轴重与动静载荷比影响因素分析

2011-05-04苗晓雨王新锐陈政南曲金娟

铁道机车车辆 2011年2期

苗晓雨,熊芯,王新锐,陈政南,曲金娟

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京100081)

随着我国铁路重载运输的发展,新型的大轴重铁路货车也将研制运用。铁路货车轴重的增加,在增加铁路运输效率的同时,无疑也会给线路、桥梁和货车本身的疲劳带来一定的影响,这种影响的主要因素之一是车轮载荷的变化。车轮载荷可分为静载荷和在运行中产生的动载荷。静载荷的增加是轴重增加带来的必然结果,不可避免。动载荷是由于车辆在实际线路上运行产生振动而引起的附加载荷,这类载荷可以通过改善线路条件或车辆的运行品质来得到缓解或控制,比如转向架的低动力作用就是为了这个目的。就现有21,23,25 t轴重车辆在线路动力学性能试验中的动静载荷比情况,分析轴重增加与动载荷的关系,为大轴重低动力转向架的设计提供借鉴,为大轴重车辆、线路和桥梁疲劳可靠性设计提供参考。

1 数据样本说明与分析方法

数据样本来自于提速货车120 km/h可靠性试验第2阶段末期动力学试验,可靠性试验中参试车型和试验工况相对齐全,具有较强的代表性和对比性。试验车辆共68辆,包括进行120 km/h可靠性试验的敞车、棚车、平车、罐车、双层集装箱等多种车型。为了检验轴重对动静载荷比产生的影响,把68辆试验车辆分为6组,其中21 t轴重的重车19辆、23 t轴重的重车8辆、25 t轴重的重车6辆、21 t轴重的空车 24辆、23 t轴重的空车8辆、25 t轴重的空车 3辆。

末期动力学试验线路为京承线(双桥—洞庙河)和京秦线(双桥—丰润或唐山)。京承线上主要进行曲线(R300,R400,R600,R800)工况的试验及部分直线试验,在京秦线上主要进行直线高速试验(100～130 km/h)。试验时,直线区段按70～130 km/h各速度级进行。

根据GB/T 5599-1985的要求,每个数据采样段(一般为6 s)出一个数值,此数值是6 s中的最大值。为了能掌握车轮(垂向)动载荷实际的分布情况,运用软件提取全部轮轨力数据用于分析数据样本。

动静载荷比是指车辆在运转时产生的动轴重数值与车辆静止时的静轴重数值之比。使用实际测出的动轴重和静轴重数值,进行车辆动静载荷比的计算。将各车辆的动静载荷比最大值按组取平均值,利用平均最大值进行比较可以更好的显示不同情况下的动静载荷比数值的变化趋势。

2 不同线路工况条件下分析

2.1 轴重与动静载荷比的关系

图1、图2是京承线曲线和直线工况下21,23,25 t轴重车辆的空、重车动静载荷比的变化情况。由图1、图2可以看出,在京承线曲线半径为 R300,R400,R600,R800 m和直线线路条件下,装配转K6、转K5型转向架的23 t轴重车辆的动静载荷比小于装配转K2、转K4型转向架的21 t轴重车辆时动静载荷比。装配转K6、转K5型转向架的23 t轴重车辆的动静载荷比小于25 t轴重车辆的动静载荷比。

相对于21 t轴重车辆来说,23 t轴重车辆空车动静载荷比,曲线时减小幅度在5.66%～20.01%之间,直线减小幅度为8.97%;重车动静载荷比,曲线时减小幅度在12.74%～17.57%之间,直线减小幅度为3.41%。23 t轴重车辆比21 t轴重车辆轴重增幅为9.52%,而动载荷增加幅度为-9.71%～7.72%。重车动载荷是动静载荷比与各自车辆轴重的乘积。23 t轴重车辆与21 t轴重车辆动载荷增加的幅度小于轴重增加的幅度,说明转K6型转向架采用改进型轴箱橡胶垫,降低车辆垂向动作用力,转K5型转向架采用摆动式技术,改善了受力关系,转K6、K5型转向架低动力作用明显。

相对于23 t轴重车辆来说,25 t轴重车辆空车动静载荷比,曲线增幅在2.91%～18.64%之间,直线增幅为18.86%;重车动静载荷比,曲线增幅在10.41%～17.11%之间,直线增幅为8.79%。25 t轴重车辆比23 t轴重车辆轴重增幅为8.70%,而25t轴重车辆比23 t轴重车辆的动载荷增加幅度为18.25%～27.30%。轴重增加的幅度比动载荷增加的幅度小。同样装配转K6、转K5型转向架车辆25 t轴重时比23 t轴重时的动静载荷比大,这表明同一转向架承载总重(实际轴重)增加,垂向动载荷增加,且增加的幅度大于轴重增加的幅度。考虑到京承线的线路条件,分析线路条件相对较好的京秦线直线动载荷增幅为11.31%,和京承线结论一致。

不同线路工况条件下分析轴重与车辆动静载荷比关系说明:转K6、转 K5型转向架比转 K2、转 K4型转向架具有较好的低动力作用,能有效地减小轮轨间的动作用力;同一类型的转向架,在转向架没有进一步改进的条件下,实际轴重增加动载荷也将增加,动载荷增加的比例可能要大于轴重增加的比例,对发挥转向架的低动力作用不利。

图1 京承线空车在同一工况下轴重与动静载荷比的关系

图2 京承线重车在同一工况下轴重与动静载荷比的关系

2.2 线路工况对动静载荷比的影响

京承线为曲线及部分直线试验工况,在测试结果上可以看出小曲线时动静载荷比数值较大,曲线半径为R300 m时车辆动静载荷比空车最大为0.40,重车最大为0.18;直线时动静载荷比数值相对较小,空车最大为0.28,重车最大为0.16,空车情况下对比尤为明显,其中最大值分别出现在21 t和25 t轴重车辆时,23 t轴重车辆数值较小。

曲线半径大于等于R800 m的情况下,动静载荷比与直线情况下数值无明显差别,对货车来讲近似于直线数值。曲线半径由R300增加到R800,21,23,25 t轴重空车动静载荷比最大值分别减少了53.85%,58.33%,39.29%,重车动静载荷比最大值分别减少了 20%,14.29%,12.5%。

小曲线动静载荷比较大的原因可能是由于线路变坡和超高的原因发生轮重转移。曲线的特征参数(曲线半径、超高、顺坡率等)是影响动静载荷比指标的主要因素之一。

2.3 空、重车对动静载荷比的影响

图3 京承线R300线况下车辆动静载荷比空、重车对比图

图4 京承线直线线况下车辆动静载荷比空、重车对比图

为了比较空车和重车对动静载荷比的影响,分别就不同线路工况条件下68辆测试车辆的动静载荷比最大值进行比较。图3是曲线半径为R300 m时的各车动静载荷比的平均最大值情况,横坐标是车辆序号。图4是直线试验工况下动静载荷比情况。两者工况下显示出,在测试情况完全相同的情况下,空车的动静载荷比值明显大于重车的数值。R300 m线路工况下空车动静载荷比最大值为0.47,重车动静载荷比最大值为0.23。直线下空车动静载荷比最大值为0.32,重车动静载荷比最大值0.21。空车、重车的区别是影响动静载荷比指标的主要因素之一。

3 不同运行速度条件下分析

3.1 轴重与动静载荷比的关系

京秦线为直线高速试验线路,线路条件优于京承线,京秦线的车辆动静载荷比的数值明显小于京承线的数值。由图5、图6可以看出,在京秦线运行速度为90～130 km/h各不同速度级下,转K6、转K5型转向架的23 t轴重车辆的动静载荷比小于转K2、转K4型转向架的21 t轴重车辆时动静载荷比,相对于21 t轴重车辆来说,23 t轴重车辆空车减小幅度在9.08%～17.85%之间,重车减小幅度在0.76%～17.21%之间。同为转K6、转K5型转向架,23 t轴重车辆的动静载荷比小于25 t轴重时的动静载荷比,其中空车动静载荷比最大值为0.205。相对于23 t轴重车辆来说,25 t轴重车辆空车增幅在 15.85%～24.09%之间,重车增幅在-3.54%～10.76%之间,高速情况对比数值比较明显。

图5 京秦线空车在不同速度条件下轴重与动静载荷比的关系

图6 京秦线重车在不同速度条件下轴重与动静载荷比的关系

不同速度级下,轴重对动静载荷比影响分析结果与不同线路工况条件下的分析结果基本一致,转K6、转K5型转向架相对于转K2、转K4型转向架具有较好的低动力作用;同一类型的转向架,实际轴重增加动载荷也将增加,动载荷增加的比例可能要大于轴重增加的比例,对发挥转向架的低动力作用不利。

3.2 运行速度对动静载荷比的影响

由图7可以看出,空车情况下车辆运行速度增大,车辆动静载荷比增大。随着速度的增大,钢轨对车辆的激扰频率增加,加大车辆振动,动作用力增大,可能是影响动静载荷比的原因。重车随着运行速度增加,车辆的动静载荷比在70～110 km/h的速度增幅不明显,重车动静载荷比数值比空车数值小,而且京秦线直线数值也较小,所以数值增幅情况不明显,但是在120～130 km/h时数值增幅较大。

图7 京秦线不同速度级下车辆动静载荷比空、重车对比图

3.3 不同线路条件对动静载荷比的影响

京秦线直线动静载荷比数值明显小于京承线数值。京承线直线线路条件不好;京秦线是客货共线的客车提速线路,线路状态良好。表1是两条线路同为直线工况下空、重车动静载荷比对比表。京承线上车辆的动静载荷比,测试结果大于京秦线,空车差别更加明显。空车最大差别56.85%,重车最大差别9.88%。线路状态情况也是影响动力学性能指标的因素之一。