铁路自翻车倾卸稳定性能评价指标的研究*

石 峰

（南车长江车辆有限公司，湖北武汉430212）

风载荷按最不利方位加载即风载荷方向垂直于车厢起升侧的侧面。

计算风压为q＝43.1 N/m2，迎风面积A随倾翻角度变化而变化。

式中Bcx为车厢底面宽度；Hcx为车厢侧部高度；Lcx为车厢长度。

倾卸稳定系数按公式（2）进行计算。

在倾翻过程中随着车厢倾翻，车厢的倾翻角度、侧门开门角度、车厢的位置、货物的形态、车厢和货物合成

铁路自翻车倾卸稳定性能评价指标的研究*

石 峰

（南车长江车辆有限公司，湖北武汉430212）

介绍既有铁路自翻车的倾卸稳定性能评价方法，探讨引用《起重机设计规范》（GB/T 3811－2008）和AS 1418.1－2002中校核起重机抗倾覆稳定性能的方法应用于校核铁路自翻车倾卸稳定性能的可能性。建议采用倾卸稳定系数作为铁路自翻车的倾卸稳定性能评价指标。以KF－60型自翻车为例，采用倾卸稳定系数分析和评价该车的倾卸稳定性能。

铁道自翻车；倾卸稳定性能

自翻车是一种把卸车设备和车辆结构结合在一起的铁路车辆，采用倾翻缸推动车厢向任一侧倾翻40°～55°，侧门开闭机构控制卸货侧的侧门逐渐打开并作为地板面的延续面，货物在侧门板上滑移，车厢和货物的重心逐渐向卸货侧偏移。重心向卸货侧偏移引起车厢出现侧向倾覆趋势，为了分析自翻车在正常倾翻卸货作业过程能否满足安全要求，需要对倾卸稳定性能进行校核。

1 倾翻稳定简单分析

南车长江车辆有限公司曾经多年生产KF－60型自翻车，从2005年开始陆续研制开发了多种新型自翻车，2009～2012年完成了原铁道部科技司科技研究开发课题——新型自翻车技术研究。在实施这些项目过程中开展了自翻车倾卸稳定性能等方面的研究。为了研究自翻车倾翻卸货规律，我们多次进行自翻车的倾翻卸货试验。通过试验发现：在倾翻卸货作业过程中，当车厢倾翻至任意角度时，车厢内的散粒货物的滑移面与水平面的最小夹角同散粒货物的运动安息角基本一致，车厢内的散粒货物在滑移面上方的部分沿滑移面向卸料侧流动，超出侧门高度的部分从侧门上方卸出车厢，其余部分被侧门挡住留在车厢内。随着车厢逐渐倾翻，侧门开度不断增大，车厢内的货物逐渐从侧门上方流出车厢。如果车厢出现意外失控而造成倾覆扣斗现象，容易拖动底架和转向架等一同倾覆，造成整车倾覆和脱轨。如果车厢始终处于受控状态，整车就始终处于稳定状态。因此，车厢不发生倾覆是整车保持稳定的前提条件。倾翻卸货试验现场见图1，倾翻卸货作业过程及车厢内装载的散粒货物截面形状的简化示意见图2。

图1 倾翻卸货作业试验现场

2 既有倾卸稳定性能评价和计算方法

我国目前尚无评价自翻车在倾翻卸货过程中稳定状态的标准和统一规定，各个自翻车制造企业通常借鉴以往设计经验进行计算和设计。KF－60型自翻车在我国运用已经多年，后继生产的其他车型自翻车的倾卸稳定性均以该车作为参照车作简单的对比。

我国铁路行业主要采用下列3种方法分析自翻车的倾卸稳定性能：

（1）横向稳定系数法［3-4］

（2）倾覆系数法［5］

（3）稳定距离法［6］

上述3种计算方法都是铁路自翻车行业多年的经验积累，但在运用过程中发现这些评价指标和计算方法存在若干不足，计算结果与实际情况相差较大。如按上述3种计算方法评价KF－60型自翻车倾卸稳定性满足安全要求，但该型车在实际应用中若不采用外设安全装置就容易发生倾覆事故；采用这些方法判断倾卸稳定性的裕量比较模糊，无法分析车厢外形和侧门开闭机构对倾卸稳定性的影响；生产出口自翻车时国外用户不接受这些评价方法。经历这些事情之后，我们发现上述3种计算方法主要存在下列不足：

图2 倾翻卸货作业过程简化示意图

（1）前两种计算方法是按车厢内的货物质量和堆积形状始终固定不变计算重心位置，但在倾翻卸货过程中车厢内货物的质量和堆积形状不断发生变化，因此计算结果与实际情况相差较大。

（2）没有考虑在倾翻卸货过程中车厢内的货物对侧门的压力通过侧门开闭装置传递到底架上所增加的车厢倾翻力矩。

（3）没用考虑倾翻卸货过程中风载荷对倾翻稳定性的影响。

（4）第3种方法要求保持足够的稳定距离，无法判断倾卸稳定性的裕量。

3 评价指标

上面介绍的3种计算自翻车倾翻稳定性的方法所采用的评价指标分别为：横向稳定系数、倾覆系数、稳定距离。

鉴于铁道车辆的“倾覆稳定性”、“倾覆系数”一般系指车辆在运行中在侧向风力、离心力、横向惯性力等同时作用下是否会导致车辆倾覆。自翻车在停车卸货作业时的倾覆问题主要是在倾翻卸货过程中车辆的重心发生偏移是否会导致车辆倾覆，属于两类不同的问题。为避免混淆，我们认为在讨论自翻车倾翻卸货作业的抗倾覆稳定性问题时，采用“倾卸稳定性”更为合适。

我们经过理论分析和试验验证后确认：造成自翻车在倾翻卸货过程中出现失控及倾覆的原因与起重机出现倾覆的原因相同：稳定力矩小于倾翻力矩。因此，可以借鉴起重机的抗倾覆稳定性基本要求和分析计算方法，通过分析和计算稳定力矩与倾翻力矩等方式来评价自翻车的倾卸稳定性能。

（1）起重机的抗倾覆稳定性计算方法和评价方法

①《起重机设计规范》（GB/T 3811－2008）在该标准的8.1.1条中规定：在校核计算中，当稳定力矩的代数和大于倾翻力矩的代数和时，则认为该起重机整机是稳定的。

由自重载荷产生稳定力矩，由除自重载荷外其他载荷产生倾翻力矩，它们都是对所规定的特定倾覆线计算的结果。

在风速不大于8.3 m/s（折合风压值为43.1 N/m2，即5级风）的风载荷作用下，流动式起重机作稳定性试验或带载运行。用自重载荷与规定的载荷（乘以1.33的载荷系数）计算出相应稳定力矩和倾覆力矩，来判定起重机是否符合整体抗倾覆稳定力矩的条件。

②澳大利亚标准AS 1418.1－2002

该标准第6章规定按下列方法校核起重机的抗倾覆稳定性：

式中Fs为抗倾覆稳定系数，不小于1.4；Ms为最小稳定力矩；Mo为载荷和风力下的最大倾翻力矩。

我们在为澳大利亚用户生产自翻车时，用户要求参照此标准校核倾卸稳定性，车厢的稳定力矩/倾覆力矩之比不小于1.4，存在不小于40%的安全裕度。

（2）对比分析

两个标准对起重机的抗倾覆稳定性的评价都是采用对比分析计算起重机的稳定力矩与倾翻力矩之间的比例关系，只是计算公式形式不同，但实质是相同的。

鉴于抗倾覆稳定系数比较直观，因此建议参照起重机的抗倾覆稳定系数计算方法，在分析自翻车倾翻卸货过程中的稳定状态时，采用倾卸稳定系数作为自翻车倾翻稳定性的评价指标。

倾卸稳定系数定义为：Ft为自翻车的倾卸稳定系数；Mt为车辆或车厢承载的稳定力矩；Mc为车辆或车厢承载的倾翻力矩。

校核在中国运用的自翻车倾卸稳定性时可以借鉴《起重机设计规范》（GB/T 3811－2008）的要求，稳定力矩＞1.33×倾翻力矩，倾卸稳定系数不小于1.33，存在不小于33%的安全裕度。校核国外运用的自翻车倾卸稳定性时，倾卸稳定系数可按运用国家的相关标准或用户的要求确定最小值。

4 应用实例

现以KF－60型自翻车为例，采用倾卸稳定系数计算、分析、评价该车的倾卸稳定性能。

KF－60型自翻车用于装运矿石、砾石、石块、炉渣等黏聚力较小的散粒货物。倾翻卸货时，车厢内散粒货物的稳定状态符合沙性土土坡的稳定性特征，流动时滑移面近似平面，在断面上近似呈一直线。散粒货物表面上的一层最容易滑动，在与水平面夹角等于运动安息角的滑移面上，处于极限平衡状态，在滑移面下方的部分保持稳定静止，在滑移面上方的部分沿滑移面整体滑动。

KF－60型自翻车车厢的侧门为上开式，侧门开闭机构采用抑制肘式。车厢、抑制肘和车厢内装载的货物的简化示意参见图3和图4。

图3 车厢、抑制肘和车厢内装载货物的简化示意（运输工况）

图4 车厢、抑制肘和车厢内装载货物的简化示意（倾翻工况）

（1）对重心移动的计算分析

为了研究自翻车的倾卸稳定性能，首先计算分析在倾翻卸货过程中车厢和车厢内散粒货物重心的移动轨迹及整车重心的移动轨迹，分析重心偏移量是否在安全范围内。

为便于分析问题和简化计算，现假设：

①同侧车轮、转轴、倾翻缸、侧门所受载荷相等；

②车厢内的散粒货物的几何尺寸相同且均匀分布，倾翻卸货时散粒货物呈均匀、连续状态滑移和流动；

③不考虑侧门与端墙开缝间流出的散粒货物；

④增载侧与减载侧的车轮和转轴的载荷增减绝对值相等；

⑤选择散粒货物的运动安息角为35°；

⑥车厢地板从水平连续倾翻至45°，倾翻角度按2.5°离散。

经过分析计算，倾翻卸货过程中车厢内的散粒货物的质量和卸货比率参见图5，包括车厢自重、车厢内散粒货物等在内的合成重心移动轨迹参见图6，包括车辆和车厢内装载的散粒货物在内的整车重心移动轨迹参见图7。

图5 车厢内散粒货物质量和卸货比率

图6 车厢及货物合成重心移动轨迹图

图7 整车重心移动轨迹图

分析图5可知：当车厢倾翻至25°时，车厢内的散粒货物开始卸货，当车厢倾翻至37.5°时，车厢内的散粒货物已卸空。

分析图6可知：车厢和车厢内的散粒货物的合成重心始终处于倾翻缸和转轴之间。合成重心到通过卸料侧转轴中心垂直平面的最小距离即参考文献［6］中介绍的稳定距离，该文献介绍KF－60型自翻车的稳定距离为273 mm。我们通过计算车厢内堆积形状不断变化的货物重心偏移量，该值为260 mm。因此，在正常作业情况下，车厢和车厢内的散粒货物的合成重心的偏移不会导致车厢出现失控问题。

分析图7可知：在倾翻卸货作业过程中，整车重心始终处于两轨之间，与卸货侧车辆轮轨间的回转中心的水平距离320 mm以上。因此，在正常作业情况下，整车重心的偏移不会导致整车出现失控问题。

（2）计算倾卸稳定系数

在车厢倾翻过程中，车厢和货物合成重心及货物质量在车厢开始卸货后随着车厢倾翻角度的变化而变化，车厢自重和货物质量绕车厢翻转支点（转轴）形成稳定力矩：

卸货侧的侧门承载散粒货物的侧压力等效为作用在侧门折页上集中力F1，F1和卸货侧的侧门自重F7通过侧门折页、抑制肘组成将力传递至底架。

侧门折页对抑制肘支承力F2：

作用在抑制肘组成的各种载荷处于平衡状态，侧门折页对抑制肘支承力F2，抑制肘组成中的弹簧组成的回弹力F3，底架的支承对抑制肘支承力F4，抑制肘安装销轴的支承力F6等载荷的合力和对抑制肘安装销轴中心轴的合力矩为0。

在车厢倾翻过程中，车厢绕卸货侧的转轴转动，车厢内散粒货物对侧门的压力F1和卸货侧的侧门自重驱动侧门绕安装在车厢底架侧面的侧门销转动。抑制肘组成的滚子压住侧门折页，抑制肘对侧门折页的反作用力大小与F2相同，方向相反，限制侧门转动。载荷F1、F7和－F2对侧门销中心轴的合力矩为0，载荷F1、F7和－F2的合力F5通过侧门销将载荷传递至车厢底架，牵引车厢向卸货侧倾翻，组成车厢倾翻力矩：

式中

L6为F5对车厢转动中心（转轴轴心）的力臂长度；Lf为迎风面形心与转轴的垂直高度；Ff为作用在车厢迎风面上的风载荷：重心等均发生变化；Wg，F1，F2，F3，F4，F5，F6，Ff，Lg，L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，Lf等数值同时发生变化，倾卸稳定系数Ft也随车厢倾翻角度变化而变化。

风载荷按最不利方位加载即风载荷方向垂直于车厢起升侧的侧面。

计算风压为q＝43.1 N/m2，迎风面积A随倾翻角度变化而变化。

式中Bcx为车厢底面宽度；Hcx为车厢侧部高度；Lcx为车厢长度。

倾卸稳定系数按公式（2）进行计算。

在倾翻过程中随着车厢倾翻，车厢的倾翻角度、侧门开门角度、车厢的位置、货物的形态、车厢和货物合成

整车倾卸稳定系数也按公式（2）进行计算，其中稳定力矩为底架、转向架、倾翻气缸等自重载荷和倾翻气缸负荷对卸货侧轮轨回转中心的力矩，倾翻力矩为作用在卸货侧转轴上的载荷对卸货侧轮轨回转中心的力矩。

经过分析计算，KF－60自翻车在倾翻卸货作业过程中的车厢和整车的倾卸稳定系数计算结果见表1。

表1 倾卸稳定系数计算结果

分析表1的数据可知：KF－60自翻车在车厢倾翻至25°～32.5°之间，车厢倾卸稳定系数较小，特别是当车厢倾翻至27.5°时，车厢倾卸稳定系数仅为1.11，安全裕量明显不足，当货物流动不均匀时引起车厢晃动，容易引起车厢失控从而发生倾覆事故。正因如此，KF－60型自翻车在倾卸作业时需要配装钢丝绳、防扣门挡之类的安全装置才能预防倾覆事故。

车厢的倾卸稳定性安全裕量远小于整车的倾卸稳定性安全裕量，倾翻卸货作业过程中车厢的倾卸稳定性相对薄弱。因此，评价自翻车在倾翻卸货作业过程中是否安全，最重要的是分析计算车厢的倾卸稳定性能，只有车厢有足够的倾卸稳定安全裕量，才能确保整车的倾卸稳定性能。

采用倾卸稳定系数法通过分析车厢形状、侧门开闭机构铰点位置等因素对倾卸稳定性能的影响，为提高倾卸稳定性能提供优化车厢和侧门开闭机构的理论依据。

5 结束语

我国对自翻车倾翻稳定性的评价已有横向稳定系数法、倾覆系数法、稳定距离法等3种评价方法，其中横向稳定系数法、倾覆系数法是借用铁道车辆动力学性能评定方法，这些方法主要用于分析车辆运行中在侧向风力、离心力、横向惯性力等同时作用下是否会导致车辆倾覆。稳定距离法是基于国内既有自翻车有关参数统计和以往设计经验提出的一种方法，要求车厢须具备足够的稳定力臂长度，但不能直接评价倾卸稳定性。自翻车在停车卸货作业时的倾卸稳定性能实质上是稳定力矩是否大于倾翻力矩的问题，倾卸稳定系数是参照起重机的抗倾覆稳定性的评价方法，分析倾翻卸货过程中稳定力矩和倾翻力矩的关系，作为铁路自翻车的倾卸稳定性能评价指标，该评价指标更加科学、合理。

通过以KF－60型自翻车为例，采用倾卸稳定系数分析和评价该车的倾卸稳定性能，计算结果与实际应用情况比较吻合，具有足够的可信度。因此，建议采用倾卸稳定系数作为铁路自翻车倾卸稳定性能的评价指标。

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［9］ 范钦珊，王 琪.工程力学［M］.北京：高等教育出版社，2002.

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

*铁道部科技司科技研究开发项目（2009J006－C）

�）男，高级工程师（

2013－12－23）