基于冲击试验的铁路货车纵向载荷设计分析研究*

田葆栓， 李家宝， 魏鸿亮

(1 中车青岛四方车辆研究所有限公司， 山东青岛 266031；2 中车齐齐哈尔车辆有限公司， 辽宁大连 116041)

铁路货车冲击试验研究对鉴定货车强度、改进设计具有重要的意义。货车在运用中，如在编组场调车、溜放；列车起动、制动；运行中加速、减速；正面碰撞事故等都会发生不同程度的冲击或冲动，产生很大的纵向冲击力。除事故冲突外，在正常情况下以列车突然起动、低速紧急制动和驼峰溜放冲击最严重。铁道车辆强度设计标准规定，将冲击试验作为第2工况评价动态强度的主要手段。货车冲击试验是为了探讨货车调车作业时，冲击速度、纵向冲击力、冲击加速度、货车质量、缓冲器性能的关系，以便确定合理的调车允许速度。相邻货车速度差引起的冲击如调车场上的调车冲击是导致货车结构及装载货物损坏的主要因素。世界各国铁路非常重视调车冲击工况的研究。通过大量的冲击试验，模拟编组场溜放作业情况，研究在不同调车连挂速度下的纵向冲击力，为设定合理的调车连挂速度和修订纵向载荷设计标准提供依据，可在保证可靠性的前提下，提高货车运输效率。

纵向载荷设计时，最大困难之一是设计用冲击工况纵向载荷统计数据缺乏。工程冲击、振动问题中的参数，一般是随机变量，必须用统计方法描述。冲击、振动条件的制定依赖于实测数据的统计处理。统计分析的关键是要有试验数据。文中在全面地分析、整理铁路货车系统30多年来的大量的结构强度冲击试验数据基础上，对纵向冲击载荷在轴重、车型、缓冲器型式、车钩间隙等方面进行了系统分析研究，采用数理统计方法，分析推断了在给定冲击速度下调车冲击工况纵向载荷分布和最大值。

1 中国铁路冲击试验技术发展简述

1.1 车辆冲击试验对调车冲击运用工况的模拟分析

虽然货车冲击涉及许多因素，但是如果不考虑产生冲击的因素，只讨论由于相邻两货车之间存在速度差而发生冲击的过程，则溜放冲击与列车冲击无本质区别，可把溜放冲击作为货车冲击的基本工况进行研究。货车冲击研究是纵向动力学的重要研究内容之一。主要研究调车编组时货车的互撞规律，但在相当程度上表征整个列车非稳态运动工况。

1.2 中国铁路冲击试验强度标准技术发展

在1978年以前，我国没有货车冲击强度评价标准。1978年参照前苏联1953年规范，提出了TB 1335-1978《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》(以下简称1978版《规范》)。原铁道部组织进行了敞车冲击试验和过驼峰试验。采用机车推送方式的冲击试验研究了冲击速度与车钩力的关系，验证了标准，为确定敞车调车作业时的允许冲击速度提供了依据。80年代中期，我国通过建成的专用冲击试验线进行了C61型运煤敞车等货车的冲击试验，积累了经验。

1988年根据原铁道部科研项目《提高货车允许连挂速度的研究》，在北京局双桥编组站进行了在3～7 km/h共5个冲击速度等级下的现场冲击试验。测得了货车与货物变化的相关数据。据此，将货车允许连挂速度由3 km/h提高到5 km/h。我国现行的《铁路技术管理规程》规定，调车作业速度不得高于5 km/h。

1993年起草了TB/T 2369-1993《铁道车辆冲击试验方法与技术条件》。1996年将TB/T 1335-1978修订为TB/T 1335-1996，规定了冲击试验与试验方法：冲击车冲击速度从3 km/h开始，每次递增1～2 km/h，直到车钩力达到2 250 kN或冲击速度达到8 km/h。2003年初原铁道部提出在大秦线开行2万t列车以满足年运量2亿t的要求，2万t列车货车设计车体强度第1工况纵向拉伸载荷取为2 250 kN、压缩载荷取为2 500 kN；第2工况纵向压缩载荷取为2 800 kN。在进行冲击试验时，车钩力达到2 800 kN或冲击速度达到8 km/h为止。2012年中国铁路总公司立项研究，制定了《大轴重铁路货车技术条件》，规定了轴重27 t和轴重30 t货车纵向载荷。

2 冲击纵向载荷数据整理和数理统计分析方法

在给定冲击速度下的冲击纵向载荷(以下简称车钩力)的确定，依赖于实测数据的统计处理。因为冲击的量是随机变量，实测数据统计处理恰当与否，直接影响设计载荷的制定。统计分析时，应采用合理的统计方法与恰当的概率标准。

铁路的车辆载荷、强度是由一些随机变量决定的。因而，应根据它们的统计特性来描述和设计。对载荷和强度作统计描述与分析，认识结构受力特性，研究确定载荷与强度的大小和分布发散程度，将有助于可靠性设计。通常情况，强度与载荷服从正态分布。文中主要应用正态分布，回归分析等数理统计方法。汇总冲击试验测试数据，采用EXECL分析软件对不同冲击速度下的纵向冲击载荷进行数理统计分析。例如，在8 km/h冲击速度下纵向载荷的频数分布直方图见图1。从直方图中可见冲击速度下纵向冲击载荷的大小与其出现的频次分布，其分布趋势为正态分布。用样本的均值与标准差分别代替总体的样本均值与方差。通过EXECL进行通过回归分析(一般为一元线性方程)，得出最大纵向载荷随冲击速度变化的规律。经过回归分析，分别进行T检验，F检验，并得到相关系数为0.979，而T检验与F检验分别为显著度为0.05的假设检验，证明了回归方程有效。通过相关的检验和较高的相关系数，有95%的概率回归分析方程。分别计算发生概率为95%时每个速度级下纵向载荷的最大值。

图1 冲击速度8 km/h时车钩纵向载荷分布规律

误差统计分布是正态分布，随机误差落在±σ以内的概率为68%，即一倍标准差(1σ)的概率值是68.3%，二倍标准差(2σ)的概率值为95.5%；三倍标准差(3σ)的概率值是99.7%。许多中外文献所述的“精度”多为一倍标准差(1σ)，对于工程冲击问题，取二倍标准差(2σ)。铁路车辆冲击试验的大量数据，各种变量间的相互关系大多系线性相关，经线性回归分析拟合之后，因变量加上两倍的标准偏差，称为因变量的“实际可能最大值”。

3 中国铁路货车冲击试验

3.1 早期敞车冲击试验

60年代中期，为进行列车及货车纵向动力学研究，曾进行过一些货车冲击试验。1978年为了制定强度设计规范，对敞车冲击进行了系统的试验研究，并将冲击强度试验考核纳入规范。2005年以来，为了评定货车冲击强度和缓冲器性能，中车齐齐哈尔车辆有限公司、原二七车辆有限公司和中车青岛四方车辆研究所有限公司(以下简称四方所)也建立了货车冲击试验线。为鉴定货车冲击强度进行了大量的冲击试验。

3.2 轴重21 t货车冲击试验

1978年根据原铁道部文件要求，由原铁道部标准所，四方所等17家单位在长沙分局湘潭车站进行了一次规模较大的通用货车冲击试验，其试验报告及结论通过了原铁道部鉴定。报告分析主要确认结论如下：

(1)冲击试验不仅表征编组调车冲击，也表征整个非稳定运动状态冲击；

(2)最高纵向力的取值原则是：以列车非稳定运动状态产生的最大车钩力做第2工况两种作用方式的取值标准，而用控制缓冲器容量的方法，使车辆满足7 km/h调车冲击速度，使冲击车钩力在200 t(非稳定运动状态)之内。这种取值原则经济、合理、切实可行。在鉴定与现行结构相近的货车结构的冲击动强度时，允许采用一辆对一辆的冲击工况，评定车钩力达200 t。

(3)在一定冲击速度下，车辆可能承受的最大车钩力，发生在3～5辆车组成的车列，向后部具有阻挡车列的车辆冲击时。在v=3～7 km/h范围内，3～5辆车组成的车列向有阻挡的车辆冲击，车钩力最大值，比一对一冲击工况产生的高25%，试验证明：现有结构形式的车辆，当车钩力相同时，其冲击动应力与冲击工况几乎无关，可以考虑一辆对一辆的单端冲击，按《规范》确定的载荷鉴定车体强度。这就是冲击试验只作一辆对一辆冲击简化试验的来源。

(4)试验结果验证了TB 1335-1978所订参数取值的可靠性。C62型敞车(装用MX-1缓冲器)能经受车钩力200 t﹑冲击速度为7 km/h的考验，此时车钩力平均最大值为207 t，实际可能最大值为235 t(2倍标准差2σ)。

1980年根据原铁道部文件，基于1978年货车冲击试验结果，由四方所和济南局主持在青岛分局南泉站盐务局专用线进行3种载重75 T敞车4种不同结构方案的5种工况的1冲1车辆冲击试验。

1997—2005年中国铁路货车制造企业研制了21 t轴重系列货车，21 t轴重货车(装MT-3缓冲器)冲击试验车钩冲击力统计值见表1。

表1 21 t轴重货车车钩冲击力统计值 kN

由表1可见，各车型在同一冲击速度下，敞车车钩力最大。

3.3 轴重23 t货车冲击试验

2005—2009年中国铁路货车制造企业研制了多种23 t轴重货车，四方所对3种敞车、3种棚车、3种漏斗车、7种平车、10种罐车样车进行了冲击试验。被试货车大部分载重70 t，总重约93 t，装用MT-2型缓冲器。冲击编组方式为1辆冲1辆。车钩冲击力统计值见表2。

表2 23 t轴重货车车钩冲击力统计值 kN

3.4 轴重25 t货车冲击试验

2003—2005年间中国铁路货车制造企业研制了多种25 t轴重货车，四方所对12种敞车、3种漏斗车样车进行了冲击试验。被试敞车载重80 t，自重约20 t，被试漏斗车载重约78 t，自重约22 t，总重均为100 t，装用MT-2型缓冲器。冲击编组方式为1辆冲1辆。车钩冲击力统计值见表3。

表3 25 t轴重货车车钩冲击力统计值 kN

3.5 轴重27 t货车冲击试验

2009—2012年在27 t轴重货车的研制过程中，四方所对5种敞车、1种棚车、5种漏斗车、2种平车(5种工况)、7种罐车样车进行了冲击试验。被试货车载重80 t，自重约26～27 t，总重120 t，均装用HM-1型缓冲器。冲击编组方式为1辆冲1辆。车钩冲击力统计值见表4。

表4 27 t轴重敞车车钩冲击力统计值 kN

3.6 轴重30 t货车冲击试验

2009—2014年在30 t轴重货车的研制过程中，四方所对4种敞车、3种漏斗车进行了冲击试验。被试敞车载重96 t，总重120 t，均装用HM-1型和MT-2型缓冲器。被试漏斗车载重97.6 t，总重120 t，装用HM-1型缓冲器。冲击编组方式为1辆冲1辆。30 t轴重敞车(2009年方案)和C96型敞车车钩冲击力统计值见表6。

表5 30 t轴重敞车车钩冲击力统计值 kN

由表6可见，在8 km/h 的调车冲击速度下，车钩冲击力统计平均值为1 903 kN，标准方差为262 kN。缓冲器行程统计平均值为43.6 mm，说明缓冲器还没有被压死。按2倍标准差(2σ),车钩冲击力可能最大值为2 427 kN。

3.7 不同轴重的同一种敞车冲击试验

2012年四方所对齐齐哈尔轨道装备公司30 t轴重不锈钢专用敞车进行了冲击试验。分别装载总重120 t(轴重30 t)、总重108 t(轴重27 t)和总重100 t(轴重25 t)。主要研究“其他条件相同，仅由于不同轴重导致货车总重不同，对车钩冲击力的影响”。试验结果表明，随着货车轴重增加，车钩冲击力增大。

3.8 不同辆数的敞车冲击试验

2003年12月四方所对齐齐哈尔轨道装备公司试制的25 t轴重铝合金运煤敞车(联合设计)进行了冲击试验。为了比较单车冲击和多车冲击对测试参数的影响，试验分为两种情况，1对1冲击工况和3对1冲击工况。试验测试参数统计见表7。

表6 1对1冲击工况和3对1冲击工况比较

由表7可见， 1对1冲击车钩力统计拟合值为1 359 kN，3对1冲击车钩力为1 547 kN。3对1冲击工况比1对1冲击工况的车钩冲击力增加13.8%。

4 中国铁路货车冲击载荷影响相关因素对比分析

车辆冲击时影响车钩力的主要因素是冲击速度、互撞的质量、缓冲器的性能，互撞车辆本身的纵向刚度、以及车列的辆数和有无阻挡车列。

4.1 冲击速度影响及现有调车速度的调研分析

随着冲击速度的提高，车钩冲击力增大。在3～8 km/h的冲击速度下，车钩力几乎呈线性增长。10 km/h的冲击速度下，急剧增长，缓冲器达到满行程或者压死。

1978年编制《规范》明确最高许可调车连挂速度为7 km/h。据中国铁道科学研究院给出的南翔站连挂相撞速度分布统计图2可见(《驼峰溜放半自动调速系统研究试验报告》，连挂冲击速度在3～7 km/h占74%，在7 km/h之内的占87%。

图2 南翔站车辆连挂冲击速度分布统计图

2012年中国铁道科学院机车车辆研究所根据原铁道部课题要求在昆明东编组场和丰台西编组场对目前我国编组场编组的实际连挂速度进行调研。25组溜放实测连挂速度，最高实测连挂速度8.1 km/h，速度≤5 km/h 的占60%；速度>5 km/h的占40%，其中速度≥6 km/h的占20%，速度≥8 km/h的占4%。溜放中多车一组溜放的情况较单车溜放的情况更为普遍。

4.2 组数影响

成组冲击基本与1对1冲击相同，其中最大的3冲1工况比1对1约大15%。

4.3 轴重影响

随着轴重的提高，车钩冲击力有所增大。见表7。

4.4 缓冲器型式影响

缓冲器型式对车钩冲击力的影响见表8。

表7 各种轴重、系列载重敞车冲击试验车钩力 kN

表8 30 t轴重C96型敞车配装不同的缓冲器时,车钩冲击力比较 kN

4.5 车钩间隙影响

车钩间隙越小，纵向冲击力越小。

4.6 车型影响

4.6.1车型结构

敞车是铁路货车的代表车型，其车钩冲击力比棚车、漏斗车车钩稍大，而罐车和平车车钩冲击力较小。

4.6.2纵向刚度

纵向刚度越大，车钩冲击力越大。1978年 C62型敞车冲击试验车钩力为C60型敞车的171%，分析原因，C62车体纵向刚度为122 t/cm，而C60仅为70 t/cm。降低车体纵向刚度，可有效降低纵向力。

4.6.3重心高度

重心高度越大，附加弯距越大。回转加速度增加，纵向力有所增加。

5 结论和建议

通过对中国铁路货车冲击试验数据进行汇总、统计对比分析，结论和建议如下：

(1)冲击试验统计分析结果表明，在8 km/h 的调车冲击速度下，25 t轴重敞车，车钩冲击力统计平均值为1 658 kN，可能最大值为2 092 kN；轴重27 t载重80 t敞车车钩冲击力统计平均值为1 674 kN，可能最大值为2 212 kN；轴重30 t载重96 t敞车车钩冲击力统计平均值为1 903 kN，可能最大值为2 427 kN。通过轴重25 t、轴重27 t和轴重30 t货车纵向载荷试验研究，可完善铁路货车标准，尤其是重载货车的设计和试验评定标准。提高重载货车的运用安全。

(2)尽管编组场调车时互撞车组组合是多样的，当确定最高许可调车相挂速度后，车辆可能承受的最大车钩力是一定值。现有1辆冲击1辆的简化试验方法可以满足运用要求。

(3)通过调研分析，按照现有的车型和缓冲器配置，可以满足调车速度8 km/h的实际运用要求。建议广泛调查各铁路局的实际调车速度，研究提高调车速度，加快车辆周转，提质增效。进行大量的冲击试验和结构冲击强度分析，研究其分布规律和分散度，为进一步制订调车技术条件作依据。为制订好的条件，除加强试验外，还要加强理论分析，如用有限元法计算冲击响应，预示冲击条件，研究传递函数，更有效的利用、分析试验数据。加强理论分析,有利于做好统计分析工作。

(4)货车纵向载荷分析研究，可进一步完善铁路货车标准，尤其是重载货车的设计和试验评定标准，提高货车的设计水平和运用安全。合理的纵向载荷设计值和试验评定值，在保证安全的前提下，可有效地降低货车自重，节约能源消耗，降低制造成本。

(5)铁路货车冲击试验研究对鉴定货车强度、改进设计具有重要的普遍意义。就世界铁路车辆范围而言，世界各国在该领域研究的工程技术人员和专家一同探讨研究，为设定合理的调车连挂速度和修订纵向载荷设计标准提供依据，可在保证可靠性的前提下，提高货车运输效率。