動車組測力車鉤研制方法探討

馬麗英，張培勝

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

鉤緩裝置是軌道車輛的重要部件,它連接相鄰車輛,并且傳遞和緩沖列車在運行或者調(diào)車作業(yè)時所產(chǎn)生的牽引力和壓縮力。隨著軌道車輛運行速度提升,車輛間的縱向作用力不斷增大,對車鉤性能的要求也不斷提高[1]。由于車輛在運行過程中頻繁制動,車鉤上的載荷也頻繁地發(fā)生變化,為確保列車運行的安全性,避免發(fā)生脫鉤或者車鉤斷裂,有必要對車鉤實時受力狀態(tài)進行監(jiān)測分析。徐倩等[2]通過大秦線縱向動力學試驗,研究了不同編組方式和運行工況下的車鉤力。薛海,趙士忠等[3,4]通過實測某重載線車鉤力—時間歷程,分析了不同工況下車鉤力的特性,并進行了車鉤力譜的編制。以上試驗都是以貨車車鉤為研究對象,對城軌車輛車鉤力的研究還很少。本文選取標準動車組用中間車鉤為研究對象,驗證動車組測力車鉤制作的可行性,通過拉伸和壓縮標定,獲得了測力車鉤的應變—載荷線性系數(shù)。將此研究成果推廣應用于地鐵車輛,測得了車輛運行過程中的車鉤力。

1 測力車鉤原理

制作測力車鉤時需要在鉤體表面粘貼電阻應變片,通過采集應變情況感知車鉤受力情況。其測力原理與普通的拉壓力傳感器工作原理相同,即對彈性材料受力后產(chǎn)生變形的狀態(tài)進行跟蹤。具體方法為:在鉤身兩側(cè)面分別貼上一組(4個)垂直電阻應變片,將4個應變片組成惠斯通電橋(如圖1所示);車鉤置于加載框架內(nèi),將圖1中的A～D接線端按全橋接線方式與應變片連接,通過液壓油缸施加載荷進行靜力標定,同時記錄試驗臺的施加力值與應變儀采集的車鉤應變值的對應關(guān)系;在后續(xù)的試驗中,根據(jù)傳感器測得的應變和線性系數(shù),反推車鉤所受載荷。

圖1 惠斯通電橋原理圖

2 動車組中間車鉤

動車組中間車鉤為半永久車鉤,分別由帶緩沖器半永久車鉤和帶壓潰管半永久車鉤組成,主要包括車鉤座、緩沖器、壓潰管和空氣管路等組件,具體結(jié)構(gòu)見圖2。該車鉤的技術(shù)條件要求拉伸屈服載荷≥1 000 kN,壓縮屈服載荷≥1 500 kN。在保證車鉤不被破壞的前提下,設定測力車鉤試驗的最大拉伸和壓縮載荷均為60 t。

圖2 動車組中間車鉤

3 測力車鉤制作方法

根據(jù)車鉤的結(jié)構(gòu)特點,在車鉤座、壓潰管部位分別選取測試部位,粘貼電阻應變片進行應力分布測試;找到車鉤上載荷反應敏感部位,剔除突變截面和應力集中區(qū),在鉤體平滑部位選擇測力車鉤組橋位置。

靜態(tài)標定時要選取應變—載荷線性關(guān)系較好且對載荷反應靈敏的位置,根據(jù)車鉤結(jié)構(gòu)及應力分布試驗結(jié)果,選取車鉤靜態(tài)標定的測點,分別組成惠斯通電橋,最終選定的位置如圖3所示。橋路1、2布置在緩沖器端中間鉤上,橋路3、4布置在壓潰管端中間鉤上。每個橋路上粘貼4個應變片,編號為ε1～ε4,具體粘貼方式如圖4所示。

圖3 車鉤布點及加載位置

圖4 車鉤橋路應變片粘貼方式

通常情況下預加載一次,確定一切正常后進行兩次車鉤靜力標定,兩次結(jié)果的線性和重復性偏差在1%左右即可成功完成標定。如果偏差較大,則要逐項檢查貼片、接線、測試儀器參數(shù)設置及工作狀態(tài)、加載設備狀態(tài)和加載方法等,所有可能因素都一一排除,若標定結(jié)果仍不理想,則要更換車鉤重新標定,直到得到滿意的結(jié)果。

本次試驗中,對測力車鉤進行一次預加載后進行了三次正式標定,選取后兩次重復性較好的數(shù)據(jù),取算術(shù)平均值后用回歸分析法統(tǒng)計載荷與應變值的對應關(guān)系,如圖5所示。

圖5 載荷與應變值的對應關(guān)系

因緩沖器端車鉤在壓縮工況下緩沖器位移較大,在制作車鉤試驗工作時需注意加載行程不可過小。

從上述測試結(jié)果可以看出:兩種中間鉤都是鉤身尾部位置響應較差,說明此處不適于作為標定位置;橋路2、橋路3對載荷的響應性較差,橋路1、橋路4對載荷的響應性較敏感,應變輸出與載荷輸入線性度較好,在車輛運行時該部位也不會與其他裝置干涉,能夠滿足試驗需要。

4 測試驗證

測力車鉤制作完成后,根據(jù)測試原理推廣應用于地鐵用半永久中間車鉤的測力車鉤研發(fā),并在試驗臺上進行了靜載標定,標定加載時載荷從15 t開始,按照5 t一個進程逐級上升,直到50 t載荷。期間記錄車鉤橋路應變輸出值,并觀察其線性度,選擇線性度良好的橋路進行封裝防護。標定完成后裝到試驗列車上。

按照試驗安排,共完成了15次正式試驗,其中正線運行4次,段內(nèi)站場線11次(4次自身動力、3次工程車牽引、4次勻速過全部站場線),分別對每次試驗進行處理。從運行監(jiān)測數(shù)據(jù)歸類統(tǒng)計分析可知,車鉤力最大值通常發(fā)生在啟動加速和制動停車階段,啟動過程中車鉤力最大為58.55 kN,制動過程中車鉤力最大為-44.09 kN,車鉤力與運行速度曲線如圖6所示。車輛平穩(wěn)運行階段,車鉤力變化不顯著,車鉤力與運行速度曲線如圖7所示。

圖6 啟動加速、制動停車階段車鉤力與運行速度曲線

圖7 平穩(wěn)運行階段車鉤力與運行速度曲線

5 總結(jié)

試驗中獲得了動車組中間鉤的應變—載荷關(guān)系。為了保證車鉤結(jié)構(gòu)不被破壞,在研究中采用的載荷較小,但該載荷已經(jīng)超過了車輛正常運行過程中的車鉤力水平,因此該試驗結(jié)果可用于分析車鉤在正常運行狀態(tài)下的受力和變形情況。要分析車鉤在沖擊狀態(tài)下的受力情況,還需要增大試驗載荷,在試驗過程中壓潰管和緩沖器可能會被破壞,這就要求車鉤在標定時需要拆除壓潰管和緩沖器等一切可能在大載荷下會產(chǎn)生永久變形和破壞的結(jié)構(gòu)件。

近年來,為了加快鐵路高速化,我國大力發(fā)展高速列車技術(shù),對于車輛在沖擊狀態(tài)下車鉤承受的最大沖擊力測試非常重要,通過本次動車組測力車鉤研究,確定了車鉤的敏感受力位置,也驗證了測力車鉤制作的可行性,可以提供真實可靠的試驗數(shù)據(jù)供設計人員參考。