[科普中國(guó)]-軸重

簡(jiǎn)介

軸重是指一個(gè)輪對(duì)軸所承受的機(jī)車(chē)或車(chē)輛重量。軸重反映了軌道承受的靜荷載強(qiáng)度，它決定了各部件交變應(yīng)力的平均應(yīng)力水平。

在行駛時(shí)經(jīng)常會(huì)看到橋頭會(huì)有此標(biāo)志，應(yīng)當(dāng)注意。軸重10噸三軸總重30噸。1

軸重和胎壓對(duì)車(chē)輪動(dòng)荷載的影響重型運(yùn)輸車(chē)輛對(duì)路面作用的動(dòng)荷載，建立車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，模型中將簧上質(zhì)量處理為空載簧上質(zhì)量與裝載質(zhì)量，將輪胎剛度表示為軸重和胎壓的函數(shù)。研究了軸重和胎壓對(duì)車(chē)輛動(dòng)荷載的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車(chē)輪動(dòng)荷載隨著軸重和胎壓的增加而增加；動(dòng)載系數(shù)隨著胎壓的增加而增加，但隨著軸重的增加而減?。惶涸礁?，車(chē)輪動(dòng)載隨軸重增加速度越快；僅采用軸重不足以評(píng)價(jià)重載高壓車(chē)輛對(duì)路面的破壞作用，在治理超載的同時(shí)也應(yīng)進(jìn)一步治理超壓；空載車(chē)輛對(duì)路面的沖擊作用較大，不能忽視空載車(chē)輛對(duì)路面的破壞作用；實(shí)際高速運(yùn)行車(chē)輛對(duì)路面施加較大的附加動(dòng)荷載，現(xiàn)有【公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范】沒(méi)有考慮附加動(dòng)荷載是引起路面結(jié)構(gòu)發(fā)生早期破壞的原因之一。2

車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真

以東風(fēng)汽車(chē)公司生產(chǎn)的 EQ1141G 載貨汽車(chē)為研究對(duì)象，研究車(chē)輛對(duì)路面作用的動(dòng)力荷載。該車(chē)前懸架采用少片變斷面鋼板彈簧，外側(cè)裝有液壓筒式減振器，減振器缸徑50。后懸架采用帶副簧的鋼板彈簧，主簧為多片雙槽等斷面鋼板彈簧，副簧為少片變斷面鋼板彈簧，沒(méi)有減振器。2

軸重對(duì)車(chē)輛動(dòng)荷載的影響考慮到胎壓對(duì)輪胎剛度有一定的影響，分析常壓工況和高壓工況下車(chē)輛動(dòng)荷載隨軸重的變化。常壓工況指輪胎充氣壓力為0.7MPa，該氣壓為路面設(shè)計(jì)規(guī)范中指定的標(biāo)準(zhǔn)氣壓，也是大多數(shù)重載汽車(chē)輪胎的額定氣壓。高壓工況指輪胎充氣壓力為1.1MPa，這是實(shí)際交通運(yùn)輸中重型車(chē)輛的常用胎壓。車(chē)輛速度為60kmPh。2

( 1) 隨著后橋軸重的增加，即裝載質(zhì)量的增加，前后輪的動(dòng)荷載功率譜密度增加，動(dòng)載系數(shù)減小。

( 2) 前后輪的動(dòng)壓力功率譜密度和動(dòng)載系數(shù)與后橋軸重呈非線性關(guān)系。主要原因有 2個(gè)：1）輪胎的剛度受軸重的影響，隨著軸重的增加而增加，且為非線性關(guān)系；2）隨著裝載質(zhì)量的增加，簧上質(zhì)量的質(zhì)心位置發(fā)生變化。

( 3) 胎壓對(duì)車(chē)輪動(dòng)載隨軸重的變化有著一定的影響。相同軸重下，高壓工況下前后輪的動(dòng)荷載功率譜密度和動(dòng)載系數(shù)總大于常壓工況的。原因在于胎壓的增高使得輪胎剛度增大，也使得車(chē)輪動(dòng)壓力和動(dòng)載系數(shù)增加。2

( 4) 超壓工況下，前輪動(dòng)載系數(shù) 0.24~ 0.42，后輪動(dòng)載系數(shù) 0.5~ 1.4；常壓工況下，前輪動(dòng)載系數(shù)0.2~ 0.36，后輪動(dòng)載系數(shù) 0.35~ 0.95。后輪動(dòng)載系數(shù)比前輪的大，軸重越小，差異越大。

(5) 車(chē)輛空載時(shí)，即后橋軸重為 2.95t 時(shí)，車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行速度較高，動(dòng)載系數(shù)較大。60km/h 運(yùn)行速度下，后輪動(dòng)載系數(shù)達(dá)到1.4，相當(dāng)于對(duì)路面施加4.13t 的附加動(dòng)荷載，實(shí)際軸重達(dá)到7.08 t。2

胎壓對(duì)車(chē)輛動(dòng)荷載的影響分析重載和輕載2個(gè)工況下車(chē)輪的動(dòng)荷載，研究胎壓對(duì)前后輪最大動(dòng)壓力功率譜密度和動(dòng)載系數(shù)的影響。重載工況指后橋軸重為17 t，輕載工況指后橋軸重為10t，2個(gè)工況的車(chē)速均為60km/h。2

( 1) 胎壓對(duì)路面的動(dòng)荷載和動(dòng)載系數(shù)有一定的影響，動(dòng)荷載和動(dòng)載系數(shù)均隨著胎壓的增加而增加。

( 2)原因在于后懸架沒(méi)有安裝減振器。從車(chē)-路友好設(shè)計(jì)角度講，后懸架應(yīng)該安裝減振器，從而減小車(chē)輛對(duì)路面的破壞作用。而且還應(yīng)該對(duì)減振器做定期檢查。2

( 3)交通運(yùn)輸中重型車(chē)輛嚴(yán)重超壓，超壓也同樣威脅生命安全和道路使用壽命，在治理超載的同時(shí)也應(yīng)進(jìn)一步治理超壓。

(4)已采用計(jì)重收費(fèi)，但車(chē)輛通過(guò)稱重設(shè)備時(shí)的軸重很低，無(wú)法體現(xiàn)實(shí)際車(chē)輛產(chǎn)生的附加動(dòng)荷載。2

軸重和摩擦力對(duì)輪軌接觸疲勞的影響了解鋼軌表面存在裂紋時(shí)的輪軌接觸問(wèn)題。方法采用有限元分析軟件ANSYS，獲得不同裂紋位置的應(yīng)力強(qiáng)度因子。結(jié)果裂紋在接觸斑邊緣的位置時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ最大； 隨著軸重的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ增加，而應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡ先增加，后減??；考慮摩擦力( μ = 0.3) 時(shí)，相對(duì)于無(wú)摩擦，KⅠ和KⅡ都明顯增加，且KⅡ所占KⅠ的比例提高了15%。3

模擬條件的確定直徑為 900 mm 的車(chē)輪作用在鋼軌上，鋼軌表面存在裂紋。鋼軌材料取 U71Mn 鋼，通過(guò)輪軌接觸分析計(jì)算出輪軌間的接觸應(yīng)力，隨后在進(jìn)行鋼軌疲勞分析時(shí)，將計(jì)算的連續(xù)分布接觸應(yīng)力以節(jié)點(diǎn)力的形式施加在模型上，以此力的作用等效車(chē)輪對(duì)鋼軌的作用。車(chē)輪在鋼軌上的滾動(dòng)效果通過(guò)荷載在模型上的位置移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3

車(chē)輪滾過(guò)鋼軌表面的裂紋車(chē)輪作用在鋼軌表面時(shí)，法向擠壓和水平方向摩擦力的作用會(huì)引起裂紋面的張開(kāi)或者擠壓作用效果，當(dāng)車(chē)輪臨近或遠(yuǎn)離裂紋時(shí)，車(chē)輪對(duì)鋼軌的擠壓對(duì)裂紋產(chǎn)生拉伸作用，使得裂紋張開(kāi)；當(dāng)車(chē)輪壓在裂紋上時(shí)，裂紋面存在相互擠壓作用，使得裂紋閉合。3

軸重對(duì)鋼軌疲勞的影響U71Mn 鋼軌存在長(zhǎng)度為 50μm 的表面裂紋，不同軸重的車(chē)輪做純滾動(dòng)通過(guò)該鋼軌的過(guò)程中，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠ和 KⅡ的變化趨勢(shì)。對(duì)于不同軸重的荷載，當(dāng)接觸斑壓在裂紋上時(shí)，KⅠ基本都為 0，也就是裂紋處于閉合狀態(tài)； 隨后裂紋張開(kāi)，KⅠ在極短的距離內(nèi)達(dá)到最大值；之后，隨著接觸斑與裂紋間距離的增加，KⅠ逐漸減小，距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，裂紋重新閉合。3

摩擦力對(duì)輪軌接觸疲勞的影響車(chē)輪在鋼軌表面運(yùn)行時(shí)，都伴隨著水平摩擦力的影響。在考慮水平摩擦力( μ = 0. 3) 的作用下，研究 5，10，15，20 t 四種軸重的車(chē)輪經(jīng)過(guò)裂紋的過(guò)程，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子 KⅠ和 KⅡ的變化。在 5，10，15，20 t 軸重作用下，應(yīng)力強(qiáng)度因子 KⅠ的最大值分別為 2. 83，15. 4，30.1，38. 4MPa·m0.5 ，發(fā)生在接觸斑的邊緣與裂紋相距 0. 35，0. 45，0. 50，0. 80 mm 的地方。3

結(jié)論1) 接觸斑在接近和離開(kāi)裂紋時(shí)，裂紋張開(kāi)； 壓在裂紋上時(shí)，裂紋閉合。裂紋在接觸斑邊緣時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子最大，此時(shí)裂紋最為危險(xiǎn)。

2) 鋼軌疲勞裂紋屬于張開(kāi) /滑開(kāi)復(fù)合型裂紋。不考慮摩擦力時(shí)，KⅡ大約為 KⅠ的5% ； 考慮摩擦力時(shí)，KⅡ大約為KⅠ的20%，此時(shí) KⅡ?qū)︿撥壍钠谟绊懖豢珊雎?。隨著軸重的增加，KⅠ呈增加趨勢(shì)，而 KⅡ先增加，后減小。如不考慮摩擦力的影響，軸重為10t 時(shí)的KⅡ最大； 而如考慮摩擦力的影響，軸重為15t 時(shí)的 KⅡ最大。3

汽車(chē)軸重與路面破壞的關(guān)系以路表彎沉等效、 基層底部拉應(yīng)力等效、土基頂面壓應(yīng)變等效及車(chē)轍等效為原則，對(duì)軸載換算公式中的軸荷 指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算比較，在此基礎(chǔ)提出了合理的軸荷指數(shù)。并借助于已建立的軸重分布模型，分析了不同的軸荷指數(shù)對(duì)路面使用年限的影響。4

以路表彎沉等效的軸載換算方法在 《公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTJ014-86)中，路表彎沉是一個(gè)主要的設(shè)計(jì)指標(biāo) 。因此，以彎沉等效原則的軸載換算方法，是一種廣為人知的方法。

無(wú)論是對(duì)一般柔性路面還是對(duì)半剛性基層路面，以路表彎沉等效的軸荷指數(shù)的變化范圍不大，一般在 4 ～5 之間 。4

以基層底部拉應(yīng)力等效的軸載換算方法現(xiàn)有規(guī)范中的彎沉設(shè)計(jì)指標(biāo)主要依據(jù) 60 ～80 年代初的路面使用狀況 (道路等級(jí)較低 ，瀝青層厚一般小于 5 cm，基層大部分為粒料及灰土結(jié)構(gòu)，車(chē)輛軸載較輕)調(diào)查而制定的。而現(xiàn)有高等級(jí)路面一般采用半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)形式，瀝青層厚一般都大于6cm，大量加入二灰及水泥穩(wěn)定類(lèi)高強(qiáng)基層，軸重較大。對(duì)于這類(lèi)半剛性基層瀝青路面，彎沉已不是控制指標(biāo)，主要由基層底部拉應(yīng)力為控制指標(biāo)。因此，應(yīng)根據(jù)拉應(yīng)力等效的原則進(jìn)行軸載換算。4

以路基頂面壓應(yīng)變等效的軸載換算方法世界上幾個(gè)著名的柔性路面設(shè)計(jì)法如：殼牌法、AI 法、比利時(shí)法，都采用土基頂面壓應(yīng)變作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo) 。因此有必要以土基頂面壓應(yīng)變等效的原則對(duì)軸載換算進(jìn)行研究 。4

以土基頂面壓應(yīng)變?yōu)樽宰兞康穆访嫘阅茴A(yù)估模型，它是美國(guó) Pennsylvania 州為限制該州中低等級(jí)路面上車(chē)輛軸限而建立的。將此模型與 AASHO 試驗(yàn)路的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)及回歸后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，比較表明該模型與現(xiàn)有的 AASHO 公式相比，更符合 AASHO 試驗(yàn)路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 。

以土基頂面壓應(yīng)變等效得出的軸荷指數(shù)比以路表彎沉等效所得的指數(shù)小些，其軸荷指數(shù)均值為3.07。4

以車(chē)轍等效的軸載換算方法基層瀝青路面的車(chē)轍主要是由瀝青面層 (或級(jí)配碎石)的壓密、推移引起的，面層厚度，半剛性基層種類(lèi)、環(huán)境、溫度是影響車(chē)轍發(fā)展的主要因素。

在同等條件下 (路面結(jié)構(gòu)相同，試驗(yàn)條件相同)不同軸重 (100 kN和130 kN)進(jìn)行加載，以研究軸重對(duì)車(chē)轍深度的影響程度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)觀測(cè)的車(chē)轍深度在很大程度上取決于軸重，經(jīng)計(jì)算，軸荷指數(shù)約等于8.0。4

軸荷指數(shù)的確定及其對(duì)路面的影響對(duì)軸重分布狀況，半剛性基層瀝青路面的軸荷指數(shù)對(duì)道路使用年限的預(yù)估影響較大。因此，該指數(shù)的選定對(duì)道路的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)是非常重要的，應(yīng)慎重行事，盡可能從多方面進(jìn)行深入研究。而對(duì)于一般柔性路面，軸荷指數(shù)對(duì)道路使用年限影響不大，表中指數(shù)越小，等效標(biāo)準(zhǔn)軸次反而越大，使用年限也越小。這也說(shuō)明軸荷指數(shù)越大并非設(shè)計(jì)可靠性越大，使用年限除與軸荷指數(shù)有關(guān)外，與軸重分布狀況也密切相關(guān)。4