關(guān)門車對(duì)空重車混編列車安全性影響

蔣益平, 池茂儒*, 唐繼烈, 羅世民, 楊春輝

(1．西南交通大學(xué)軌道交通運(yùn)載系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031; 2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究所,上海 200071; 3．華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院, 南昌 330013)

鐵路貨運(yùn)在中國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。伴隨著中國鐵路的6次大提速,中國的鐵路貨運(yùn)列車運(yùn)行速度得到了較大提高,尤其是近年來,中國鐵路網(wǎng)的快速建設(shè)和既有線路不斷升級(jí)改造,鐵路客運(yùn)和貨運(yùn)分流明顯,既有線路貨運(yùn)能力加強(qiáng),為適應(yīng)中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,不斷發(fā)揮鐵路貨運(yùn)的巨大優(yōu)勢(shì)作用,進(jìn)一步提高貨物運(yùn)輸效率,中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司、中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司、中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司等鐵路運(yùn)輸部門都在積極探索既有線貨物列車提速運(yùn)行的可行性[1]。王鵬然等[2]、高健等[3]對(duì)列車提速進(jìn)行了研究,由于中國鐵路貨車運(yùn)用的特殊性,在列車中存在空車、重車混合編組(簡(jiǎn)稱空重車混編)以及關(guān)門車是非常普遍的現(xiàn)象,因此在既有線貨物列車提速運(yùn)行的關(guān)鍵時(shí)期對(duì)關(guān)門車和空重車混編列車進(jìn)行研究非常必要。

關(guān)門車是指在鐵路貨運(yùn)列車中因裝載貨物的特殊性或者由于車輛制動(dòng)機(jī)臨時(shí)發(fā)生故障而關(guān)閉車輛制動(dòng)支管與列車制動(dòng)管連接的截?cái)嗳T的車輛[4]。由于關(guān)閉了截?cái)嗳T,列車管與車輛制動(dòng)機(jī)之間的空氣通路被斷開,所以關(guān)門車不起制動(dòng)作用,因此,在制動(dòng)時(shí)關(guān)門車可能因較大的慣性而對(duì)其前后車輛產(chǎn)生沖擊和擠壓,甚至可能引起脫軌等安全事故[5]。

空重車混編在鐵路貨物列車中也普遍存在,由于空車和重車的質(zhì)量不一致,因此空重車混編列車為非均質(zhì)列車,而且隨著鐵路運(yùn)輸重載化發(fā)展以及車輛制造的輕量化發(fā)展,鐵路貨車載重進(jìn)一步增加,車體自重則進(jìn)一步降低,制動(dòng)時(shí)列車中的空車和重車因重量不同而使加速度產(chǎn)生明顯,從而引起縱橫向沖動(dòng)和擠壓現(xiàn)象[6]。而空車由于重量輕,容易因制動(dòng)沖擠而壓曲上浮,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致脫軌等事故[6],因此對(duì)空重車混編列車的安全性進(jìn)行研究非常必要。

針對(duì)關(guān)門車的研究,李月亮[7]分析了關(guān)門車對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)奈：?并提出應(yīng)對(duì)關(guān)門車的合理化措施。楊世權(quán)[8]對(duì)載重60 t級(jí)的敞車關(guān)門車的關(guān)門原因進(jìn)行了詳細(xì)分析,并針對(duì)各關(guān)門故障的原因提出了對(duì)策及建議。李巖[9]對(duì)C80關(guān)門車關(guān)門原因進(jìn)行了分析。盧啟鵬[10]分析了列車中關(guān)門車運(yùn)用處置不合適時(shí)對(duì)列車運(yùn)行安全的影響。楊興光[11]建立了縱向動(dòng)力學(xué)模型,分析了將關(guān)門車編組在列車的頭部和尾部時(shí)列車的縱向車鉤力。蔣益平等[12]建立了空車編組的列車動(dòng)力學(xué)模型,研究了在常用制動(dòng)時(shí),列車中關(guān)門車的編組位置對(duì)輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等的影響規(guī)律。

在對(duì)貨運(yùn)列車空重車混編動(dòng)力學(xué)性能的研究方面,蔣益平等[6]建立了列車模型,對(duì)空車編組在列車的前部、后部時(shí),空車的數(shù)量變化對(duì)列車中車輛的脫軌系數(shù)、橫向力、輪重減載率等的影響進(jìn)行了分析。郭剛等[13]建立了列車縱向動(dòng)力學(xué)模型,分析了空重車混編時(shí),貨物列車在直線線路上緊急制動(dòng)時(shí)的縱向力分布規(guī)律。楊亮亮等[14]在研究鉤緩系統(tǒng)特性的的基礎(chǔ)上,建立了不同軸重混編的列車模型,分析了混編列車中空車比例及位置等對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響。張生玉等[15]對(duì)既有線開行27 t及以下軸重混編試驗(yàn)列車的試驗(yàn)情況進(jìn)行了分析,分析了在制動(dòng)時(shí)混編列車的的車鉤力。

以上關(guān)于關(guān)門車以及空重車混編的研究對(duì)鐵路貨車安全運(yùn)行起了極大的保障和促進(jìn)作用,但是對(duì)關(guān)門車在空重車混編列車中的研究,以及對(duì)關(guān)門車是重車或者空車對(duì)列車安全性的研究較少,在鐵路提速增效的需求下,開展這方面的研究非常必要和迫切。基于以上原因,建立空重車混編貨物列車動(dòng)力學(xué)分析模型,分析列車在提速運(yùn)行時(shí),關(guān)門車及空重車混編列車的安全性,為既有線貨物列車提速安全運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 列車動(dòng)力學(xué)建模

1.1 車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

所研究的列車模型中的車輛為載重60 t的鐵路平車,采用轉(zhuǎn)K2型轉(zhuǎn)向架。建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí),貨車車體、側(cè)架、輪對(duì)考慮6個(gè)自由度,即3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和3個(gè)平動(dòng),轉(zhuǎn)向架搖枕只考慮側(cè)滾運(yùn)動(dòng)和搖頭運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)向架的承載鞍僅考慮其繞輪對(duì)的旋轉(zhuǎn)自由度[6,12]。此外,列車中的機(jī)車還考慮電機(jī)的點(diǎn)頭自由度。根據(jù)參考文獻(xiàn)[6,12,16]的方法建立機(jī)車車輛的非線動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 機(jī)車/車輛動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Locomotive/vehicle dynamics model

1.2 列車-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型

建立機(jī)車/車輛非線性動(dòng)力學(xué)分析模型后,考慮機(jī)車車輛間以及車輛和車輛間的相互耦合作用,建立列車動(dòng)力學(xué)模型[6,12]。列車中,車輛之間安裝13號(hào)車鉤進(jìn)行連接,采用 MT-3彈簧摩擦式緩沖器,緩沖器加載特性曲線和卸載特性曲線由落錘實(shí)驗(yàn)獲得[12]。

在列車動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論[17],并綜合考慮軌道和列車之間的垂向、橫向相互作用,建立列車-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型[6]。模型詳細(xì)描述參考文獻(xiàn)[6,12,16]。

1.3 建模及求解方法

由車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理,考慮空氣制動(dòng)力、機(jī)車車輛間的相互作用以及曲線線路、坡道、風(fēng)阻等的阻力,貨物列車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如式(1)所示。其中列車在運(yùn)行過程中受到的各種阻力等按照《列車牽引計(jì)算—第1部分:機(jī)車牽引式列車》(TB/T 1407.1—2018)[18]進(jìn)行計(jì)算。

(1)

為解決列車模型自由度多,求解困難的問題,采用循環(huán)變量法[12]進(jìn)行建模和求解,根據(jù)循環(huán)變量法可將式(1)所示的列車系統(tǒng)的振動(dòng)方程分解為n個(gè)子方程也就是n個(gè)基本的積分單元,如式(2)所示,然后分別對(duì)這些積分單元進(jìn)行計(jì)算便可求解式(1)[6,12]。

(2)

2 計(jì)算條件及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí),采用美國五級(jí)譜作為線路激勵(lì),列車分別以80、85、90 km/h 制動(dòng)初速度在直線和曲線線路進(jìn)行制動(dòng),計(jì)算時(shí)所設(shè)的曲線半徑為600 m,緩和曲線長度設(shè)置為110 m,常用制動(dòng)工況列車制動(dòng)管減壓70 kPa。直線運(yùn)行時(shí)各安全性指標(biāo)取線路運(yùn)行過程中的最大值進(jìn)行評(píng)價(jià);在曲線運(yùn)行時(shí),各安全性指標(biāo)取車輛通過緩和曲線線路和圓曲線線路時(shí)的最大值用于評(píng)價(jià)[6,12]。

空重車編組采用“兩重夾一空”也即空車編組在重車中間的編組形式,列車編組為1輛機(jī)車+16輛重車+1輛空車+31輛重車+1輛空車+16輛重車,為研究空車編組在列車前后部分時(shí)的性能差異,空車分別編組在列車的前半列中間和后半列中間位置。按照《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》[4]中的相關(guān)規(guī)定,關(guān)門車數(shù)量取不能超過列車總輛數(shù)的6%,所以本次計(jì)算的列車模型中最多編組4 輛關(guān)門車,其中列車中的空車都被設(shè)定為關(guān)門車,此外,為對(duì)比分析關(guān)門車為重車時(shí)的情況,在對(duì)比分析中,還設(shè)定了相應(yīng)的位置的重車為關(guān)門車,以與關(guān)門車為空車時(shí)的情況進(jìn)行對(duì)比分析。

進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)主要采用脫軌系數(shù)和輪重減載率,根據(jù)《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB/T 5599—2019)[19]的要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)曲線半徑大于400 m時(shí),脫軌系數(shù)應(yīng)不大于1.0,在計(jì)算條件設(shè)置中,曲線線路半徑為600 m,所以列車中各車輛的脫軌系數(shù)應(yīng)小于等于1.0,方滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求。同理,計(jì)算速度均小于160 km/h,按照《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB/T 5599—2019)[19]標(biāo)準(zhǔn)要求,列車中所有車輛的輪重減載率應(yīng)小于等于0.65,方滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 關(guān)門車對(duì)空重混編列車安全性影響

3.1 關(guān)門車位置18+50編組

列車編組為1輛機(jī)車+16輛重車+1輛空車+31輛重車+1輛空車+16輛重車編組,關(guān)門車編組在第18和第50位,此兩車既是關(guān)門車也是空車。

列車在直線和曲線工況下分別以80、85、90 km/h 的制動(dòng)初速進(jìn)行常用制動(dòng)時(shí),列車及關(guān)門車的脫軌系數(shù)最大值分別如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出,列車中的關(guān)門車及其他車輛的脫軌系數(shù)都小于《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB/T 5599—2019)[19]規(guī)定的上限值1.0,符合要求。

圖2 關(guān)門車位置為18和50時(shí)直線工況脫軌系數(shù)Fig.2 Derailment coefficient on straight line while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

圖3 關(guān)門車位置為18和50時(shí)曲線工況脫軌系數(shù)Fig.3 Derailment coefficient on curved line while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

輪重減載率最大值如圖4和圖5所示,具體數(shù)值如表1所示。從圖4和圖5可以看出,輪重減載率均小于《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB/T 5599—2019)[19]規(guī)定的上限值0.65,均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而且,從圖2～圖5中也可以看出,空車關(guān)門車的脫軌系數(shù)和輪重減載率均要比列車中其余車輛的脫軌系數(shù)和輪重減載率要大。

表1 關(guān)門車位置為18和50時(shí)常用制動(dòng)工況不同速度安全性指標(biāo)最大值Table 1 Maximum safety indexes at different speeds under service braking conditions while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

圖4 關(guān)門車位置為18和50時(shí)直線工況輪重減載率Fig.4 Wheel unloading rate on straight line while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

圖5 關(guān)門車位置為18和50時(shí)曲線工況輪重減載率Fig.5 Wheel unloading rate on curved line while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

從表1可以看出,在80、85、90 km/h 3個(gè)制動(dòng)速度下,隨著制動(dòng)初速增加,在直線線路和曲線線路中,關(guān)門車的脫軌系數(shù)和輪重減載率均逐漸增大曲線線路上的脫軌系數(shù)和輪重減載率要大于直線路況上的值。

3.2 關(guān)門車位置9+18+50+59編組

在機(jī)車+16重車+空車+31重車+空車+16重車編組的列車中,將關(guān)門車編組在第9、18、50和59位,其中9號(hào)和59號(hào)車是重車關(guān)門車,18 號(hào)和50 號(hào)車是空車關(guān)門車。當(dāng)列車在直線和曲線工況下分別以80、85、90 km/h 初速進(jìn)行常用制動(dòng)工況時(shí),列車及關(guān)門車的脫軌系數(shù)如圖6和圖7所示。可以看出,列車中的關(guān)門車及其余車輛的脫軌系數(shù)均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值1.0,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 關(guān)門車位置為9、18、50、59時(shí)直線工況脫軌系數(shù)Fig.6 Derailment coefficient on straight line while wagons without braking function located in 9, 18, 50 and59 position of the train

圖7 關(guān)門車位置為9、18、50、59時(shí)曲線工況脫軌系數(shù)Fig.7 Derailment coefficient on curved line while wagons without braking function located in 9, 18,50 and59 position of the train

輪重減載率如圖8和圖9所示,具體的數(shù)值如表2所示。可以看出輪重減載率均小于《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB/T 5599—2019)[19]規(guī)定的上限值0.65,均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 關(guān)門車位置為9、18、50、59時(shí)常用制動(dòng)工況不同速度安全性指標(biāo)最大值Table 2 Maximum safety indexes at different speeds under service braking conditions while wagons without braking function located in 9, 18,50 and 59 position of the train

圖8 關(guān)門車位置為9、18、50、59時(shí)直線工況輪重減載率Fig.8 Wheel unloading rate on straight line while wagons without braking function located in 9, 18,50 and 59 position of the train

圖9 關(guān)門車位置為9、18、50、59時(shí)曲線工況輪重減載率Fig.9 Wheel unloading rate on curved line while wagons without braking function located in 9, 18,50 and 59 position of the train

從圖6～圖9和表2中可以看出,在80、85、90 km/h 3個(gè)制動(dòng)初速度下,隨著制動(dòng)初速增大,直線線路和曲線條件下的關(guān)門車的脫軌系數(shù)和輪重減載率均逐漸增大,且曲線線路上的脫軌系數(shù)和輪重減載率要大于直線路況上的值,尤其當(dāng)制動(dòng)初速為90 km/h時(shí),曲線運(yùn)行時(shí)18位空車關(guān)門車的脫軌系數(shù)達(dá)到了0.731 66,明顯大于直線運(yùn)行時(shí)的0.281 92。

從圖6～圖9中還可看出,第18和第50位的空車關(guān)門車的脫軌系數(shù)和輪重減載率都大于列車中其余重車的值,也大于第9位和第59位重車關(guān)門車的脫軌系數(shù)和輪重減載率。而重車關(guān)門車,僅脫軌系數(shù)要大于列車中其余重車的值,但輪重減載率與列車中的其余重車并無明顯差異。

3.3 關(guān)門車位置17-18-49-50編組

為進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)比列車中空車關(guān)門車和重車關(guān)門車在運(yùn)行時(shí)的性能差異,分析了在全重列車中編組關(guān)門車時(shí)的安全性,列車編組為全重車,關(guān)門車位置為17、18位和49、50位,均為重車。

列車及關(guān)門車的脫軌系數(shù)如圖10和圖11所示。可以看出,第18和第50位的重車關(guān)門車的脫軌系數(shù)要大于列車中其余重車的值。

圖10 關(guān)門車位置為17、18、49、50時(shí)直線工況脫軌系數(shù)Fig.10 Derailment coefficient on straight line while wagons without braking function located in 17, 18, 49 and 50 position of the train

圖11 關(guān)門車位置為17、18、49、50時(shí)曲線工況脫軌系數(shù)Fig.11 Derailment coefficient on curved line while wagons without braking function located in 17, 18, 49 and 50 position of the train

重車關(guān)門車的輪重減載率如圖12和圖13所示。

圖12 關(guān)門車位置為17、18、49、50時(shí)直線工況輪重減載率Fig.12 Wheel unloading rate on straight line while wagons without braking function located in 17, 18, 49 and 50 position of the train

圖13 關(guān)門車位置為17、18、49、50時(shí)曲線工況輪重減載率Fig.13 Wheel unloading rate on curved line while wagons without braking function located in 17, 18, 49 and 50 position of the train

從圖12和圖13可以看出,重車關(guān)門車的輪重減載率與列車中的其余重車并無明顯差異,這與在3.2節(jié)列車中重車關(guān)門車的規(guī)律一致。表明當(dāng)列車中的關(guān)門車為空車時(shí),其脫軌系數(shù)和輪重減載率要比關(guān)門車是重車時(shí)的脫軌系數(shù)和輪重減載率大,因此在空重車混編列車中,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)空車的制動(dòng)系統(tǒng)的檢查,盡量避免空重車混編時(shí)空車為關(guān)門車。

4 結(jié)論

當(dāng)有關(guān)門車編組時(shí),對(duì)機(jī)車+重車+空車+重車+空車+重車混合編組的貨物列車以80、85、90 km/h速度在直線和曲線線路運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)安全性進(jìn)行了分析,表明:

(1)列車中存在關(guān)門車時(shí),關(guān)門車及列車中其他車輛的脫軌系數(shù)和輪重減載率都在《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB/T 5599—2019)[19]規(guī)定的限度值以內(nèi),符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)當(dāng)空重車混編貨物列車中的關(guān)門車為空車時(shí),關(guān)門車的脫軌系數(shù)和輪重減載率均明顯大于列車中其余車輛的值,也比關(guān)門車為重車時(shí)的脫軌系數(shù)和輪重減載率大。

(3)當(dāng)空重車混編貨物列車中的關(guān)門車是重車時(shí),其脫軌系數(shù)稍大于列車中其余車輛的脫軌系數(shù),但輪重減載率與列車中其余車輛的值無明顯差異。

(4)在列車常用制動(dòng)工況中,隨著制動(dòng)初速的增大,脫軌系數(shù)和輪重減載率都有所增大;曲線線路上的脫軌系數(shù)和輪重減載率都大于直線線路上運(yùn)行時(shí)的值。

研究成果將為普速列車提速時(shí),空重車混合編組列車中關(guān)門車的編組數(shù)量和編組位置提供技術(shù)參考,但本次研究只是理論研究,實(shí)際編組時(shí)還應(yīng)結(jié)合線路試驗(yàn)情況進(jìn)行綜合考慮。