长大货物车动力学评定标准研究

刘宏友,胡洪涛,李 娜

(中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 266031)

长大货物车是指供运输重量特重、长度特长或体积庞大的货物的专用车辆,其长度一般在19 m以上;少数车辆虽然长度小于19 m,但因车辆结构特殊,如带凹底架、落下孔、钳形梁的货车,也属于长大货物车[1]。近20年来,为了满足大型、超大型设备铁路运输的运用需要,我国相继研制了DQ45型载重450 t钳夹车,DA37型载重370 t、D32A型载重320 t、D28型载重280 t等系列凹底平车以及D45型载重450 t、DK36型载重360 t、D26B型载重290 t、DK23型载重230 t等系列落下孔车,有力保证了国家“十一五”“十二五”和“十三五”重点工程建设的顺利实施。

无论是GB/T 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》还是GB/T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》,其适用对象都不包括长大货物车,而GB/T 17426—1998《铁道特种车辆和轨行机械动力学性能评定及试验方法》适用范围为准轨铁路特种车辆(长大货物车和有动力、无动力的轨行车辆)以及工程机械(架桥机、铺轨机、轨道起重机等)、工务养路机械(清筛机、捣固机等)等轨行机械[2]。20多年的运用实践表明,GB/T 17426—1998基本上可以满足我国长大货物车线路动力学性能试验评定的需要,但也暴露出振动加速度限度值、轮重减载率限度值以及数据处理方法等方面还存在一些问题。

1 GB/T 17426—1998存在的主要问题

1.1 长大货物车垂向、横向最大振动加速度偏大问题

1.1.1 不带侧移机构的铁路长大货物车振动加速度测试结果

GB/T 17426—1998规定长大货物车车体垂向振动加速度、横向振动加速度的限度值与GB/T 5599—1985规定的通用货车振动加速度限度值完全一样(垂向振动加速度为0.7g,横向振动加速度为0.5g),而长大货物车的挠跨比远远大于通用货车挠跨比,采取相同的限度值显然不合理。

表1给出了2种不带侧移机构的铁路长大货物车的线路动力学试验振动加速度测试结果[3-4]。由表1可见:D28型凹底平车〔(图1a)〕空重车工况垂向、横向振动加速度最大值都超过了GB/T 17426—1998规定的限度值;D26B型落下孔车〔(图1b)〕重车工况垂向、横向振动加速度最大值以及空车工况横向振动加速度最大值均超过了GB/T 17426—1998规定的限度值。

图1 D28型凹底平车与D26B型落下孔车

表1 不带侧移机构的铁路长大货物车线路动力学试验最大振动加速度测试结果

在D28型凹底平车、D26B型落下孔车的动力学性能试验报告中,加速度指标的判定依据并没有采用GB/T 17426—1998规定的限度值,而是采取了垂向加速度1.5g、横向加速度1.2g的限度值。

此外,文献[5]以D17A型落下孔车为例,详细探讨了长大货物车在线路动力学试验中车体最大垂向、横向振动加速度的测试结果,该车无论空车还是重车,其振动加速度最大值都超过GB/T 5599—1985规定的限度值。文献[5]还指出,长大货物车振动加速度超过GB/T 17426—1998规定的垂向加速度≤0.7g、横向加速度≤0.5g的情况还是非常普遍的。

1.1.2 带侧移机构的铁路长大货物车振动加速度测试结果

表2给出了3种带侧移机构的铁路长大货物车线路动力学试验振动加速度测试结果[6-8]。由表2可见:

表2 带侧移机构的铁路长大货物车线路动力学试验最大振动加速度测试结果

DK36型落下孔车(图2)重车加速度最大值除外导向工况的横向加速度外,均超过了GB/T 17426—1998规定的限度值;空车振动加速度最大值除中导向工况的横向加速度外,均在GB/T 17426—1998规定的限度值以内。

图2 DK36型落下孔车

DQ45型钳夹车(图3)重车工况振动加速度最大值超过了GB/T 17426—1998规定的限度值,空车工况中导向运行时横向加速度最大值超过了GB/T 17426—1998规定的限度值。

图3 DQ45型钳夹车

DA37型凹底平车(图4)重车工况以中导向或内导向状态运行时,小底架和中底架的振动加速度最大值超过了GB/T 17426—1998规定的限度值;以外导向状态运行时,小底架的振动加速度最大值超过了GB/T 17426—1998规定的限度值。空车工况以中导向状态运行时,中底架的垂向加速度最大值和小底架的横向加速度最大值超过了GB/T 17426—1998规定的限度值。总的来说,小底架的振动加速度大于中底架的振动加速度,中底架的振动加速度大于凹底架的振动加速度。

图4 DA37型凹底平车

DK36型落下孔车、DQ45型钳夹车、DA37型凹底平车的动力学性能试验报告中,加速度指标的判定依据都没有采用GB/T 17426—1998规定的限度值,而是采取了垂向加速度1.5g、横向加速度1.2g的限度值。

1.2 长大货物车轮重减载率偏大问题

1.2.1 不带侧移机构的铁路长大货物车轮重减载率测试结果

表3给出了2种不带侧移机构的铁路长大货物车线路动力学试验最大轮重减载率测试结果[3-4]。由表3可见:D28型凹底平车重车通过R300 m大超高曲线时轮重减载率超过GB/T 5599—1985规定的限度值;D26B型落下孔车重车通过R300 m大超高曲线时轮重减载率较大,接近限度值。

表3 不带侧移机构的铁路长大货物车线路动力学试验最大轮重减载率测试结果

1.2.2 带侧移机构的铁路长大货物车轮重减载率测试结果

表4给出了3种带侧移机构的铁路长大货物车线路动力学试验最大轮重减载率测试结果[6-8]。由表4可见:DK36型落下孔车除空车外导向工况外,其余各工况的轮重减载率均超过GB/T 17426—1998规定的限度值(空车外导向工况没有侧移);DA37型凹底平车空车、重车各工况轮重减载率的最大值均超过GB/T 17426—1998规定的限度值;DQ45型钳夹车除空车以外导向状态运行时轮重减载率不超标外,空车在中导向状态、重车在3种导向(内导向、中导向、外导向)状态下的轮重减载率都超过了GB/T 17426—1998规定的限度值。

表4 带侧移机构的铁路长大货物车线路动力学试验最大轮重减载率测试结果

经分析,带侧移机构的铁路长大货物车轮重减载率超限主要发生在车辆出现较大侧移的情况,如以中导向或内导向状态通过小半径曲线,以及外导向状态产生大的侧移的情况。

2 问题探讨

2.1 长大货物车振动加速度超标问题

文献[1]从实车线路动力学性能试验和理论分析2个角度出发,详细讨论了长大货物车振动加速度偏大的原因,限于篇幅,此处不再赘述。

2.2 长大货物车轮重减载率超标问题

除了前文介绍的D28型凹底平车、D26B型落下孔车线路动力学试验最大轮重减载率测试结果外,文献[9]还介绍了D32A型凹底平车小曲线及大超高曲线动力学性能试验情况:车辆为重车工况,重心高2 486 mm;试验线路工况包括R350 m曲线、R250 m曲线、交叉渡线、复式交分道岔、侧线道岔及大超高曲线(R300 m,超高140 mm);在车辆前进方向的第1轴和第2轴安装测力轮对(该车共有24条轮对);不同试验线路条件下的试验速度见表5。

表5 D32A型凹底平车小曲线及大超高曲线动力学性能试验速度

试验结果表明,D32A型凹底平车以3 km/h、5 km/h、6 km/h、8 km/h、10 km/h的速度通过R350 m曲线以及以3 km/h、5 km/h、6 km/h、8 km/h的速度通过交叉渡线时,1轴、2轴轮重减载率都没有超过0.65的限度值。

表6给出了D32A型凹底平车通过小曲线时的轮重减载率,表7给出了D32A型凹底平车通过侧线道岔和复式交分道岔时的轮重减载率。可以看出,表6、表7给出的轮重减载率普遍超过0.65的限度值。对此进行深入研究分析,由于轮重减载率最大值均发生在内轨侧,但外轨侧的轮轨横向力大于内轨侧的轮轨横向力,故轮轴横向力指向外轨侧,结合车轮脱轨系数均比较小(最大值未超过0.74)的情况,认为由轮轴横向力引起减载侧爬轨的可能性不大。

表6 D32A型凹底平车通过小曲线时的轮重减载率

表7 D32A型凹底平车通过侧线道岔和复式交分道岔时的轮重减载率

长期试验经验表明,带侧移装置的长大货物车由于车辆结构特殊,在通过侧线道岔、S曲线工况以及其他特殊工况(重车大超高、复式交分道岔及交叉渡线)时轮重减载率往往会超过GB/T 17426—1998规定的限度值(0.65)。

GB/T 17426—1998给出的脱轨系数和轮重减载率都是根据轮对爬上钢轨的必要条件而导出的结果,是根据静力平衡分析推导得到的。从爬轨过程来看,车轮爬上钢轨轮缘必须贴靠钢轨,轮对与轨道应有一定正冲角并且爬轨过程需要一定时间。脱轨系数和轮重减载率超过限度并不一定脱轨,这是因为其他条件尚不具备。因此,采用GB/T 17426—1998规定的脱轨系数和轮重减载率的限度,对于车辆来说是有很大安全余量的。

3 修订GB/T 17426—1998的相关建议

3.1 长大货物车振动加速度限度值

文献[5]针对长大货物车在线路动力学试验中出现振动加速度偏大的问题提出了2条建议:(1)加速度滤波截止频率同GB/T17426—1998,取40 Hz,垂向振动加速度限度值取1.5g,横向振动加速度限度值取1.2g;或者(2)垂向振动加速度限度值取0.7g,横向振动加速度限度值取0.5g,但加速度滤波截止频率由40 Hz降为15 Hz。其中,第(2)条建议已经被TB/T 2553—2018《铁路长大货物车》采用,具体体现在5.2.3条款中。

3.2 长大货物车轮重减载率限度值

鉴于长大货物车本身结构的特殊性,结合长大货物车线路动力学试验以及长期运用经验,经深入研究,认为将带侧移机构的长大货物车的轮重减载率限度值修订为0.90比较合适,主要依据如下。

3.2.1 长期运用经验及相关设计任务书

文献[10]指出,1999年D38型钳夹车试验时轮重减载率最大达到0.89,当时对轮轨力的试验数据进行了详细分析,得出了在严格限速、确保装载状态正常、专列运输并进行安全监测的条件下运输安全性可以保证的结论。该车20年来共运行了50多次,运营里程约11万km。历次大件运输监测结果表明,该车运行平稳,各连接部位可靠。这也进一步验证了该车的运行安全性是有保障的。

文献[10]综合了普通小曲线和大超高小曲线试验结果,认为大超高对带侧移长大货物车轮重减载率的贡献不在于圆曲线的超高大小,而是因为在进缓和曲线上其线路扭曲较大。因此,原铁道部批复带侧移机构的长大货物车设计任务书中将轮重减载率的限度值规定为≤0.9(表8)是有科学依据的。表8中的车辆已经投入运用多年,从未发生过车辆运行安全事故。

3.2.2 相关标准

文献[11]指出,GB/T 5599—1985、GB/T 17426—1998规定的轮重减载率限度值试验工况是车辆通过9号单开道岔及低速通过小半径曲线,实质上测量的是稳态减载率,因而不适用于实际车轮运行试验中经常测出的因轨缝、轨面局部凹凸不平而引起的动态轮重减载率之评判。后者的数值常常超出0.65,甚至达到1.0(车轮悬空)。

事实上,轮重减载率临界值公式的推导有2个前提条件:轮轴横向力H≈0和爬轨侧车轮减载。因此,轮重减载率的限度值是有使用条件的,不是说只要轮重减载率超标,就一定有爬轨的危险。只有当上述2个前提条件都满足时,这个评价指标才适用。实际线路动力学性能试验中,上述2个前提条件很难同时出现。

结合表9所示国外标准规定的车辆轮重减载率(或车轮垂向载荷与静轮载之比)具体限度值,建议将长大货物车的轮重减载率限度值取为0.90。

4 值得探讨的其他问题

4.1 载重280 t及以上的长大货物车应当增加的试验内容

大吨位载重的长大货物车多数采用多层结构,部分特殊工况需要进行试验,部分试验项目已经超出了GB/T 17426—1998标准的规定。根据TG/CL 113—2010《铁路货车运用维修规程》第359条、第360条的规定,载重280 t及以上的长大货物车是运输特大货物的专用铁路货车,需要固定配属管理。对于这一类型的长大货物车,建议增加下列试验内容:(1)专用线小曲线试验;(2)车辆允许通过的最小号数侧线道岔、复式交分道岔和交叉渡线试验;(3)S形曲线试验;(4)小曲线大超高试验(仅适用于落下孔车、钳夹车、凹底平车)。

4.2 模态试验

2015年9月18—21日,中铁检验认证(青岛)车辆检验站有限公司对哈尔滨轨道交通装备有限责任公司(以下称哈装备公司)研制的DA26型凹底平车进行了线路运行工作模态试验[12]。试验在哈尔滨铁路局管内的齐齐哈尔站南编组场至九三站区间进行,单程测试,试验区间全长约205.910 km。空重车模态试验结果表明,采用线路运行试验的方法,可以有效识别出DA26型凹底平车空重车浮沉、点头等刚体频率,以及空重车一阶、二阶、三阶垂向弯曲和一阶横向弯曲等弹性体模态。一旦获得了长大货物车的相关频率、振型、阻尼比,就可以丰富对长大货物车动力学性能的预测,对于大挠跨比的长大货物车尤其重要。

4.3 关于试验数据处理方法

GB/T 17426—1998中的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率、振动加速度等评价指标采用最大值进行评价,实践证明其代表性差,易受偶然因素影响,不能有效区分线路的影响,不能全面反映试验车辆的性能。GB/T 5599—1985更新为GB/T 5599—2019后,GB/T 5599—2019中的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力采用2 m滑动平均处理,并对绝对值按照99.85%的累计频次取值。可见,GB/T 17426—1998受当时的条件所限,对试验数据的处理方法没有采用UIC 518等国外标准中普遍使用的统计方法,已经严重落后于时代的发展。建议修订GB/T 17426—1998时,引入统计处理方法进行数据处理,采用0.15%～99.85%的概率区间,以消除个别异常数据的影响。

5 结论及建议

基于长大货物车的特殊结构,结合长大货物车多年来的试验及运用经验,认为GB/T 17426—1998标准已经明显落后于时代的发展,建议尽快对其进行修订。在修订GB/T 17426—1998标准时,要注意和TB/T 2553—2018中相关要求的一致性。研究认为,铁路长大货物车的主要修订项点包括:

(1) 长大货物车垂向、横向振动加速度限度值分别取0.7g、0.5g,与TB/T 2553—2018保持一致,加速度滤波频率取0.4～15 Hz,加速度测点与TB/T 2553—2018第5.2.3条款的要求相同。

(2) 对于有侧移机构的铁路长大货物车,其通过曲线时轮重减载率的限度值放宽至0.9。

(3) 考虑到铁路长大货物车长度较长,重心较高,低速通过大超高曲线(超高140～150 mm)试验时,应区分进曲线和出曲线工况,且轮重减载率的限度值放宽至0.9。

(4) 引入GB/T 5599—2019中的试验数据统计处理方法。

(5) 增加模态试验内容。

另外,建议对历史上长大货物车动力学运输监护试验数据进行系统总结,研究装载重量、运输车型、货物偏心、曲线半径及车速对车辆结构动应力的影响规律;研究落下孔车横向钢木挡动态横向力及其安全系数,为钢木挡结构落下孔车的优化设计、超限专列开行方案的制定提供科学依据;研究侧承梁弹性动挠度,评估在途运输过程中导致的综合位移,从而为超限专列开行方案的制定提供技术支撑。