橫風條件下重載貨車直線區段運行安全性研究

趙軍，梁佳，李少峰，代宏元，劉成，徐彬倢

（1.內蒙古伊泰呼準鐵路有限公司，內蒙古 鄂爾多斯017000；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都610031）

近年來，經濟快速發展極大促進了區域間貨物流通的需求，重載鐵路憑借其運量大和成本低的優點獲得了快速發展。我國重載鐵路主要用于煤炭等大宗商品遠距離運輸，鐵路線路多處于西北地區，該地區中存在眾多強風區域。隨著重載列車速度不斷提升，橫風載荷對列車運行安全的威脅不斷凸顯，也極大限制了重載鐵路的發展，影響運輸效率，因此有必要針對橫風載荷對重載列車運行安全影響開展研究。

關于風載荷對車輛動力學性能的影響，眾多學者已進行了大量研究。楊明智等[1]對強橫風下青藏線運行的棚車氣動性能進行數值模擬，并對部分數值模擬的結果進行風洞實驗驗證，為青藏線大風預警系統提供理論支撐；寇麗君[2]針對無風、橫風、自然風和階躍陣風環境下高速列車的氣動特性及氣動載荷變化規律開展研究，同時分析不同風模型下風屏障對高速列車運行安全性的影響；高廣軍等[3]基于青藏鐵路實際運行條件，采用棚車縮比模型風洞試驗所得棚車氣動力系數，建立車輛在軌道傾覆與車體在轉向架傾覆的數學模型，研究列車直線和曲線運行時車速和臨界傾覆風速影響規律；郭向榮等[4]建立考慮風載荷作用的車橋系統模型，分析橫風作用下空載與滿載貨物列車通過大跨度鐵路斜拉橋的運行安全性；公衍軍等[5]考慮車輛在側風條件下運行時所受到的側向力、升力、側滾力矩、點頭力矩、搖頭力矩五種側風載荷，分析了側風載荷隨著環境風速和車輛運行速度變化而變化的規律；姚應峰[6]分析了200 km/h動車組直線常值側風和陣風工況、曲線常值側風工況動力學性能與線路運行限值；任尊松等[7]結合列車空氣動力學與系統動力學，研究了強側風對高速列車運行安全的影響；鄧永權等[8]確定以車體側滾角反映橫風載荷對車輛的作用程度，為通過車體側滾角進行脫軌安全預測提供依據；崔濤等[9]對不同側風環境作用時列車外流場和系統動態相應進行協同仿真，分析列車在不同側風載荷作用下安全運行的臨界速度，并確定列車側風作用安全域；郗艷紅等[10]采用STAR_CCM+軟件對高速列車的氣動特性數值模擬計算，為高速列車運行安全控制提供參考。蔣俊等[11]通過Matlab的Simulink模塊，聯合動力學模型建立了基于蠕滑速度的粘著控制系統，考慮了列車運行基本阻力、制動力和橫風作用的影響，為后續研究提供了基礎。

現有關于風致安全性的研究多集中在高速車輛領域[12]，對于貨車等運行速度相對較低的車輛研究較少。本文以重載列車常用的C80型敞車作為研究對象，建立了考慮橫風載荷的三連掛貨車單元仿真分析模型，基于該模型仿真分析了空載和滿載狀態下貨車運行安全性隨車輛運行速度和橫風風速的變化規律，同時對空載和滿載狀態下貨車的動力學性能進行了對比分析。該研究旨在探明橫風載荷對重載貨車輪軌相互作用影響規律，為提升重載列車運行安全性提供參考。

1 橫風氣動載荷模型

在仿真分析橫風對重載貨車運行安全性影響時，一般將橫風的影響以外部載荷的形式施加于車體上，因此需先建立橫風氣動載荷模型，本文主要對穩態風作用下的車輛運行安全性進行研究。由文獻[13]可知，車輛表面氣動載荷分布主要受車輛外形、高度等因素影響，且呈現出非均勻分布的特征。在動力學仿真計算過程中，通常將橫風作用下的氣動載荷簡化為作用于車體質心的集中力系。本文仿真分析時將橫風載荷等效為側向力、升力以及側滾力矩。車輛運行過程中，氣動載荷主要由車輛運行速度、風速、風向角、空氣密度、車體等效受風面積及車輛氣動系數等因素決定，具體計算公式為：

式中：Fs為側向力，N；Fl為升力，N；Mr為側滾力矩，N/m；ρ為空氣密度，kg/m3；A為車輛等效受風面積，m2；h為等效受風高度，m；Cs、Cl、Crm為氣動力系數；β為等效風速側偏角，rad；vr為作用于車輛上的等效風速，m/s。等效風速根據車速和風速疊加得到，為：

式中：u為風速，m/s；v為車輛運行速度，m/s；α為風向角，rad。

等效風速側偏角進一步可計算為：

本文主要針對風向角為90°的極端橫風工況開展仿真計算分析，計算中采用的貨車氣動系數依據文獻[14]中試驗結果選取，詳細氣動力系數曲線如圖1所示。

圖1 貨車氣動力系數曲線

2 重載貨車-軌道相互作用模型

本文以萬噸編組重載列車中三連掛貨車單元作為研究對象開展仿真分析，如圖2所示。三連掛貨車單元中貨車選取國內重載鐵路常用的C80敞車，其車體采用雙浴盆結構，車體除底架外采用鋁合金型材與板材的鉚接結構，車體自重輕、容積大，空載狀態下車輛總重約為20 t，最大載重達80 t。采用常見的轉K6型三大件式轉向架，配備交叉拉桿裝置，其中央懸掛為貨車中常見的斜楔減振裝置，并采用兩級懸掛剛度以適應空重車的運行條件，具有運行速度高、動力學性能穩定等特點。為了減小列車縱向車鉤自由間隙以降低列車縱向沖動水平，同時兼顧列車的曲線通過性能，車間連掛裝置選取16/17號聯鎖式車鉤和RFC型牽引桿搭配使用的方案，三連掛單元內部貨車采用牽引桿連接，單元之間采用聯鎖式車鉤連接。牽引桿一端為固定式結構，另一端為轉動式結構，采用與安裝車鉤時相同的緩沖器及鉤尾框，牽引桿的長度與車鉤的連接長度一致，實現與車鉤緩沖裝置的互換。

圖2 萬噸編組列車三連掛貨車單元

為分析橫風載荷下重載貨車運行安全性，基于SIMPACK動力學仿真系統建立了詳細的三連掛貨車單元模型。模型中包含三輛貨車和兩套牽引桿-緩沖器系統，為了模擬車間相互作用，在三連掛貨車單元前后施加大小相等方向相反的縱向力，縱向車鉤力沿車體中心線方向作用于車鉤箱位置。為了模擬橫風的作用，在軌道上建立移動參考點，將計算得到時域橫風載荷施加在車體質心位置，如圖3所示。

圖3 考慮橫風載荷的三連掛貨車單元仿真分析模型

對于三連掛貨車單元，斜楔懸掛系統和牽引桿-緩沖器系統模型的建立對于計算結果具有重要影響。如圖4所示，對于斜楔懸掛系統，中央彈簧位于搖枕和側架之間，減振彈簧位于斜楔和側架之間。斜楔與立柱磨耗板、斜楔與搖枕之間存在摩擦面，車輛運行過程中的振動能量主要通過兩個摩擦面產生的摩擦而耗散。牽引桿-緩沖器系統中，牽引桿與鉤尾框通過圓銷連接，緩沖器和從板安裝于鉤尾框內部，車鉤箱內設置有止擋，以限制從板位移，從而實現力的傳遞。緩沖器裝置選取具有非線性遲滯特性的非線性彈簧阻尼單元來模擬，牽引桿端部與前從板的球面接觸采用單向接觸力元模擬。壓鉤力作用下，縱向力經牽引桿傳遞至前從板，壓縮緩沖器，進一步將力作用于車體；拉鉤力作用下，縱向力作用于鉤尾框，使得緩沖器底座受力，縱向力進一步經緩沖器傳遞至前從板，最終作用于車體。

圖4 重載貨車關鍵部件模型

3 橫風作用下重載貨車安全性分析

基于以上建立的考慮橫風載荷的三連掛貨車單元仿真分析模型，分析不同風速和車速條件下空載和滿載貨車在橫風作用下的輪軌動力學性能。為考慮相鄰車輛間的相互作用，三連掛貨車單元兩端施加300 kN壓鉤力。仿真計算時，風速分別取13 m/s、17 m/s、21 m/s、25 m/s和29 m/s，對于空載貨車，車速計算范圍取40～80 km/h，間隔取10 km/h，對于滿載貨車，車速計算范圍取60～80 km/h，間隔取5 km/h。

圖5展示了橫風載荷作用下空載貨車以不同速度在直線區段運行時的動力學指標最大值統計結果，各項指標最大值隨著車速和風速的增大均呈現出增大趨勢。

圖5 空載狀態下橫風載荷影響分析

在風速13 m/s和29 m/s兩種條件下，輪軌垂向力的差值在5 kN左右，車輛運行速度為80 km/h時，在風速29 m/s橫風作用下輪軌垂向力的最大值約為53.5 kN。輪軌橫向力和輪軸橫向力受橫風影響較輪軌垂向力更為顯著。最大輪軌橫向力和輪軸橫向力分別為22.3 kN和23.9 kN。當風速由13 m/s增至29 m/s時，其輪軌橫向力和輪軸橫向力增加大約8 kN，最大增幅分別達到97.7%和72.5%。同一速度不同風速條件下，脫軌系數最大差異在0.15左右，脫軌系數最大值約為0.53。橫風作用下空載貨車輪重減載率較大，車速為40 km/h工況下，當風速超過25 m/s時輪重減載率超出限值，車速為50 km/h工況下，風速達到21 m/s及以上時輪重減載率超限，而當車速達60 km/h及以上時，橫風風速超過13 m/s的工況下輪重減載率均超出限值，最大輪重減載率達1，出現輪軌瞬時分離。傾覆系數隨車速和風速變化顯著，車速50 km/h工況下，風速由13 m/s增至29 m/s時，傾覆系數由0.29增至0.58，增幅達100%。車速不超過70 km/h時，風速在29 m/s以下范圍內空載貨車的傾覆系數均未超限，車速80 km/h工況下，風速達25 m/s及以上時傾覆系數超限，最大傾覆系數達0.9。對于車輪抬升量，其最大值隨車速和風速的增大而增大，但遠小于限值，最大車輪抬升量約為1.2 mm。

由以上分析可知，橫風作用下空載貨車運行安全性受風速和車速影響較顯著，橫向輪軌相互作用隨風速增大顯著增大，且輪重減載問題較突出，在較高車速和風速下存在傾覆風險。

圖6展示了橫風載荷作用下滿載貨車以不同速度在直線區段運行時的動力學指標最大值統計結果，各項指標最大值隨著車速和風速的變化規律與空載狀態一致。

圖6 滿載狀態下橫風載荷影響分析

對于輪軌垂向力，由于滿載狀態下貨車靜輪重較大，橫風對輪軌垂向力影響有限，相同車速不同風速條件下最大輪軌垂向力的差異在10 kN左右。貨車在滿載狀態下，橫風對其輪軌橫向力和輪軸橫向力影響較輪軌垂向力更顯著。當車速80 km/h、風速29 m/s時，輪軌橫向力和輪軸橫向力的最大值分別為34.5 kN和52.7 kN。此外，當車速60 km/h時，輪軌橫向力和輪軸橫向力隨風速變化較其他速度工況更為顯著，風速由13 m/s增加至29 m/s時，輪軌橫向力由15.5 kN增大至27.1 kN，增幅達74.8%，而輪軸橫向力由26.1 kN增至48.2 kN，增幅達84.7%。對于脫軌系數、輪重減載率、傾覆系數以及車輪抬升量，隨著風速和車速增大略有增大，但遠小于安全限值。

與空載貨車相比，滿載狀態下貨車的各項安全指標明顯較低。由此可知，滿載狀態下貨車受橫風載荷影響較小，未表現出明顯的運行安全風險。

4 結論

本文針對直線區段橫風載荷對重載貨車運行安全性影響進行分析，建立了考慮橫風載荷的三連掛重載貨車單元三維仿真模型，基于該模型，計算分析了空載和滿載兩種狀態下車輛運行速度和橫風風速對車輛輪軌動力學性能的影響，結論如下：

（1）橫風載荷作用下，空載和滿載貨車的各項輪軌相互作用和安全性指標均隨車輛運行速度和風速的增大而增大，且橫向輪軌相互作用和安全性指標受橫風載荷尤為顯著；

（2）空載貨車運行安全性受橫風影響極大，在高速運行狀態下，較大的橫風載荷易造成車輛傾覆，而滿載貨車各項安全性指標在橫風載荷下仍具有較大的安全裕度；

（3）為了提升重載列車運行安全性，在常年多風區段應適當限速運行，強風區域應設置擋風墻，降低橫風載荷對行車安全的威脅。