鐵路貨車轉(zhuǎn)向架靜態(tài)模擬試驗研究

劉立平，王云華，韓金剛，閆云霞

（中國鐵路北京局集團有限公司 豐臺車輛段，北京 100070）

鐵路貨車轉(zhuǎn)向架心盤和彈性旁承各自承載的垂向載荷是否符合設(shè)計規(guī)范的規(guī)定范圍，對車輛靜態(tài)力學性能有著決定性影響。垂向載荷在對車輛實現(xiàn)均衡承載的同時，還決定著車輛運行時橫向擺動的回轉(zhuǎn)力矩，因此，靜態(tài)力學性能是保障車輛動力學性能的基礎(chǔ)要素。目前，貨車的靜態(tài)力學性能尚無明確的試驗手段和標準，監(jiān)測方法主要依靠控制彈性旁承等配件的尺寸參數(shù)等間接手段，偏差較大、離散性強，制約了貨車運行品質(zhì)的穩(wěn)定和提升。

模擬靜態(tài)力學性能試驗就是通過專用試驗裝備，模擬貨車轉(zhuǎn)向架對空車車體部分的承載作用，取得心盤及左、右彈性旁承3個位置分別承載的垂向載荷值，在車輛落成前判定轉(zhuǎn)向架是否符合整車靜態(tài)力學性能要求。其主要目的是通過對轉(zhuǎn)向架靜態(tài)承載載荷偏差較大者進行優(yōu)化調(diào)整，解決少數(shù)車輛運行的失穩(wěn)周期短于車輛定檢周期帶來的安全風險問題。

1 轉(zhuǎn)向架承載結(jié)構(gòu)分析

目前，我國通用鐵路貨車采用心盤和常接觸式旁承共同承載的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，主型為JC型彈性旁承（文中均以該型旁承為例）。在車輛落成時，通過控制彈性旁承的壓縮量來獲得合適的垂向支承載荷。需要測量和控制的參數(shù)主要有：

（1）彈性旁承組成自由狀態(tài)下旁承磨耗板上平面與滾子上部距離（如圖1所示的B，下同）。

（2）車輛落成時，上旁承磨耗板下平面與滾子上平面的距離（如圖2所示的S，下同）。

圖1 JC系列彈性旁承

圖2 旁承在車輛上的安裝位置示意圖

除下心盤提供的支承載荷外，彈性旁承通過上旁承給車體提供適當?shù)闹С至支。為了在同一車輛的每個彈性旁承上取得合適的支承載荷，F(xiàn)支通過彈性旁承在車輛上安裝后的壓縮量ΔH（ΔH=B-S）確定，如式（1）。式中的“K”值即為彈性旁承的常溫垂直剛度，簡稱剛度。無論是對于新品還是在壽命期內(nèi)使用的彈性旁承，其K值通常被視為在一個合理范圍內(nèi)。

按工藝文件要求，在彈性旁承組成向轉(zhuǎn)向架安裝時，B值應(yīng)被限定為15+2-1mm；車輛落成時，S值應(yīng)被限定為5±1 mm。彈性旁承壓縮量ΔH的公稱值為10 mm。

對于裝用常溫垂直剛度為標準值的彈性旁承（即符合2.2±0.2 MN/m）的新制車輛，在壓縮量ΔH為標準值的理想情況下（空車工況），轉(zhuǎn)向架下心盤及各彈性旁承的理想承載載荷值可以通過各車型自重及轉(zhuǎn)向架標準質(zhì)量進行測算，C64K等幾種常見車型的相關(guān)測算數(shù)值參見表1。

表1 幾種常見車型的標準載荷分布測算表

2 影響車輛靜態(tài)垂向載荷的因素分析

通過上面分析，車輛各彈性旁承的載荷值F支與其剛度K及壓縮量ΔH相關(guān)。

2.1 彈性旁承剛度離散性

根據(jù)JC型旁承的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，新品JC型彈性旁承剛度K范圍為2.2±0.2 MN/m，隨著使用時間的延長，K值通常會不斷增大。為了分析彈性旁承剛度的變化情況，從10輛段修到期的敞車上卸下彈性旁承中隨機抽取了24塊進行了檢測。檢測情況見表2。

表2 旁承剛度抽測情況表

從表2的數(shù)據(jù)可以分析得出以下結(jié)論：

（1）與新品旁承相比，彈性旁承在運用后剛度均值明顯增大，增加量的平均值為0.55 MN/m，增大幅度25%。

（2）運用旁承剛度值的離散程度較大。在24個旁承樣品中，最小7塊的均在新品標準值公差范圍內(nèi)，占比例30%；而最大3塊的平均值達3.44 MN/m，與新品標準值相差則達到56.4%。

（3）剛度值變化率與運用時間缺乏的對應(yīng)關(guān)系，即運用旁承剛度增大的速率在壽命期內(nèi)不穩(wěn)定。

2.2 彈性旁承體壓縮量偏差

彈性旁承的實際壓縮量ΔH與公稱值的偏差來源于設(shè)計公差和測量誤差兩個方面，兩方面的誤差既有可能抵消，也有可能疊加。

2.2.1公差

由于ΔH實際值是通過測量B和S而確定的，B和S實際存在的公差擴大了ΔH的允許偏差范圍。根據(jù)工藝規(guī)定：B為mm，S為5±1 mm，那么ΔH值就為

（1）長期處于壓縮狀態(tài)的彈性旁承在載荷去除后過一段時間（通常在24 h左右）塑性變形才能較徹底的消除，因此，車輛原車裝用的彈性旁承在較短時間內(nèi)測量B時會稍小于實際值，屬于系統(tǒng)誤差。

（2）彈性旁承體檢修時如更換旁承磨耗板，或在旁承體與旁承座間加裝調(diào)整墊板時，存在的間隙會使B相比車輛運用狀態(tài)偏大，屬于系統(tǒng)誤差。

（3）B的測量誤差，屬于偶然誤差。

（4）S的測量誤差，也屬于偶然誤差，但受檢測手段的限制誤差一般較大。

綜上所述，目前車輛維修對彈性旁承載荷F支的控制方法存在如下問題：

①彈性旁承剛度K的離散性較大。

（2）緊扣基礎(chǔ)業(yè)務(wù)展開業(yè)務(wù)信息庫建設(shè)。應(yīng)當借鑒公安機關(guān)人口管理信息系統(tǒng)、車輛管理信息系統(tǒng)、失蹤人查詢信息系統(tǒng)、贓物查詢系統(tǒng)等信息庫的建設(shè)經(jīng)驗，進行基礎(chǔ)業(yè)務(wù)信息庫的建設(shè)。基礎(chǔ)業(yè)務(wù)信息庫的建設(shè)，應(yīng)當結(jié)合具體日常業(yè)務(wù)中職能部門日常工作流程和內(nèi)容的信息化轉(zhuǎn)型。在此基礎(chǔ)上，再針對職務(wù)犯罪調(diào)查進行定位開發(fā)基礎(chǔ)信息庫。

②旁承壓縮量ΔH與標準值存在偏差范圍較大。

彈性旁承剛度K和旁承壓縮量ΔH的偏差因素發(fā)生疊加時，部分車輛各旁承的F支值就可能較多的偏離預(yù)定設(shè)計參數(shù)范圍，成為使車輛運行品質(zhì)惡化的重要隱患。對車輛各支承位置進行垂向載荷檢測就是針對的這一問題。

3 對車輛落成狀態(tài)的靜態(tài)模擬檢測方案

在車輛落成時，為了保證轉(zhuǎn)向加心盤和左、右旁承3個位置的垂向承載比例合理，可以采用在支承面預(yù)置專用傳感器的方法直接進行載荷檢測，并將檢測結(jié)果與標準參數(shù)范圍進行對比，偏差過大時更換彈性旁承進行調(diào)整。該方法的主要缺點為：一是每次載荷測量均需要在車輛修理完成和落成后進行，在測量結(jié)束后需要重新架車取出傳感器，影響生產(chǎn)程序特別是維修程序的流暢性，制約生產(chǎn)和維修效率；二是無法對彈性旁承剛度這一重要參數(shù)值進行檢測。另外，若需更換彈性旁承時，須通過起架車作業(yè)進行重復(fù)測量，安全性差。

靜態(tài)模擬檢測方案是在轉(zhuǎn)向架落成后進行，方法是模擬該轉(zhuǎn)向架所對應(yīng)車型的空車工況，即：從下心盤和左、右旁承3個位置同時施加垂向載荷，使垂向載荷之和與車輛實際空車工況相當，同時進行位置模擬，通過彈性旁承的壓縮使上旁承磨耗板下平面與滾子上平面的距離S達到車輛標準工況。分別記錄3個承載位置的載荷值，并把測得的彈性旁承載荷F支與標準參數(shù)范圍進行對比，對偏差過大者通過更換彈性旁承進行調(diào)整。上述方案與車輛實際工況基本相當，垂向載荷的檢測結(jié)果消除了彈性旁承剛度偏差及旁承壓縮量ΔH測量誤差等因素的影響。同時，模擬測量可以通過檢測系統(tǒng)采集的載荷值和壓縮量計算出彈性旁承的剛度值K，實現(xiàn)對彈性旁承的關(guān)鍵性能監(jiān)測。

從工藝流程的角度看，由于靜態(tài)模擬試驗在車輛落成前的轉(zhuǎn)向架修竣工序完成，檢測發(fā)現(xiàn)載荷分布或彈性旁承剛度存在偏差較大時，可以方便地更換彈性旁承進行調(diào)配和重新測量。

4 轉(zhuǎn)向架靜態(tài)模擬性能試驗

4.1 方案概述

在轉(zhuǎn)向架落成后使用模擬試驗機進行模擬靜態(tài)力學性能試驗。

靜態(tài)模擬試驗機在轉(zhuǎn)向架下心盤及左、右下旁承3個位置設(shè)置用于垂向加載的活塞。在試驗時，一方面進行載荷模擬，使同一轉(zhuǎn)向架下心盤和兩個彈性旁承所受垂向載荷之和與待落成車輛實際工況（空車）相當，另一方面進行位置模擬，使兩個下旁承相對于下心盤的垂直高度差與車輛實際工況一致，從而獲得轉(zhuǎn)向架的3個支承位置的垂向載荷分布，并計算出各彈性旁承的剛度值。

試驗機的機械原理圖參見圖3，系統(tǒng)各部分的工作結(jié)構(gòu)參見圖4。

4.2 模擬試驗主要步驟

（1）預(yù)壓

左、右旁承對應(yīng)的活塞下移至與旁承頂面接觸的位置（即加載到0.3 kN，下同），施加載荷將旁承體壓縮5～10 mm后復(fù)位。預(yù)壓的目的是消除各部垂向間隙的誤差。

（2）B值測量

左、右旁承對應(yīng)的活塞移至與旁承頂面接觸的位置，然后由模擬試驗機的測量裝置對兩個彈性旁承組成進行B值測量。根據(jù)B值測量結(jié)果確定載荷試驗時的左右旁承壓縮量ΔH左和ΔH右：

其中，5 mm為S值的公稱值。

（3）加載試驗

將各活塞施加垂向載荷下移，控制系統(tǒng)通過試驗裝置采集的數(shù)據(jù)進行時時控制，在達到終止條件時各活塞停止加載。終止條件為：3個活塞的載荷之和達到模擬載荷值，同時，兩旁承對應(yīng)的活塞位移值為下心盤活塞位移值與其旁承壓縮量ΔH之和。

（4）剛度計算

模擬試驗機的操作軟件對采集的F支依據(jù)式(3)進行運算。

在模擬試驗測量剛度值K時，ΔH值為旁承體的實際壓縮量，由式(2)確定。

（5）試驗結(jié)果的分析和判定

圖3 機械原理圖

圖4 系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖

通過系統(tǒng)采集的3個活塞終止垂向載荷值、運算獲得的旁承剛度值K等數(shù)值，依據(jù)預(yù)設(shè)的評價參數(shù)對轉(zhuǎn)向架進行數(shù)據(jù)分析和判別。評價參數(shù)包括：下心盤的承載載荷比，左右旁承載荷差，彈性旁承剛度，B值等，并可給出下心盤工作高（含磨耗盤）及旁承墊板厚度推薦值等。

（6）優(yōu)化調(diào)配

當試驗結(jié)果相比標準值存在較大偏差時，更換彈性旁承進行調(diào)配，調(diào)配后重新進行模擬試驗。

4.3 主要指標

載荷測量精度：±200 N；

B值測量范圍：0～25 mm，精度：±0.2 mm；

試驗時間：不大于3.5 min/次。

5 模擬試驗的實際應(yīng)用情況及建議

鐵路貨車轉(zhuǎn)向架靜態(tài)模擬試驗機自樣機投入應(yīng)用后，已檢測超過110輛份轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K6型通用貨車轉(zhuǎn)向架（現(xiàn)場應(yīng)用照片見圖5），依據(jù)檢測結(jié)果先后對4臺支承載荷分布不合理的轉(zhuǎn)向架進行了彈性旁承更換調(diào)整，達到了對轉(zhuǎn)向架進行檢測分析和優(yōu)化的目的，驗證了試驗方案的可行性。建議：

（1）在貨車廠、段修時開展轉(zhuǎn)向架靜態(tài)模擬性能試驗，從而提高車輛運行品質(zhì)穩(wěn)定周期與維修周期的匹配性。

（2）應(yīng)用同一轉(zhuǎn)向架3個支承位置的終止垂直高度，為車輛落成時應(yīng)加裝的旁承墊板和下心盤墊板厚度給出較精確工藝值，有效提高車輛旁承間隙S值的一次落成合格率，在車輛落成時減少反復(fù)架落車次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，提高作業(yè)安全性。

（3）在轉(zhuǎn)向架模擬試驗數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，利用HMIS系統(tǒng)實現(xiàn)對在役彈性旁承關(guān)鍵參數(shù)按不同運用期限、不同制造廠家的大數(shù)據(jù)分析和監(jiān)測。

（4）使用轉(zhuǎn)向架模擬試驗機，對TPDS系統(tǒng)預(yù)警的運行品質(zhì)不良貨車開展轉(zhuǎn)向架失效的輔助模擬分析，為貨車造修源頭質(zhì)量控制提供數(shù)據(jù)支持。

目前，還缺乏對在役鐵路貨車靜態(tài)力學性能的評價規(guī)范和在用旁承剛度值的評價參數(shù)，通過對轉(zhuǎn)向架模擬試驗積累數(shù)據(jù)的分析和研究，將為相關(guān)標準及參數(shù)的確定提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而對促進鐵路貨車及轉(zhuǎn)向架承載性能的提升起到積極作用。