風區車站停留車輛在大風作用下溜逸的研究分析

唐士晟,史永革,張小勇

(烏魯木齊鐵路局,新疆烏魯木齊830011)

新疆鐵路地處大漠戈壁,屬于典型大陸性氣候,干旱少雨,自然環境惡劣。每年受冷空氣影響,大風頻繁。強冷氣流經過山口時產生狹管效應,風速加大,同時受新疆北高南低地形影響,大風順坡而下,風力強勁。風區站停留的車輛在大風作用下,受到沿車長方向的氣動力。在線路坡度為零時,當氣動力等于車輛起動阻力之和時,車輛達到臨界溜逸狀態;當氣動力大于車輛起動阻力之和時,車輛將發生溜逸,造成行車事故。新疆鐵路歷史上分別在天山和阿拉山口站發生過車輛溜逸事故,給鐵路運輸帶來損失。

1 風場中停留車輛受力分析

1.1 沿車長方向氣動力

大風是造成車輛溜逸的主因,當車輛停留在坡道上時,由于風向不同,車輛可能順坡溜逸,也可能逆坡溜逸。

車輛在風場中受到的氣動力比較復雜,本次研究僅將對車輛溜逸起決定因素的沿車長方向氣動力(即縱向推力)作為研究對象。根據車輛模型風洞試驗,沿車長方向氣動推力ρ v2HLC,其中 ρ為空氣密度;v為風速;H、L為車輛模型結構特征尺度,H為車高,L為車長;C為沿車長方向氣動系數,大小與來風方向有關。所以,沿車長方向氣動推力的大小與風速、風向角(風向與車輛之間所夾銳角)、車型、車輛編組位置有關,與車輛載重無關。

(1)擋風墻對沿車長方向氣動力的影響

擋風墻的遮蔽效應實質上是抬高迎風氣流而改變流場,并在擋風墻與車輛之間產生渦流,降低了風速。沿車長方向氣動力與風速的平方成正比,由于擋風墻后風速較無擋風墻風速小,故風向角一定時,擋風墻后車輛所受氣動力小于無擋風墻遮蔽的車輛,相對安全。另外,根據試驗結果,針對不同類型的擋風墻,對拉式擋風墻后車輛所受氣動力小于土堆式擋風墻后車輛所受氣動力,防護效果較優,見表1。

表1 不同類型擋風墻后車輛所受縱向氣動力比較(以中間車為例) kN

(2)風向角對沿車長方向氣動力的影響

風向角對車輛所受縱向氣動力影響較大,根據試驗結果,當風向角為 30°時,沿車長方向氣動力最大,見表2。

表2 不同風向角車輛所受縱向氣動力比較(以無擋風墻條件下的中間車為例) kN

(3)車型和編組位置對沿車長方向氣動力的影響

相對不同車型,敞車受到的沿車長方向氣動力最大,棚車次之,單層客車最小;相對車輛位置,頭車較大,尾車、中間車較小。見圖1無擋風墻區段沿車長方向氣動力同車型、風向角、車輛編組位置的關系。

1.2 車輛起動阻力

根據TB/T 1407-1998《列車牽引計算規程》對裝有滾動軸承貨車起動單位基本阻力取3.5 N/kN,則起動阻力為3.5×(車輛自重+載重)。

圖1 無擋風墻區段車輛縱向氣動力與車型、風向角、車輛編組位置的關系

1.3 閘瓦制動力

長時間停留在風區的車輛,由于管路風壓已全部泄漏,自動制動機失去作用,其制動力為零。這時車輛制動力主要由手制動機產生。根據TB/T 1407-1998,貨車每輛換算閘瓦壓力40 kN,客車每輛換算閘瓦壓力80 kN。對于中磷閘瓦,當車速為零時,換算摩擦系數為0.433。所以,貨車每輛手制動機產生的制動力為17.32 kN,客車每輛手制動機產生的制動力為34.64 kN。

1.4 坡道下滑力

坡道下滑力由車輛重力產生,根據 TB/T 1407-1998車輛單位坡道下滑力等于坡道的千分數,則坡道下滑力為i×(車輛自重+載重),i為坡道千分數。在順坡風作用時,車輛重力產生的也是造成車輛向坡下溜逸的因素之一,屬于溜逸動力;在逆坡風作用時,坡道下滑力阻止車輛向坡上溜逸,屬于溜逸阻力。

1.5 鐵鞋制動阻力

鐵鞋制動的原理就是變滾動摩擦為滑動摩擦,增大摩擦力,使溜行車輛盡快減速停車,從而達到制動目的。對于停留在風區的車輛,受到風力和車鉤力往復作用,原本和車輪踏面貼實的鐵鞋逐漸松脫,最終失去保護作用。另外,以自重200 kN的貨車為例,鐵鞋與鋼軌摩擦系數為0.15,單個鐵鞋制動力不超過15 kN,與氣動力相比很小,可以忽略。故鐵鞋制動阻力在溜逸分析時不予考慮。

2 臨界溜逸狀態計算模型

2.1 順坡風作用下(圖2)

溜逸動力=風作用車輛氣動力+坡道下滑力

溜逸阻力=車輛起動阻力+閘瓦制動力

當動力等于阻力時,車輛處于臨界溜逸狀態。根據等式,可以求出順坡風作用下不發生溜逸所需最少手制動車輛數。

圖2 順坡風作用下車輛受力簡圖

2.2 逆坡風作用下(圖3)

溜逸動力=風作用車輛氣動力

溜逸阻力=車輛起動阻力+閘瓦制動力+坡道下滑力

當動力等于阻力時,車輛處于臨界溜逸狀態。根據等式,可以求出逆坡風作用下不發生溜逸所需最少手制動車輛數。

圖3 逆坡風作用下車輛受力簡圖

2.3 順、逆坡風的確定

根據風區車站線路走向和車站附近測風站多年12級及以上大風風向統計規律確定風向角分布范圍,確定最不利風向角(30°時氣動推力最大),再結合車站坡度方向確定順、逆坡風。

3 車輛載重量及順、逆坡風對溜逸的影響

由臨界溜逸狀態計算模型分析,逆坡風作用下,溜逸動力隨車輛載重的增大而保持不變,溜逸阻力隨車輛載重的增大而增大,此時空車發生溜逸的可能性較大。

順坡風作用下,溜逸動力中包含的坡道下滑力隨車輛載重的增大而增大,同時溜逸阻力中包含的車輛起動阻力也相應增大,二者數值之差為(i-3.5)×車輛總重,當i＜3.5時,坡道下滑力小于車輛起動阻力,二者差值隨車輛載重增大而增大,所以相比較而言,空車溜逸的可能性高于重車。

4 風區車站停留車輛不發生溜逸所需最少手制動車輛數的計算過程

以煙墩風區思甜站為例,根據2004—2009年大風統計數據,得到最大年極值風速(瞬時風速)為42.3 m/s,根據十六風向統計玫瑰圖得到該站12級及以上主盛行風向為ENE(東東北風),頻率為38%,次盛行風向為PPN(北風)、ESE(東東南風)、PSE(東南風)、SSE(南東南風)、SSW(南西南風),出現頻率各13%。思甜站坡度為2.7‰,坡向為下行下坡。

根據思甜站線路走向和坡道走向,確定不利風向為SSE(南東南風),風向角為27.5°,屬于順坡風。假定停留貨車輛數50輛,客車30輛,利用臨界溜逸狀態計算模型計算,得到表3。由表3可知,在思甜站停留車輛在順坡風作用下,空車發生溜逸的可能性比重車大。相同條件下,空敞車發生溜逸的可能性大于空棚車、客車。

同時,風向PPN(北風)也應該考慮,其風向角為50°,屬于逆坡風。假定停留貨車輛數50輛,客車30輛,利用臨界溜逸狀態計算模型計算,得到表4。由表4可知,在思甜站停留車輛在逆坡風作用下,空車發生溜逸的可能性比重車大。相同條件下,空敞車發生溜逸的可能性大于空棚車、客車。

由此可見,思甜站最不利風向為SSE(南東南風)。順、逆坡風條件下,空車發生溜逸的可能性均大于重車,空敞車發生溜逸的可能性大于空棚車、客車。因此,在以后確定停留車輛不發生溜逸所需最少手制動輛數時均以空車參數為計算依據。

表3 思甜站各車型在順坡風作用下臨界溜逸狀態計算表

表4 思甜站各車型在逆坡鳳作用下臨界溜逸狀態計算表

5 各主要風區車站停留車輛最少手制動輛數計算結果

5.1 煙墩風區(無擋風墻區段,表5)

表5 煙墩風區車站停留車輛最少手制動輛數計算公式

5.2 0.5 km風區(對拉式擋風墻區段,表6)

表6 0.5 km風區車站停留車輛最少手制動輛數計算公式

5.3 0.015km風區(土堆式擋風墻,表7)

根據計算結果,極端大風條件下,天山站應禁止單輛空棚車或空敞車停留,此時僅靠手制動力不能保證制動安全,車輛有溜逸危險。

表7 0.015 km風區車站停留車輛最少手制動輛數計算公式

5.4 南疆線前100 km風區(鐵泉、珍珠泉、紅山渠處于對拉式擋風墻區段,其余為無擋風墻區段,表8)

6 增設輔助防溜措施

根據計算結果,當車站停留車輛在20輛以上時,極端大風條件下,思甜、天山、鹽湖、阿拉山口、東湖溝、托克遜、小埡、布爾加依、八盤磨站停留車輛最少手制動車輛比例接近或超過40%,其中天山、托克遜、小埡超過50%。從發生溜逸可能性的大小分析,從大到小排序為第一天山站,第二托克遜、小埡站,第三思甜、鹽湖、東湖溝站,第四阿拉山口、布爾加依、八盤磨站。如僅從安全角度考慮,上述車站在極端大風條件下不宜停留車輛。

當運輸生產和避風防災應急需要確需上述車站停留車輛時,為保證行車安全,則需要考慮在上述風區車站增加輔助防溜設施。對目前所使用的各種輔助防溜設施進行比較分析,靜態液壓防溜器不失為一個好的選擇。根據資料介紹,每組靜態液壓防溜器對每條輪對的制動力30～70 kN,一般可夾 4～6條輪對,每組最少制動合力120 kN。每增加一組液壓防溜器后,對于貨車,最少相當于增加6.9輛(120/17.32)手制動車輛,對于客車最少相當于增加3.5輛(120/34.64)手制動車輛。各個車站實際所需液壓防溜器組數,可根據各風區車站停留車輛最少手制動輛數計算結果和車站到發線線路條件具體確定。靜態液壓防溜器的使用在提高安全保障的同時將大大縮短作業時間,減輕作業人員勞動強度。

表8 南疆線前100 km風區車站停留車輛最少手制動輛數計算公式

[1] TB/T1407-1998列車牽引計算規程[S].

[2] 側風作用下車輛空氣動力性能風洞實驗研究[R].長沙:中南大學,2006.

[3] 田紅旗.列車空氣動力學[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[4] 楊根生.風沙災害論文選集[M].北京:海洋出版社,2005.