风区车站停留车辆在大风作用下溜逸的研究分析

唐士晟,史永革,张小勇

(乌鲁木齐铁路局,新疆乌鲁木齐830011)

新疆铁路地处大漠戈壁,属于典型大陆性气候,干旱少雨,自然环境恶劣。每年受冷空气影响,大风频繁。强冷气流经过山口时产生狭管效应,风速加大,同时受新疆北高南低地形影响,大风顺坡而下,风力强劲。风区站停留的车辆在大风作用下,受到沿车长方向的气动力。在线路坡度为零时,当气动力等于车辆起动阻力之和时,车辆达到临界溜逸状态;当气动力大于车辆起动阻力之和时,车辆将发生溜逸,造成行车事故。新疆铁路历史上分别在天山和阿拉山口站发生过车辆溜逸事故,给铁路运输带来损失。

1 风场中停留车辆受力分析

1.1 沿车长方向气动力

大风是造成车辆溜逸的主因,当车辆停留在坡道上时,由于风向不同,车辆可能顺坡溜逸,也可能逆坡溜逸。

车辆在风场中受到的气动力比较复杂,本次研究仅将对车辆溜逸起决定因素的沿车长方向气动力(即纵向推力)作为研究对象。根据车辆模型风洞试验,沿车长方向气动推力ρ v2HLC,其中 ρ为空气密度;v为风速;H、L为车辆模型结构特征尺度,H为车高,L为车长;C为沿车长方向气动系数,大小与来风方向有关。所以,沿车长方向气动推力的大小与风速、风向角(风向与车辆之间所夹锐角)、车型、车辆编组位置有关,与车辆载重无关。

(1)挡风墙对沿车长方向气动力的影响

挡风墙的遮蔽效应实质上是抬高迎风气流而改变流场,并在挡风墙与车辆之间产生涡流,降低了风速。沿车长方向气动力与风速的平方成正比,由于挡风墙后风速较无挡风墙风速小,故风向角一定时,挡风墙后车辆所受气动力小于无挡风墙遮蔽的车辆,相对安全。另外,根据试验结果,针对不同类型的挡风墙,对拉式挡风墙后车辆所受气动力小于土堆式挡风墙后车辆所受气动力,防护效果较优,见表1。

表1 不同类型挡风墙后车辆所受纵向气动力比较(以中间车为例) kN

(2)风向角对沿车长方向气动力的影响

风向角对车辆所受纵向气动力影响较大,根据试验结果,当风向角为 30°时,沿车长方向气动力最大,见表2。

表2 不同风向角车辆所受纵向气动力比较(以无挡风墙条件下的中间车为例) kN

(3)车型和编组位置对沿车长方向气动力的影响

相对不同车型,敞车受到的沿车长方向气动力最大,棚车次之,单层客车最小;相对车辆位置,头车较大,尾车、中间车较小。见图1无挡风墙区段沿车长方向气动力同车型、风向角、车辆编组位置的关系。

1.2 车辆起动阻力

根据TB/T 1407-1998《列车牵引计算规程》对装有滚动轴承货车起动单位基本阻力取3.5 N/kN,则起动阻力为3.5×(车辆自重+载重)。

图1 无挡风墙区段车辆纵向气动力与车型、风向角、车辆编组位置的关系

1.3 闸瓦制动力

长时间停留在风区的车辆,由于管路风压已全部泄漏,自动制动机失去作用,其制动力为零。这时车辆制动力主要由手制动机产生。根据TB/T 1407-1998,货车每辆换算闸瓦压力40 kN,客车每辆换算闸瓦压力80 kN。对于中磷闸瓦,当车速为零时,换算摩擦系数为0.433。所以,货车每辆手制动机产生的制动力为17.32 kN,客车每辆手制动机产生的制动力为34.64 kN。

1.4 坡道下滑力

坡道下滑力由车辆重力产生,根据 TB/T 1407-1998车辆单位坡道下滑力等于坡道的千分数,则坡道下滑力为i×(车辆自重+载重),i为坡道千分数。在顺坡风作用时,车辆重力产生的也是造成车辆向坡下溜逸的因素之一,属于溜逸动力;在逆坡风作用时,坡道下滑力阻止车辆向坡上溜逸,属于溜逸阻力。

1.5 铁鞋制动阻力

铁鞋制动的原理就是变滚动摩擦为滑动摩擦,增大摩擦力,使溜行车辆尽快减速停车,从而达到制动目的。对于停留在风区的车辆,受到风力和车钩力往复作用,原本和车轮踏面贴实的铁鞋逐渐松脱,最终失去保护作用。另外,以自重200 kN的货车为例,铁鞋与钢轨摩擦系数为0.15,单个铁鞋制动力不超过15 kN,与气动力相比很小,可以忽略。故铁鞋制动阻力在溜逸分析时不予考虑。

2 临界溜逸状态计算模型

2.1 顺坡风作用下(图2)

溜逸动力=风作用车辆气动力+坡道下滑力

溜逸阻力=车辆起动阻力+闸瓦制动力

当动力等于阻力时,车辆处于临界溜逸状态。根据等式,可以求出顺坡风作用下不发生溜逸所需最少手制动车辆数。

图2 顺坡风作用下车辆受力简图

2.2 逆坡风作用下(图3)

溜逸动力=风作用车辆气动力

溜逸阻力=车辆起动阻力+闸瓦制动力+坡道下滑力

当动力等于阻力时,车辆处于临界溜逸状态。根据等式,可以求出逆坡风作用下不发生溜逸所需最少手制动车辆数。

图3 逆坡风作用下车辆受力简图

2.3 顺、逆坡风的确定

根据风区车站线路走向和车站附近测风站多年12级及以上大风风向统计规律确定风向角分布范围,确定最不利风向角(30°时气动推力最大),再结合车站坡度方向确定顺、逆坡风。

3 车辆载重量及顺、逆坡风对溜逸的影响

由临界溜逸状态计算模型分析,逆坡风作用下,溜逸动力随车辆载重的增大而保持不变,溜逸阻力随车辆载重的增大而增大,此时空车发生溜逸的可能性较大。

顺坡风作用下,溜逸动力中包含的坡道下滑力随车辆载重的增大而增大,同时溜逸阻力中包含的车辆起动阻力也相应增大,二者数值之差为(i-3.5)×车辆总重,当i＜3.5时,坡道下滑力小于车辆起动阻力,二者差值随车辆载重增大而增大,所以相比较而言,空车溜逸的可能性高于重车。

4 风区车站停留车辆不发生溜逸所需最少手制动车辆数的计算过程

以烟墩风区思甜站为例,根据2004—2009年大风统计数据,得到最大年极值风速(瞬时风速)为42.3 m/s,根据十六风向统计玫瑰图得到该站12级及以上主盛行风向为ENE(东东北风),频率为38%,次盛行风向为PPN(北风)、ESE(东东南风)、PSE(东南风)、SSE(南东南风)、SSW(南西南风),出现频率各13%。思甜站坡度为2.7‰,坡向为下行下坡。

根据思甜站线路走向和坡道走向,确定不利风向为SSE(南东南风),风向角为27.5°,属于顺坡风。假定停留货车辆数50辆,客车30辆,利用临界溜逸状态计算模型计算,得到表3。由表3可知,在思甜站停留车辆在顺坡风作用下,空车发生溜逸的可能性比重车大。相同条件下,空敞车发生溜逸的可能性大于空棚车、客车。

同时,风向PPN(北风)也应该考虑,其风向角为50°,属于逆坡风。假定停留货车辆数50辆,客车30辆,利用临界溜逸状态计算模型计算,得到表4。由表4可知,在思甜站停留车辆在逆坡风作用下,空车发生溜逸的可能性比重车大。相同条件下,空敞车发生溜逸的可能性大于空棚车、客车。

由此可见,思甜站最不利风向为SSE(南东南风)。顺、逆坡风条件下,空车发生溜逸的可能性均大于重车,空敞车发生溜逸的可能性大于空棚车、客车。因此,在以后确定停留车辆不发生溜逸所需最少手制动辆数时均以空车参数为计算依据。

表3 思甜站各车型在顺坡风作用下临界溜逸状态计算表

表4 思甜站各车型在逆坡凤作用下临界溜逸状态计算表

5 各主要风区车站停留车辆最少手制动辆数计算结果

5.1 烟墩风区(无挡风墙区段,表5)

表5 烟墩风区车站停留车辆最少手制动辆数计算公式

5.2 0.5 km风区(对拉式挡风墙区段,表6)

表6 0.5 km风区车站停留车辆最少手制动辆数计算公式

5.3 0.015km风区(土堆式挡风墙,表7)

根据计算结果,极端大风条件下,天山站应禁止单辆空棚车或空敞车停留,此时仅靠手制动力不能保证制动安全,车辆有溜逸危险。

表7 0.015 km风区车站停留车辆最少手制动辆数计算公式

5.4 南疆线前100 km风区(铁泉、珍珠泉、红山渠处于对拉式挡风墙区段,其余为无挡风墙区段,表8)

6 增设辅助防溜措施

根据计算结果,当车站停留车辆在20辆以上时,极端大风条件下,思甜、天山、盐湖、阿拉山口、东湖沟、托克逊、小垭、布尔加依、八盘磨站停留车辆最少手制动车辆比例接近或超过40%,其中天山、托克逊、小垭超过50%。从发生溜逸可能性的大小分析,从大到小排序为第一天山站,第二托克逊、小垭站,第三思甜、盐湖、东湖沟站,第四阿拉山口、布尔加依、八盘磨站。如仅从安全角度考虑,上述车站在极端大风条件下不宜停留车辆。

当运输生产和避风防灾应急需要确需上述车站停留车辆时,为保证行车安全,则需要考虑在上述风区车站增加辅助防溜设施。对目前所使用的各种辅助防溜设施进行比较分析,静态液压防溜器不失为一个好的选择。根据资料介绍,每组静态液压防溜器对每条轮对的制动力30～70 kN,一般可夹 4～6条轮对,每组最少制动合力120 kN。每增加一组液压防溜器后,对于货车,最少相当于增加6.9辆(120/17.32)手制动车辆,对于客车最少相当于增加3.5辆(120/34.64)手制动车辆。各个车站实际所需液压防溜器组数,可根据各风区车站停留车辆最少手制动辆数计算结果和车站到发线线路条件具体确定。静态液压防溜器的使用在提高安全保障的同时将大大缩短作业时间,减轻作业人员劳动强度。

表8 南疆线前100 km风区车站停留车辆最少手制动辆数计算公式

[1] TB/T1407-1998列车牵引计算规程[S].

[2] 侧风作用下车辆空气动力性能风洞实验研究[R].长沙:中南大学,2006.

[3] 田红旗.列车空气动力学[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[4] 杨根生.风沙灾害论文选集[M].北京:海洋出版社,2005.