貨物偏載對高速貨運動車組在直線線路上行車安全影響研究

蔣建政，陳再剛，羅天祺，翟婉明，王家鑫

(1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063000)

根據原中國鐵路總公司2019年度統計公報[1]，2019年度全國鐵路貨運總發送量完成43.89億t，比上年增長7.2%，全國鐵路貨運集裝箱、商品汽車發送量比上年分別增長30.4%、12.3%。這表明我國鐵路貨運面臨的壓力日趨增加，而將高速鐵路用于鐵路貨運能夠增加鐵路運能和效率，鐵路貨運高速化已然是鐵路貨物運輸的發展趨勢。

國外對高速鐵路貨運研究起步較早，法國在20世紀80年代就開行了最高時速為270 km的TGV郵政專列。文獻[2]系統研究了高速鐵路貨運方式，其研究報告不僅詳細介紹了國外高速鐵路貨運市場情況、高速鐵路貨運前景、高速鐵路貨運貨物裝載形式、鐵路站場設計、鐵路車輛、列車運營模式；還詳細介紹了瑞典、丹麥、法國、英國、德國的鐵路交通系統。文獻[3]提出了一種在交通規劃中利用高速鐵路技術解決貨物運輸難題的建模方法，還根據美國現有的高速公路網和貨物運輸時間，研究發展美國高速鐵路網用于貨物運輸的可能性。文獻[4]研究了國內外快速重載鐵路貨運的發展歷程，從基礎設施和運行模式的角度分析了快速重載鐵路貨運技術的可行性；從運輸效率、時間消耗方面分析了快速重載鐵路貨運的經濟可行性。文獻[5]根據出版的科技文獻、工廠報告，認為歐洲由于物流約束和有限的鐵路運能限制了高速鐵路貨運的發展潛力。文獻[6]使用Adams/rail模塊研究了貨物質心相對于車體質心存在偏移情況下C80貨車在曲線線路上的行車安全性，并得出了質心偏移量的安全限值。

國內對高速鐵路貨運的研究起步較晚，中國于1999年成功研制出了最高運行速度為120 km/h的構架式快速貨車轉向架，并于2000年開始對140～160 km/h的快速貨車轉向架進行研究[7]。文獻[8]針對轉向架和制動系統等高速貨車關鍵技術，介紹了國外高速貨車轉向架及制動系統的發展過程和結構特征。然而，我國高速鐵路發展迅速，后來居上，自2008年京滬高速鐵路建成通車以來，高速鐵路營業里程已達到3.6萬km，超過全球高速鐵路營業里程的60%。日趨完善的高速鐵路網為高附加值貨物的快速運輸提供了良好的基礎條件。因此，基于現有的高速鐵路網，研究發展高速鐵路貨運成為了熱點，針對此，國內學者也作了許多研究工作。文獻[9]從載貨種類、最大載重量、載貨區域選擇以及最大載貨容積等方面，研究了利用CRH3C型高速動車組載貨的可行性。文獻[10]以時速350 km客運動車組CHR380BL技術平臺為基礎，針對貨運動車組一體化運輸、快速裝卸、貨物安全等關鍵技術進行了研究和探討。文獻[11]的研究表明國外高速鐵路貨運產品主要以快件、包裹、生鮮為主，并分析了我國高鐵貨運產品的需求形式。中車唐山機車車輛有限公司以時速350 km動車組平臺為基礎，開發研制符合我國國情的時速350 km速度等級貨運動車組[12]。考慮到裝載貨物后貨物質心偏移對車輛行車安全的影響，文獻[13]采用靜力學方法，基于脫軌系數安全標準研究了C64K敞車在最不利裝載工況下脫軌系數與重車重心高度的關系。文獻[14]采用靜力學方法研究了C64K敞車在最不利裝載工況和運行工況組合下的貨物重心橫向容許偏移量。文獻[15]以C64K敞車為例，使用動力學方法研究了重車重心高、貨物重心橫向和縱向偏移量與貨車通過小半徑曲線時的垂向平穩性關系。現有的《鐵路貨物裝載加固規則》[16]針對普速貨運列車貨物裝載方式做出了要求，尚無關于高速貨運動車組貨物裝載方式的規范和標準。

綜上所述，盡管我國開展了對高速貨運列車的研制工作[10-12]以及高速貨運列車運營模式的研究[9-11]，然而，較少文獻研究貨物質心偏移對貨運列車動力學性能影響[13-15]，鮮有文獻研究高速貨運列車中貨物質心偏移對車輛行車安全性的影響，同時《鐵路貨物裝載加固規則》[16]也難以適用于高速鐵路貨運。鑒于此，本文以中車研制的某型最高運營時速350 km的高速貨運動車組為研究對象，基于輪重減載率和脫軌系數兩個安全性指標，研究貨物質心偏移對高速貨運動車組行車安全性的影響。研究結果對鐵路貨物運輸過程中高速貨運動車組的貨物裝載方式具有一定的指導意義。

1 高速貨運動車組動力學模型

高速鐵路貨運相對于航空運輸和公路運輸具有速度快、準點率高、安全經濟的優點。本文以中車公司研制的某型高速貨運動車組為研究對象，基于多剛體動力學理論，建立該型高速動車組的多體動力學模型，其中，車輛系統由1個車體、2個轉向架構架、4個輪對構成；輪對與構架之間采用一系懸掛連接，轉向架構架與車體之間采用二系懸掛連接；整個車輛系統共有35個自由度。動力學模型中充分考慮了車輛系統中存在的輪軌接觸非線性、一系垂向阻尼非線性、二系橫向阻尼非線性、抗蛇行減振器阻尼非線性以及空氣彈簧非線性。車輛結構參數見表1，主要懸掛參數見表2，建立的多體動力學模型如圖1所示。此外，存在于輪軌接觸界面的軌道隨機不平順激勵也會直接影響輪軌間的動力相互作用。因此，有必要考慮軌道隨機不平順激勵對車輛動力學性能的影響。車輛仿真計算的行車速度取350 km/h，采用我國高速鐵路無砟軌道譜作為軌道隨機不平順激勵。

表1 空車質量參數

表2 主要懸掛參數

圖1 高速貨運動車組動力學模型

2 貨物質心偏移的工況設置

高速貨運動車組運輸貨物時，可以用集裝器或物流箱作為裝載單元包裝零散貨物，將裝載單元固定在車廂內部。高速貨運動車組車廂內部設置了用于固定集裝器的凹槽。由“復興號”列車拆除了座椅并采用物流箱作為裝載單元包裝貨物[17]。貨物質心可能會由于初始裝載時每個裝載單元的質量差異以及高速貨運動車組在中間站進行貨物裝卸作業導致貨物重心不位于車體縱、橫中心線交叉點上，產生貨物重心相對于車體質心偏移的現象，并最終影響高速貨運動車組行車安全。

貨物裝載后，貨物質心相對于車體質心偏移的示意圖見圖2。為了更加清晰地敘述貨物不同裝載工況，圖2將車輛內部空間以轉向架中心線所在的豎直平面為界分成了3個區域，即區域1、區域2、區域3。

圖2 貨物質心相對于車體質心偏移示意圖

根據表1計算得到的車輛靜軸重為12.27 t，高速鐵路線路中要求車輛最大靜軸重不超過17 t，該型高速貨運動車組單節車輛的最大載重為19 t。但是，如果貨物質心相對于車體質心存在縱向偏移，即兩個轉向架之間存在載重差，單節車輛載重將小于19 t。此外，由于車輛靜軸重和設計軸重的原因，本文涉及的車輛兩個轉向架載重差最大為9.4 t。鑒于此，針對直線線路，參考《鐵路貨物裝載加固規則》[16]以及貨物可能的裝載順序設置了不利于高速貨運動車組行車的貨物裝載工況。考慮貨物質心位于兩轉向架中心線所在的豎直平面之間，即圖2所示的區域2，設置了裝載工況1，見表3，此時兩轉向架之間的載重差不大于9.4 t，且貨物質心存在橫向偏移，載重較大的轉向架對應的靜軸重已經達到17 t。

表3 裝載工況1

考慮貨物質心位于車體端部，即圖2所示的區域1、區域3，以及綜合考慮轉向架的極限承載能力，設置了裝載工況2，見表4，此時車輛一端轉向架對應的靜軸重已經達到17 t。為了考慮惡劣的極限裝載工況，列舉了高速貨運動車組實際運營中不大可能發生的貨物裝載情況，如表3、表4中貨物質心相對于車體質心沿Y方向的最大偏移量達到0.75 m以及整車貨物僅裝載于車體的一端。此外，在沒有考慮橫風、道岔等橫向激擾的理想仿真工況下，貨物質心相對于車體質心僅沿Z方向偏移對高速貨運動車組在直線線路上行車的動力學響應影響不明顯，因此本文不考慮貨物質心相對于車體質心沿Z方向偏移的情況。

表4 裝載工況2

3 貨物質心偏移對行車安全性的影響

表3中工況12對應的輪對輪重減載率和脫軌系數時域響應結果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，該工況下，輪重減載率和脫軌系數響應均在安全限值內。圖3為四位輪對輪重減載率的時域響應結果，從圖3可以發現輪重減載率的時域響應值有正有負，輪重減載率為負值時表明此時該輪對處于增載。總的來看，圖3中每一位輪對的右側輪增載、左側輪減載。此外，第3、4位輪對左側輪的輪重減載現象較第1、2位輪對左側輪的輪重減載現象更為明顯，這是貨物偏載導致輪重分配不均引起的。圖4為四位輪對脫軌系數的時域響應，從圖4可以發現貨物質心偏移對脫軌系數的影響不明顯。

在表3所示裝載工況下，計算得到的各位輪對輪重減載率、脫軌系數的最大值統計情況如圖5、圖6所示，從圖中可以發現輪重減載率、脫軌系數的最大值均在安全限值內[18]。從圖5(a)、圖5(b)可知，第1、2位輪對左側輪的輪重減載率最大值隨著橫向偏移量的增大呈現增加的趨勢，隨著轉向架載重差的增加呈現減小的趨勢，而右側輪重減載率最大值的變化趨勢與之相反，輪重減載率甚至變為負值，這意味著輪對出現增載。從圖5(c)、圖5(d)可知，第3、4位輪對左側輪的輪重減載率最大值隨著橫向偏移量和轉向架載重差的增大呈現增加的趨勢，而右側輪的輪重減載率最大值隨著橫向偏移量的增加呈現減小的趨勢甚至出現增載、隨著轉向架載重差的增大呈現增加的趨勢。值得提出的是，各對應工況下第3、4位輪對輪重減載率最大值大于第1、2位輪對輪重減載率最大值；四位輪對左側輪的輪重減載率最大值普遍大于右側輪的輪重減載率最大值。此外，當貨物質心相對車體質心橫向偏移0.75 m且轉向架載重差達到9.4 t，第3、4位輪對左側輪的輪重減載率最大值接近安全限值0.6。

從圖6可知，當高速貨運動車組存在貨物質心橫向偏移和轉向架載重差時，各位輪對的脫軌系數最大值均在安全限值內，第3、4位輪對脫軌系數最大值大于第1、2位輪對脫軌系數最大值。從圖6(a)、圖6(b)可知，第1、2位輪對左右兩側輪的脫軌系數最大值基本相同，輪對右側輪的脫軌系數最大值略大于左側。從圖6(c)、圖6(d)可知，第3、4位輪對右側輪的脫軌系數最大值略大于左側脫軌系數最大值。高速貨運動車組存在貨物質心橫向偏移和轉向架載重差情況時對脫軌系數的影響不明顯。

圖6 表3所示工況對應的脫軌系數

在表4所示裝載工況下，計算獲得各位輪對輪重減載率、脫軌系數的最大值統計情況如圖7、圖8所示，從圖中可以發現輪重減載率、脫軌系數最大值均在安全限值內。從圖7(a)、圖7(b)可知，轉向架載重差對第1、2位輪對的輪重減載率最大值影響不明顯；第1、2位輪對左側輪的輪重減載率最大值隨著貨物質心橫向偏移量的增大呈現增加的趨勢；而右側輪的輪重減載率最大值變化趨勢則與之相反，輪重減載率甚至變為負值，這意味著輪對出現增載。從圖7(c)、圖7(d)可知第3、4位輪對左側輪的輪重減載率最大值隨著貨物質心橫向偏移量的增大和轉向架載重差的增大呈現增加趨勢；而輪對右側輪的輪重減載率最大值隨著橫向偏移量的增加呈現減小的趨勢、隨著轉向架載重差的增大呈現增加的趨勢甚至出現增載。值得提出的是，各對應工況下第3、4位的輪重減載率最大值大于第1、2位輪對的輪重減載率最大值；四位輪對的左側輪重減載率最大值普遍大于右側輪重減載率最大值；當貨物質心相對車體質心橫向偏移0.75 m且轉向架載重差達到9.4 t時，第3、4位輪對的左側輪重減載率最大值接近安全限值0.6。

從圖8可知，高速貨運動車組存在貨物質心橫向偏移和轉向架載重差時，第3、4位輪對的脫軌系數最大值大于第1、2位輪對脫軌系數最大值。從圖8(a)、圖8(b)可知，第1、2位輪對左右兩側的脫軌系數最大值基本相同，然而，輪對右側脫軌系數最大值略大于左側。從圖8(c)、圖8(d)可知，第3、4位輪對右側輪的脫軌系數最大值大于左側輪的脫軌系數最大值。此外，貨物質心橫向偏移和轉向架載重差對脫軌系數的影響不明顯。

圖8 表4所示工況對應的脫軌系數

4 結論

(1) 貨物質心相對車體質心的橫向偏移量不超過0.75 m、前后轉向架載重差不超過9.4 t時，該型高速貨運動車組以時速350 km在直線線路上運行時，各輪對的輪重減載率和脫軌系數均在安全限值內。

(2) 貨物重心在兩轉向架中心之間時，高速貨運動車組存在轉向架載重差和貨物質心橫向偏移對脫軌系數的影響不明顯，然而會增加減載側車輪的輪重減載率，增大安全行車風險；貨物重心在轉向架中心與車輛端部之間時，轉向架載重差和貨物質心橫向偏移會明顯增加車輛另一端輪對的脫軌系數。

(3) 高速貨運動車組存在轉向架載重差和貨物質心橫向偏移時，位于減載側轉向架的輪對輪重減載率和脫軌系數最大值大于增載側。