长大列车纵向冲动对车辆曲线运行安全性影响分析

徐 力，孙树磊

（1 南车长江车辆有限公司 产品研究所，湖北武汉430212；2 西南交通大学　机械工程学院，四川成都610031）

长大列车纵向冲动对车辆曲线运行安全性影响分析

徐 力1，孙树磊2

（1 南车长江车辆有限公司 产品研究所，湖北武汉430212；2 西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

为分析长大列车在曲线轨道上运行时纵向冲动对车辆运行安全性的影响，运用多体动力学方法，在U M软件中建立长大列车混合动力学模型，对比分析了长大列车在曲线匀速运行和紧急制动时中间车辆的脱轨系数、轮轨横向力和轮重减载率等安全性指标的变化情况。分析结果表明：长大列车在曲线上紧急制动时，列车纵向冲动对长大列车曲线运行安全性影响较大。

长大列车；纵向冲动；曲线；运行安全性

近年来，随着重载运输的快速发展，列车编组数量的增加和货车轴重的增加，列车纵向冲动不断增大，由此带来一系列铁路运行安全问题。另外一方面，列车在曲线轨道上运行时，由于前后车辆处于曲线轨道的不同位置，车钩与相邻两车体的纵向中心线之间将产生偏角，车钩偏角对车体产生一个横向分力，这将对车辆曲线运行安全性产生较大影响［1］。因此，有必要对长大列车的纵向冲动对车辆曲线运行安全性影响进行研究，保证重载列车的运行安全性。

1　列车纵向动力学分析

列车纵向动力学主要研究不同列车编组、车辆配置、运行工况及线路条件下列车各车辆间的动力作用。列车纵向动力学模型如图1所示。取列车纵向动力学模型中的一辆车作为一个分离体，整列车的自由度等于组成列车的机车车辆总数。

对于每一辆车，其纵向动力学微分方程为：

图1　列车纵向动力学模型

式中mi为车辆质量；Xi″为第i车的纵向加速度；Fci-1、Fci分别为车辆的前后车钩力；Fwi为车辆的运行阻力；FT Ei和FD Bi为机车牵引力和动力制动力，对于货车值为0；FBi为空气制动力。

长大编组列车采用SS4改+SS4改+100×80 t级漏斗车的编组方式，机车全部位于列车头部。通过建立列车一维纵向动力学模型计算列车在平直道上，以初速度为60 km/h进行紧急制动时的最大压钩力沿列车长度的分布如图2所示。

计算结果显示编组列车紧急制动时最大压钩力为1 158 k N，位于列车第69车位。通过与大秦线纵向动力学试验结果对照，计算最大车钩力与试验结果接近，最大车钩力出现位置也与试验情况接近。

图2　编组列车紧急制动时最大压钩力沿列车长度的分布

一维列车纵向动力学模型能够有效的分析重载列车纵向冲动，由于该模型仅考虑了车辆纵向的自由度，无法研究和分析列车纵向冲动对车辆动力学性能的影响。长大编组货运重载列车由于车辆编组数量较多导致自由度数量庞大，并且存在大量的车钩缓冲器、货车悬挂系统等非线性因素，若在列车动力学中全部考虑这些因素，会使计算成本非常高，难以实现。为研究重载列车中车辆动力学问题，需要采取合理的列车动力学模型对列车动力学问题进行数值模拟。

2　长大列车系统动力学数值模拟

2.1列车系统动力学模型

单自由度列车纵向动力学模型，不能实时反映列车纵向冲动与列车横向、垂向的耦合关系。为能实时计算列车在制动作用下产生的纵向冲动对车辆动力学的影响，基于多体动力学理论，利用U M软件构建混合列车系统动力学模型进行列车系统动力学分析［2］。利用全自由度货车动力学模型和单自由度列车模型混合建模的方法，构建混合列车系统动力学模型较全自由度列车模型节省大量的计算时间和成本。3辆全自由度货车动力学模型可以放置于列车任意位置（模型见图3），可以较为方便的研究处于该位置处的车辆动力学性能。

图3　混合列车模型

3辆全自由度货车模型之间以及全自由度货车与单自由度货车之间通过车钩连接，为能较好的表现相邻车辆之间载荷传递和相互运动的关系，在U M软件中建立车钩计算模型如图4所示。该车钩模型将钩尾框、前从板以及后从板简化为一从板，车钩与钩尾框、从板通过接触力元连接，车钩相对于从板可以在一定角度内做摇头和点头运动，从板和车体通过缓冲器连接，缓冲器采用M T-2缓冲器。

图4　列车动力学中的车钩计算模型

2.2列车编组条件

编组列车采用SS4改+SS4改+100×80 t级漏斗车，与前述一维列车纵向动力学模型一致。3辆全自由度车辆采用U M软件构建，根据前述纵向动力学仿真计算结果，最大车钩力出现位置在第69位车辆处，因此编组时将3辆全自由度车辆（以下简称计算车）位置放置在第68位、第69位和第70位，列车编组总辆数102辆。

2.3线路条件

线路条件为：曲线半径R为300 m，曲线外轨超高h为90 m m，缓和曲线长度L为75 m，圆曲线长度100 m，运行速度v为60 km/h，考虑到列车编组较长，直线段长度取1 500 m。

3　列车动力学仿真计算

3.1匀速运行工况

采用前面建立空车和重车列车混合动力学模型，分别计算列车空重车在R300曲线上匀速运行时3辆计算车的脱轨系数Q/P、轮轨横向力Q、轮重减载率ΔP/P等安全性指标变化情况。图5～图7所示为运行速度为60 km/h时，列车空车在R300曲线运行时计算车的安全性指标变化情况（计算时未考虑线路不平顺的影响）。

图5　R300曲线上列车空车匀速运行时脱轨系数变化图

图6　R300曲线上列车空车匀速运行时轮轨横向力变化图

列车重车工况匀速运行时三辆计算车的脱轨系数Q/P、轮轨横向力Q和轮重减载率ΔP/P变化情况与上图类似，后面计算仅列表说明。表1～表2分别为列车空重车在曲线R300线路上匀速运行时，3辆计算车各轮对的脱轨系数Q/P、轮轨横向力Q和轮重减载率ΔP/P最大值变化情况。

图7　R300曲线上列车空车匀速运行时轮重减载率变化图

通过表1和表2可知，由于没考虑线路激扰条件，列车空车工况和重车工况在R300曲线上运行时，各项动力学安全性指标均较小，能够满足安全运行要求［3］。

3.2列车紧急制动工况

表1　列车空车在R300曲线匀速运行时3辆计算车动力学计算结果

采用前述列车混合动力学模型，分别计算列车空重车在R300曲线上以60 km/h初速度紧急制动时3辆计算车的脱轨系数Q/P、轮轨横向力Q、轮重减载率（ΔP/P）等安全性指标变化情况。通过设置开始制动的时间，确保3辆计算车处于曲线上时列车开始进行紧急制动，以便计算列车纵向冲动对3辆计算车运行性能的影响。图8～10所示为初速度为60 km/h时，列车空车在R300曲线上紧急制动时的3辆计算车安全性指标变化情况（计算时未考虑线路不平顺的影响）。

图8　R300曲线上列车空车紧急制动时计算车脱轨系数变化图

通过对比图8～图10可以看出，列车空车在紧急制动后，因制动过程中，车钩力具有波动性（前后两车钩的合力大小和方向随时间变化），所以导致3辆计算车各轮的脱轨系数、轮轨横向力和轮重减载率波动较大。相比匀速运动，紧急制动后3辆计算车的最大车轮脱轨系数、最大轮轨横向力和最大轮重减载率均有较大增加。

图9　R300曲线上列车空车紧急制动时计算车轮轨横向力变化图

列车重车工况紧急制动时3辆计算车的脱轨系数Q/P、轮轨横向力Q和轮重减载率ΔP/P变化情况与上图类似，后面计算仅列表说明。列车空重车在曲线R300线路上以60 km/h初速度紧急制动时，3辆计算车各轮对的脱轨系数Q/P、轮轨横向力Q和轮重减载率ΔP/P最大值变化情况如表3～表4所示。

图10　R300曲线上列车空车紧急制动时计算车轮重减载率变化图

表3　列车空车在R300曲线紧急制动时3辆计算车动力学计算结果

表4　列车重车在R300曲线紧急制动时3辆计算车动力学计算结果

为更直观进行对比说明，现将表1～表4中匀速运动和紧急制动各轮对最大安全性指标数据对比结果绘于图11～图16所示。从图11～图16的对比可以看出，相比匀速运动，列车空车紧急制动工况下，3辆计算车各车轮的最大脱轨系数和最大轮轨横向力均有不同幅度的增加，3辆计算车各轮的最大轮重减载率较匀速运动工况变化规律不确定，但是总体来讲，紧急制动后3辆计算车的最大轮重减载率比匀速运动时大。列车重车工况与空车工况变化一致。由上表1～表4可知，列车空车在曲线R300轨道上匀速运行时，3辆计算车最大车轮脱轨系数、最大轮轨横向力和最大轮重减载率分别为0.387 5，13.223 k N和0.336 5；紧急制动工况下，3辆计算车最大车轮脱轨系数、最大轮轨横向力和最大轮重减载率分别为0.634 1，16.486 k N和0.383 8，分别比匀速运行时增大63.64%，24.68%和14.06%。列车重车匀速运行时，3辆计算车最大车轮脱轨系数、最大轮轨横向力和最大轮重减载率分别为0.250 0，38.013 k N和0.160 2；紧急制动工况下，3辆计算车最大车轮脱轨系数、最大轮轨横向力和最大轮重减载率分别为0.381 2，57.715 k N和0.227 9，分别比匀速运行时增大52.48%，51.83%和42.26%。

图11　列车空车匀速运动和紧急制动时脱轨系数对比图

图12　列车空车匀速运动和紧急制动时轮轨横向力对比图

图13　列车空车匀速运动和紧急制动时轮重减载率对比图

图14　列车重车匀速运动和紧急制动时脱轨系数对比图

图15　列车重车匀速运动和紧急制动时轮轨横向力对比图

图16　列车重车匀速运动和紧急制动时轮轨横向力对比图

综上所述，在曲线R300轨道线路上，长大编组列车匀速运行时，各项动力学安全性指标均较小，当编组列车在此线路上紧急制动时，纵向冲动的增加使得车辆各项安全性指标均有较大幅度的增加，长大列车的运行危险性大大增加。

4　结束语

通过对空重车长大编组列车混合模型在曲线R300轨道线路上运行时的动力学特性进行计算分析可知，当长大编组列车在R300曲线线路上匀速运行时，车辆的脱轨系数、轮轨横向力和轮重减载率等各项安全性指标均较小。当车辆在该线路上紧急制动时，由于较大的纵向冲动作用，车辆的脱轨系数、轮轨横向力和轮重减载率较匀速运行时增加较大，尤其为脱轨系数最大增加幅度达到63.64%。当线路条件比较恶劣时，长大列车的纵向冲动将严重影响列车曲线运行安全性。因此，长大编组列车曲线运行时，应进行纵向冲动对列车运行安全性的影响进行评估，以制定合理的列车操纵运行准则，最大限度保障长大列车运行的安全性。

［1］ 金鼎昌，陈光雄.车钩力对脱轨的影响［J］.西南交通大学学报，1990，（1）：28-34.

［2］ 孙树磊，李 芾，黄运华，丁军君.重载列车动力学数值模拟［J］.振动与冲击，2013，32（10）：69-73.

［3］ G B 5599-85 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］.1985.

［4］ 程海涛，侯 霄.制动工况下车辆的动力学分析［J］.铁道车辆，2000，38（9）：1-6.

［5］ 程海涛，方克娟.货车制动及匀速运行工况动力学仿真［J］.铁道车辆，1999，37（11）：9-12.

Influence of Longitudinal Impulse of Trains on Safe Operation in Curve Route

X U Li1，S U N Shulei2
（1 Yangtze Rolling Stock CSR，W uhan 430212 H ubei，China；2 School of M echanical Engineering，South west Jiaotong U niversity，Chendu 610031 Sichuan，China）

In order to analyze the effect of the longitudinalim pulse on the running safety of vehicles of a train braking on curve routes，by using the m ulti-body dynamics method，the mix dynamics train m odelis built in U M software，and then the changes of derailment factor，w heel-raillateral force and w heel unloading rate of the middle vehicle is analyzed w hile the heavy haul train uniform m otion and emergency braking on the curve route.A nalysis results indicate that w hen a train makes emergency braking on a curve route，the longitudinalim pulse has great influence for the running safety of vehicles.

heavy haul train；longitudinal dynamics；curve；running safety

U260.11+1

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.13

1008-7842（2015）05-0059-05

徐力（1984—）男，工程师（2015-01-05）