基于沖擊試驗的鐵路貨車縱向載荷設計分析研究*

田葆栓， 李家寶， 魏鴻亮

(1 中車青島四方車輛研究所有限公司， 山東青島 266031；2 中車齊齊哈爾車輛有限公司， 遼寧大連 116041)

鐵路貨車沖擊試驗研究對鑒定貨車強度、改進設計具有重要的意義。貨車在運用中，如在編組場調車、溜放；列車起動、制動；運行中加速、減速；正面碰撞事故等都會發生不同程度的沖擊或沖動，產生很大的縱向沖擊力。除事故沖突外，在正常情況下以列車突然起動、低速緊急制動和駝峰溜放沖擊最嚴重。鐵道車輛強度設計標準規定，將沖擊試驗作為第2工況評價動態強度的主要手段。貨車沖擊試驗是為了探討貨車調車作業時，沖擊速度、縱向沖擊力、沖擊加速度、貨車質量、緩沖器性能的關系，以便確定合理的調車允許速度。相鄰貨車速度差引起的沖擊如調車場上的調車沖擊是導致貨車結構及裝載貨物損壞的主要因素。世界各國鐵路非常重視調車沖擊工況的研究。通過大量的沖擊試驗，模擬編組場溜放作業情況，研究在不同調車連掛速度下的縱向沖擊力，為設定合理的調車連掛速度和修訂縱向載荷設計標準提供依據，可在保證可靠性的前提下，提高貨車運輸效率。

縱向載荷設計時，最大困難之一是設計用沖擊工況縱向載荷統計數據缺乏。工程沖擊、振動問題中的參數，一般是隨機變量，必須用統計方法描述。沖擊、振動條件的制定依賴于實測數據的統計處理。統計分析的關鍵是要有試驗數據。文中在全面地分析、整理鐵路貨車系統30多年來的大量的結構強度沖擊試驗數據基礎上，對縱向沖擊載荷在軸重、車型、緩沖器型式、車鉤間隙等方面進行了系統分析研究，采用數理統計方法，分析推斷了在給定沖擊速度下調車沖擊工況縱向載荷分布和最大值。

1 中國鐵路沖擊試驗技術發展簡述

1.1 車輛沖擊試驗對調車沖擊運用工況的模擬分析

雖然貨車沖擊涉及許多因素，但是如果不考慮產生沖擊的因素，只討論由于相鄰兩貨車之間存在速度差而發生沖擊的過程，則溜放沖擊與列車沖擊無本質區別，可把溜放沖擊作為貨車沖擊的基本工況進行研究。貨車沖擊研究是縱向動力學的重要研究內容之一。主要研究調車編組時貨車的互撞規律，但在相當程度上表征整個列車非穩態運動工況。

1.2 中國鐵路沖擊試驗強度標準技術發展

在1978年以前，我國沒有貨車沖擊強度評價標準。1978年參照前蘇聯1953年規范，提出了TB 1335-1978《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》(以下簡稱1978版《規范》)。原鐵道部組織進行了敞車沖擊試驗和過駝峰試驗。采用機車推送方式的沖擊試驗研究了沖擊速度與車鉤力的關系，驗證了標準，為確定敞車調車作業時的允許沖擊速度提供了依據。80年代中期，我國通過建成的專用沖擊試驗線進行了C61型運煤敞車等貨車的沖擊試驗，積累了經驗。

1988年根據原鐵道部科研項目《提高貨車允許連掛速度的研究》，在北京局雙橋編組站進行了在3～7 km/h共5個沖擊速度等級下的現場沖擊試驗。測得了貨車與貨物變化的相關數據。據此，將貨車允許連掛速度由3 km/h提高到5 km/h。我國現行的《鐵路技術管理規程》規定，調車作業速度不得高于5 km/h。

1993年起草了TB/T 2369-1993《鐵道車輛沖擊試驗方法與技術條件》。1996年將TB/T 1335-1978修訂為TB/T 1335-1996，規定了沖擊試驗與試驗方法：沖擊車沖擊速度從3 km/h開始，每次遞增1～2 km/h，直到車鉤力達到2 250 kN或沖擊速度達到8 km/h。2003年初原鐵道部提出在大秦線開行2萬t列車以滿足年運量2億t的要求，2萬t列車貨車設計車體強度第1工況縱向拉伸載荷取為2 250 kN、壓縮載荷取為2 500 kN；第2工況縱向壓縮載荷取為2 800 kN。在進行沖擊試驗時，車鉤力達到2 800 kN或沖擊速度達到8 km/h為止。2012年中國鐵路總公司立項研究，制定了《大軸重鐵路貨車技術條件》，規定了軸重27 t和軸重30 t貨車縱向載荷。

2 沖擊縱向載荷數據整理和數理統計分析方法

在給定沖擊速度下的沖擊縱向載荷(以下簡稱車鉤力)的確定，依賴于實測數據的統計處理。因為沖擊的量是隨機變量，實測數據統計處理恰當與否，直接影響設計載荷的制定。統計分析時，應采用合理的統計方法與恰當的概率標準。

鐵路的車輛載荷、強度是由一些隨機變量決定的。因而，應根據它們的統計特性來描述和設計。對載荷和強度作統計描述與分析，認識結構受力特性，研究確定載荷與強度的大小和分布發散程度，將有助于可靠性設計。通常情況，強度與載荷服從正態分布。文中主要應用正態分布，回歸分析等數理統計方法。匯總沖擊試驗測試數據，采用EXECL分析軟件對不同沖擊速度下的縱向沖擊載荷進行數理統計分析。例如，在8 km/h沖擊速度下縱向載荷的頻數分布直方圖見圖1。從直方圖中可見沖擊速度下縱向沖擊載荷的大小與其出現的頻次分布，其分布趨勢為正態分布。用樣本的均值與標準差分別代替總體的樣本均值與方差。通過EXECL進行通過回歸分析(一般為一元線性方程)，得出最大縱向載荷隨沖擊速度變化的規律。經過回歸分析，分別進行T檢驗，F檢驗，并得到相關系數為0.979，而T檢驗與F檢驗分別為顯著度為0.05的假設檢驗，證明了回歸方程有效。通過相關的檢驗和較高的相關系數，有95%的概率回歸分析方程。分別計算發生概率為95%時每個速度級下縱向載荷的最大值。

圖1 沖擊速度8 km/h時車鉤縱向載荷分布規律

誤差統計分布是正態分布，隨機誤差落在±σ以內的概率為68%，即一倍標準差(1σ)的概率值是68.3%，二倍標準差(2σ)的概率值為95.5%；三倍標準差(3σ)的概率值是99.7%。許多中外文獻所述的“精度”多為一倍標準差(1σ)，對于工程沖擊問題，取二倍標準差(2σ)。鐵路車輛沖擊試驗的大量數據，各種變量間的相互關系大多系線性相關，經線性回歸分析擬合之后，因變量加上兩倍的標準偏差，稱為因變量的“實際可能最大值”。

3 中國鐵路貨車沖擊試驗

3.1 早期敞車沖擊試驗

60年代中期，為進行列車及貨車縱向動力學研究，曾進行過一些貨車沖擊試驗。1978年為了制定強度設計規范，對敞車沖擊進行了系統的試驗研究，并將沖擊強度試驗考核納入規范。2005年以來，為了評定貨車沖擊強度和緩沖器性能，中車齊齊哈爾車輛有限公司、原二七車輛有限公司和中車青島四方車輛研究所有限公司(以下簡稱四方所)也建立了貨車沖擊試驗線。為鑒定貨車沖擊強度進行了大量的沖擊試驗。

3.2 軸重21 t貨車沖擊試驗

1978年根據原鐵道部文件要求，由原鐵道部標準所，四方所等17家單位在長沙分局湘潭車站進行了一次規模較大的通用貨車沖擊試驗，其試驗報告及結論通過了原鐵道部鑒定。報告分析主要確認結論如下：

(1)沖擊試驗不僅表征編組調車沖擊，也表征整個非穩定運動狀態沖擊；

(2)最高縱向力的取值原則是：以列車非穩定運動狀態產生的最大車鉤力做第2工況兩種作用方式的取值標準，而用控制緩沖器容量的方法，使車輛滿足7 km/h調車沖擊速度，使沖擊車鉤力在200 t(非穩定運動狀態)之內。這種取值原則經濟、合理、切實可行。在鑒定與現行結構相近的貨車結構的沖擊動強度時，允許采用一輛對一輛的沖擊工況，評定車鉤力達200 t。

(3)在一定沖擊速度下，車輛可能承受的最大車鉤力，發生在3～5輛車組成的車列，向后部具有阻擋車列的車輛沖擊時。在v=3～7 km/h范圍內，3～5輛車組成的車列向有阻擋的車輛沖擊，車鉤力最大值，比一對一沖擊工況產生的高25%，試驗證明：現有結構形式的車輛，當車鉤力相同時，其沖擊動應力與沖擊工況幾乎無關，可以考慮一輛對一輛的單端沖擊，按《規范》確定的載荷鑒定車體強度。這就是沖擊試驗只作一輛對一輛沖擊簡化試驗的來源。

(4)試驗結果驗證了TB 1335-1978所訂參數取值的可靠性。C62型敞車(裝用MX-1緩沖器)能經受車鉤力200 t﹑沖擊速度為7 km/h的考驗，此時車鉤力平均最大值為207 t，實際可能最大值為235 t(2倍標準差2σ)。

1980年根據原鐵道部文件，基于1978年貨車沖擊試驗結果，由四方所和濟南局主持在青島分局南泉站鹽務局專用線進行3種載重75 T敞車4種不同結構方案的5種工況的1沖1車輛沖擊試驗。

1997—2005年中國鐵路貨車制造企業研制了21 t軸重系列貨車，21 t軸重貨車(裝MT-3緩沖器)沖擊試驗車鉤沖擊力統計值見表1。

表1 21 t軸重貨車車鉤沖擊力統計值 kN

由表1可見，各車型在同一沖擊速度下，敞車車鉤力最大。

3.3 軸重23 t貨車沖擊試驗

2005—2009年中國鐵路貨車制造企業研制了多種23 t軸重貨車，四方所對3種敞車、3種棚車、3種漏斗車、7種平車、10種罐車樣車進行了沖擊試驗。被試貨車大部分載重70 t，總重約93 t，裝用MT-2型緩沖器。沖擊編組方式為1輛沖1輛。車鉤沖擊力統計值見表2。

表2 23 t軸重貨車車鉤沖擊力統計值 kN

3.4 軸重25 t貨車沖擊試驗

2003—2005年間中國鐵路貨車制造企業研制了多種25 t軸重貨車，四方所對12種敞車、3種漏斗車樣車進行了沖擊試驗。被試敞車載重80 t，自重約20 t，被試漏斗車載重約78 t，自重約22 t，總重均為100 t，裝用MT-2型緩沖器。沖擊編組方式為1輛沖1輛。車鉤沖擊力統計值見表3。

表3 25 t軸重貨車車鉤沖擊力統計值 kN

3.5 軸重27 t貨車沖擊試驗

2009—2012年在27 t軸重貨車的研制過程中，四方所對5種敞車、1種棚車、5種漏斗車、2種平車(5種工況)、7種罐車樣車進行了沖擊試驗。被試貨車載重80 t，自重約26～27 t，總重120 t，均裝用HM-1型緩沖器。沖擊編組方式為1輛沖1輛。車鉤沖擊力統計值見表4。

表4 27 t軸重敞車車鉤沖擊力統計值 kN

3.6 軸重30 t貨車沖擊試驗

2009—2014年在30 t軸重貨車的研制過程中，四方所對4種敞車、3種漏斗車進行了沖擊試驗。被試敞車載重96 t，總重120 t，均裝用HM-1型和MT-2型緩沖器。被試漏斗車載重97.6 t，總重120 t，裝用HM-1型緩沖器。沖擊編組方式為1輛沖1輛。30 t軸重敞車(2009年方案)和C96型敞車車鉤沖擊力統計值見表6。

表5 30 t軸重敞車車鉤沖擊力統計值 kN

由表6可見，在8 km/h 的調車沖擊速度下，車鉤沖擊力統計平均值為1 903 kN，標準方差為262 kN。緩沖器行程統計平均值為43.6 mm，說明緩沖器還沒有被壓死。按2倍標準差(2σ),車鉤沖擊力可能最大值為2 427 kN。

3.7 不同軸重的同一種敞車沖擊試驗

2012年四方所對齊齊哈爾軌道裝備公司30 t軸重不銹鋼專用敞車進行了沖擊試驗。分別裝載總重120 t(軸重30 t)、總重108 t(軸重27 t)和總重100 t(軸重25 t)。主要研究“其他條件相同，僅由于不同軸重導致貨車總重不同，對車鉤沖擊力的影響”。試驗結果表明，隨著貨車軸重增加，車鉤沖擊力增大。

3.8 不同輛數的敞車沖擊試驗

2003年12月四方所對齊齊哈爾軌道裝備公司試制的25 t軸重鋁合金運煤敞車(聯合設計)進行了沖擊試驗。為了比較單車沖擊和多車沖擊對測試參數的影響，試驗分為兩種情況，1對1沖擊工況和3對1沖擊工況。試驗測試參數統計見表7。

表6 1對1沖擊工況和3對1沖擊工況比較

由表7可見， 1對1沖擊車鉤力統計擬合值為1 359 kN，3對1沖擊車鉤力為1 547 kN。3對1沖擊工況比1對1沖擊工況的車鉤沖擊力增加13.8%。

4 中國鐵路貨車沖擊載荷影響相關因素對比分析

車輛沖擊時影響車鉤力的主要因素是沖擊速度、互撞的質量、緩沖器的性能，互撞車輛本身的縱向剛度、以及車列的輛數和有無阻擋車列。

4.1 沖擊速度影響及現有調車速度的調研分析

隨著沖擊速度的提高，車鉤沖擊力增大。在3～8 km/h的沖擊速度下，車鉤力幾乎呈線性增長。10 km/h的沖擊速度下，急劇增長，緩沖器達到滿行程或者壓死。

1978年編制《規范》明確最高許可調車連掛速度為7 km/h。據中國鐵道科學研究院給出的南翔站連掛相撞速度分布統計圖2可見(《駝峰溜放半自動調速系統研究試驗報告》，連掛沖擊速度在3～7 km/h占74%，在7 km/h之內的占87%。

圖2 南翔站車輛連掛沖擊速度分布統計圖

2012年中國鐵道科學院機車車輛研究所根據原鐵道部課題要求在昆明東編組場和豐臺西編組場對目前我國編組場編組的實際連掛速度進行調研。25組溜放實測連掛速度，最高實測連掛速度8.1 km/h，速度≤5 km/h 的占60%；速度>5 km/h的占40%，其中速度≥6 km/h的占20%，速度≥8 km/h的占4%。溜放中多車一組溜放的情況較單車溜放的情況更為普遍。

4.2 組數影響

成組沖擊基本與1對1沖擊相同，其中最大的3沖1工況比1對1約大15%。

4.3 軸重影響

隨著軸重的提高，車鉤沖擊力有所增大。見表7。

4.4 緩沖器型式影響

緩沖器型式對車鉤沖擊力的影響見表8。

表7 各種軸重、系列載重敞車沖擊試驗車鉤力 kN

表8 30 t軸重C96型敞車配裝不同的緩沖器時,車鉤沖擊力比較 kN

4.5 車鉤間隙影響

車鉤間隙越小，縱向沖擊力越小。

4.6 車型影響

4.6.1車型結構

敞車是鐵路貨車的代表車型，其車鉤沖擊力比棚車、漏斗車車鉤稍大，而罐車和平車車鉤沖擊力較小。

4.6.2縱向剛度

縱向剛度越大，車鉤沖擊力越大。1978年 C62型敞車沖擊試驗車鉤力為C60型敞車的171%，分析原因，C62車體縱向剛度為122 t/cm，而C60僅為70 t/cm。降低車體縱向剛度，可有效降低縱向力。

4.6.3重心高度

重心高度越大，附加彎距越大。回轉加速度增加，縱向力有所增加。

5 結論和建議

通過對中國鐵路貨車沖擊試驗數據進行匯總、統計對比分析，結論和建議如下：

(1)沖擊試驗統計分析結果表明，在8 km/h 的調車沖擊速度下，25 t軸重敞車，車鉤沖擊力統計平均值為1 658 kN，可能最大值為2 092 kN；軸重27 t載重80 t敞車車鉤沖擊力統計平均值為1 674 kN，可能最大值為2 212 kN；軸重30 t載重96 t敞車車鉤沖擊力統計平均值為1 903 kN，可能最大值為2 427 kN。通過軸重25 t、軸重27 t和軸重30 t貨車縱向載荷試驗研究，可完善鐵路貨車標準，尤其是重載貨車的設計和試驗評定標準。提高重載貨車的運用安全。

(2)盡管編組場調車時互撞車組組合是多樣的，當確定最高許可調車相掛速度后，車輛可能承受的最大車鉤力是一定值。現有1輛沖擊1輛的簡化試驗方法可以滿足運用要求。

(3)通過調研分析，按照現有的車型和緩沖器配置，可以滿足調車速度8 km/h的實際運用要求。建議廣泛調查各鐵路局的實際調車速度，研究提高調車速度，加快車輛周轉，提質增效。進行大量的沖擊試驗和結構沖擊強度分析，研究其分布規律和分散度，為進一步制訂調車技術條件作依據。為制訂好的條件，除加強試驗外，還要加強理論分析，如用有限元法計算沖擊響應，預示沖擊條件，研究傳遞函數，更有效的利用、分析試驗數據。加強理論分析,有利于做好統計分析工作。

(4)貨車縱向載荷分析研究，可進一步完善鐵路貨車標準，尤其是重載貨車的設計和試驗評定標準，提高貨車的設計水平和運用安全。合理的縱向載荷設計值和試驗評定值，在保證安全的前提下，可有效地降低貨車自重，節約能源消耗，降低制造成本。

(5)鐵路貨車沖擊試驗研究對鑒定貨車強度、改進設計具有重要的普遍意義。就世界鐵路車輛范圍而言，世界各國在該領域研究的工程技術人員和專家一同探討研究，為設定合理的調車連掛速度和修訂縱向載荷設計標準提供依據，可在保證可靠性的前提下，提高貨車運輸效率。