動車組測力車鉤研制方法探討

馬麗英，張培勝

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

鉤緩裝置是軌道車輛的重要部件,它連接相鄰車輛,并且傳遞和緩沖列車在運(yùn)行或者調(diào)車作業(yè)時(shí)所產(chǎn)生的牽引力和壓縮力。隨著軌道車輛運(yùn)行速度提升,車輛間的縱向作用力不斷增大,對車鉤性能的要求也不斷提高[1]。由于車輛在運(yùn)行過程中頻繁制動,車鉤上的載荷也頻繁地發(fā)生變化,為確保列車運(yùn)行的安全性,避免發(fā)生脫鉤或者車鉤斷裂,有必要對車鉤實(shí)時(shí)受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析。徐倩等[2]通過大秦線縱向動力學(xué)試驗(yàn),研究了不同編組方式和運(yùn)行工況下的車鉤力。薛海,趙士忠等[3,4]通過實(shí)測某重載線車鉤力—時(shí)間歷程,分析了不同工況下車鉤力的特性,并進(jìn)行了車鉤力譜的編制。以上試驗(yàn)都是以貨車車鉤為研究對象,對城軌車輛車鉤力的研究還很少。本文選取標(biāo)準(zhǔn)動車組用中間車鉤為研究對象,驗(yàn)證動車組測力車鉤制作的可行性,通過拉伸和壓縮標(biāo)定,獲得了測力車鉤的應(yīng)變—載荷線性系數(shù)。將此研究成果推廣應(yīng)用于地鐵車輛,測得了車輛運(yùn)行過程中的車鉤力。

1 測力車鉤原理

制作測力車鉤時(shí)需要在鉤體表面粘貼電阻應(yīng)變片,通過采集應(yīng)變情況感知車鉤受力情況。其測力原理與普通的拉壓力傳感器工作原理相同,即對彈性材料受力后產(chǎn)生變形的狀態(tài)進(jìn)行跟蹤。具體方法為:在鉤身兩側(cè)面分別貼上一組(4個)垂直電阻應(yīng)變片,將4個應(yīng)變片組成惠斯通電橋(如圖1所示);車鉤置于加載框架內(nèi),將圖1中的A～D接線端按全橋接線方式與應(yīng)變片連接,通過液壓油缸施加載荷進(jìn)行靜力標(biāo)定,同時(shí)記錄試驗(yàn)臺的施加力值與應(yīng)變儀采集的車鉤應(yīng)變值的對應(yīng)關(guān)系;在后續(xù)的試驗(yàn)中,根據(jù)傳感器測得的應(yīng)變和線性系數(shù),反推車鉤所受載荷。

圖1 惠斯通電橋原理圖

2 動車組中間車鉤

動車組中間車鉤為半永久車鉤,分別由帶緩沖器半永久車鉤和帶壓潰管半永久車鉤組成,主要包括車鉤座、緩沖器、壓潰管和空氣管路等組件,具體結(jié)構(gòu)見圖2。該車鉤的技術(shù)條件要求拉伸屈服載荷≥1 000 kN,壓縮屈服載荷≥1 500 kN。在保證車鉤不被破壞的前提下,設(shè)定測力車鉤試驗(yàn)的最大拉伸和壓縮載荷均為60 t。

圖2 動車組中間車鉤

3 測力車鉤制作方法

根據(jù)車鉤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在車鉤座、壓潰管部位分別選取測試部位,粘貼電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力分布測試;找到車鉤上載荷反應(yīng)敏感部位,剔除突變截面和應(yīng)力集中區(qū),在鉤體平滑部位選擇測力車鉤組橋位置。

靜態(tài)標(biāo)定時(shí)要選取應(yīng)變—載荷線性關(guān)系較好且對載荷反應(yīng)靈敏的位置,根據(jù)車鉤結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布試驗(yàn)結(jié)果,選取車鉤靜態(tài)標(biāo)定的測點(diǎn),分別組成惠斯通電橋,最終選定的位置如圖3所示。橋路1、2布置在緩沖器端中間鉤上,橋路3、4布置在壓潰管端中間鉤上。每個橋路上粘貼4個應(yīng)變片,編號為ε1～ε4,具體粘貼方式如圖4所示。

圖3 車鉤布點(diǎn)及加載位置

圖4 車鉤橋路應(yīng)變片粘貼方式

通常情況下預(yù)加載一次,確定一切正常后進(jìn)行兩次車鉤靜力標(biāo)定,兩次結(jié)果的線性和重復(fù)性偏差在1%左右即可成功完成標(biāo)定。如果偏差較大,則要逐項(xiàng)檢查貼片、接線、測試儀器參數(shù)設(shè)置及工作狀態(tài)、加載設(shè)備狀態(tài)和加載方法等,所有可能因素都一一排除,若標(biāo)定結(jié)果仍不理想,則要更換車鉤重新標(biāo)定,直到得到滿意的結(jié)果。

本次試驗(yàn)中,對測力車鉤進(jìn)行一次預(yù)加載后進(jìn)行了三次正式標(biāo)定,選取后兩次重復(fù)性較好的數(shù)據(jù),取算術(shù)平均值后用回歸分析法統(tǒng)計(jì)載荷與應(yīng)變值的對應(yīng)關(guān)系,如圖5所示。

圖5 載荷與應(yīng)變值的對應(yīng)關(guān)系

因緩沖器端車鉤在壓縮工況下緩沖器位移較大,在制作車鉤試驗(yàn)工作時(shí)需注意加載行程不可過小。

從上述測試結(jié)果可以看出:兩種中間鉤都是鉤身尾部位置響應(yīng)較差,說明此處不適于作為標(biāo)定位置;橋路2、橋路3對載荷的響應(yīng)性較差,橋路1、橋路4對載荷的響應(yīng)性較敏感,應(yīng)變輸出與載荷輸入線性度較好,在車輛運(yùn)行時(shí)該部位也不會與其他裝置干涉,能夠滿足試驗(yàn)需要。

4 測試驗(yàn)證

測力車鉤制作完成后,根據(jù)測試原理推廣應(yīng)用于地鐵用半永久中間車鉤的測力車鉤研發(fā),并在試驗(yàn)臺上進(jìn)行了靜載標(biāo)定,標(biāo)定加載時(shí)載荷從15 t開始,按照5 t一個進(jìn)程逐級上升,直到50 t載荷。期間記錄車鉤橋路應(yīng)變輸出值,并觀察其線性度,選擇線性度良好的橋路進(jìn)行封裝防護(hù)。標(biāo)定完成后裝到試驗(yàn)列車上。

按照試驗(yàn)安排,共完成了15次正式試驗(yàn),其中正線運(yùn)行4次,段內(nèi)站場線11次(4次自身動力、3次工程車牽引、4次勻速過全部站場線),分別對每次試驗(yàn)進(jìn)行處理。從運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)歸類統(tǒng)計(jì)分析可知,車鉤力最大值通常發(fā)生在啟動加速和制動停車階段,啟動過程中車鉤力最大為58.55 kN,制動過程中車鉤力最大為-44.09 kN,車鉤力與運(yùn)行速度曲線如圖6所示。車輛平穩(wěn)運(yùn)行階段,車鉤力變化不顯著,車鉤力與運(yùn)行速度曲線如圖7所示。

圖6 啟動加速、制動停車階段車鉤力與運(yùn)行速度曲線

圖7 平穩(wěn)運(yùn)行階段車鉤力與運(yùn)行速度曲線

5 總結(jié)

試驗(yàn)中獲得了動車組中間鉤的應(yīng)變—載荷關(guān)系。為了保證車鉤結(jié)構(gòu)不被破壞,在研究中采用的載荷較小,但該載荷已經(jīng)超過了車輛正常運(yùn)行過程中的車鉤力水平,因此該試驗(yàn)結(jié)果可用于分析車鉤在正常運(yùn)行狀態(tài)下的受力和變形情況。要分析車鉤在沖擊狀態(tài)下的受力情況,還需要增大試驗(yàn)載荷,在試驗(yàn)過程中壓潰管和緩沖器可能會被破壞,這就要求車鉤在標(biāo)定時(shí)需要拆除壓潰管和緩沖器等一切可能在大載荷下會產(chǎn)生永久變形和破壞的結(jié)構(gòu)件。

近年來,為了加快鐵路高速化,我國大力發(fā)展高速列車技術(shù),對于車輛在沖擊狀態(tài)下車鉤承受的最大沖擊力測試非常重要,通過本次動車組測力車鉤研究,確定了車鉤的敏感受力位置,也驗(yàn)證了測力車鉤制作的可行性,可以提供真實(shí)可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)供設(shè)計(jì)人員參考。