系漏泄［2］。組裝誤差可以通過提高工藝和管理水平進行控制，振動由線路、轉向架性能及運行速度等客觀因素共同決定，然而車體靜載荷變形對制動管系應力和漏泄有多大影響卻無法得知。為此，本文通過介紹在C80EF型通用敞車上模擬車輛裝載運用情況，研究分析車體靜載荷變形對制動管系漏泄和應力的影響，為改善鐵路貨車制動管系布局、優化車體結構和解決制動管系漏泄故障提供參考。

1 C80EF型通用敞車制動管系和應力測點介紹

該車采用120型空氣制動系統、敞車常規制動布局、不銹鋼制動管及不銹鋼法蘭。制動主管沿著中梁設置，制動主管彎曲部分穿過中梁的低應力區，以降低對中梁強度的影響。支管長度盡量短，彎曲數量盡量少，以提高制動波速。

試驗應力測點設在制動管件上靠近法蘭接頭體焊縫處的37個截面位置，每個截面位置的上、下、左、右各設1個測點，共計148個應力測點；中梁和下側梁設6個撓度測點。制動系統主要布局和應力測點位置如圖1所示（其中X1～X6均為撓度測點，其余為應力測點）。

圖1 制動系統主要布局和應力測點位置示意圖

2 試驗內容和方法

在25～30℃環境溫度下對C80EF型通用敞車車體分別施加縱向拉壓、扭轉、集載、均載及頂車載荷，在制動管定壓500 kPa和600 kPa工況下，對車輛實施常用制動、緊急制動，測取各制動管系測點位置的應力，監測制動管系5 min內漏泄量。

參考TB/T 3550.2-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體 第2部分：貨車車體》要求，縱向拉伸、壓縮載荷沿車鉤中心線，通過車體靜強度試驗臺縱向加載裝置，分別作用在車輛的前、后從板座上。

在枕梁四個端部將空車車體頂起，使上下心盤離開一定距離成四點支撐，并處于水平狀態；將任意一對角線上的兩個支撐上升，使車體產生扭轉。

采用鐵塊加載到車體底架上，模擬重車均載工況。

集載工況參考《80 t級通用敞車靜強度試驗大綱》要求，對車輛進行垂向集中載荷加載，57 t集載工況、80 t集載工況見表1、表2。

表1 57 t集載工況

表2 80 t集載工況

車體承受92 t均布載荷后，用加載設備在車體一端兩側頂車位將車體頂起，車體與轉向架承載面脫離。

3 漏泄試驗情況

空車工況：空車狀態，在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實施常用、緊急制動，保壓5 min，制動前后制動管系均無漏泄。

縱向載荷工況：空車狀態，對車體在縱向加載拉伸載荷1 780 kN和壓縮載荷1 920 kN、2 500 kN，同時分別在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實施常用、緊急制動。全車制動系統均出現1 kPa/5 min的漏泄量，而卸載后無漏泄，試驗現場照片如圖2所示。

圖2 縱向載荷工況試驗現場照片

扭轉載荷工況：在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實施常用、緊急制動。當扭轉載荷為40 kN·m時，全車無漏泄。為研究車體在較大扭轉載荷時對制動管系漏泄的影響，將扭轉載荷增加到60 kN·m，定壓在600 kPa時，全車出現約1 kPa/5 min的漏泄量，而卸載后無漏泄，試驗現場照片如圖3所示。

圖3 扭轉載荷工況試驗現場照片

均載工況：在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實施常用、緊急制動。裝載至28 t，全車制動系統出現1 kPa/5 min的漏泄量，此時中梁中部相對于心盤處的撓度值為1.25 mm；裝載至80 t時，全車制動系統的漏泄量增加到2 kPa/5 min，此時中梁中部相對于心盤處的撓度值為2.6 mm；裝載至92 t，全車制動系統的漏泄量為2 kPa/5 min，此時中梁中部相對于心盤處的撓度值為2.85 mm，卸載后無漏泄，試驗現場照片如圖4所示。

圖4 均載載荷工況試驗現場照片

集載工況：在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實施常用制動、緊急制動。在集載57 t時，全車制動系統均出現1 kPa/5 min的漏泄量，此時中梁中部相對于心盤處的撓度值為1.75 mm；在集載80 t時，車輛實施常用制動、緊急制動，全車制動系統同樣出現了1 kPa/5 min的漏泄量，此時中梁中部相對于心盤處的撓度值為2.4 mm，卸載后無漏泄，試驗現場照片如圖5所示。

圖5 集載載荷工況試驗現場照片

頂車工況：在重載92 t、定壓500 kPa和600 kPa工況下，車輛實施常用制動、緊急制動，全車制動系統均出現1 kPa/5 min的漏泄量，卸載后無漏泄。

各工況制動管系漏泄量見表3。

表3 漏泄試驗各工況制動管系漏泄量簡表 漏泄量:kPa/5 min

4 應力試驗情況

在各工況監測制動管系漏泄情況的同時進行制動管系應力試驗，單工況制動管系最大應力見表4，試驗現場照片如圖6所示。

表4 單工況制動管系最大應力簡表 單位:MPa

圖6 應力試驗現場照片

對試驗數據應力按TB/T 3550.2-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范車體第2部分：貨車車體》要求合成后的大應力測點見表5。

表5 主要測點合成最大應力簡表 單位:MPa

5 分析

從漏泄試驗情況和表3的數據可以看出：

（1）試驗漏泄量均滿足TB/T 1492-2017《鐵道車輛制動機單車試驗》中“保壓1 min，貨車制動管漏泄量應不大于5 kPa”和“保壓1 min，貨車漏泄量應不大于5 kPa”的規定。

（2）車輛在空車未加載狀態時制動管系無漏泄，但在加載后制動管系可能出現微量漏泄。

（3）車輛在規定的載荷作用下，車輛制動管在定壓500 kPa和600 kPa時實施制動，制動主管均無漏泄，漏泄出現在非主管部件；車輛制動管在定壓500 kPa和600 kPa實施制動時，制動管系漏泄量無明顯差異；車輛在實施常用制動和緊急制動時，制動管系泄量無明顯差異。

（4）車輛在承受規定的縱向載荷時，制動管系可能出現微量漏泄。

（5）車輛在承受較大扭轉載荷時，制動管系可能出現微量漏泄。

（6）車輛承受垂向載荷時，制動管系可能出現微量漏泄；隨著載重的增大，漏泄量會增加。

從應力試驗情況和表4的數據可以看出：

（1）在定壓500 kPa和定壓600 kPa下，實施常用制動和緊急制動對制動管系應力變化幾乎無影響。

（2）單工況下，三通處的應力值相比其它位置略大，其中最大單工況應力出現在DN32彎管（即制動主管）上，但漏泄試驗卻顯示主管在任何工況下均無漏泄。

（3）單工況下，車體承受載荷引起的變形對制動管系應力存在影響，但影響較小。

從整體試驗情況和表5的合成應力數據可以看出：

制動管系在車體各向載荷變形的綜合影響下，最大合成應力出現在DN32直管（即制動主管）上，其值小于制動管材質1Cr18Ni9Ti的許用應力值108 MPa，滿足設計標準要求。但漏泄試驗顯示主管在任何工況下均無漏泄，因此，在制動管系材料許用應力范圍內，制動管系應力大小和漏泄無強相關聯系。

6 結論與展望

（1）車體因承受載荷引起的變形對制動管系漏泄量存在影響，但影響較小，其中均布滿載工況的垂向變形引起的漏泄量相對明顯，車輛承載大小與漏泄量成正比，但仍遠小于標準規定的漏泄量。

（2）定壓500 kPa和定壓600 kPa的變化、實施常用制動和緊急制動對制動管系漏泄量和制動管系應力幾乎無影響。

（3）車體由承受載荷引起的變形對制動管系應力影響較小，在制動管系材料許用應力范圍內的制動管系應力與制動管系漏泄量之間無強相關聯系。

本次研究僅從靜載荷狀態驗證了車體靜載荷變形對制動管系漏泄具有一定影響，但不足以造成制動管系漏泄故障，因此，車體靜載荷變形不是制動管系漏泄的首要原因。在條件允許的情況，對整車制動管系進行振動疲勞試驗可能會找出首要原因。