动车组测力车钩研制方法探讨

马丽英，张培胜

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

0 引言

钩缓装置是轨道车辆的重要部件,它连接相邻车辆,并且传递和缓冲列车在运行或者调车作业时所产生的牵引力和压缩力。随着轨道车辆运行速度提升,车辆间的纵向作用力不断增大,对车钩性能的要求也不断提高[1]。由于车辆在运行过程中频繁制动,车钩上的载荷也频繁地发生变化,为确保列车运行的安全性,避免发生脱钩或者车钩断裂,有必要对车钩实时受力状态进行监测分析。徐倩等[2]通过大秦线纵向动力学试验,研究了不同编组方式和运行工况下的车钩力。薛海,赵士忠等[3,4]通过实测某重载线车钩力—时间历程,分析了不同工况下车钩力的特性,并进行了车钩力谱的编制。以上试验都是以货车车钩为研究对象,对城轨车辆车钩力的研究还很少。本文选取标准动车组用中间车钩为研究对象,验证动车组测力车钩制作的可行性,通过拉伸和压缩标定,获得了测力车钩的应变—载荷线性系数。将此研究成果推广应用于地铁车辆,测得了车辆运行过程中的车钩力。

1 测力车钩原理

制作测力车钩时需要在钩体表面粘贴电阻应变片,通过采集应变情况感知车钩受力情况。其测力原理与普通的拉压力传感器工作原理相同,即对弹性材料受力后产生变形的状态进行跟踪。具体方法为:在钩身两侧面分别贴上一组(4个)垂直电阻应变片,将4个应变片组成惠斯通电桥(如图1所示);车钩置于加载框架内,将图1中的A～D接线端按全桥接线方式与应变片连接,通过液压油缸施加载荷进行静力标定,同时记录试验台的施加力值与应变仪采集的车钩应变值的对应关系;在后续的试验中,根据传感器测得的应变和线性系数,反推车钩所受载荷。

图1 惠斯通电桥原理图

2 动车组中间车钩

动车组中间车钩为半永久车钩,分别由带缓冲器半永久车钩和带压溃管半永久车钩组成,主要包括车钩座、缓冲器、压溃管和空气管路等组件,具体结构见图2。该车钩的技术条件要求拉伸屈服载荷≥1 000 kN,压缩屈服载荷≥1 500 kN。在保证车钩不被破坏的前提下,设定测力车钩试验的最大拉伸和压缩载荷均为60 t。

图2 动车组中间车钩

3 测力车钩制作方法

根据车钩的结构特点,在车钩座、压溃管部位分别选取测试部位,粘贴电阻应变片进行应力分布测试;找到车钩上载荷反应敏感部位,剔除突变截面和应力集中区,在钩体平滑部位选择测力车钩组桥位置。

静态标定时要选取应变—载荷线性关系较好且对载荷反应灵敏的位置,根据车钩结构及应力分布试验结果,选取车钩静态标定的测点,分别组成惠斯通电桥,最终选定的位置如图3所示。桥路1、2布置在缓冲器端中间钩上,桥路3、4布置在压溃管端中间钩上。每个桥路上粘贴4个应变片,编号为ε1～ε4,具体粘贴方式如图4所示。

图3 车钩布点及加载位置

图4 车钩桥路应变片粘贴方式

通常情况下预加载一次,确定一切正常后进行两次车钩静力标定,两次结果的线性和重复性偏差在1%左右即可成功完成标定。如果偏差较大,则要逐项检查贴片、接线、测试仪器参数设置及工作状态、加载设备状态和加载方法等,所有可能因素都一一排除,若标定结果仍不理想,则要更换车钩重新标定,直到得到满意的结果。

本次试验中,对测力车钩进行一次预加载后进行了三次正式标定,选取后两次重复性较好的数据,取算术平均值后用回归分析法统计载荷与应变值的对应关系,如图5所示。

图5 载荷与应变值的对应关系

因缓冲器端车钩在压缩工况下缓冲器位移较大,在制作车钩试验工作时需注意加载行程不可过小。

从上述测试结果可以看出:两种中间钩都是钩身尾部位置响应较差,说明此处不适于作为标定位置;桥路2、桥路3对载荷的响应性较差,桥路1、桥路4对载荷的响应性较敏感,应变输出与载荷输入线性度较好,在车辆运行时该部位也不会与其他装置干涉,能够满足试验需要。

4 测试验证

测力车钩制作完成后,根据测试原理推广应用于地铁用半永久中间车钩的测力车钩研发,并在试验台上进行了静载标定,标定加载时载荷从15 t开始,按照5 t一个进程逐级上升,直到50 t载荷。期间记录车钩桥路应变输出值,并观察其线性度,选择线性度良好的桥路进行封装防护。标定完成后装到试验列车上。

按照试验安排,共完成了15次正式试验,其中正线运行4次,段内站场线11次(4次自身动力、3次工程车牵引、4次匀速过全部站场线),分别对每次试验进行处理。从运行监测数据归类统计分析可知,车钩力最大值通常发生在启动加速和制动停车阶段,启动过程中车钩力最大为58.55 kN,制动过程中车钩力最大为-44.09 kN,车钩力与运行速度曲线如图6所示。车辆平稳运行阶段,车钩力变化不显著,车钩力与运行速度曲线如图7所示。

图6 启动加速、制动停车阶段车钩力与运行速度曲线

图7 平稳运行阶段车钩力与运行速度曲线

5 总结

试验中获得了动车组中间钩的应变—载荷关系。为了保证车钩结构不被破坏,在研究中采用的载荷较小,但该载荷已经超过了车辆正常运行过程中的车钩力水平,因此该试验结果可用于分析车钩在正常运行状态下的受力和变形情况。要分析车钩在冲击状态下的受力情况,还需要增大试验载荷,在试验过程中压溃管和缓冲器可能会被破坏,这就要求车钩在标定时需要拆除压溃管和缓冲器等一切可能在大载荷下会产生永久变形和破坏的结构件。

近年来,为了加快铁路高速化,我国大力发展高速列车技术,对于车辆在冲击状态下车钩承受的最大冲击力测试非常重要,通过本次动车组测力车钩研究,确定了车钩的敏感受力位置,也验证了测力车钩制作的可行性,可以提供真实可靠的试验数据供设计人员参考。