既有万吨重载铁路提速条件下轮轨动态相互作用特性

康喆 王开云 陈是扦

西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031

随着我国经济的飞速发展，大宗货物运输需求也日趋膨胀，亟待进一步发展成本低、效率高、单次运量大的重载铁路运输［1］。长编组、大轴重、提速是重载货运的发展趋势［2-6］。然而，提速条件下重载铁路的轮轨相互作用会更加剧烈。因此，有必要对提速条件下的轮轨动态相互作用特性开展研究。

关于重载铁路提速相关问题的研究已经取得了一些成果。翟婉明等［7］运用车辆-轨道耦合动力学理论对提速线路的主要动力问题进行了细致的分析，并提出了基本对策。孙文峰［8］通过对最小曲线半径和运营模式的关系进行研究，认为提高列车最低运行速度并缩小速差可较好地实现提速改造。钱立新［9］提出，提升我国既有线路运营速度的关键在于研究新的轮轨动力学理论，利用新轮轨动力学理论优化车辆结构参数并对既有线进行提速改造。蔡君君［10］认为我国既有线路提速改造应聚焦于曲线半径和超高选择，提出可通过增加缓长或适当增加超高来实现既有线提速。白新荣［11］针对2万t列车通过重载铁路更换道岔、道床清筛施工后的提速安全性问题进行了深入研究，提出应将岔区道床清筛和更换道岔施工限行分开考虑，才可实现精细化提速。胡绍海［12］针对我国既有线提速化、重载化的趋势，提出要改进养护维修手段，不断提高线路设备质量，以适应运输发展的需要。

根据既有文献，我国既有万吨重载铁路提速所引起的轮轨相互作用特性变化规律及安全性问题尚不明确。本文针对我国某既有万吨重载铁路提速条件下的轮轨相互作用特性进行了仿真分析，并开展提速动力学现场测试，探讨提速对万吨重载列车轮轨相互作用特性的影响，为我国重载铁路提速提供理论参考与技术支持。

1 动力学仿真模型

选取我国重载线路常见的C80型货车作为研究对象。为计算分析提速条件下万吨重载货车的轮轨相互作用特性及运行安全性，运用SIMPACK多体动力学软件建立了三连挂货车仿真模型，包括货车子模型及钩缓系统子模型。

1.1 货车子模型

根据C80型货车的具体结构，基于多体动力学理论，建立重载货车动力学分析子模型。单节货车模型包含1个车体、2个转向架构架、4个轮对、8个轴箱及2个摇枕，其中车体、转向架构架、轮对均视为6自由度刚体，轴箱为只有1个点头自由度的刚体，摇枕为有3个自由度（垂向、侧滚、摇头）的刚体。单节货车模型共计58个自由度。三连挂货车动力学模型如图1所示。模型中考虑了斜楔主副摩擦面的摩擦减振功能，并用摩擦力元进行模拟，考虑了弹性旁承的预压力。此外，还考虑了减振元件的阻尼及止挡元件的非线性特性。

图1 三连挂货车动力学模型

1.2 钩缓系统子模型

单节货车间的连接采取牵引杆和16/17号联锁式车钩搭配使用的方式，车钩和牵引杆的配合使用可以在兼顾列车曲线通过能力的同时减小纵向车钩间隙，从而降低列车的纵向冲动，提高列车运行性能。车钩模型主要由钩尾框、从板、钩体、缓冲器等部分组成，模型中考虑了钩尾与从板之间的摩擦、车钩的最大摆角等。钩缓装置的动力学模型见图2。

图2 钩缓装置的动力学模型

1.3 动力学模型验证

根据课题组开展某重载铁路现场试验数据，对上述仿真模型进行验证。选取试验车运行速度等级为80、90 km/h下轮轨垂向力与轮轨横向力的实测值与仿真值进行对比，结果见表1。可知：实测值与仿真值较为吻合；二者有一定差异，这是由于仿真计算中无法完全考虑列车在实际运行中的各种边界条件。可见，该三连挂货车模型能够较为准确地反映列车在实际运行条件下的动力学响应。

表1 不同速度等级下轮轨力仿真值与实测值对比

2 仿真分析

基于考虑不同操纵工况的三连挂货车单元仿真分析模型，分析不同运行速度、线路条件下空载和满载货车的轮轨相互作用特性。通过在三连挂货车模型前后车钩中心线处施加相应的纵向力来模拟列车的牵引、惰行、电制动等操纵方式。由于多体动力学模型中没有考虑机车，因此本模型中采用在前部货车头部和后部货车尾部车钩位置添加力元，并施加恒力的方式来模拟车钩力的作用，其中牵引工况下施加与列车运行同方向的恒力，电制动工况下反之。根据双机重联的HXD3C机车牵引和电制动特性曲线，80 km/h速度下施加648 kN车钩力，90 km/h速度下施加576 kN车钩力，惰行工况下不施加车钩力。

结合某重载铁路既有线的实际线路条件，设置了空载和满载条件下直线和5种半径曲线线路的典型线路条件组合。曲线线路条件组合见表2。仿真计算时采用实测线路不平顺。通过轮轨垂向力、轮轨横向力、轮轴横向力、车轮抬升量、脱轨系数、轮重减载率等指标评判轮轨相互作用特性。

表2 曲线线路条件组合

2.1 惰行工况

惰行工况下不同线路条件及速度等级的轮轨相互作用指标见图3。可知：惰行工况下，通过速度相同时，随着曲线半径由400 m逐渐增大到1 200 m再到直线，各轮轨相互作用指标均呈减小趋势；对于相同线路，速度等级由80 km/h提高到90 km/h，各轮轨相互作用指标普遍小幅增大；重车的轮轨相互作用相较空车更为剧烈。80 km/h速度下空车、重车轮轨垂向力的最大值分别为43.12、181.94 kN，速度达到90 km/h时分别为44.58、194.77 kN，分别增加了3.4%、7.5%。车速由80 km/h提升至90 km/h，不同线路条件下空车、重车的轮轨横向力最大值分别增大了3.8%、6.7%，轮轴横向力最大值分别增大了6.2%、11.5%，车轮抬升量最大值分别增大了4.7%、7.2%，脱轨系数最大值分别增大了27.3%、8.1%，轮重减载率最大值分别增大了22.0%、25.0%。因此，万吨重载货车小幅提速后，惰行工况下各轮轨相互作用指标均小于安全限值，且随着速度提高，轮轨相互作用指标普遍增大，尤其是脱轨系数和轮重减载率受提速影响较大。

图3 惰行工况下轮轨相互作用特性

2.2 牵引工况

牵引工况下不同线路条件及速度等级的轮轨相互作用指标见图4。可知：牵引工况下，通过速度相同时，随着曲线半径由400 m逐渐增大到1 200 m再到直线，各轮轨相互作用指标均呈减小趋势；对于相同线路，速度等级由80 km/h提高到90 km/h，各轮轨相互作用指标普遍小幅增大；重车的轮轨相互作用较空车更为剧烈。80 km/h速度下空车、重车轮轨垂向力的最大值分别为35.18、188.21 kN，速度达到90 km/h时分别为36.67、191.73kN，分别增大了4.2%、1.9%；车速由80 km/h提升至90 km/h，不同线路条件下空车、重车的轮轨横向力最大值分别增大了9.1%、12.2%，轮轴横向力最大值分别增大了3.1%、7.7%，车轮抬升量（空车为最大值，重车为平均值）分别增大了3.9%、13.2%，脱轨系数（空车为最大值，重车为平均值）分别增大了20.0%、30.0%，轮重减载率最大值分别增大了6.3%、22.6%。因此，万吨重载货车小幅提速后，牵引工况下各轮轨相互作用指标均小于安全限值，且随着速度提高，轮轨相互作用指标普遍增大。与惰行工况类似，牵引工况下脱轨系数和轮重减载率受提速影响也相对较大。

图4 牵引工况下轮轨相互作用特性

2.3 电制动工况

电制动工况下不同线路条件及速度等级的轮轨相互作用指标见图5。可知，电制动工况下，通过速度相同时，随着曲线半径由400 m逐渐增大到1 200 m再到直线，各轮轨相互作用指标均呈减小趋势；对于相同线路，速度等级由80 km/h提高到90 km/h，各轮轨相互作用指标普遍小幅增大；重车轮轨相互作用相较空车更为剧烈，但脱轨系数小于空车。80 km/h速度下空车、重车轮轨垂向力最大值分别为35.28、184.67 kN，速度达到90 km/h时分别为39.17、188.55 kN，分别增加了11.0%和2.1%。车速由80 km/h提升至90 km/h，不同线路条件下空车、重车的轮轨横向力最大值分别增大了3.2%、7.8%，轮轴横向力最大值分别增大了1.0%、8.4%，车轮抬升量最大值分别增大了4.7%、7.2%，脱轨系数（空车为最大值，重车为平均值）分别增大了6.5%、26.6%，轮重减载率最大值分别增大了9.0%、35.0%。因此，电制动工况下万吨重载货车小幅提速，轮轨相互作用指标普遍增大，尤其是轮重减载率增大幅度较大，各指标均小于安全限值。

图5 电制动工况下轮轨相互作用特性

3 现场试验及分析

2021年9—11月，在某重载铁路半径400 m的曲线区段开展了现场试验。试验中，首先对应变片进行了标定，将标定后的应变片布置在钢轨上，对列车运行时产生的轮轨力进行测试。基于试验的测试结果，对仿真计算所得到的轮轨相互作用规律进行进一步验证，并通过仿真与试验相结合的方式，对该提速条件下的轮轨相互安全性进行系统评判。分析时，选取了轮轨力、脱轨系数、轮重减载率等指标。

万吨重载列车在空载和满载状态下通过曲线测点的轮轨垂向力和轮轨横向力时程曲线见图6。可知：空车通过曲线时轮轨力先出现较大峰值后大幅减小，表明机车产生的轮轨相互作用大于空载货车；重车工况下机车与货车的轮轨力差异不明显。

图6 轮轨力时程曲线

不同测试工况下空载与满载列车通过测点时的脱轨系数和轮重减载率的变化曲线见图7。可知：空车工况下脱轨系数和轮重减载率的最大值分别为0.93、0.28，重车工况下脱轨系数和轮重减载率的最大值分别为0.72、0.29；空车工况的脱轨系数大于重车工况，与最低测试速度相比，最高测试速度下空车、重车的脱轨系数分别增大了19%、20%；轮重减载率随运行速度增加而呈增大趋势，与最低测试速度相比，最高测试速度下空车、重车的轮重减载率分别增大了27%、80%，满载条件下增幅更加明显，这也与仿真分析中得出的规律基本一致；所有工况下脱轨系数和轮重减载率的最大值分别为0.93、0.29，满足既有万吨重载铁路提速的要求。

图7 脱轨系数和轮重减载率随车速的变化曲线

4 结论

本文针对我国某既有万吨重载铁路既有线提速的可行性问题，开展列车通过不同线路条件时轮轨动态相互作用特性的仿真与试验研究。主要结论如下：

1）小半径曲线上轮轨相互作用较为剧烈，随曲线半径增加，轮轨相互作用各指标普遍呈减小趋势。在曲线半径由400 m增至1 000 m时，轮轨横向力、脱轨系数等指标显著下降；增至1 200 m时，多数指标已降低至接近直线工况的水平。操纵模式对万吨重载列车轮轨相互作用指标的影响不显著。

2）列车运行速度由80 km/h提升至90 km/h时，脱轨系数和轮重减载率增幅较大。仿真分析中，二者的最大增幅分别达到了27.3%和35.0%，各工况下轮轨动态安全性指标小于安全限值。

3）现场测试结果表明，脱轨系数和轮重减载率受重载列车提速的影响较大。空车工况下脱轨系数和轮重减载率的最大值分别为0.93、0.28，空车工况的脱轨系数显著大于重车工况；重车工况下脱轨系数和轮重减载率的最大值分别为0.72、0.29；轮重减载率随运行速度增加而呈增大趋势，满载条件下增幅更加明显。总体而言，轮轨动态相互作用安全性指标小于各自限值。