引用本文
张福田, 王曦, 邵文东. 铁路货车车钩的纵向载荷谱特性[J]. 北京交通大学学报, 2017,41(1): 68-73.
ZHANG Futian, WANG Xi, SHAO Wendong. Characteristics of the longitudinal load spectrum of railway freight train coupler[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2017,41(1): 68-73.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2017.01.011  
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铁路货车车钩的纵向载荷谱特性
张福田1, 王曦2, 邵文东3
1.中国神华能源股份有限公司,北京 100011
2. 北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044
3. 中车齐齐哈尔车辆有限公司,黑龙江 齐齐哈尔 161002
通讯作者:王曦(1976—),男,河北定州人,教授,博士,博士生导师.email:wangxi@bjtu.edu.cn

第一作者:张福田(1968—),男,陕西大荔人,高级工程师,硕士.研究方向为铁路货车车辆.email:10000363@shenhua.cc

收稿日期: 2016-11-30
基金: 神华科技创新项目(SHGF-13-78)
摘要

车钩纵向载荷的研究对铁路重载货车车辆的设计可靠性和运用安全性具有重要的指导意义.本文选取4种重载货车车钩载荷谱作为分析对象,从单位km的大载荷发生频次以及车钩钩尾框疲劳寿命两方面对重载列车纵向载荷谱主要特征进行研究,分析了车钩纵向载荷谱在不同编组、轴重和载重条件下的可通用性.结果表明,通过等载重折算和等轴重折算,可以实现不同载重和轴重条件下获得的车钩纵向载荷谱的通用.

关键词: 重载货车; 车钩纵向载荷谱; 疲劳寿命
中图分类号:U270.34 文献标志码:A
Characteristics of the longitudinal load spectrum of railway freight train coupler
ZHANG Futian1, WANG Xi2, SHAO Wendong3
1.China Shenhua Energy Company Limited, Beijing 100011, China
2. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
3. CRRC Qiqihaer Rolling Stock Company Limited, Qiqihaer Heilongjiang 161002, China
Fund:Shenhua Science and Technology Innovation Project(SHGF-13-78)
Abstract

The longitudinal load of coupler is critical to the reliable design and safe operation of the heavy haul railway freight trains. This paper analyzes four kinds of longitudinal load spectrums of heavy haul train couplers in terms of occurrence frequency of large load per kilometer and fatigue life estimation of coupler components. The universality of longitudinal load spectrum is discussed for various marshalling modes, axle loads and load capacities.The results show that the longitudinal load spectrum can be universalized by the conversion with load capacity and axle load.

Keyword: heavy haul railway freight train; longitudinal loading spectrum of coupler; fatigue life

随着铁路货车牵引重量的大幅提升, 车辆间的纵向冲击力不断加大, 同时重载铁路运输的复杂工况使得车钩受力状况变得更加恶劣, 导致列车纵向冲击加剧并造成车钩疲劳裂损问题比较突出[1, 2, 3, 4].车钩纵向力是作用在车体上的重要载荷之一, 过大的列车纵向力对运行安全性和经济性有不利的影响.因此铁路货车纵向载荷的研究对列车车辆的设计可靠性和运用安全性等都具有重要的指导意义.

各国对重载铁路货车服役期间载荷环境的重视程度与日俱增, 并相应开展了大量的线路载荷谱试验工作.虽然通过建立长大编组的车辆动力学模型, 利用列车纵向动力学仿真研究可以定性获得不同列车编组和线路条件下车钩力的分布和载荷特征, 但通过实际线路试验依然是目前最为可靠和准确的获得列车纵向载荷分布和统计规律的方法[5, 6].美国早在20世纪80年代就开始根据重载货车线路运行实测数据对几种主要车型在多种工况下的车体纵向、浮沉、扭转和侧滚载荷谱进行了系统性研究, 并编入Association of American Railroads(AAR)机务标准手册, 形成了相应的铁路货车设计制造规范, 为列车的设计和疲劳评价提供了重要的依据, 至今仍作为业内的重要标准被广泛使用[7].澳洲、南非和巴西等国家由于本国矿产资源运输需要, 很早就大力发展重载铁路, 以BHP、Rio Tinto、Vale等为首的大型矿业集团也对其大轴重长编组的重载货车进行了长时间、长距离、大规模的线路试验, 研究重载货车运行期间车钩纵向力的分布规律[8].对于我国的铁路货车, 上海铁道学院测试了13号车钩线路随机纵向载荷, 测试车辆牵引吨位在2 000~4 000 t之间, 并编制了车钩拉伸及压缩程序载荷谱[9].北京交通大学先后进行了5 kt编组的C70型敞车、1万t编组的C80型敞车及2万t编组的C80B型敞车线路测试, 并利用测得的载荷谱对车体疲劳寿命进行评估[10, 11, 12].徐倩等根据1万t及2万t编组重载列车纵向冲动分布试验, 分析了重载列车在不同线路工况、不同机车操纵方式及不同车钩间隙下车钩力大小和分布变化规律, 研究改善重载列车运行和受力状况的有效途径[13].

铁路货车车钩载荷的研究已经取得了一定成果, 但是不同类型货车车钩纵向载荷特性仍需进一步研究.本文作者选取4种重载货车车钩作为分析对象, 主要从单位km的大载荷发生频次及车钩损伤计算两方面分析重载列车纵向载荷谱主要特征, 研究不同条件下纵向载荷谱的通用性.

1 重载货车车钩纵向载荷谱

本文选取神华1万t C80列车重车车钩载荷谱、大秦线2万tC80B列车重车车钩载荷谱、AAR标准中1万t漏斗车车钩载荷谱及BHP比利顿矿石公司4万t矿石车车钩载荷谱4种不同工况下的车钩纵向载荷谱进行研究.

4种车钩载荷谱基本信息如表1所示.

表1 4种重载货车车钩载荷谱基本信息 Tab.1 Basic information of the four kinds of load spectrums

神华铁路神木— 黄骅港线车钩载荷谱是以C80型敞车为对象, 在1万t编组列车正常运行条件下进行纵向载荷测试后编制而成.C80型敞车轴重25 t, 载重80 t.神华1万t C80列车采用多种牵引方式:在大柳塔装煤点装煤时采用“ 2+0” 牵引模式, 装载完毕后列车在神木重新编组成“ 2+2” 的牵引模式, 重车运行至神池南重新编组成“ 1+1” 牵引模式, 在黄骅港卸煤后又重新编组成“ 2+0” 牵引模式空车回送至神木北.试验测试里程为8 000 km.

2004年, 我国第一条重载运煤专线— — 大秦(大同— 秦皇岛)铁路通过扩能技术改造, 开始开行1万t和2万t编组重载列车.大秦线车钩载荷谱是以C80B型敞车为对象, 在2万t列车正常运行条件下进行纵向载荷测试后编制而得.C80B型敞车轴重25 t, 载重80 t.试验时, 重载列车采用“ 1+1” 的牵引方式.试验测试里程为7 500 km.

AAR标准提供了载荷谱的压缩格式.它将频数从载荷谱右下对角折叠到左上对角位置, 这是因为载荷循环无论是从负值到正值还是由正值到负值, 从造成的损伤方面来讲是没有差别的.AAR 标准中90.7 t 漏斗车车钩线路环境百分率谱中载荷单位是klb, 本文将其换算成kN, 试验漏斗车轴重27.8 t, 载重90.7 t, 实测里程23 797 km, 包含各类线路条件将事件百分率乘上总循环次数得到事件频次, 整理后即可得到AAR车钩载荷谱.

通过对BHP比利顿矿石公司测试的4万t列车车钩纵向载荷百分率谱进行统计换算, 得到BHP纵向载荷谱.矿石车轴重37 t, 载重128 t, 测试铁路线位于西澳纽曼山和黑德兰港口之间, 单程长426 km, 试验测试里程为49 500 km.

2 车钩纵向载荷谱特征分析
2.1 车钩钩尾框应力分析

车钩纵向载荷会造成车钩钩尾框的疲劳危险部位出现损伤.利用Ansys13.0建立17号车钩钩尾框有限元分析模型.采用三维实体四面体单元对钩尾框模型进行网格划分, 模型单元总数为22 010个, 节点为6 210个.在钩尾框尾部与后从板接触的承载面上施加纵向(拉伸方向)位移约束, 在前部钩尾销孔处施加1 000 kN的纵向拉伸载荷.有限元分析结果见图1, 钩尾框尾部弯角附近的框身为第一主应力较大区域, 且拉应力占绝对主导.在纵向拉伸载荷1 000 kN的条件下, 最大Von Mises应力出现在钩尾框尾部弯角处, 值为395.8 MPa.

图1 车钩钩尾框有限元计算结果Fig.1 Finite element analysis result of the coupler yoke

以车钩钩尾框尾部弯角处危险点为分析对象, 通过有限元计算得到纵向载荷-应力传递系数为0.396 MPa/kN.利用该传递系数可将车钩载荷谱转化为名义应力谱, 进而采用名义应力法结合线性累积损伤理论[14]对17号车钩钩尾框损伤及寿命进行计算.

2.2 原始车钩纵向载荷谱特征分析

车钩纵向载荷谱中存在拉-拉谱、拉-压谱和压-压谱, 为方便对比, 我们把载荷谱都分解成为车钩纵向拉力谱和车钩纵向压力谱.分别将各车钩拉力谱、车钩压力谱按车钩力绝对值从大到小排列, 各级载荷发生的频数按相同顺序依次累积, 将累积频数除以测试运行里程的值得到每km的累积频次, 将其作为横坐标, 车钩力为纵坐标, 绘制出神黄线C80、大秦线C80B、AAR漏斗车及BHP矿石车车钩力累积频数曲线, 如图2所示.

图2 各载荷谱车钩力累积频数曲线Fig.2 Coupler force-cumulative frequency curves

由图2可以看出, 无论拉钩还是压钩力, BHP4万t矿石车的高载荷次数最多, 载荷环境最为恶劣.拉钩时, 神黄线1万t编组的C80和AAR标准1万t编组漏斗车与大秦线2万t编组的C80B列车的高载荷次数相当, 而压钩时大秦线2万t编组的C80B列车和AAR标准1万t编组漏斗车车钩载荷谱的高载荷次数明显高于神黄线1万t编组的C80列车.

实际生活中, 大部分零构件因功能需要往往会存在着不同形式的缺口, 如孔、圆角、槽、台阶等.缺口的存在会造成应力集中, 从而使零件的疲劳性能严重下降.通常定义疲劳缺口系数Kf描述含缺口零部件疲劳性能的下降程度, 它的大小为光滑试件疲劳极限与含缺口试件疲劳极限的比值.由于缺口应力集中造成疲劳强度下降, 故不难理解Kf是大于1的系数.在考虑钩尾框疲劳关键部位存在不同疲劳缺口系数的前提下, 用4种不同的车钩载荷谱分别对17号车钩钩尾框疲劳寿命(即累积损伤等于1时)进行计算, 结果如表2所示.其中L1是疲劳缺口系数Kf等于2时的钩尾框疲劳寿命里程数, L2是疲劳缺口系数Kf等于3时的钩尾框疲劳寿命里程数, 谱块数是指钩尾框达到疲劳寿命时所需的对应车钩载荷谱循环加载数量.L2/L1的比值代表了增大缺口应力集中对车钩使用寿命的影响, 其值越小说明随着疲劳缺口系数的增大, 疲劳寿命降低得越明显.

表2 不同载荷谱计算钩尾框疲劳寿命 Tab.2 Fatigue life calculation of coupler yokes with different load spectrum

由表2可知, 牵引吨位的上升对钩尾框所造成的疲劳损伤显著增大, 相应疲劳寿命大幅降低.相同牵引吨位下的AAR漏斗车车钩载荷谱造成的钩尾框服役载荷环境比神黄线C80车钩载荷谱恶劣.

2.3 等效车钩纵向载荷谱特征分析

鉴于上述4种车钩纵向载荷谱测试条件的变量较多, 包括被试车辆轴重、单车载重、编组等纵向力影响因素都不尽相同.因此, 4类车钩载荷谱分别按单车载重及车辆轴重一定的情况予以等效, 再对比等效后各个载荷谱对钩尾框损伤的影响.

2.3.1 按单车载重等效

4种车钩载荷谱的测试车载重量轻则为80 t, 重则高达128 t, 因此, 统一按载重量80 t对载荷谱进行折算.换算得到的车钩载荷谱如图3所示.

图3 按载重折算后各载荷谱车钩力累积频数曲线Fig.3 Coupler force-cumulative frequency curves after conversion with load capacity

由图3可见, 不同纵向载荷谱按单车载重等效后, 在压钩状态时, BHP 4万t矿石车的载荷服役环境依然最为恶劣, 大秦线2万t列车的高载荷次数明显高于神黄线1万t列车.与AAR标准1万t列车相比, 神黄线1万t列车服役载荷条件更优.拉钩时, 同为1万t编组列车测得的AAR漏斗车谱及神黄线C80谱载荷环境较为一致.使用按载重折算后的车钩力谱对钩尾框进行寿命计算, 结果见表3.

表3 按载重折算后不同载荷谱计算钩尾框疲劳寿命 Tab.3 Fatigue life calculation of coupler yoke with different load spectrums after conversion with load capacity

由表3可知, 按载重量进行折算后, 牵引吨位、载重、编组长度相当的AAR漏斗车载荷谱和神黄线C80载荷谱对钩尾框做寿命估算的结果差别不大:在缺口系数为2时, 用AAR谱估算所得疲劳寿命较神黄线C80谱小13.3%; 在缺口系数取3时, 用AAR漏斗车谱估算所得寿命较神黄线C80谱小12.7%.折算后AAR漏斗车谱估算寿命比神黄线C80谱估算寿命小是因为虽然二者每km1 000 kN以上拉钩力的累积频次相当, 但AAR谱的载荷更大.

2.3.2 按单车轴重等效

4种车钩载荷谱的测试车轴重也不完全相同, 小则25 t, 大则37 t, 因此, 统一按轴重25 t对载荷谱进行折算.换算得到的车钩载荷谱如图4所示.

图4 按轴重折算后各载荷谱车钩力累积频数曲线Fig.4 Coupler force-cumulative frequency curves after conversion with axle load

由图4可见, 不同纵向载荷谱按轴重统一经过折算后, 在压钩状态时, BHP 4万t矿石车的高载荷发生次数仍最多, 神黄线1万t列车服役载荷条件仍最优.在拉钩状态时, 大秦线2万t列车谱与BHP 4万t矿石车载荷谱在700 kN以上载荷环境相似性较好.再次使用按轴重折算后的车钩力谱分别对钩尾框进行寿命估算, 结果见表4.

表4 按轴重折算后不同载荷谱计算钩尾框疲劳寿命 Tab.4 Fatigue life calculation of coupler yoke with different load spectrums after conversion with axle load

由表4可知, 在载荷谱按轴重量折算后, 编组长度都在200辆以上的大秦线载荷谱和BHP载荷谱对钩尾框做寿命估算较一致:在缺口系数为2的条件下, 用BHP谱估算所得寿命较大秦线C80谱相差5.1%, 缺口系数取3时, 用BHP谱与用大秦线C80谱估算所得寿命仅相差0.5%, 用折算后BHP载荷谱计算造成的损伤略大, 推测是缘于其更长编组所带来的少量超高载荷.

从表2~表4中L2/L1的比值可以看出, 缺口应力集中会大大降低零件的使用寿命, 缺口疲劳系数为3时的车钩尾框寿命仅为缺口疲劳系数为2时的4%左右, 即寿命将降低95%以上.

3 结论

本文选取4种重载铁路货车车钩作为分析对象, 从单位km的载荷发生频次及车钩力造成的车钩钩尾框关键部位疲劳损伤方面分析重载货车车钩纵向载荷谱主要特征, 将4种重载铁路货车车钩载荷谱在不折算、以载重折算、以轴重折算3种条件下分别进行对比后得出以下结论:

1)从纵向力角度来说, BHP 4万t矿石车载荷谱无论折算与否, 载荷环境最为恶劣, 神黄线1万t C80列车运行环境最优, 这与重载铁路货车的编组、单车轴重及单车载重等参数有关.

2)在编组差别不大的前提下, 可以通过等载重折算, 实现不同载重列车纵向载荷谱通用; 当牵引吨位较大时, 不同轴重列车下测得的车钩纵向载荷谱可以通过等轴重折算实现通用.

3)缺口造成的应力集中会大大降低车钩的使用寿命, 当缺口疲劳系数由2增大至3时, 车钩钩尾框寿命将降低95%以上.

The authors have declared that no competing interests exist.

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