铁路落下孔车横向止挡载荷监测技术与安全评估

李国飞，周伟，韩天虎，高尊军，张港丽，张强

(1.中南大学 交通运输工程学院，教育部轨道交通安全重点实验室，湖南 长沙410075；2.中特物流有限公司，北京100070)

作为铁路运输家族中的特殊成员—长大货物车，虽然其数量较少，但承担着超高压输变电设备、大型机电设备等国家重点工程建设项目的铁路运输任务[1]。为保障大型设备的铁路运输安全，对长大货物车的运输监测与安全评估具有重要的现实意义。目前，铁路超限专列运输都安排有常规安全监测，监测内容涵盖车体结构动应力、悬挂弹簧动静挠度比和小底架心盘振动加速度等，针对上述监测项点规定了相应安全控制指标，但这些监测内容并没有包括止挡结构等局部承载件的动载荷监控，而这些局部承载结构的服役状态安全评估又是铁路运输部门关心的重点。因此，亟待开展铁路超限货车止挡结构件的动载荷在途监测与安全评估研究。车辆运输动态载荷的监测方法分为直接法与间接法。程相生等[2]通过虚拟样机技术，根据虚拟实验统计分析推导出负重轮与特定点加速度之间的函数关系，间接获取车辆动载；何磊等[3]提出一种基于应变感知的汽车称重装置，利用载荷与结构形变量之间的关系，间接获取汽车载重；张瑞国等[4]提出了一种基于红外测距的车载电子称重系统方案，能够实时间接测量铁路货车载重量。尽管铁路长大货物运输安全保障技术较为成熟[5-6]，但长大货物车运行过程中横向动载测量难度大、可控性低，通过间接法并不能真实表征车辆与货物的载荷状态。且在传统常规安全监测中，关注点在车体整体结构上，对约束货物的横向止挡承载结构关注较少，因此有必要研发超限落下孔车的横向止挡动载荷监测技术，并进行系统安全评估。落下孔车是一种常用的长大货物车，它由一组承载框架、多层底架结构、导向装置、液压装置、制动装置和车钩缓冲装置等组成。承载框架主要由侧梁、心盘导向梁及连接撑杆组成，心盘导向梁采用空载导向梁和重载导向梁两种结构。重载时，两侧梁与重载心盘导向梁相连，其宽度可通过侧梁间撑杆进行调节，以适应不同宽度的货物；空车时，两侧梁与空载心盘导向梁相连，以满足机车车辆限界要求。图1所示为DK36型落下孔车货物装载图，落下孔车通过多层底架结构将载重分配到8个转向架的24根轴重，变压器通过4个承载肩座落在大车的2根侧承梁上；在肩座旁设置横向钢木止挡结构，防止通过曲线线路时货物横向滑动；在列车前进方向设置纵向螺杆顶紧装置，防止列车在启动或制动时货物发生纵向滑移。本文的研究对象为横向钢木止挡结构，通过测力钢木挡实时监测动载荷并进行安全评估。

图1 落下孔车装载加固示意图与实车Fig.1 Schematic diagram of loading and reinforcement of the well hole car and the actual car diagram

1 载荷感知

落下孔车在通过曲线线路时，如果货物承载肩座的摩擦力不足以克服横向惯性力，运输过程中货物会发生横向滑移，需要增加横向止挡以约束货物的横向移动。横向止挡结构包括钢挡和木挡(如图2(a)所示)，钢挡为槽型钢结构焊接在侧承梁顶部的承载肩座附近，在钢挡和货物(变压器)之间放置木挡，并在钢挡和木挡之间打入木楔进行压实，运行过程中横向惯性力通过木挡传递至钢挡、再传递到侧承梁和大车结构。

为实现对横向止挡载荷的直接测量，在钢挡和木挡之间设置一定间隙，设计由货物-木挡-载荷感知元-钢挡结构的组合式横向载荷测量装置实现实时数据的获取[7-10](如图2(b)所示)。为增加测力钢木挡安装和预压的现场可操作性，在轮辐式压力传感器与钢挡之间设置传力螺杆，螺杆根部焊接在钢挡内表面中部位置，螺杆端部以间隙配合伸入压力传感器的中心孔，在螺杆上安装预压螺母与垫片，通过拧紧螺母即可将木挡向变压器进行压实。该组合式横向止挡载荷监测技术，可实现横向动载荷从货物-木挡-载荷感知元-预压螺母-传力螺杆-钢挡-承载梁的力流传递(如图2(c)所示)，并将载荷感知元的压力信号输出。基于传感器的工作原理和钢木挡的设置目的，测力钢木挡只能输出货物对止挡结构的压力，而非反方向的拉力。

图2 横向测力止挡原理与实物Fig.2 Principle and physical diagram of lateral force stop

2 实车试验

2.1 试验概况

实车试验依托昌吉换流站大型变压器铁路运输项目，采用DK36型落下孔车运输。运输发站章丘、到站准东，运输日期2017年3月15日至3月25日，运输里程3 940 km，运输变压器重量327.76 t，尺寸为12 232 mm(长)×3 934 mm(宽，含肩座)×4 810 mm(高)，变压器重心纵向偏离变压器几何中心341 mm、横向与变压器几何中心重合，距变压器底面2 315 mm。落下孔车重车情况下，最高运行车速为50 km/h，在不同曲线线路运行的速度限值如表1所示。

表1 不同曲线下速度限制表Table 1 Speed limit table under different curves

钢木挡横向动载荷数据通过IMC数采设备进行采集，数据采样频率为256 Hz，数据分析的低通滤波频率为40 Hz；列车运行速度通过GPS和雷达测速模块进行测量，并通过铁路里程碑进行定段校正；线路曲线及超高资料由专列添乘的工务部门提供。

2.2 数据分析

落下孔车变压器装载时，测力钢木挡按照常规砸木楔的方式进行预压，而不是通过螺母进行拧紧预压，测得左侧钢木挡初始预压力为1.2 kN，右侧钢木挡初始预压力为3.5 kN。超限专列运输过程中，列车运行速度由GPS和雷达测速模块获取，曲线线路方向定义为沿列车前进方向的曲线外轨离心力方向，曲线线路半径与线路超高数据由铁路工务部门提供，结合列车实时监测的运行速度、运行里程、最大横向止挡力对应线路曲线半径与曲线超高，前进方向左侧、右侧钢木挡载荷监测结果如表2所示，截选线路曲线较多的运行区间绘制横向止挡载荷时程曲线如图3所示。

表2 左右侧测力钢木挡数据对照Table 2 Comparison table of stop structure data on both sides

由表2和图3可知，当列车以5 km/h通过半径300 m右向曲线线路时，前进方向承载梁左侧横向止挡最大载荷为66.1 kN；当列车以15 km/h通过半径260 m左向曲线线路时，前进方向右侧横向止挡最大载荷为61.2 kN。在通过右向线路曲线时，左侧钢木挡被压实，产生较大止挡力，而右侧钢木挡有微小缓解；同样在列车通过左向线路曲线时，右侧钢木挡被压实产生止挡，而左侧钢木挡发生缓解，其缓解力的大小取决于该木挡的初始预压力，本次试验是按照常规砸木楔的方式进行预压，测得的初始预压力与实际情况相同。另外，监测结果显示，预压力过小导致曲线通过时缓解侧压力消失，木挡与变压器之间存在间隙，而在恢复至直线区段运行都不能完全恢复压实状态(如图3左图第3～第6个波峰)，只有进入另外一条反曲线区段时，变压器才会重新对木挡进行压实。

图3 横向止挡载荷时程曲线与最大载荷局部放大Fig.3 Time-history curve of lateral stop load and local diagram of the maximum lateral load

为解释左向曲线通过时右侧钢木挡止挡而左侧钢木挡缓解、右向曲线通过时左侧钢木挡止挡而右侧钢木挡缓解的现象，以列车通过右向线路曲线运行工况为例，建立落下孔车装载货物后的侧向力学分析模型[11-12]。以变压器为分析对象，以变压器重心为原点或建立局部坐标系，x轴沿变压器宽度方向、y轴沿变压器高度方向，变压器承受作用在重心位置的重力FG，惯性离心力FC，承受左肩座与右肩座的垂向支承力NL与NR，承受横向钢木挡的止挡力FT(由于钢木挡仅压实时起作用，止挡力仅出现在一侧)，如图4所示。根据力平衡与弯矩平衡方程，对重心位置取矩，不难判断当NR>NL时，FT出现在左侧钢木挡；当NL>NR时，FT出现在右侧钢木挡。针对图6的2种受力情况，建立力与力矩平衡方程如下。

图4 落下孔车右向曲线运行工况下侧向力学分析Fig.4 Mechanical analysis in right curve passing of well-hole car

图6 横向止挡载荷与横向加速度系数的数据拟合Fig.6 Data fitting between lateral stop load and lateral acceleration coefficient

式中：W为承载肩座横向间距；HS为货物中心与横向止挡的垂向距离；m为货物重量；g为重力加速度(取为9.8 m/s2)；v为运行车速；R为曲线半径；曲线超高夹角θ=sin−1(hs/Dt)；hs为曲线超高值；Dt为轨距(取为1 435 mm)。

由式(1)可知，在右向曲线上判断横向止挡力位置，其本质是判断右肩座与左肩座支承力的大小，即(NR–NL)的正负。定义横向加速度系数ah=(g⋅tanθ-v2/R)，当ah>0时，由式(1)可知NR>NL，此时横向止挡力FT出现在前进方向左侧；反之当ah<0时，NR

图5 横向加速度系数与离心加速度散点分布Fig.5 Scatter diagram between lateral acceleration and centrifugal acceleration coefficient

由绘制的散点分布图可知，无论是左向还是右向曲线通过，其向心横向加速度系数均为正值，即曲线外轨侧的肩座支承力要高于内轨侧(即图4(a)情况)，列车曲线通过时由于限速导致离心力偏小，不足以克服变压器重力产生的向心力，因此均是在内轨侧的钢木挡位置进行压实，产生止挡力以克服重力分量的向心力，此分析结论与试验数据列表中横向止挡力的出现位置一致。

3 评估预测

3.1 安全评估

考虑列车曲线通过时的横向惯性力、横向风力、横向摩擦力，计算当风力与惯性力同向时承载肩座的摩擦力是否足以平衡该横向力，为此定义货物水平移动的横向稳定性指标S如式(2)所示。

式中：HI为货物横向惯性力；FW为横向风力；Ff为横向摩擦力。根据《铁路货物装载加固规则》[13]，当横向惯性力与风力的1.25倍小于横向摩擦力时，货物稳定无水平移动；而当S大于0时，货物横向水平移动失稳，需额外增加横向加固措施，稳定性指标S即为加固横向止挡结构的理论承受载荷。

在式(2)中，货物的横向惯性力HI是每单位重量货物的惯性力n0与总质量m的乘积。根据《铁路货物装载加固规则》，货物横向惯性力HI计算为：

其中：α1=2.82 kN/t；β1=2.2 kN/t；a为货物重心偏离车辆横中心线的距离(此次装载a=0 mm)；l为负重车底架心盘中心距(l=36 000 mm)；货物总质量为m=327.76 t。由此计算得横向惯性力为HI=924.3 kN。

运输过程中的横向风力大小与货物的形状、受风面积和风压大小有关。风力FW的计算为：

式中：q是侧向受风面单位面积的承载能力[13]；考虑环境横风风速为28 m/s时，q=0.49 kN/m2；受风面积为A=53.1 m2。由此计算横向风载为FW=26 kN。

横向摩擦力与货物的垂向支承力及摩擦因数有关，横向摩擦力Ff的计算为：

式中：μ是橡胶垫与钢板之间的摩擦因数(取0.5)；g为重力加速度(9.8 m/s2)；Q为货物的垂向惯性力；其计算系数为α2=4.53 kN/t；β2=7.84 kN/t；a和l定义与上同。由此计算横向摩擦力为Ff=863.7 kN。

将式(3)~(5)代入式(2)，计算得S=324.2 kN>0，因此需要增设横向止挡结构。承载框架每一侧设置2个横向止挡，平均到每个止挡结构的理论最大横向力为162.1 kN。而实测最大横向止挡载荷为66.1 kN，要低于理论最大横向载荷162.1 kN，满足稳定性安全指标要求[14]。

理论最大横向载荷作用下，横向钢木挡的焊缝长度校核计算为：

式中：K为焊缝高度，cm；[τ]为焊缝的许用剪切应力70 MPa；计算所需焊缝长度为LH=33.1 cm。

实际钢木挡的焊缝长度为70 cm，包括了沿车长1块钢板(38 cm)、沿车宽2块钢板(各16 cm)与承载梁的焊缝长度，实际施焊总长度要大于理论安全焊缝长度33.1 cm，满足安全要求。

3.2 载荷预测

实车试验结果给出了不同曲线方向、曲线半径、线路超高与运行车速下不同侧止挡结构的横向动载，而作为试验数据的延伸应用，通过进一步研究止挡横向载荷数据与线路参数、运行状态参数之间的数学关系，可为后续相同专列运输相同货物、以不同限速条件行经不同线路的超限运输提供载荷预测和科学指导[15]。为此，如果对止挡横向动载与线路参数、运行状态参数进行多维曲面拟合，难以准确描述各参数相互之间的数学关系，给出的预测模型是从纯拟合的角度建立的数学模型，缺乏物理和力学内涵支撑。因此，根据前文数据分析部分的讨论，横向止挡力与左右侧肩座支承力差值，即定义的横向加速度系数ah直接相关，按照横向加速度系数的定义公式对表2进行重新计算，将曲线半径、线路超高、轨距和运行车速进行整合降维，得到以横向加速度系数为横坐标、横向止挡载荷为纵坐标的散点图如图6所示。

通过对散点数据进行拟合，拟合结果基本能够反映止挡结构横向载荷与横向加速度系数的线性关系，且线性拟合度均在0.92以上。由此建立的横向止挡动载荷预测模型，考虑散点与拟合直线的误差带宽分布，可为同型落下孔车，以相同装载尺寸、装载重量与偏心情况，在不同限速条件、不同半径与超高曲线线路的超限专列运输，提供最大横向止挡载荷的预测，该预测载荷也可为横向止挡结构设计、强度校核与安全评估提供科学依据。

4 结论

1)研发了从货物-木挡-载荷感知元-预压螺母-传力螺杆-钢挡的组合式横向止挡载荷监测技术及装置。

2)采用研发的钢木挡测力装置，对章丘-准东开行的超限运输全程进行了实车监测，当列车以5 km/h通过半径300 m右向曲线线路时，前进方向承载梁左侧横向止挡最大载荷为66.1 kN；当列车以15 km/h通过半径260 m左向曲线线路时，前进方向右侧横向止挡最大载荷为61.2 kN。最大横向止挡载荷低于理论安全横向载荷162.1 kN，满足稳定性安全指标要求。

3)通过理论分析线路参数与列车运行状态数据，在专列通过右向线路曲线时，左侧钢木挡产生止挡力；而通过左向线路曲线时，右侧钢木挡产生止挡力，该规律与钢木挡测力结果吻合。

4)建立了以线路参数、列车运行速度为输入的落下孔车钢木挡横向止挡载荷预测模型，该模型适用于以相同车型运输相同规格货物，以不同限速通过不同半径与超高曲线线路的超限专列运输，提供最大横向止挡载荷的预测估计，为后续超限专列开行的横向止挡结构设计、强度校核与安全评估提供了科学依据。