列车混编对曲线通过安全性的影响分析*

田光荣,张卫华,池茂儒,熊 芯

(1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081;2 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,四川成都610031)

长期以来,我国铁路运能与运量之间的矛盾异常突出[1]。发展长大列车重载运输因其显著的功能特点和经济效益而被国际社会公认为铁路货运发展方向[2],故其为解决我国日益激化的铁路货运矛盾的重要途径和根本对策。

列车编组数量的增加引起编组形式的多变,空重车混编成为常见的一种货物列车编组形式,研究表明[3]:车辆在列车编组中的位置对车辆的脱轨等安全性能有较大的影响。随着列车编组的增加及牵引总重的提高,线路破坏、制动失灵、断钩、脱轨等运输安全问题也逐渐突显出来,严重制约了长大列车重载运输的发展[1]。此外,在曲线区段,由于离心力、线路外轨超高及动态变化的曲率等因素,列车运行时产生的惯性离心力及冲击力,将给列车的安全性及舒适度带来不利的影响。现有研究表明[4]:列车在曲线线路上的动力学性能较平直线路上更差。有必要对空重混编重载列车曲线通过安全性能的影响进行深入分析。

1 列车线路模型及求解方法

计算所采用的车辆模型及参数详见文献[5]。转向架采用的是交叉支撑三大件式转向架,交叉杆作为弹性约束加在两侧架之间,车端悬挂装置采用17号车钩和MT-2型缓冲器,缓冲器考虑了其迟滞特性。每辆车由1个车体、2个摇枕、4个侧架和4个轮对共计11个刚体组成。车体取6个自由度,即纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头;侧架取5个自由度,即纵向、横向、垂向、摇头和点头;摇枕只取1个自由度,即摇头;轮对取4个自由度,即纵向、横向、摇头和点头,每辆车的自由度共计44个。这样,可以把列车的纵向、横向和垂向运动空间耦合在一起,从而较为便捷和准确地建立一个更接近实际的全自由度空间耦合模型。为了便于比较分析,文中所有仿真计算所采用的列车编组均设定为61辆。

图1 曲线线路示意图

由于主要分析混编列车的曲线通过性能,故曲线特征尤为重要。计算采用的曲线线路如图1所示,图中A、B、C、D为曲线相邻区段的转折点,即直缓点和缓圆点。缓和曲线在直线和圆曲线之间起到连接作用,在直线上曲率、超高均为零,而在圆曲线上曲率、外轨超高是一个稳定值。缓和曲线的存在,缓和了曲率、外轨超高的变化幅度,防止曲线运行的离心力、外轨超高不连续等形成的冲击力突然产生和消失,以保持列车曲线运行时的平稳性和安全性。在缓和曲线范围内,曲线半径由无限大逐渐变到圆曲线半径,外轨超高由零逐步上升到圆曲线的超高值。线路参数详见表1。

表1 曲线参数设置

列车动力学问题是一个复杂的系统问题,目前国内外研究成果多是根据实际需要对列车动力学模型有针对性地予以简化处理,借助于垂向、横向和纵向运动解耦以减少自由度。而且,研究成果大都集中于纵向动力学,而对列车的横向和垂向动力学研究得很少,且很不透彻[6,7]。主要原因在于编组辆数的增加导致了计算的困难;再者,编组方式改变将导致整个列车动力学模型的修改,建模的通用性和灵活性很差。故本文采用基于循环变量的模块化方法[8,9],它可以突破传统列车动力学研究中所遇到的诸如自由度繁杂等建模及求解难题,快捷地建立列车三维空间耦合动力学模型,考虑列车中车与车之间的耦合和相互影响,对牵引及制动等工况也可以进行有效仿真。

2 车辆与列车曲线通过安全性比较

比较车辆与列车曲线通过安全性的差异,为此选用轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率等3个典型的安全性指标,比较车辆与列车牵引、惰行和制动条件下的曲线通过性能,其中牵引工况下的机车轮周牵引力为100 kN,制动阻力100 kN。由于对于车辆模型而言,仅包含一辆车,故对比分析中列车是以头车作为比较对象。此外,为了清晰区别车辆和列车动力学性能的差异,此处未考虑线路上轨道随机不平顺的影响,即稳态曲线通过性能分析。

为直观起见,图2中仅给出了车辆和列车通过图1所示S曲线的前半段曲线中轮重减载率的对比结果,可以看出,车辆的轮重减载率与列车惰行及制动时相比差别不大,与列车牵引运行相比差别较大,其最大平均值的比较可直观的从图3得知。图3给出了车辆、列车牵引、制动及惰行状态的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力的比较,可以看出,脱轨系数和轮轨横向力的结果趋势和轮重减载率类似。分析原因在于列车在牵引力作用下将会发生轴重转移,导致轮重减载率的增大;此外,由于牵引工况条件下,牵引力引起车钩力的变化,特别是车钩横向分力又引起轮轨横向力的变化,根据脱轨系数的公式,可进一步导致脱轨系数的增大。制动工况下,由于制动阻力引起速度的降低,进一步导致曲线通过安全性指标的降低。综上而言,在惰行工况下,车辆和列车的曲线通过安全性较为近似,一旦将牵引力或制动力考虑进来,势必引起列车的力动平衡在一定程度上导致其性能的差异,此趋势在圆曲线区段体现的尤为明显。

图2 轮重减载率比较

图3 单车与列车曲线通过安全性比较

3 混编列车曲线通过安全性分析

3.1 空车不同位置曲线通过安全性比较

将1辆空车分别放置于61辆编组货物列车的头部(No.1)、中部(No.31)和尾部(No.61),其余位置均为重车,为便于分析空车与相邻车辆的相互作用,列车处于牵引运行工况,牵引力100 kN。从两个方面进行分析:首先,研究空车处于不同位置时其本身曲线通过安全性的差异;其次,研究空车处于不同位置时整列车动力学性能的差异,即空车位置对列车曲线通过性能的影响。

根据图4～图5的分析表明:空车自身的曲线通过安全性指标与其在列车中的位置密切相关。当空车位于列车头部时,其脱轨系数和轮重减载率最小,即曲线通过安全性最好;当空车位于列车中部时,其曲线通过安全性最差,此时空车处于两端连续重车的中间,而且与直线相比曲线会对列车的运行产生附加阻力,使得轮轨接触的横向阻力增大,出现前堵后拥的现象,而中部空车质量较轻,这样将导致其轮轨脱离,即脱轨,同时轮重减载率也恶化;当空车位于列车尾部的时候,其脱轨系数和轮重减载率鉴于前两种位置相应指标之间,更接近于空车位于中部的情况。总体而言,空车位于空重混编列车头部时曲线通过性能最好,位于尾部时次之,位于中部时最差。原因在于相比单车而言,列车的各辆车之间有连接装置,即车辆之间存在耦合作用,特别是相邻车辆之间将有明显的相互影响。空车的安全性能比重车差,重车距离空车越近,空车对重车的影响也就越大。

图4 空车不同位置时脱轨系数比较

图5 空车不同位置时轮重减载率比较

前面比较了空车位于混编列车前中后不同位置时空车本身的曲线通过安全性能,接下来将分析空车位于不同位置时其对整列混编列车的曲线通过安全性的影响,对比结果见表2。可以看出,当把1辆空车分别放置在61辆编组列车的不同位置时,其对整列车的曲线通过安全性的影响规律与空车本身曲线通过性能的变化趋势一致——当空车位于混编列车头部时,其轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率均是最小的,即曲线通过安全性最好;当空车位于混编列车尾部的时候,其曲线通过安全性最差;空车位于列车中部时其性能介于前二者之间,总体差别不是特别大。列车通过曲线的时候,机车车辆是由轮轨横向力进行导向的,而且由于曲线及外轨超高的影响,重载车辆通过小曲线半径的时候会出现较大的轮轨横向力。对于空重混编列车,空车的轮轨横向力在小曲线半径明显要小于重车。对于单一编组的列车,尾部车辆动力学性能要差于其他位置,当尾部为空车时,对列车的动力学性能影响就比单一编组时更为明显。

表2 不同编组方案中列车曲线通过安全性指标最大值比较

3.2 列车前中后空车的曲线通过比较

为了解同一列车中不同位置空车曲线通过安全性能的差异,在61辆编组列车的第1位、第31位和第61位各放置一辆空车,其余位置为重车,根据2节分析结果,列车惰行和牵引工况条件下的动力学性能差异较大,故分别考虑列车惰行和牵引两种工况。

图6、图7首先表明的就是空重车的曲线通过性能是有差异的:空车的脱轨系数明显大于重车;重车的轮重减载率则明显大于空车。由图6可知惰行条件下,对处于混编列车不同位置的3辆空车,其脱轨系数相差不大,但是位于列车中部的空车的轮重减载率最小,位于头部的空车则最大。由图7可知,在牵引工况下,脱轨系数最小是头部的空车,轮重减载率最小的则是位于尾部的空车。根据图8进一步分析牵引工况下,位于混编列车头部、中部和尾部的3辆空车的脱轨系数和轮重减载率的时间变化历程。由图8(a)可知,3辆车的脱轨系数差别不甚明显,均是S型曲线前半段上的值小于后半段上的值。但由图8(b)看出,在前半个S曲线上,头部空车的轮重减载率最大,尾部空车最小,而后半个S曲线上则是尾部空车轮重减载率最大,头部空车的值最小。驶出曲线之后一段时间内,三者的对比结果又类似于前半个S曲线。

图6 不同位置空车曲线通过安全性能比较(惰行)

图7 不同位置空车曲线通过安全性能比较(牵引)

总体而言,当列车前部、中部和尾部同时有空车时,列车牵引和列车惰行时其曲线通过性能有较明显的差异。

4 结论

通过空、重车混编对重载列车曲线通过安全性的初步分析,得到结论:

图8 牵引工况不同位置空车曲线通过安全性能比较

(1)运用新的列车动力学建模和仿真方法可以较为清晰地分析列车混编,尤其是空重车混编对其曲线通过安全性能的影响;

(2)单车的曲线通过性能与列车惰行时相比较为接近,与列车牵引状态相比差异较大。主要是由于牵引力导致轴重发生转移,另一方面,由于列车各车间存在耦合作用,牵引力引起车钩力的变化,进一步导致列车动力学性能的差异,所以车辆和列车的动力学性能有一定区别;

(3)当空车位于混编列车头部时,空车本身及整列车的曲线通过安全性均是最好,前者是空车位于列车中部时最差,而后者是空车位于列车尾部时最差;

(4)出现较大脱轨系数和轮重减载率的车辆主要是空重混编列车中的空车,特别是连续重车后面紧接着的空车,这对重载列车的曲线通过安全性极为不利。

[1] 严隽耄,翟婉明,陈 清等.重载列车系统动力学[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[2] 钱立新.国际铁路重载运输发展概况[J].铁道运输与经济,2002,24(12):55-56.

[3] 向 俊,曾庆元.轻重车辆混编对列车脱轨安全性的影响分析[J].长沙铁道学院学报,2002,20(3):1-6.

[4] 马卫华,王自力.缓和曲线长度对2C0轴式机车曲线通过性能的影响[J].内燃机车,2005,377(7):16-18.

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