青藏铁路大型设备运输车辆动力学性能分析

王新锐,陈政南,苗晓雨,张天婴

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)

青藏铁路是中国实施西部大开发战略的标志性工程,是我国第一条通往西藏的铁路,也是世界上海拔最高的高原铁路,无论从我国的经济方面还是战略方面都具有非常重要的意义和地位。青藏铁路少不了大件的运输任务,就是从现有的试验数据资料,分析在青藏线和内地其他线路上车辆动力学性能的变化,从而分析大件货物运输时车辆运行的安全性(动力学性能),并在现有大件运输监测方案的基础上,提出青藏铁路大件运输或军事装备运输时重点监测的方面。

1 青藏铁路概况

青藏铁路东起青海省省会西宁,西至西藏自治区首府拉萨,全长1 956 km。其中,西宁至格尔木段814 km于1984年投入运营。大部分区段海拔在3 000 m以上,见图1。青藏铁路格尔木至拉萨段,全长1 142 km,于2006年7月1日投入运营。格拉段穿越550多km的多年冻土地段,全线平均海拔在4 500 m以上。铁路穿越海拔4 000 m以上的地段为960 km。见图 2。青藏铁路是当今世界海拔最高、线路最长的高原铁路,沿线常年平均气温在零摄氏度以下,空气中的含氧量仅为平原地区的一半。

图1 青藏线(西格段)海拔高度示意图

图2 青藏线(格拉段)海拔高度示意图

2 不同线路条件下车辆运行安全性分析[1,2]

2006年5月间中国铁道科学研究院机车车辆研究所(简称铁科院机辆所)在青藏线上对德国KIROW 公司生产的一辆KRC1600HA型铁路救援起重机进行了动力学性能试验。2008年9月间铁科院机辆所在兰州铁路局兰新线兰州西站—天祝站间对德国KIROW 公司生产的KRC1600HDCT型铁路救援起重机进行了动力学性能试验(图3)。两次试验最高试验速度分别为133 km/h和133.6 km/h。KRC1600HA型铁路救援起重机和KRC1600HDCT型铁路救援起重机在结构上完全一样,只是在电气控制方面有所调整,所以这两次动力学性能有很强的对比性,能够很好地说明青藏铁路线路条件对车辆(货车)动力学性能的综合影响。该类型起重机最高运行速度120 km/h,最大起升总重160 t,走行部由4个2轴转向架组成,轴重24 t,对于分析长大货物车在青藏线上的动力学性能有很好的借鉴意义。

图3 KRC1600HDCT型铁路救援起重机

2.1 试验条件

2.1.1 试验线路

青藏线KRC1600HA型起重机动力学性能试验的曲线及侧线试验在青藏公司管内西格线西宁至巴燕间进行,全长60多 km,最高限速 100 km/h,包括R300,R400,R600,R800 m曲线多处。直线工况(包括大曲线)试验在格拉线格尔木至五道梁间250多km间进行,最高试验速度133 km/h。

兰新线KRC1600HDCT型铁路救援起重机动力学性能试验在兰州西站—天祝站之间上、下行区间进行。试验区段长约135 km,包括R300,R400,R600,R800 m曲线多处(最大超高120 mm)。

2.1.2 试验速度

两次试验的试验速度设计都是相同的。直线试验速度为60,70,80,90,100,110,120,132 km/h;曲线试验速度按曲线最大允许速度执行;侧线试验速度按45 km/h(12#侧线道岔)和30 km/h(9#侧线道岔)执行。

2.2 试验数据对比分析

无论是青藏线格拉段(直线工况),还是西格段(曲线工况)上救援起重机的动力学性能指标均符合GB/T 5599-1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》的要求[1,2]。

2.2.1 青藏线格拉段(直线工况)

总体分析青藏线救援起重机的动力学性能指标大于兰新线,特别是青藏线格拉段(直线工况)比较明显,比如脱轨系数(图4)、轮重减载率(图 5)和轮轴横向力(图6)等稳定性指标。平稳性指标和转向架的弹簧动挠度也表现出同样的规律,见图7～图9。图 9还表明青藏线格拉段的弹簧动挠度最大与平均值相差也较大,说明线路状态相对稍差。按照通常的经验,结构相同的车辆其动力学性能基本一致。青藏线格拉段是2006年7月1日正式运营,属新建线路,而且地处高寒地区,存在常年冻土带。显然对于这两次试验动力学性能指标的差异,青藏线(格拉段)特殊地理、气候、环境因素下的线路条件的影响是主要因素。

图4 铁路救援起重机试验数据对比——脱轨系数(直线工况)

图5 铁路救援起重机试验数据对比——轮重减载率(直线工况)

图6 铁路救援起重机试验数据对比——轮轴横向力(直线工况)

图7 铁路救援起重机试验数据对比——横向平稳性指标(直线工况)

图8 铁路救援起重机试验数据对比——垂向平稳性指标(直线工况)

图9 铁路救援起重机试验数据对比——弹簧动挠度(直线工况)

2.2.2 青藏线西格段(曲线工况)

青藏线西格段为曲线试验工况,在西格段的测试结果略大于兰新线,但这种差别不明显。图10～图12分别是曲线工况下脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力的变化图;图13和图14分别是横向、垂向平稳性指标变化图。曲线工况下特征说明:一方面,青藏线(西格段)是1984年建成投入运营,属于老线路,线路条件比较稳定,更接近于内地线路状况,测试结果也趋于相近;另一方面,与不同地域的环境条件相比,曲线本身的特征参数(曲线半径、超高、顺坡率等)是影响动力学性能指标的更主要的因素。

图10 铁路救援起重机试验数据对比——脱轨系数(曲线工况)

图11 铁路救援起重机试验数据对比——轮重减载率(曲线工况)

图12 铁路救援起重机试验数据对比——轮轴横向力(曲线工况)

图13 铁路救援起重机试验数据对比——横向平稳性指标(曲线工况)

图14 铁路救援起重机试验数据对比——垂向平稳性指标(曲线工况)

3 不同气候条件下车辆运行安全性分析

前面以救援起重机的试验数据分析,对青藏线与内地通常(平原)线路动力学性能试验进行了详细的对比分析,比较充分地说明了青藏线路(地理)综合条件对车辆动力学性能的影响。由于这两次试验均在天气尚好的条件下进行,所以气温、大风和雨雪对铁路货车动力学性能的影响还没有完全在试验中反映出来。青藏铁路不但地质状况复杂,天气条件也多变,时常出现大风、雨雪,天气比较寒冷。这种天气条件下,不太可能在青藏线进行动力学性能试验。因此,我们根据现有的货车试验数据分析不同气温(夏天与冬天)、大风和雨雪条件下,货车动力学性能变化情况,为青藏线铁路货车的运行,特别是大件运输车辆提供运输安全技术支持。

3.1 气温的影响

我国东北地区冬天气温一般-20℃～-30℃,夏天一般在零上30℃,最大相对温差在60℃上下,接近于青藏线的气温变化范围。在这两个极端条件下的试验数据能够很好地反映出气温对车辆性能的影响(对测试的影响)。图 15、图 16是DQ35型钳夹式货车运输两台哈尔滨电机厂生产的发电机定子的监测数据对比图[3,4],定子及附件运输总重318 t。运输区间:哈尔滨电机厂至许昌禹州电厂,第1台和第2台运输路径完全一样,货物(定子)完全一样,使用车辆均为同一辆车(DQ35型钳夹式货车),只是运输时间第一台在夏季(7月21日～8月2日),另一台在冬季(11月10日～11月22日)。因此,这两次大件运输是反映气温对车辆运行性能或测试结果影响的典型例子。

图15的动应力测试数据、图16的振动加速度和弹簧动态位移测试数据表明,第1台运输过程中的监测数据与第2台的监测数据基本一致,整体上没有明显区别,个别波动也属正常的变化。车辆轮轨力的测试也是基于车轮应力测试,所以,车辆本身的运行稳定性随气温变化没有明显的变化。由此可认为青藏线的气温条件不会明显影响到货车或大件运输的车辆动力学性能。

图15 DQ35型钳夹车哈尔滨—禹州电厂2台定子运输应力测试数据对比

图16 DQ35型钳夹车哈尔滨—禹州电厂2台定子运输加速度和位移数据对比

3.2 大风的影响[5]

2009年4～5月在乌鲁木齐铁路局管内的兰新线上,对4辆被试货车(单层集装箱车、双层集装箱车、棚车、敞车)进行了在大风环境条件下的动力学性能试验,以研究在新疆大风环境下被试货车的运行稳定性和运行平稳性是否符合要求,为挡风墙的设计和进一步研究提供数据,为大风环境下列车运行管理提供依据。青藏线上大风、雨雪天气多变,很难正好抓住大风情况下的记录,所以在青藏线上进行大风试验存在较大的困难。这次新疆大风试验是在比较严酷条件下的一次比较全面的试验,对青藏线货物运输特别是大件运输的安全性有很好借鉴意义。

新疆大风试验的试验线路为兰新线百里风区的瞭墩—小草湖之间(K1 440+125—K1 530+367)。表1是2009年进行的新疆大风试验的基本信息。

表1 2009年新疆大风试验最高试验速度及风速汇总

单层集装箱车(空箱)、空棚车、空敞车的动力学性能指标均符合标准要求;双层集装箱(空箱)的倾覆系数、脱轨系数、轮轴横向力和运行平稳性指标均符合标准要求,但轮重减载率超限严重。图17表明双层集装箱(空箱)车的轮重减载率有部分点超过了安全限度值0.65,无挡风墙时超限点相对较多。超限主要出现在无挡风墙、路堑、进入路堑前50 m内、插入式挡风墙的薄弱环节等。试验结果表明,轮重减载率和倾覆系数是受风载影响最大的动力学性能指标。风载作用下迎风侧轮重减载率明显增大,车辆同侧4个车轮的变化过程类似,倾覆系数的变化过程与轮重减载率类似,但没有超过限度值。风引起的载荷与车辆的迎风面积有直接的关系,迎风面积越大所受到的载荷也就越大。在2004年1月进行的双层集装箱车线路运行试验(京广线平推)[6],双层集装箱(空箱)车的轮重减载率最大值为0.41,无大风正常条件下,双层集装箱车的轮重减载率一般不会超过标准限度值。

图17 新疆大风试验中双层集装箱车轮重减载率散点图

青藏线上暂时不会运行双层集装箱车,但是会运行敞车、棚车、单层集装箱车辆或大件运输车辆和军事装备的车辆,这些车辆迎风面积相对比较大。在空车和重车条件下,风对车辆的载荷是相同的。只是在重车状态下,风载荷引起的轮重增减载率相对空车要小。即便如此,也要引起高度重视。在青藏线大件运输过程中,在通常监测的基础上,还应关注车轮载荷的变化,可从转向架弹簧位移的测试和车辆侧滚运动的测试两方面来把握车辆在大风条件下的运行状态。

3.3 雨雪的影响

2000年在环行线进行了货物列车直线段脱轨试验,研究了轮轨润滑对车辆动力学性能的影响[7,8]。图18是以N17型平车为例的轮轨润滑对车辆动力学性能影响图,其中包括涂油、下雪和干噪3种工况,其他车辆也有类似的影响。图18表明,下雪有利于改善车辆的动力学性能,特别是车辆的横向动力学性能指标(横向力和横向加速度)。下雪条件下,轮缘与钢轨内侧间得到了适当的润滑,减小了摩擦阻力和车轮的冲角,从而达到改善车辆动力学性能的目的。因此,青藏线上的雨雪天气从轮轨关系方面来讲有利于大件运输车辆的运行安全性,但雨雪天气对列车的牵引和制动,或动车来讲有不利的因素。雨雪天气还会造成铁路货车的增载,消耗更多的能源。

图18 轮轨润滑(轮缘与钢轨内侧面)对车辆动力学性能的影响

4 结束语

青藏线(格拉段)特殊地理、气候、环境因素下的线路条件是影响铁路货车或大件运输车辆动力学性能的主要因素,突出表现在直线工况下;与不同地方的线路条件相比,曲线的特征参数(曲线半径、超高、顺坡率等)是影响货车或大件运输车辆曲线动力学性能指标的主要的因素;青藏线的气温条件不会影响到货车或大件运输车辆的动力学性能;青藏线的大风天气会对货车或大件运输车辆造成一定的影响,主要表现有轮重增减的变化;雨雪天气虽对铁路货车的动力学性能存在有利的一面,但对列车的牵引和制动存在不利的影响,此外,雨雪还会造成铁路货车的增载,消耗更多的能源。

鉴于青藏线上铁路货车或特种车辆的动力学性能特点,建议在大件运输监测或大型军事装备运输时,尽可能选择天气较好的条件进行运输;在现有大件运输监测的基础上,增加转向架弹簧位移和车辆振动加速度的测点数目,关注车轮载荷的变化和车辆振动型式的变化;加强对线路的巡视与整治;此外,借鉴现有的信息技术发展成果,建立起信息沟通渠道,发现问题及时诊断与解决。

[1] 陈政南.KRC 1600HA型铁路救援起重机动力学性能检验报告,(2006)JL字第W-158号[R].北京:铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站,2006.

[2] 曲金娟.KRC1600HDCT型铁路救援起重机动力学性能检验报告,(2008)JL字第W-355号[R].北京:铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站,2008.

[3] 苗晓雨.DQ35型钳夹车哈尔滨——禹州电厂第一台定子运输监测报告,2008年JL字第60号[R].北京:中国铁道科学研究院机车车辆研究所,2008.

[4] 王新锐.DQ35型钳夹车哈尔滨——禹州电厂第二台定子运输监测报告,2008年JL字第82[R].北京:中国铁道科学研究院机车车辆研究所,2008.

[5] 熊 芯.新疆铁路大风环境下货车动力学性能试验研究,2009年JL字第 44号[R].北京:中国铁道科学研究院机车车辆研究所,2009

[6] 康 熊.双层集装箱列车(过渡装箱方案)京广线运行试验研究报告,T Y字第1 778号,2004年机研字第003号[R].北京:中国铁道科学研究院,2004.

[7] 王卫东.环行线货物列车直线段脱轨试验报告,TY字第1 408号[R].北京:中国铁道科学研究院,2000.

[8] 王卫东,等.轮轨润滑对脱轨性及车桥耦合振动的影响[J].中国铁道科学,2001,22(1):40-46.