（车辆工程专业论文）大秦线20000吨重载列车纵向载荷谱的编制.pdf

中文摘要 摘要： 随着我国铁路技术装备的发展，目前我国铁路货车正在向高速重载方向发展， 特别是高强度车钩、大容量缓冲器等适应提速运行的关键部件的研制成功，为货 车提速至1 2 0 k m h 提供了强有力的技术支持，我国大秦线已实现开行组合2 0 0 0 0 吨级重载列车，但同时也面临新的问题。货车现行结构强度设计规范和试验标准 尚不完善，特别是缺少符合我国实际运用条件的疲劳强度设计规范和试验标准。 本文根据铁道部科技研究开发计划课题，结合目前情况，以大秦线2 0 0 0 0 吨 重载列车纵向载荷沿车长的分布规律以及各车钩载荷循环规律为研究内容，首先 提出了大秦线重载列车纵向载荷的线路实测的合理方案以及车钩布置，组建高精 度、超小型，无人值守，长时连续的数据采集系统，对车钩实际运营中所受载荷 进行全程测试，然后将车钩受到的纵向载荷通过转换，处理，计数等，编制了3 个位置车钩的载荷谱。 最后，通过理论分析，建立符合大秦线2 0 0 0 0 吨重载列车运用和设计标准的 纵向载荷谱，为形成重载车辆的疲劳设计规范和试验评定标准奠定基础。 关键词：重载列车，纵向力，载荷谱，编制 分类号：u 2 7 0 ；6 2 9 a b s t r a c t ： a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t ，t h e r eh a sb e e nat r e n d t o w a r d sh i g h s p e e da n dh e a v y - l o a di nc h i n ar a i l w a yt r u c k sr e c e n t l yi np a r t i c u l a r , t h e s u c c e s s f u lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fk e y c o m p o n e n t ss u c ha sh i g l l i n t e n s i t yc o u p l e r s a n dl a r g e - c a p a c i t yb u f f e r sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np r o v i d i n gt e c h n i c a ls u p p o r tf o r a c c e l e r a t i n gt h es p e e dt o12 0 k m h e v e nt h o u g ha l li n d i v i d u a l2 0 ，0 0 0 一t o nh e a v y - l o a d t r a i nh a sa l r e a d yb e e no p e r a t e do nc h i n a sd a t o n g - q i n h u a n g d a or a i ll i n e , t h e r ea r es t i l l c h a l l e n g e sa h e a di nt e r m so fl a c k i n gp e r f e c td e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa n dt e s t i n gs t a n d a r d s o ft h es t r u c t u r a ls t r e n g t h , e s p e c i a l l yo n e st h a ta p p l i c a b l et os i t u a t i o n si no u rc o u n t r y t h em a i nr e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sb a s e do i lt h el o n g j i t u d i n a ll o a dd i s t r i b u t i o nl a w o fd a t o n g - q i n h u a n g d a or a i ll i n e2 0 ，0 0 0 一t o nh e a v y - l o a d e dt r a i na l o n gt h et r a i nl e n g t h a n dt h ec y c l i n gl a wo fl o a d so nc o u p l e r s ，t a k i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dr e q u i r e m e n t s o ft h em i n i s t r yo fr a i l w a y si n t os c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i e a lr e s e a r c hd e v e l o p m e n t p l a nt o p i c ar e a s o n a b l es c h e m ea n dc o u p l e rl a y o u to ft e s t i n gl o n g i t u d i n a ll o a d sw a s f i r s tp u tf o r w a r di n t h i st h e s i s ，f o l l o w e db yt e s t i n gt h ep r a c t i c a ll o a d so fc o u p l e ri n f u n c t i o nb yb u i l th i g l p r e c i s i o n ，u l t r a s m a l l ，u n m a n n e d ，c o n t i n u o u sl o n g - t e r md a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m t h e nl o n g i t u d i n a ll o a d si m p o s e d o n3c o u p l e r si nd i f f e r e n tl o c a t i o n s w e r ec o m p i l e di n t ol o a ds p e c t r u m sv i ac o n v e r s i o n ，p r o c e s s i n ga n dc o u n t i n go ft h e l o n g i t u d i n a ll o a d so nc o u p l e r s e v e n t u a l l y , t h es p e c t r u m si na c c o r d a n c ew i t hu s ea n dd e s i g ns t a n d a r do ft h e l o n g i t u d i n a ll o a do ft h e2 0 ，0 0 0 一t o nh e a v y - l o a dt r a i no nd a - q i nl i n ew e r ec o m p i l e d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a t ll a yt h ef o u n d a t i o nf o rr e f e r e n c et of u t u r ec o u p l e r d e s i g n i n ga n df a t i g u et e s t s k e y w o r d s ：h e a v yt r a i n ，l o n g i t u d i n a lf o r c e ，l o a ds p e c t r u m s ，c o m p i l e c l a s s n o ：u 2 7 0 ；6 2 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者 签字日期：矽甲年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 捍嗍：冲 导师签名：。川劾1 签字日期：矿7 年口石月t f 日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘志明教授的悉心指导下完成的，从论文的选题， 实验设备的采购，实验数据的分析转化，论文的编排整个过程，刘志明教授严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来刘 志明教授对我的关心和指导。 刘志明教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向刘志明教授表示衷心的谢意。 在论文的研究过程中，笔者还得到了缪龙秀教授、李强教授、谢基隆教授、 金新灿教授、邹骅老师的关心与指导，他们以其广博的学识，严谨的态度，高尚 的师德，在学术和生活上给予了我极大的帮助，使本人的论文得以顺利完成，在 此表示衷心的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，王斌杰博士、王朝凤师姐对我论文中的载荷 谱编制以及数据格式分析等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激 之情。 另外也感谢我的家人以及各位同学，他们的理解和支持使我能够在学校专心 完成我的学业。 1 绪论 当前的机械结构强度设计正处在变革时代，将由传统的以安全系数保障强度 裕度的定值方法向以可靠性设计的概率方法演进【l 】。此转化趋势源于传统的静强度 设计方法不能保证产品安全可靠的工作，致使一些动力机械、机电装备、压力容 器等重大事故频繁出现。据美国统计【2 】，因交变载荷引起疲劳断裂的事故占机械结 构失效破坏总数的9 5 。疲劳破坏的危险性表现在到达疲劳寿命时无明显先兆( 显 著变形) 结构就会突然断裂解体。 早期我国铁路车辆发生的车体分离事故，究其原因，除操作失误外，主要是 结构没有明确的使用寿命，往往凭借经验，盲目使用造成灾难性事故。而随着我 国旅客列车的不断提速，货物列车载重的不断提高，高速重载成为我国铁路行业 发展的主要方向，防止货物列车分离事故的发生是铁路货运向高速重载发展的同 时必须急待解决的一个重要问题。而车钩的疲劳断裂正是导致货物列车分离事故 发生的主要原因之一，它直接关系到货物列车能否安全、可靠地运行。 列车在运行时，车钩承受着随机的、连续的交变载荷作用，而纵向载荷则是 车钩受到的主要载荷，车钩疲劳断裂研究的一个重要内容就是编制能反映车钩实 际使用状况的车钩载荷谱，用以进行车钩疲劳寿命试验及疲劳强度分析。这是近 代研究结构疲劳寿命的最新方法，编制载荷谱研究构件或结构的疲劳强度，在航 空、农机和化工等部门已有多年的历史，在国内外已取得不少成功的经验，但在 我国铁路上，这方面的研究工作还只是刚刚开始。 1 1研究背景和选题依据 目前，我国铁路货车正在向高速、重载方向发展，发展铁路重载运输是解决 我国当前铁路货运量大幅度增长与运能不相适应的一项根本措施。目前我国已实 现了2 0 0 k m h 动车组在全国范围运行，京津城际列车已经达到最高时速3 5 0 k m h 的运营时速，同时大秦线丌行了2 0 0 0 0 吨级重载列车。 随着我国煤炭需求同益提升，大秦线铁路运煤工作日益紧张，列车载重达到 组合2 0 0 0 0 吨，对车钩在实际使用过程中所受到到的纵向随机载荷分析可以发现， 影响它的因素非常复杂，这些因素包括以下几个方面：车辆构造( 包括车辆型号、 车钩型号、缓冲器型号、制动机型号等) ：车辆使用( 包括周转期、运行时间、调 车作业次数、货物作业次数等) ；列车运行( 包括牵引方式、运行速度、载货重量、 线路状况、司机操纵技术、运行调度、意外因素等) ：调车作业( 包括编挂组数、 冲击速度等) 【3 】。由于旧型制动机和钩缓装置在货车中还占较大比例，客观上阻碍 了重载列车的提速。随着我国铁路技术装备的发展，特别是高强度车钩、大容量缓 冲器、提高摩擦因数的合成闸瓦、空重车无级自动调整装置等适应提速运行的关 键部件的研制成功，为货车提速至1 2 0 k m h 提供了强有力的技术支持。但同时也 面临新的问题。货车现行结构强度设计规范和试验标准尚不完善，特别是缺少符 合我国实际运用条件的疲劳强度设计规范和试验标准。上世纪九十年代也曾经立 项，测试过1 3 号车钩的载荷谱，积累了不少经验，但当时的牵引吨位和运行速度 与目前8 0 t 级组合2 0 0 0 0 吨货车的运行条件相差甚远。因此更新我国货车结构的强 度设计规范和试验标准，已成为一项非常紧迫的工作。 为保证列车安全运行，编制出实际线路的车钩纵向载荷谱，为我国货车提供 结构强度设计规范和试验标准，是一个十分迫切的课题。 通过在车钩钩体上粘贴电阻应变片，形成测力车钩，可以记录列车在各种典 型工况下车钩载荷一时间历程，将测得的车钩这些有限次数，简化成能反映车钩 在整个使用期限内具有代表性的典型载荷谱。 1 2国内外研究现状 重载运输带来的一系列问题，一直受到世界铁路专家的关注。美国曾于8 0 年 代采用线路实测的方法对万吨( 9 0 0 0 吨) 重载列车的车钩载荷谱进行深入细致的 研究，并将研究结果纳入a a r 机务规程，为重载列车的设计提供依据。我国上海 铁道学院分别于1 9 8 8 年6 月和1 2 月在机械保温车上装置车钩载荷谱数据采集系 统，编组货物列车，组织了上海_ 深圳和上海一齐齐哈尔两条线路货物列车1 3 号 车钩载荷谱的现车测试，编制1 3 号车钩程序载荷谱，并在此基础上分析1 3 号车 钩的疲劳可靠性。对于大秦线2 0 0 0 0 吨重载列车，国内组织过1 + 1 + 1 + 1 以及1 + 2 + 1 编组的纵向力测试试验，同时对5 0 0 0 吨编组以及力吨编组做过1 + 1 编组试验，试 验目的主要是寻找最大车钩力出现的位置，并与仿真结果进行对比，验证仿真的 2 正确性，并未完成载荷谱的编制。 1 3 试验条件介绍 对车钩在实际使用过程中所受到到的纵向随机载荷分析可以发现，影响它的 因素非常复杂，断钩分离事故与列车的总重、机车的牵引方式( 单机或多机牵引) 、 列车的运行速度、线路的状态、车钩的纵向刚度、制动机和缓冲器的特性以及调 车作业时车辆联挂速度等因素有关，司机的驾驶操纵技术也是构成断钩的因素之 一【4 】。 1 3 1c 8 0 及c 8 0 b 通用敞车简介 为提高大秦铁路的运煤能力，开发适合中国国情的重载货车，齐车公司新研制 c 8 0 型铝合金运煤敞车及c s o b 型不锈钢运煤敞车该车是为开行2 0 0 0 0 吨重载煤 炭运输专列而开发研制的专用车辆。该设计吸收了引进美国t r i n i t y 公司的铝合 金煤车的专有技术，采纳t - - 七、株洲车辆厂及内蒙一机集团在样车试制中积累 的经验，改进了原设计方案存在的问题；强度、动力学性能满足有关标准要求 能与秦皇岛煤码头的三、四期拨车机、列车定位机和三车翻车机相匹配及附属设 备相匹配，实现不摘钩连续翻卸作业；井能适应环形装车、直进直出装车、解体 装车作业及运行时机车动力集中牵引要求，同时c 8 0 b 还能适应解冻库的要求，满 足2 0 0 0 0 吨重载列车的运用要求。 图1 1c 8 0 型锅台金运煤敞乍 f i 9 1 1c 8 0 a l l o y c o o l g o n d o l a c a r 图1 - 2 c 8 0 8 型不锈钢运煤敞印 f i g1 - 2c o o gs t a i n l e s ss t e e lc o a l g o n d o l ac a r c 8 0 型铝合余运煤敞车c s o b 型不锈钢运煤敞车主要技术特点： c 8 0 型铝合金运煤敞车c 8 0 b 型不锈钢运煤敞车车体自重轻，容积太，载 j e 噩g 堑_ 厶堂强芏位监窑 结垃 重达s o t ，可适应2 0 0 0 0 吨重载列车编组要求。 2 、c 8 0 采用双浴盆结构，车体除底架外采用铝合金型材与板材的铆接结构， 铝合金材料耐腐蚀性强。c 8 0 b 采用传统敞车的侧壁承载、甲底地板结构，结构简 单、可靠，维护检修方便。与煤接触的侧、端墙及地板等主要板材件和粱件采用 t c s 不锈钢材料，具有良好的耐腐蚀性能；可有效延长车辆使用寿命。 3 、车辆结构按2 0 0 0 0 吨列车的考核标准进行设计，c 8 0 底架中梁采用屈服强 度为4 5 0 m p a 的高强度耐候钢，并对牵引梁部分进行了加强。c 8 0 b 对枕梁、下侧 门口连接结点等大应力部位进行了细部设计，提高结构可靠性，关键零部件实行 了寿命管理，并加严了质量保证期，实现了取消辅修、延长厂段修周期的目标。 1 3 2 车钩装置 图1 3 1 7 犁年钩 f i gi - 31 7 - t y p ec o u p l e r 1 7 型车钩具有以下特点： 1 、1 7 型车钩具有下锁销防跳和下锁销杆防跳两缴防跳功能，与上作用车钩的 一次防跳相比，具有更好的防跳性能。列车发生事故时仍能保持车钩的连挂性能， 防止列车颠覆，并防止车钩相互脱离。同时，1 7 型车钩的提杆装置加装了复位弹 簧，进一步提高了车钩的防分离可靠性。 2 、1 7 型车钩的结构合理，钩体、钩舌及钩尾框均采用了e 级铸钢制造，增加 了车钩强度；同时，钩体最小破坏载荷4 0 0 5 k n 与a a r 标准规定相同钩舌的最 小破坏载荷为3 4 3 9 k n ，比a a r 标准规定的2 9 5 0 k n 提高1 6 ，钩尾框由e 级铸 铜改为e 级锻钢，具有较高的强度储备。 3 、1 7 型车钩采用高强度的e 缴钢材质，提高了钩体、钩舌和钩尾框的硬度和 耐磨性并对钩尾端面及钩尾销孔后圆弧面进行了提高表面硬度的特殊处理，具 有更高的硬度和更好的耐磨性：钩体下方增设了磨耗板，防止钩体磨耗，降低检 修的工作量和成本。 4 、1 7 型车钩的连挂间隙为95 m m ，比1 3 号车钩的1 95 m m 减少了5 2 ，比 1 3 a 型小间隙车钩的1 15 m m 问隙减少了1 7 ，可降低列车的纵向冲动、改善列车 纵向动力学性能，延长车辆及其零件的使用寿命。 5 、1 7 型车钩尾部设有自动对中凸肩和球型端面，可以使车钩在运行中经常保 持正位，同时改善了车辆及列车的曲线通过性能：采用竖圆销与钩尾框垂直联接， 提高了车辆的曲线通过能力。 6 、1 7 型车钩的钩体头部设有联锁装置，车钩连挂后可自动实现联锁，减少车 钩的相对运动，具有类似牵引杆装置的作用：联锁装置还可以在车钩转动作业中 起到附加旋转功能| ；l 降低对车钩的损坏。 1 3 3m t - 2 缓冲器 幽1 4 m t - 2 型摩擦式缓冲器 f i g l 4 m t - 2 f r i c t i o n - t y p e b u f f e r r 卜2 型缓冲器是根据我幽铁路重载运输的需要，在总结国内外缓冲器研究、 设计、制造、运用经验的基础上，研制的全钢摩擦式缓冲器，是“八五”期间国家重 点科技攻关计划和铁道部科研项目。 m t - 2 型型缓冲器从1 9 8 9 年开始研制，于1 9 9 2 年8 月通过铁道部组织的技术 审查，并开始批量装用在c 6 3 型运煤专用敞车上进行运用考验。m t - 2 型缓冲器具 有大容量、低阻抗及性能可靠等特点，在c 6 3 型、c 7 6 型及c 8 0 型等系列重载货 车上均装用了该缓冲器，我国7 0 t 级货车也采用了m t - 2 型缓冲器( 如图1 4 所示) 。 1 3 4 制动装置 重载运输的机车车辆为了保证牵引机车的功率要足够大，如果一台不够就用 两台甚至三台。不过，使用的机车越多，协调越难，要求的行车技术越高。重载 车辆采用新材料、新结构和新工艺，尽可能减轻车辆本身的自重，增加货物的载 重量。另外在车辆体积不超过一定的轮廓范围之内( 即机车车辆限界) 的同时， 尽可能扩大车辆的容积。重载列车爬坡难，下坡更难。在长大下坡区段，只依靠 机车的制动力很难将整个列车停住，这是因为数量众多的车辆下滑力大大超过机 车的制动力。如果车辆仍按常规设计，列车在长大下坡地段就会发生颠覆事故。 为此，重载列车中的部分车辆必须安装双管制动系统，使一部分车辆参与机车的 制动，才能和其余的车辆下滑力相平衡，确保下坡地段的列车安全。因此重载列 车的制动技术十分重要。 重载列车对制动系统的要求 ( 1 ) 采用空重车无级自动调整装置 货车的空重比大，要提高重车制动力，又要保证空车不滑行，只有采用空重 车调整装置。使用空重车无级自动调整装置的意义：第一，提高重车制动率，缩 短制动距离；第二，降低空车制动率，防止低速下车轮滑行；第三，使不同载重 混编列车中各车辆的制动率基本一致，减小列车冲动，改善列车的操纵性能。国 内联合研制的荷重传感式空重车调整装置，具有制动缸压力随载重的变化并在全 程范围内自动无级调整的特点，并且空车时制动缸压力为1 5 0k p a ，大大减小了空 车滑行的可能。 ( 2 ) 采用高性能的控制阀 控制阀是整个制动系统的核心。控制阀的性能对制动距离和纵向冲动有很大 6 的影响： 1 、缩短空走时间有利于缩短空走距离，从而可在不改变站线长度的情况下提 高列车运行速度。 2 、提高制动波速有利于减d , n 车冲动及缩短制动距离；提高缓解波速有利于 降低列车冲动。 3 、制动缸升压时间越长，列车冲动越小，但势必会延长制动距离；制动缸排 气时间越长，列车冲动越小。 为了满足货物列车重载的要求，1 9 8 9 年，铁道部科学研究院与眉山车辆工厂 开始进行新型空气控制阀即1 2 0 阀的研制，于1 9 9 3 年6 月通过部级鉴定，并开始 向全路推广。1 2 0 阀是为万吨重载货车设计的，它通过局减作用加快制动作用在列 车中的传播，从而提高了制动波速；它又通过紧急2 段阀的作用，使紧急制动时 制动缸压力分2 阶段上升，降低了长大列车的纵向冲动。试验证明，1 2 0 阀在和高 摩合成闸瓦、2 个2 0 3m m ( 8 英寸) 制动缸配套使用时，可以适用于大秦线的万 吨单元重载列车以不大于8 0k m h 的速度运行。目前，1 2 0 型空气制动机已成为 我国铁路货车的主型制动机，为铁路货运向重载方向发展发挥了巨大的作用。 1 4 本论文主要研究内容 本文根据货车运用中的载荷特点，参照美国a a r 机务规范的载荷谱，在线路 实测数据的基础上，结合相应的调研工作，编制出在我国货车实际运用条件下的纵 向载荷谱。具体包括： l 、纵向载荷的测试方案的设计 通过在车钩钩体上粘贴应变片，构成测力车钩，记录大秦线2 0 0 0 0 吨重载列 车在线路运行中各种实际工况下不同断面的纵向载荷。设计内容包括车钩位置的 选择，测力车钩的制作方式，测力车钩的标定等。 2 、数据采集系统的组成及数据转化 针对本次试验，实验室特别购买了新型数采设备，体积小，工作时间长，本 文对此设备采集的数据进行了破译，转化为便于数据处理的格式，为今后的使用 提供方便。 3 、试验数据的处理 7 通过去除零点漂移、去一场干扰信号、滤波和小波处理等，采用雨流计数法， 对试验测试的货车车钩的载荷时间历程进行统计计数，建立双参数的方阵数据表 格，为编制车钩纵向载荷谱提供子样数据。 4 、载荷谱的编制 参照美国a a r 机务规范环境载荷谱，根据货车纵向受力状况，将大同至秦皇 岛的货运专线实际工况测量得到的纵向载荷，编制在我国大秦货运专线上货车运 行条件下的纵向载荷谱。 2 载荷的测试 本实验室根据铁道部科技研究丌发计划课题“大秦线重载列车基础理硷研究 列车载荷谱的试验研究”( 2 0 0 8 j 0 0 8a ) 的安排，专门组织了2 0 0 0 0 吨的重载 列车在大同秦阜岛之间的进行线路实测，在测试中完全依照正常行驶的工况， 这些工况基本覆盖了列车正常运行可能出现的工况，为以后编谱工作提供了基本 的数据支持。 试验采用共和e d s - 4 0 0 a 数据采集处理系统及配套设备，全程连续采集数据 信号，得到各个测点应变一时间历程。通过标定试验所得出的标定系数，将各个 测点的应变一时间历程转变为载荷一时间历程。再采用“雨流计数法”对实测的载荷 一时间历程进行统计分析，得出实际运用工况的载荷样本谱，井以此作为基础， 运用统计分析方法编制货车纵向载荷谱。 2 1测力车钩的原理 以电阻应变片组桥制成测力传感器，如图2 - 1 所示，钩身左右两面的应变片组 成一全桥，利用电测应变法通过传感器获得测力车钩变形，再根据静力标定曲线 获得车钩载荷。 图2 1 传感器布点图 f i g2 - 1s e n s o rc l o t h m a p 在钩身左右两侧面纵向轴线上布一工作片，工作片邻近处与纵向轴线相垂直 方向布一温度补偿片，左右两侧面上应变片组成一个测量全桥，桥式电路如图2 - 2 所示。 图2 - 2 测量全桥组接示意图 f 2 - 2 f u l l - b r i d g e 目 o u p f o r m e a s u r e t n e n t 2 2 测力车钩的制作方法 测力车钩是用于测量机车车辆车钩的牵引力或推送力( 缓冲力) ，并保证不影 响试验车辆本身的_ i ：f 常运行”。车钩由齐齐哈尔车辆厂提供，测力车钩由航天空气 动力技术研究院( 原中国航天科技集团公司第七零一研究所) 完成传感器系统的 制造和标定，满量程4 0 0 t 。 削2 1 31 7 号i 力4 韵 f i g2 - 31 7 t y p e m e a s u r i n g c o u p l e r 在”号车钩钩身上铣出6 0 m m x 8 0 r e g r a m 的矩形凹槽，以便布置应变片， 应变片布置完毕，连接好电路以后，使用防水硅胶覆盖，如图2 - 4 所示，这样既 能起到绝缘的作用，还可以防止水蒸气等的进入，对测试数据造成影响。待硅胶 固定之后，使用橡胶垫覆盖在硅胶上方，然后用5 m m 厚盖板将凹槽封好，并用螺 丝紧固。 图2 _ 41 7 号测力车钩改造方案 f i g2 - 4 m o d i f i e d m e t h o do f l 7 一t y p e m e a s u r i n gc o u p l e r 由应变片引出的导线按照图2 - 2 所示连接电路，其中n 为输入电压，v c 为测 量电压。传感器电阻均为1 2 0 q ，当车钩没有受到外界载荷的情况下，测量得到 的v c 值应该为0 。 由于车钩受到载荷引起车钩纵向拉仲以及压缩均比较小，所以测量得到的v c 值变化较小，同时连接电缆很可能在传输信号的过程中受到各种各样的干扰，造 成测量信号的失真，所以在锘4 作测力车钩的时候，传感器后面增加了一个信号放 大器，将传感器信号放人，这样在电缆传输信号的过程中，山于信号增强，山电 缆引入的干扰相对减小，远远低于正常信号的幅值，测鼍得到的有效信号就会更 多。 2 3纵向力的测试方法 纵向载荷的测试通过测力车钩来测试，载荷测试的原理如图2 - 5 所示。 i i 了j l = 工口口- z 且 _ p 图2 - 5 测力车钩原理 f i g 2 - 5p r i n c i p l eo f m e a s u r i n gc o u p l e r 当车钩受到载荷尸在传感器位置断面的应力通过前端放大器转化为电压后测 试值为l , 在线路运行中，传感器位置断面的实测应力值为以，通过下式即可得到 实际载荷忍： 号2 芑耻p u c。川 测力车钩在使用前需要进行标定，在标定时，对车钩施分别施加5 0 0 k n ， 1 0 0 0 k n ，1 5 0 0 k n 的拉力，分别测出其对应的检测信号电压值，并对其车钩标定数 据进行拟合。其中某车钩拟合结果如图2 - 6 所示： 图2 乇测力下钩数据拟合结果 f i g 2 - 6t h ef o r c em e a s u r e m e n tc o u p l e ro fd a t a sf i t t i n gr e s u l t 1 2 测力车钩静力标定试验在航天空气动力技术研究院( 原中国航天科技集团公 司第七零一研究所) 进行，共准备了1 0 个车钩，其中某车钩的标定文件副本详 见附录a 2 4测力车钩位置的选择 本次试验是以机车牵引方式为1 + 1 形式而确定的。列车由机车分为2 段，每 段由1 0 8 节货车组成，每三节货车通过牵引杆组成一个单元，单元与单元之间使 用车钩连接。通过对铁道科学研究院以及西南交通大学等曾经进行过的仿真计算 以及组织过的实验验证的分析，确定了测力车钩的安装位置。 2 4 1 列车纵向动力学仿真模型 列车纵向动力学主要用来分析不同的列车编组、车辆配置、运行工况及线路 条件下列车车辆间的纵向动力作用。在纵向动力学研究范围内，列车可以抽象为 一个多质点的质量弹簧阻尼系统【6 7 ，8 9 】。列车纵向动力学模型如图2 7 所示。取一 节车为一个分离体，整列车的自由度等于组成列车的机车车辆的总辆数。 琶o l毡li趄2iu n 二li“盈i 1 1 1 2h1 1 1 n 1 劂u l n 图2 - 7 列车纵向动力学模型 f i g 2 - 7l o n g i t u d i n a ld y n a m i cm o d e lt r a i n s 其纵向动力学方程的形式为 m i l = f d 一f d f i + f e i f d 眦一fb l ( 2 7 、 式中，玩为第i 车的加速度；m f 为第f 车的质量；如，为第i 车的前车钩力， - - 0 时，艮，- o ；已为第i 车的后车钩力，当i - - n 时，如：o ；如为第f 车的总的 运行阻力，包括等效运行阻力、坡道力、曲线阻力、起动阻力等；，m 为牵引力， 仅作用于机车；f d b i 为动力制动力，仅作用于机车；如为第f 车的空气制动力。 将c h = 岛一，( “，一一。) 和e = 向( ，一甜h ) 代入公式2 - 2 ，可得紧凑的矩阵形式 m i i + k u = f i 1 i l t - - - 0 “i ，= o2 “。 j ( 2 - 3 ) 式中，m 为机车车辆的质量矩阵；足为系统总的非线性刚度阵；，为外加激 励；、葫、u 分别为多质点体系各质点相对于平衡点的加速度向量、速度向量和 位移向量： 毛一。为第i 车前车钩缓冲器弹性元件的非线性刚度；t 为第i 车后车 钩缓冲器弹性元件的非线性刚度。 其中系统所受外力 日包括：基本运行阻力( 包括风阻力和滚动阻力) 、坡道运 行阻力、曲线阻力、制动力、牵引力等。各力运算方法根据列车牵引计算规程【1 0 】 计算。 2 4 2 纵向动力学试验结果分析 理论和实际经验表明，列车处于稳态运动( 如匀速或匀加速运动) 过程中的纵向 力甚小，只有在非稳态运动过程中才会出现较大的纵向力，尤以快速牵引启动和 制动为甚。如表2 1 所示为1 9 8 4 年用电力机车牵引5 0 0 0 t 重载列车( c 6 1 专列) 在环 行道试验时的车钩力实测结果。最大列车纵向力的产生主要是由于列车前后制动 力不均匀以及铸铁闸瓦摩擦系数在低速耐增大的缘故，因此，在制动工况下的最 大车钩力多发生于列车后部。只有在以车长阀来实施紧急制动的制动工况下，列 车的最大车钩力位置才会前移【1 1 】。 表2 1 不同j ：况最大纵向力比较 t a b 2 1c o m p a r i s o no ft h em a x i m u ml o n g i t u d i n a lf o r c eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 不同工况最大纵向力比较 k n 工况最大车钩力 工况 最大车钩力 匀速 8 0 匀加速 2 18 慢启动 2 8 0快启动6 1 0 电阻制动 3 8 0 常用制动 5 4 0 紧急制动后缓解11 9 0低速缓解1 5 3 0 车长阀作用 1 1 l o 紧急制动 1 7 1 0 根据以上情况，笔者分析了大量的资料1 2 , 1 3 , 1 4 】，分别对容易产生较大纵向力的 1 4 工况进行分析，同时针对不同车重及牵引方式，寻找最大车钩力出现的位置， 1 、1 + 1 万吨列车启动工况 通过对s s l 采用1 + 1 方式牵引的万吨列车纵向力沿车长分布的分析，共测试了 1 0 个车( 第1 、1 5 、3 0 、4 5 、6 0 、7 5 、9 3 、1 0 4 、1 2 0 、1 2 3 辆) ，称为测试断面。 s s l 机车牵引的组合式万吨列车，由于中部机车施加牵引，使纵向力沿车长的分布 呈双峰形又由于整个列车的前半部处于压缩状态，因此起动时前半部列车中车 辆产生一定的冲动；而后半部列车处于拉伸状态，车辆纵向力自前至后逐步减小。 如图2 8 所示， 6 0 0 ，- - 、 z _ 4 0 0 、_ 2 0 0 o 1 3 06 0 7 69 1 1 0 61 2 1 l lf 辆) 图2 - 8 启动工况纵向载荷力沿车长分布 f i g 2 - 8l o n g i t u d i n a ll o a dd i s t r i b u t i o na l o n gt h eb u sc a p t a i n si ns t a r tw o r k i n gc o n d i t i o n s 2 、1 + 1 万吨组合列车紧急制动工况 由机车牵引力吨c 6 1 组合列车时，由图2 - 9 可见，紧急制动后从压缩迅速反 弹形成拉伸的冲击较大，最大压缩力18 4 8 k n 发生在第5 断面( 第6 0 辆) ，最大拉伸 力1 2 0 0 k n 发生在列车中部( 第6 2 辆) 。 1 5 12 0 0 8 0 0 一、4 0 0 丕0 - - 4 0 0 - - 8 0 0 - 1 2 0 0 - 1 6 0 0 一一，、 二 6 2 一 - 1 3 06 07 6 9 1 1 0 6 1 2 l j 一、- k 、 二 ( 7 1 ) 图2 - 9 紧急制动时的纵向载荷车钩力沿车欧分布 f i g 2 9l o n g i t u d i n a ll o a dd i s t r i b u t i o na l o n gt h eb u sc a p t a i n si ne m e r g e n c yb r a k i n g ( 辆) 3 、1 + 1 万吨组合列车调速制动工况 s s l 机车牵引组合万吨列车在调速制动中最大拉伸力1 5 9 6 k n 发生在列车中 部略后，随即反弹出现最大压缩力1 0 7 8 k n ，发生在列车中部。如图2 1 0 所示 15 0 0 10 0 0 ，、 z 5 0 0 _ 、- o - _ 。5 0 0 - - 1 0 0 0三辆)二、厂 图2 1 0 调速制动过程中的车钩力沿车k 分布 f i g 2 1 0l o n g i t u d i n a ll o a dd i s t r i b u t i o na l o n gt h eb u sc a p t a i n si ns p e e db r a k e 4 、1 + 1 万吨组合列车模拟计算结果对比 为了更好地评估试验结果并揭示重载列车纵向力的变化规律，我们采用有 关实测参数进行列车运行模拟计算，计算与试验结果对比示于图2 - 1 1 中。从图中 1 6 可以看出两者十分接近，因此可以认为该试验得到的数据可靠，有较高的精度， 对正式开行万吨列车及进一步研究重载列车的运行规律有重要的价值。 多?多， & 7 。 一咧 沁二峨： 果 ( ，) 一为实测结果 图2 1 1紧急制动工况实测与计算结果对比 f i g 2 - l lc o m p a r e dw i t l lt h ea c t u a lt e s tr e s u l bi ne m e r g e n c yb r a k i n g 5 、1 + 1 + 1 + 1 编组2 0 0 0 0 吨组合列车紧急制动时纵向力计算分析 采用文献 1 2 】的有关实测参数进行列车运行模拟计算。并采用4 辆s s 4 型电力 机车1 + 1 + 1 + 1 牵引方式进行测试，试验货车采用2 0 4 辆c 8 0 双浴瓮式铝合金运煤 专用敞车，列车总重为2 1 3 4 2 t 。试验条件及运行工况为重载组合列车以7 5 5 k m h 的速度运行到大秦线k 3 3 9 + 2 1 6 ( 坡度l o o ) 时进行紧急制动。基于以上工况，进行 了数值计算( 计算条件为2 位、3 位和4 位从控机车操纵动作滞后主控机车的时间 依次递增2 0 s ) 。图2 1 2 中记录了第1 、2 6 、7 6 、1 0 3 、1 2 8 、1 5 3 、1 7 8 和2 0 4 辆车 测试断面的车钩纵向力。 图中实线是计算结果，星号是试验结果，比较图2 1 2 中的实线和星号可见， 计算结和试验结果十分接近，说明实际测试结果与计算结果是相吻合的。 1 7 0 o 0 o o 0 o o 0 o o o 0 0 o 2 8 4 4 8 2 6 l 一 一 o q 一互一 0 - 5 0 0 丕一10 0 0 一l5 0 0 - 2 0 0 0 05 0 10 015 0 2 0 0 ”( 辆) 图2 - 12 紧急制动工况实测与计算结果对比 f i g 2 1 2c o m p a r e d 、析t ht h ea c t u a lt e s tr e s u l t si ne m e r g e n c yb r a k i n g 由图2 1 2 列出的对应测试断面上最大纵向力的计算值和实测值，可见车钩上 纵向压力的最大幅值出在2 0 0 0 0 吨组合列车第三小列的中后部，最大幅值为 1 9 0 0 k n 左右。 2 4 2 测力车钩位置的确定 通过对仿真计算及实际测试结果的分析，在使用电子同步制动信号并调整好 延迟时间的情况下，列车制动工况的最大车钩力发生的位置大致相同，均在列车 全长的中部或2 3 处，而启动工况最大车钩力发生的位置为每台牵引机车后第一位 车钩，根据详细阅读分析上述文献，笔者认为合理的测力车钩布置位置如下： 测试一共为四个往返，其中测试两个往返，采用1 0 个测力车钩均匀布置在前 1 万吨列车编组中，测力车钩具体安装位置在机后第一位，并且每隔4 组列车( 共 计1 2 节，组间使用车钩连接，组内使用连接杆连接) 安装一个测力车钩，这样安 装测力车钩时确保机后1 位和列车车尾均有测力车钩，车钩的位置为第l 、1 3 、2 5 、 3 7 、4 9 、6 1 、7 3 、8 5 、9 7 、1 0 9 位。 测试的后两个往返，将安装有测力车钩的前1 万吨编组列车与后1 万吨编组 列车换位，由于列车车钩力与单机车牵引单列情况相仿，列车尾部基本上是逐渐 减小的趋势，同时列车最未位不需要安装测力车钩，所以将列车尾部的测力车钩 1 8 安装在整列的中后部，从第二机车后第一位开始，每隔3 个单元安装一个测力车 钩，共安装5 个，然后每隔4 个单元安装一个测力车钩，共安装5 个，车钩的位 置为第l l o 、l1 9 、1 2 8 、1 3 7 、1 4 6 、1 5 8 、1 7 0 、1 8 2 、1 9 4 、2 0 6 位。 以上的车钩位置的确定，即尽量满足了平均分布，又在列车的中后部提高了 密集程度，同时每个机车的后部都安装有测力车钩，第二机车的前部也安装有测 力车钩，实现在“1 + 1 2 万吨编组列车中测试2 0 个断面车钩力的设想，所得的 2 0 个子样用于统计分析和编谱，是比较合理的布置方式。 2 5纵向载荷谱的主要测试工况 大秦线2 万吨重载列车采用“1 + 1 的牵引方式，线路具有长大坡道，并且 需要到各个装煤点进行装载、上翻车机进行卸载，运用条件和车辆的受载情况较 为复杂。为了能够最真实有效的反映大秦货运专线上货车的实际运用工况，获得 编谱所需的样本，我们没有设计各种特殊的制动、缓解、停车以及调车作业工况， 而是按照正常运营期间的工况来全程测试。这样可以最真实的反应车钩所受到的 纵向力的情况。然后根据机车运行记录可以了解到对应时间的操作，由此来划分 启动，各速度级的调速制动，各速度级的紧急制动，各速度级的缓解，重新编组 等工况。 2 6本章小结 本章主要介绍了载荷谱的测试方法，包括采用桥式电路原理制作的测力车钩， 制作的方法，标定的参数等。同时介绍了纵向力的测试方法，并根据以往专家进 行过的仿真与实际测试数据的分析，得出车钩受到纵向载荷沿车长的分布规律， 以此来进行测试车钩位置的选择，这样可以最有效的测试到合理的数据。 1 9 3e d s 4 0 0 a 数据采集系统及数据转化 随着列车速度的不断提高，载重量的不断加大，列车各部件制造工艺的不断 进步，社会各部门对高速重载列车的安全可靠性的关注将会大大增加。相应的， 对列车进行疲劳寿命分析的准确性要求肯定会越来越高，而获得及时精确的实验 数据则是完成疲劳寿命分析关键。为此，针对此次实验的条件以及实验所要求达 到的目的，本实验室引进十套日本共和电业株式会社的e d s 4 0 0 a 数据采集系统， 该系统精确度高、稳定、操作简单灵活，一台设备能同时完成4 个通道的数据采 集任务，正好可以满足一个测力车钩的需求，而且设备体积小巧，重量轻