列車混編對曲線通過安全性的影響分析*

田光榮,張衛華,池茂儒,熊 芯

(1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081;2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室,四川成都610031)

長期以來,我國鐵路運能與運量之間的矛盾異常突出[1]。發展長大列車重載運輸因其顯著的功能特點和經濟效益而被國際社會公認為鐵路貨運發展方向[2],故其為解決我國日益激化的鐵路貨運矛盾的重要途徑和根本對策。

列車編組數量的增加引起編組形式的多變,空重車混編成為常見的一種貨物列車編組形式,研究表明[3]:車輛在列車編組中的位置對車輛的脫軌等安全性能有較大的影響。隨著列車編組的增加及牽引總重的提高,線路破壞、制動失靈、斷鉤、脫軌等運輸安全問題也逐漸突顯出來,嚴重制約了長大列車重載運輸的發展[1]。此外,在曲線區段,由于離心力、線路外軌超高及動態變化的曲率等因素,列車運行時產生的慣性離心力及沖擊力,將給列車的安全性及舒適度帶來不利的影響。現有研究表明[4]:列車在曲線線路上的動力學性能較平直線路上更差。有必要對空重混編重載列車曲線通過安全性能的影響進行深入分析。

1 列車線路模型及求解方法

計算所采用的車輛模型及參數詳見文獻[5]。轉向架采用的是交叉支撐三大件式轉向架,交叉桿作為彈性約束加在兩側架之間,車端懸掛裝置采用17號車鉤和MT-2型緩沖器,緩沖器考慮了其遲滯特性。每輛車由1個車體、2個搖枕、4個側架和4個輪對共計11個剛體組成。車體取6個自由度,即縱向、橫向、垂向、側滾、點頭和搖頭;側架取5個自由度,即縱向、橫向、垂向、搖頭和點頭;搖枕只取1個自由度,即搖頭;輪對取4個自由度,即縱向、橫向、搖頭和點頭,每輛車的自由度共計44個。這樣,可以把列車的縱向、橫向和垂向運動空間耦合在一起,從而較為便捷和準確地建立一個更接近實際的全自由度空間耦合模型。為了便于比較分析,文中所有仿真計算所采用的列車編組均設定為61輛。

圖1 曲線線路示意圖

由于主要分析混編列車的曲線通過性能,故曲線特征尤為重要。計算采用的曲線線路如圖1所示,圖中A、B、C、D為曲線相鄰區段的轉折點,即直緩點和緩圓點。緩和曲線在直線和圓曲線之間起到連接作用,在直線上曲率、超高均為零,而在圓曲線上曲率、外軌超高是一個穩定值。緩和曲線的存在,緩和了曲率、外軌超高的變化幅度,防止曲線運行的離心力、外軌超高不連續等形成的沖擊力突然產生和消失,以保持列車曲線運行時的平穩性和安全性。在緩和曲線范圍內,曲線半徑由無限大逐漸變到圓曲線半徑,外軌超高由零逐步上升到圓曲線的超高值。線路參數詳見表1。

表1 曲線參數設置

列車動力學問題是一個復雜的系統問題,目前國內外研究成果多是根據實際需要對列車動力學模型有針對性地予以簡化處理,借助于垂向、橫向和縱向運動解耦以減少自由度。而且,研究成果大都集中于縱向動力學,而對列車的橫向和垂向動力學研究得很少,且很不透徹[6,7]。主要原因在于編組輛數的增加導致了計算的困難;再者,編組方式改變將導致整個列車動力學模型的修改,建模的通用性和靈活性很差。故本文采用基于循環變量的模塊化方法[8,9],它可以突破傳統列車動力學研究中所遇到的諸如自由度繁雜等建模及求解難題,快捷地建立列車三維空間耦合動力學模型,考慮列車中車與車之間的耦合和相互影響,對牽引及制動等工況也可以進行有效仿真。

2 車輛與列車曲線通過安全性比較

比較車輛與列車曲線通過安全性的差異,為此選用輪軌橫向力、脫軌系數和輪重減載率等3個典型的安全性指標,比較車輛與列車牽引、惰行和制動條件下的曲線通過性能,其中牽引工況下的機車輪周牽引力為100 kN,制動阻力100 kN。由于對于車輛模型而言,僅包含一輛車,故對比分析中列車是以頭車作為比較對象。此外,為了清晰區別車輛和列車動力學性能的差異,此處未考慮線路上軌道隨機不平順的影響,即穩態曲線通過性能分析。

為直觀起見,圖2中僅給出了車輛和列車通過圖1所示S曲線的前半段曲線中輪重減載率的對比結果,可以看出,車輛的輪重減載率與列車惰行及制動時相比差別不大,與列車牽引運行相比差別較大,其最大平均值的比較可直觀的從圖3得知。圖3給出了車輛、列車牽引、制動及惰行狀態的脫軌系數、輪重減載率和輪軌橫向力的比較,可以看出,脫軌系數和輪軌橫向力的結果趨勢和輪重減載率類似。分析原因在于列車在牽引力作用下將會發生軸重轉移,導致輪重減載率的增大;此外,由于牽引工況條件下,牽引力引起車鉤力的變化,特別是車鉤橫向分力又引起輪軌橫向力的變化,根據脫軌系數的公式,可進一步導致脫軌系數的增大。制動工況下,由于制動阻力引起速度的降低,進一步導致曲線通過安全性指標的降低。綜上而言,在惰行工況下,車輛和列車的曲線通過安全性較為近似,一旦將牽引力或制動力考慮進來,勢必引起列車的力動平衡在一定程度上導致其性能的差異,此趨勢在圓曲線區段體現的尤為明顯。

圖2 輪重減載率比較

圖3 單車與列車曲線通過安全性比較

3 混編列車曲線通過安全性分析

3.1 空車不同位置曲線通過安全性比較

將1輛空車分別放置于61輛編組貨物列車的頭部(No.1)、中部(No.31)和尾部(No.61),其余位置均為重車,為便于分析空車與相鄰車輛的相互作用,列車處于牽引運行工況,牽引力100 kN。從兩個方面進行分析:首先,研究空車處于不同位置時其本身曲線通過安全性的差異;其次,研究空車處于不同位置時整列車動力學性能的差異,即空車位置對列車曲線通過性能的影響。

根據圖4～圖5的分析表明:空車自身的曲線通過安全性指標與其在列車中的位置密切相關。當空車位于列車頭部時,其脫軌系數和輪重減載率最小,即曲線通過安全性最好;當空車位于列車中部時,其曲線通過安全性最差,此時空車處于兩端連續重車的中間,而且與直線相比曲線會對列車的運行產生附加阻力,使得輪軌接觸的橫向阻力增大,出現前堵后擁的現象,而中部空車質量較輕,這樣將導致其輪軌脫離,即脫軌,同時輪重減載率也惡化;當空車位于列車尾部的時候,其脫軌系數和輪重減載率鑒于前兩種位置相應指標之間,更接近于空車位于中部的情況。總體而言,空車位于空重混編列車頭部時曲線通過性能最好,位于尾部時次之,位于中部時最差。原因在于相比單車而言,列車的各輛車之間有連接裝置,即車輛之間存在耦合作用,特別是相鄰車輛之間將有明顯的相互影響。空車的安全性能比重車差,重車距離空車越近,空車對重車的影響也就越大。

圖4 空車不同位置時脫軌系數比較

圖5 空車不同位置時輪重減載率比較

前面比較了空車位于混編列車前中后不同位置時空車本身的曲線通過安全性能,接下來將分析空車位于不同位置時其對整列混編列車的曲線通過安全性的影響,對比結果見表2。可以看出,當把1輛空車分別放置在61輛編組列車的不同位置時,其對整列車的曲線通過安全性的影響規律與空車本身曲線通過性能的變化趨勢一致——當空車位于混編列車頭部時,其輪軌橫向力、脫軌系數和輪重減載率均是最小的,即曲線通過安全性最好;當空車位于混編列車尾部的時候,其曲線通過安全性最差;空車位于列車中部時其性能介于前二者之間,總體差別不是特別大。列車通過曲線的時候,機車車輛是由輪軌橫向力進行導向的,而且由于曲線及外軌超高的影響,重載車輛通過小曲線半徑的時候會出現較大的輪軌橫向力。對于空重混編列車,空車的輪軌橫向力在小曲線半徑明顯要小于重車。對于單一編組的列車,尾部車輛動力學性能要差于其他位置,當尾部為空車時,對列車的動力學性能影響就比單一編組時更為明顯。

表2 不同編組方案中列車曲線通過安全性指標最大值比較

3.2 列車前中后空車的曲線通過比較

為了解同一列車中不同位置空車曲線通過安全性能的差異,在61輛編組列車的第1位、第31位和第61位各放置一輛空車,其余位置為重車,根據2節分析結果,列車惰行和牽引工況條件下的動力學性能差異較大,故分別考慮列車惰行和牽引兩種工況。

圖6、圖7首先表明的就是空重車的曲線通過性能是有差異的:空車的脫軌系數明顯大于重車;重車的輪重減載率則明顯大于空車。由圖6可知惰行條件下,對處于混編列車不同位置的3輛空車,其脫軌系數相差不大,但是位于列車中部的空車的輪重減載率最小,位于頭部的空車則最大。由圖7可知,在牽引工況下,脫軌系數最小是頭部的空車,輪重減載率最小的則是位于尾部的空車。根據圖8進一步分析牽引工況下,位于混編列車頭部、中部和尾部的3輛空車的脫軌系數和輪重減載率的時間變化歷程。由圖8(a)可知,3輛車的脫軌系數差別不甚明顯,均是S型曲線前半段上的值小于后半段上的值。但由圖8(b)看出,在前半個S曲線上,頭部空車的輪重減載率最大,尾部空車最小,而后半個S曲線上則是尾部空車輪重減載率最大,頭部空車的值最小。駛出曲線之后一段時間內,三者的對比結果又類似于前半個S曲線。

圖6 不同位置空車曲線通過安全性能比較(惰行)

圖7 不同位置空車曲線通過安全性能比較(牽引)

總體而言,當列車前部、中部和尾部同時有空車時,列車牽引和列車惰行時其曲線通過性能有較明顯的差異。

4 結論

通過空、重車混編對重載列車曲線通過安全性的初步分析,得到結論:

圖8 牽引工況不同位置空車曲線通過安全性能比較

(1)運用新的列車動力學建模和仿真方法可以較為清晰地分析列車混編,尤其是空重車混編對其曲線通過安全性能的影響;

(2)單車的曲線通過性能與列車惰行時相比較為接近,與列車牽引狀態相比差異較大。主要是由于牽引力導致軸重發生轉移,另一方面,由于列車各車間存在耦合作用,牽引力引起車鉤力的變化,進一步導致列車動力學性能的差異,所以車輛和列車的動力學性能有一定區別;

(3)當空車位于混編列車頭部時,空車本身及整列車的曲線通過安全性均是最好,前者是空車位于列車中部時最差,而后者是空車位于列車尾部時最差;

(4)出現較大脫軌系數和輪重減載率的車輛主要是空重混編列車中的空車,特別是連續重車后面緊接著的空車,這對重載列車的曲線通過安全性極為不利。

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