重載條件下防溜鐵鞋在風區不同路段應用防溜效果分析

摘要：為研究重載列車編組在大風區，雪天等惡劣停車環境下的防溜安全問題，建立C80E貨車防溜的仿真模型，計算不同風速，不同坡度，不同氣候狀態下防溜鐵鞋提供制動阻力數值；建立重載列車編組在坡道停留時的力學模型，按照列車編組在無制動力的狀態下，風力、鐵鞋制動阻力、列車啟動基本阻力的綜合作用下保證列車不發生溜逸，確定不同情況下單個鐵鞋能防溜的編組數目，確定其現場使用規范。結果表明：防溜鐵鞋置于C80E貨車車輪下，滿載狀態下，摩擦系數最小時制動阻力為12.57"kN，摩擦系數最大時制動阻力為77.68"kN；一只鐵鞋防止列車溜車的最大編組數目：允許停車的最大坡度6‰和雪天條件下，每2節C80E重載貨車需配一個鐵鞋，疊加10級縱向風時，每1節C80E重載貨車需配一個鐵鞋。

關鍵詞：重載列車；惡劣環境；列車溜逸；防溜鐵鞋制動阻力；可防溜編組

中圖分類號：U279.5 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.007

文章編號：1006-0316 （2024） 09-0045-08

Abstract：In order to study the runaway"problem of heavy-haul train formations"in adverse"stopping"conditions"such"as"high"winds"and"heavy"snow， a simulation model of anti-slip"C80E freight car"is"established， and the braking resistance values"of anti-slip"shoes under different wind speeds， gradients"and climate conditions."The mechanical model of heavy-haul"train formations"stopping"on"the"ramp is established， and"under"the"premise"that"the train formation，"without braking force， will"not"run"away"due to the"combined effects of"the"wind force， the"braking"resistance of the"anti-slip"shoes and the"basic startup"resistance of the train， the number of formation"units that each"shoe"can prevent from runaway"under different circumstances is determined， and the"field operational guidelines are determined. The results show that when the shoes are set under the wheels"of the"C80E freight car under full load， the braking resistance with"the"minimum friction coefficient is 12.57"kN， and the braking resistance with"the"maximum friction coefficient is 77.68"kN. The maximum number of formation"units"that"each"shoe can"prevent the train from runaway： under the maximum allowable stopping"gradient"of 6‰ and snow conditions， every two"cars"need to be equipped with one shoe; under"a"10 longitudinal wind， each"car"needs"to be equipped with one shoe.

Key words：heavy-haul train；adverse"conditions；train runaway；anti-slip"shoe braking"resistance；anti-slip"train formation

防溜鐵鞋是廣泛運用于機車、動車、貨車停留時的防溜安全措施，尤其是重載列車，由于其質量大，且車輛自身不具備制動能力，針對防溜措施的要求較高，防溜鐵鞋作為主流防溜器具廣泛運用于貨運線路。2022年4月14日13時許，一列停放在大秦鐵路翠屏山站的貨車發生溜逸脫線，其中11輛墜落鐵路橋下，事故未造成人員傷亡，造成了巨大的經濟損失，投入了巨大的人力物力進行搶修，并且導致了貨運線路中斷。大秦線的事故引起了大家對防溜器具使用的思考。

周揚[1]提出車輛溜逸指的是重載列車停留時，由于其在自身重力和外力的作用下發生的不受人為控制的溜動，或者是沒有采取相應的防溜措施，導致列車失控進而造成的行車事故。車輛溜逸主要原因一般是線路坡度問題，氣候條件問題以及沒采取止輪措施或止輪措施不當，導致車輛溜動。徐偉[2]提出目前我國鐵路車輛防溜主要方式有人工上鐵鞋、人工擰手閘、停車防溜器和停車頂4種。其中，人工上鐵鞋防溜方式大多數在中間站使用，人工鐵鞋具有結構單一、使用簡單、不需借用外部能源、經濟適用等特點，但防溜鐵鞋的使用數量和使用場景大多是通過現場經驗判斷，對于防溜鐵鞋的防溜能力研究多停留于20世紀，對于一個防溜鐵鞋到底能提供多少制動阻力，能實現多少防溜編組一直沒有清晰的研究，尤其是大編組列車，王蒙等[3]提出2萬噸列車是我國目前重載運輸最長編組列車，要開行3萬噸列車，影響3萬噸列車運行的因素有編組方式、操縱方法、機車牽引、車輛的制動特性以及線路狀況等，車輛防溜制動特性尤其重要。

現針對列車停車防溜問題，很多人提出了研究方法和研究模型。宋陽陽[4]對列車空氣動力學以及列車防溜原理進行分析，利用計算流體力學的方法得到了平地路段、路堤路段以及路塹路段三種不同路基結構中停留動車組的氣動力，并研究了強風地區停留動車組的氣動特性。丁陽[5]提出了一種新型防溜器具，液壓式防溜裝置，通過理論計算與三維建模，從傳動裝置和動力系統上對液壓式防溜系統進行了結構優化。姜洪偉等[6]提出無線射頻技術應用于防溜鐵鞋管理，通過微功率無線通訊技術監管防溜鐵鞋。付博[7]提出了TDDH停車防溜器控制系統，通過停車防溜器控制系統與SAM控制系統結合，可提高站場集中控制、自動化控制的能力，減少了人工操作環節，提高了調車作業安全性，從而提高站場作業效率。孟志剛等[8]設計研發了一種機車車輛自動防溜裝置，能夠使車輛發生溜車時，將防溜鐵鞋自動卡近車輪中，進行列車制動。

針對列車防溜問題，大多都是通過研發新的防溜器具或者改進防溜器具，陳所利[9]提出一種新型鐵鞋，其優點主要是避免溜放編組作業中，車輛由于使用現有鐵鞋制動而產生滑行制動，造成程度不同的擦傷踏面。針對鐵鞋適用性馬樹布[10]提出加長鞋底加裝可調踏面以加大鐵鞋適用范圍，劉明翔等[11]對防溜鐵鞋進行了理論受力分析并提出了加高鞋底的高度增加防溜能力等建議，但對使用了幾十年的防溜鐵鞋，其能提供的制動力，其作用場景并沒有進行研究，也沒有一個使用規范。上一次系統進行防溜鐵鞋制動阻力理論研究文章[12]發表于1981年，現在缺乏使用標準和防溜器具制動阻力的理論依據。保魯昆等[13]指出缺少停車防溜器測試驗證規范，包括停車防溜器安裝完成后，是否能夠滿足停車和防溜的需求，目前多數車站采用現場試驗的方法。

防溜鐵鞋的現場使用大多通過現場經驗判斷使用，由于近年來隨著鐵路的發展，重載列車開發了新型編組，新型車輛，對防溜的需求發生了改變，大秦線更是采用了20世紀沒有的2萬噸編組列車，原有的防溜措施是否依舊滿足于現階段的列車使用需求，需要對原有的防溜鐵鞋進行服役性能分析，其防溜能力是否還滿足于現有的列車編組使用，開展防溜鐵鞋的制動阻力計算和仿真研究成為了一個必要性的問題，通過有限元仿真的方法，提出不同天氣、坡度等情況下，一個防溜鐵鞋能提供多大的制動阻力，同時提出常用編組例如大秦線常用編組[14]1萬噸、1.5萬噸、2萬噸級貨車所需防溜力，一個防溜鐵鞋具備多少防溜效果，能實現多少編組防溜效果，為現場防溜鐵鞋使用提供理論依據和使用標準。

1 模型介紹

1.1"列車停放防溜分析模型

重載列車在風區坡道停留時受多個力作用，本文以一節貨車為例建立列車受力分析圖如圖1所示。

防溜鐵鞋常運用于重載列車停留時列車制動失效，列車自身制動力為0；列車制動力主要由FTX和Wq構成，主動力為列車重力G1產生的縱向分力和FW[15]。

FTX為列車防溜鐵鞋制動阻力；Wq為列車起動基本阻力；G1為列車自身重力；FW為大風對列車的縱向推力；α為坡度。

FTX的計算如下[15]：

式中：GTX為防溜鐵鞋重力；N為貨車對防溜鐵鞋的正壓力；μ為防溜鐵鞋與鋼軌之間的摩擦系數。

的計算如下[16]：

式中：P為機車總質量；G為牽引重量；為機車單位起動阻力；為貨車單位起動阻力；g為當地重力加速度取。

根據現場試驗測得C80E貨車起動阻力在0.5～1.0"N/kN范圍內，本文選用0.8"N/kN作為C80E起動阻力的計算值進行計算。

李志偉等[15]提出當風向角為30°左右時，車輛縱向氣動力達到最大，即縱向風對列車防溜產生最大影響的風向角為30°。

列車縱向氣動力計算公式如下：

式中：W0為風壓；V0為風速，考慮風速對列車防溜最惡劣情況下的影響，風速方向與列車運

行方向重合；根據大秦線運行區間各站海拔情況，選擇取秦皇島海拔作為計算z＝20；S為車體橫截面積）

根據相關規定，本文坡道設置為1‰～6‰，風速為0～10級，根據本文提出防溜鐵鞋與鋼軌之間摩擦系數試驗平均最值為0.58，摩擦系數取表1中所示[17-18]。

1.2 防溜鐵鞋有限元模型

本文采用ABAQUS軟件建立了圖2所示的車輪、防溜鐵鞋和鋼軌的靜態接觸有限元模型。

模型特點如下：

（1）采用了現場最常用使用的840型號的防溜鐵鞋建模，根據TB/T"3162.3－2007標準[18]鐵鞋的尺寸建立；由于車輪產生的作用由防溜鐵鞋傳遞給鋼軌，車輪與防溜鐵鞋作為一個整體系統考慮，由于本文主要考慮防溜鐵鞋與鋼軌之間的作用關系，車輪形狀對計算結果無影響，將車輪等效為直徑相同的圓盤建立模型。

（2）鋼軌選用CN60軌，為保證鐵鞋與鋼軌接觸完全，采用鐵鞋總長三倍的長度，總長為800"mm。

（3）該模型考慮了一個車輪與單側直線軌道接觸，忽略輪對橫移的影響，車輪以上全部部件簡化為剛體或質點，忽略車輪偏心不均勻磨耗等問題，為計算出防溜鐵鞋制動阻力，模擬車輪和防溜鐵鞋整體與鋼軌的接觸狀態、力傳遞狀態，防溜鐵鞋鞋底與鋼軌表面之間為硬接觸，采用庫倫摩擦力接觸方式。

（4）有限元模型計算時，通過理論計算得出鐵鞋制動阻力最大值，以該最大值作為中心值在其附近建立六個分析步，對防溜鐵鞋制動阻力的極值進行多步逼近得到模擬仿真的防溜鐵鞋最大制動阻力。

（5）車輪以上部件質量、列車編組力以及車輪自重載荷加載于圓盤回轉中心處；為避免力偏心影響，坐標原點定于防溜鐵鞋鞋底右端處，防溜鐵鞋邊界條件設置于鋼軌上表面處，鋼軌底面固定，采用六面體網格劃分，最小單元尺寸取10"mm，模型總節點數和總單元數為5.5萬和3.4萬。模型參數如表2所示。

（6）輸出結果為鋼軌表面縱向反力即是防溜鐵鞋所能提供的最大制動阻力。

2"結果分析

2.1 防溜鐵鞋制動阻力值

通過有限元模型對列車理論防溜模型中各個參量進行了計算，得到了防溜鐵鞋制動阻力值，結果如圖3所示。

根據圖3中結果可知，防溜鐵鞋制動阻力與摩擦系數和軸重有關，摩擦系數在0.1～0.6區間變化，重載情況下，一只防溜鐵鞋放置于鋼軌上時能對車輪產生的制動阻力為12.57 ～77.68 kN，空載時候為2.86～17.63"kN，軸重越大，防溜鐵鞋制動阻力越大，摩擦系數越大，防溜鐵鞋制動阻力越大。不同坡度對應的防溜鐵鞋制動阻力如表3所示。

從表3中可看出，坡度變化對防溜鐵鞋制動阻力的影響極小，不到1%，可以得出坡度對于防溜鐵鞋制動力幾乎無影響。

2.2 列車防溜模型計算結果

2.2.1 起動阻力結果

根據文中所提工況，以現場試驗實測得起動阻力系數，對編組列車起動阻力值進行計算，其計算結果如表4所示。

從表中可看出，起動阻力的數值隨著編組數目的增加而增大，重車編組的起動阻力明顯大于空車編組的起動阻力。

2.2.2 風力產生的列車縱向力結果

從圖4可看出隨著風力增大風致縱向力呈二次函數關系，隨著編組數目的增加，風力對列車的影響越大，風力等級十級時，對C80E的204節編組車能產生408.52"kN的縱向力。

3 討論及應用建議

3.1"不同風速C80E貨車在坡道上停放工況

3.1.1 列車204編組停車所需防溜力

橫坐標為坡度，縱坐標為列車防溜力，六條不同顏色的曲線依次代表風速等級從0級到10級，曲線總體趨勢相同，列車所需防溜力和坡度呈正相關系。

對比圖5（a）和圖5（b）可知重車所需的防溜力大于空車的防溜力，同時從重載編組所需防溜力圖8中結果來看，風速對于列車防溜的影響主要在6級風速以上才會產生較大影響，影響列車所需防溜力大小的主要因素還是坡度，對于空載編組，趨勢與重載編組相同。

3.1.2 無風/最不利風速單個防溜鐵鞋所能防溜編組數目

根據列車防溜狀態分析得到各個參數之間的物理關系可知，一只鐵鞋可防溜的編組如圖6所示。根據圖6可知，橫坐標為摩擦系數，縱坐標為列車可防溜編組數目，六條不同顏色的曲線依次代表坡度1‰～6‰，其變化趨勢是隨著摩擦系數的增加，可防溜編組數目也增加。

滿載車輛在風速為0的情況下，坡度1‰時，防溜效果好，但是坡度超過1‰后防溜效果急劇變差，其主要原因是坡度為1‰時，列車起動基本阻力對列車防溜工作有較大的幫助，坡度增大后列車縱向力增大，列車起動阻力相比于列車縱向力的比值變小導致可防溜編組數急劇下降。

對比圖7（a）和圖7（b）可以看出隨著風速的增加，防溜鐵鞋可防溜編組數變化大，特別是在坡度較小時，風速對可防溜編組的影響更大。在坡度較大時，隨著風速的增加，可防溜編組的變化相較于較小的坡度變化更小，其主要原因是坡度增大后列車縱向力增大，風速對于列車的影響相對減弱。

對比圖6（a）和圖7（a）可以看出在10級風時，空載列車的防溜效果比重載列車防溜效果差，在坡度1‰，摩擦系數0.3時，重載編組能夠達到8節車的防溜效果，而空載編組僅只能達到1節車的防溜效果。隨著風速的增大列車的防溜編組數會隨之減少，在本文選用工況風力等級在10級風以下天氣情況，列車具有一定的防溜作用。

4 結論

（1）防溜鐵鞋制動阻力大小主要與鐵鞋載重和防溜鐵鞋與鋼軌之間摩擦系數有關，坡度對防溜鐵鞋制動阻力影響可忽略不計。

（2）根據所采用工況，防溜鐵鞋使用在C80E型貨車輪下且制動阻力在最惡劣條件摩擦系數為0.1時，防溜鐵鞋制動阻力僅有12.57 kN，在摩擦系數為0.6時能達到77.68 kN。

（3）列車防溜力的大小與編組數目、風速、摩擦系數均相關。分別考慮了空重載C80E貨車，在204節編組，坡度為6‰時，風力10級，重載需要1604.1 kN防溜力，空載需要645.3"kN。

（4）C80E重載列車停留在6‰坡度下，摩擦系數最差為0.1時，風力等級為10級時，2節編組需要配備一個鐵鞋，防溜效果很差；在1‰坡度下，摩擦系數最好為0.6時，風力等級為0級時，378節編組只需要1個鐵鞋，風力等級為10級時，17節編組需要1個鐵鞋。大風天氣對列車防溜工作影響很大，風力等級越大，對列車防溜的影響越大。

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