鐵路貨車車體靜載荷變形對(duì)制動(dòng)管系漏泄和應(yīng)力影響研究

周炯，常明，李冬，王愛民，王毅

（中車眉山車輛有限公司科技創(chuàng)新中心，四川眉山 620032）

隨著鐵路貨車重載、提速技術(shù)的發(fā)展，鐵路貨車典型故障通常會(huì)大幅增加。但由于鐵路貨車相繼采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝，其轉(zhuǎn)向架、車鉤緩沖裝置及車體的典型故障卻在大幅度下降。然而鐵路貨車制動(dòng)系統(tǒng)故障卻比其他系統(tǒng)故障增多，其中，采用法蘭結(jié)構(gòu)的制動(dòng)管系漏泄甚至斷裂已成為典型故障［1］。主要原因基本歸為：車輛制造和組裝中的誤差、車輛運(yùn)用中制動(dòng)管系的振動(dòng)、車體靜載荷變形引起的制動(dòng)管系變形，使得法蘭接頭與制動(dòng)管連接處應(yīng)力集中，從而造成連接處緊固螺栓松動(dòng)或接頭連接處斷裂，導(dǎo)致管系漏泄［2］。組裝誤差可以通過提高工藝和管理水平進(jìn)行控制，振動(dòng)由線路、轉(zhuǎn)向架性能及運(yùn)行速度等客觀因素共同決定，然而車體靜載荷變形對(duì)制動(dòng)管系應(yīng)力和漏泄有多大影響卻無法得知。為此，本文通過介紹在C80EF型通用敞車上模擬車輛裝載運(yùn)用情況，研究分析車體靜載荷變形對(duì)制動(dòng)管系漏泄和應(yīng)力的影響，為改善鐵路貨車制動(dòng)管系布局、優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)和解決制動(dòng)管系漏泄故障提供參考。

1 C80EF型通用敞車制動(dòng)管系和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)介紹

該車采用120型空氣制動(dòng)系統(tǒng)、敞車常規(guī)制動(dòng)布局、不銹鋼制動(dòng)管及不銹鋼法蘭。制動(dòng)主管沿著中梁設(shè)置，制動(dòng)主管彎曲部分穿過中梁的低應(yīng)力區(qū)，以降低對(duì)中梁強(qiáng)度的影響。支管長(zhǎng)度盡量短，彎曲數(shù)量盡量少，以提高制動(dòng)波速。

試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)設(shè)在制動(dòng)管件上靠近法蘭接頭體焊縫處的37個(gè)截面位置，每個(gè)截面位置的上、下、左、右各設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)148個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)；中梁和下側(cè)梁設(shè)6個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)。制動(dòng)系統(tǒng)主要布局和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示（其中X1～X6均為撓度測(cè)點(diǎn)，其余為應(yīng)力測(cè)點(diǎn)）。

圖1 制動(dòng)系統(tǒng)主要布局和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

在25～30℃環(huán)境溫度下對(duì)C80EF型通用敞車車體分別施加縱向拉壓、扭轉(zhuǎn)、集載、均載及頂車載荷，在制動(dòng)管定壓500 kPa和600 kPa工況下，對(duì)車輛實(shí)施常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)，測(cè)取各制動(dòng)管系測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力，監(jiān)測(cè)制動(dòng)管系5 min內(nèi)漏泄量。

參考TB/T 3550.2-2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范 車體 第2部分：貨車車體》要求，縱向拉伸、壓縮載荷沿車鉤中心線，通過車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)縱向加載裝置，分別作用在車輛的前、后從板座上。

在枕梁四個(gè)端部將空車車體頂起，使上下心盤離開一定距離成四點(diǎn)支撐，并處于水平狀態(tài)；將任意一對(duì)角線上的兩個(gè)支撐上升，使車體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

采用鐵塊加載到車體底架上，模擬重車均載工況。

集載工況參考《80 t級(jí)通用敞車靜強(qiáng)度試驗(yàn)大綱》要求，對(duì)車輛進(jìn)行垂向集中載荷加載，57 t集載工況、80 t集載工況見表1、表2。

表1 57 t集載工況

表2 80 t集載工況

車體承受92 t均布載荷后，用加載設(shè)備在車體一端兩側(cè)頂車位將車體頂起，車體與轉(zhuǎn)向架承載面脫離。

3 漏泄試驗(yàn)情況

空車工況：空車狀態(tài)，在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實(shí)施常用、緊急制動(dòng)，保壓5 min，制動(dòng)前后制動(dòng)管系均無漏泄。

縱向載荷工況：空車狀態(tài)，對(duì)車體在縱向加載拉伸載荷1 780 kN和壓縮載荷1 920 kN、2 500 kN，同時(shí)分別在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實(shí)施常用、緊急制動(dòng)。全車制動(dòng)系統(tǒng)均出現(xiàn)1 kPa/5 min的漏泄量，而卸載后無漏泄，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

圖2 縱向載荷工況試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

扭轉(zhuǎn)載荷工況：在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實(shí)施常用、緊急制動(dòng)。當(dāng)扭轉(zhuǎn)載荷為40 kN·m時(shí)，全車無漏泄。為研究車體在較大扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)對(duì)制動(dòng)管系漏泄的影響，將扭轉(zhuǎn)載荷增加到60 kN·m，定壓在600 kPa時(shí)，全車出現(xiàn)約1 kPa/5 min的漏泄量，而卸載后無漏泄，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。

圖3 扭轉(zhuǎn)載荷工況試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

均載工況：在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實(shí)施常用、緊急制動(dòng)。裝載至28 t，全車制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)1 kPa/5 min的漏泄量，此時(shí)中梁中部相對(duì)于心盤處的撓度值為1.25 mm；裝載至80 t時(shí)，全車制動(dòng)系統(tǒng)的漏泄量增加到2 kPa/5 min，此時(shí)中梁中部相對(duì)于心盤處的撓度值為2.6 mm；裝載至92 t，全車制動(dòng)系統(tǒng)的漏泄量為2 kPa/5 min，此時(shí)中梁中部相對(duì)于心盤處的撓度值為2.85 mm，卸載后無漏泄，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4所示。

圖4 均載載荷工況試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

集載工況：在定壓500 kPa和600 kPa工況下，實(shí)施常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)。在集載57 t時(shí)，全車制動(dòng)系統(tǒng)均出現(xiàn)1 kPa/5 min的漏泄量，此時(shí)中梁中部相對(duì)于心盤處的撓度值為1.75 mm；在集載80 t時(shí)，車輛實(shí)施常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)，全車制動(dòng)系統(tǒng)同樣出現(xiàn)了1 kPa/5 min的漏泄量，此時(shí)中梁中部相對(duì)于心盤處的撓度值為2.4 mm，卸載后無漏泄，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖5所示。

圖5 集載載荷工況試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

頂車工況：在重載92 t、定壓500 kPa和600 kPa工況下，車輛實(shí)施常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)，全車制動(dòng)系統(tǒng)均出現(xiàn)1 kPa/5 min的漏泄量，卸載后無漏泄。

各工況制動(dòng)管系漏泄量見表3。

表3 漏泄試驗(yàn)各工況制動(dòng)管系漏泄量簡(jiǎn)表 漏泄量:kPa/5 min

4 應(yīng)力試驗(yàn)情況

在各工況監(jiān)測(cè)制動(dòng)管系漏泄情況的同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)管系應(yīng)力試驗(yàn)，單工況制動(dòng)管系最大應(yīng)力見表4，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示。

表4 單工況制動(dòng)管系最大應(yīng)力簡(jiǎn)表 單位:MPa

圖6 應(yīng)力試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)力按TB/T 3550.2-2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范車體第2部分：貨車車體》要求合成后的大應(yīng)力測(cè)點(diǎn)見表5。

表5 主要測(cè)點(diǎn)合成最大應(yīng)力簡(jiǎn)表 單位:MPa

5 分析

從漏泄試驗(yàn)情況和表3的數(shù)據(jù)可以看出：

（1）試驗(yàn)漏泄量均滿足TB/T 1492-2017《鐵道車輛制動(dòng)機(jī)單車試驗(yàn)》中“保壓1 min，貨車制動(dòng)管漏泄量應(yīng)不大于5 kPa”和“保壓1 min，貨車漏泄量應(yīng)不大于5 kPa”的規(guī)定。

（2）車輛在空車未加載狀態(tài)時(shí)制動(dòng)管系無漏泄，但在加載后制動(dòng)管系可能出現(xiàn)微量漏泄。

（3）車輛在規(guī)定的載荷作用下，車輛制動(dòng)管在定壓500 kPa和600 kPa時(shí)實(shí)施制動(dòng)，制動(dòng)主管均無漏泄，漏泄出現(xiàn)在非主管部件；車輛制動(dòng)管在定壓500 kPa和600 kPa實(shí)施制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)管系漏泄量無明顯差異；車輛在實(shí)施常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)管系泄量無明顯差異。

（4）車輛在承受規(guī)定的縱向載荷時(shí)，制動(dòng)管系可能出現(xiàn)微量漏泄。

（5）車輛在承受較大扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，制動(dòng)管系可能出現(xiàn)微量漏泄。

（6）車輛承受垂向載荷時(shí)，制動(dòng)管系可能出現(xiàn)微量漏泄；隨著載重的增大，漏泄量會(huì)增加。

從應(yīng)力試驗(yàn)情況和表4的數(shù)據(jù)可以看出：

（1）在定壓500 kPa和定壓600 kPa下，實(shí)施常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)對(duì)制動(dòng)管系應(yīng)力變化幾乎無影響。

（2）單工況下，三通處的應(yīng)力值相比其它位置略大，其中最大單工況應(yīng)力出現(xiàn)在DN32彎管（即制動(dòng)主管）上，但漏泄試驗(yàn)卻顯示主管在任何工況下均無漏泄。

（3）單工況下，車體承受載荷引起的變形對(duì)制動(dòng)管系應(yīng)力存在影響，但影響較小。

從整體試驗(yàn)情況和表5的合成應(yīng)力數(shù)據(jù)可以看出：

制動(dòng)管系在車體各向載荷變形的綜合影響下，最大合成應(yīng)力出現(xiàn)在DN32直管（即制動(dòng)主管）上，其值小于制動(dòng)管材質(zhì)1Cr18Ni9Ti的許用應(yīng)力值108 MPa，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。但漏泄試驗(yàn)顯示主管在任何工況下均無漏泄，因此，在制動(dòng)管系材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，制動(dòng)管系應(yīng)力大小和漏泄無強(qiáng)相關(guān)聯(lián)系。

6 結(jié)論與展望

（1）車體因承受載荷引起的變形對(duì)制動(dòng)管系漏泄量存在影響，但影響較小，其中均布滿載工況的垂向變形引起的漏泄量相對(duì)明顯，車輛承載大小與漏泄量成正比，但仍遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的漏泄量。

（2）定壓500 kPa和定壓600 kPa的變化、實(shí)施常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)對(duì)制動(dòng)管系漏泄量和制動(dòng)管系應(yīng)力幾乎無影響。

（3）車體由承受載荷引起的變形對(duì)制動(dòng)管系應(yīng)力影響較小，在制動(dòng)管系材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)的制動(dòng)管系應(yīng)力與制動(dòng)管系漏泄量之間無強(qiáng)相關(guān)聯(lián)系。

本次研究?jī)H從靜載荷狀態(tài)驗(yàn)證了車體靜載荷變形對(duì)制動(dòng)管系漏泄具有一定影響，但不足以造成制動(dòng)管系漏泄故障，因此，車體靜載荷變形不是制動(dòng)管系漏泄的首要原因。在條件允許的情況，對(duì)整車制動(dòng)管系進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)可能會(huì)找出首要原因。