压钩力作用下空载货车曲线上运行安全性研究

代宏元　李玥飞　杨海　李建东　王军　陈清华

摘要：随着重载列车运行速度不断提升，其在小半径曲线区段的安全性问题不断凸显。本文以空载货车作为研究对象，基于车辆动力学理论建立了详细的三连挂货车单元模型。基于该模型分析了空载货车压钩力作用下通过曲线区段的轮轨相互作用特征，并进一步研究曲线轨道关键参数对车辆运行安全性的影响，研究结果表明：空载货车在小半径曲线区段的轮重减载情况尤为突出，各项安全性指标随压钩力的增大而增大。适当增大曲线超高量和缓和曲线长度有利于缓解空载货车的轮重减载问题，同时适当增长曲线超高量可有效降低轮轨横向相互作用，增加缓和曲线长度可降低轮轨垂向作用。线路维护中可根据实际情况适当调整曲线超高和缓和曲线长度，以提升小半径曲线区段的车辆运行安全性。

关键词：重载铁路；空载货车；小半径曲線；压钩力；运行安全性

中图分类号：TH113 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.04.007

文章编号：1006-0316 （2023） 04-0045-08

Study on Running Safety of Unloaded Wagon on Curves

under the Effect of Compression Coupler force

DAI Hongyuan1，LI Yuefei1，YANG Hai1，LI Jiandong1，WANG Jun1，CHEN Qinghua2

（ 1.Inner Mongolia Yitai Huzhun Railway Co.， Ltd.， Ordos 017000， China;

2.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：As the running speed of heavy-haul train continues to increase， the safety problems at small radius curve sections become more and more prominent. Focusing on the running safety of unloaded wagons， a detailed 3-pack wagons model has been established based on the vehicle dynamics theory. By employing the model， the wheel-rail interaction characteristics of the unloaded wagon passing through the curve section under the effect of the compression coupler forces are analyzed， and the influence of the key parameters of the curve track on the running safety of the vehicle is further investigated. The results indicate that the wheel unloading problem of the unloaded wagon is prominent in the small radius curve sections， and the safety indices increase with the increase of the compression force. It is revealed that the proper increase of super elevation and the transition curve length can mitigate the wheel unloading. Meanwhile， the proper increase of super elevation can reduce the lateral wheel-rail interaction， and the vertical wheel-rail interaction decreases with the increase of the transition curve length. To enhance the running safety of vehicle in small radius curve sections， the super elevation and the transition curve length can be adjusted appropriately in the track maintenance.

Key words：heavy haul railway；unloaded wagon；small radius curve；compression coupler force；running safety

铁路作为交通运输动脉，对于实现物资长距离运输，优化资源配置起着重要作用。随着经济社会快速发展，铁路运输的需求不断增加，铁路运输能力亟待提升，重载列车凭借运量大、成本低等优势迎来新的发展机遇。经过多年发展，国内重载列车配套技术日臻完善，但长期运用过程中也暴露出一些问题，严重制约重载铁路运输发展。由于我国重载铁路多是在普通铁路基础上发展而来，线路中仍存在较多小半径曲线，随着重载列车运行速度、车辆轴重及编组长度的不断提升，曲线区段轮轨动力作用不断加剧，严重威胁行车安全。

针对该问题众多学者开展了大量研究。曾勇[1]等分析国内外铁路设计行车速度设计与重载铁路最小曲线半径标准，建立重载列车动力学仿真模型，分析400～1200 m曲线半径对车辆动力学性能的影响，对我国重载铁路线路参数设计提出建议；陈辉辉[2]建立列车纵向动力学模型与动力学分析模型，仿真分析紧急制动工况中曲线半径与缓和曲线长度对列车曲线通过性能的影响；王巍等[3]利用NUCARS建立货车—轨道动力学模型，重点分析线路平面线型、轨道几何状态等对货车通过连续反向小半径曲线的动力学影响规律；郑舰等[4]基于准静态方法和动态方法分析货车车辆结构参数与纵向冲动对重载货车引起的附加横向力影响规律，并研究了纵向冲动对车辆曲线运行安全性的影响；杨亮亮等[5]建立了考虑车辆之间横向耦合作用以及列车空气制动时闸瓦对车轮的摩擦约束作用的重载列车动力学模型，基于該模型分析了惰行和制动工况下列车曲线通过时的运行安全性、车轮磨耗分布特征、轮轨滚动阻力特性影响。刘鹏飞等[6]由机车车辆通过曲线轨道基本受力角度着重研究机车车辆通过曲线工况时悬挂系统内、外侧的垂向动态承载特性，并提出改善机车曲线通过性能的措施与建议；蒋立干[7]考虑长大下坡道曲线段实际线路条件，分析重载列车在空气制动工况下通过曲线段的行车性能，并根据性能指标变化趋势给出大坡度小半径曲线半径推荐值；赵军等[8]分析了横风作用下三联挂单元式重载货车在直线区段运行时运行速度和风速对车辆轮轨动力学性能的影响；王超[9]基于车辆－轨道耦合动力学理论和轮轨磨耗理论分析了不同压钩力作用下重载列车运行安全性及小半径曲线钢轨的磨耗规律；程奕龙[10]建立列车动力学仿真模型对重载铁路小半径曲线段主要的线路参数进行研究，并通过列车的动力学性能评价指标得出线路参数的影响规律及合理取值。

本文以国内重载铁路常见的空载三连挂C80货车单元作为研究对象，建立详细的车辆－轨道相互作用模型及车间连挂装置模型，分析了压钩力作用下重载货车曲线段轮轨相互作用特征，同时研究了曲线轨道关键参数对车辆运行安全性的影响。该研究结论旨在为重载列车操纵及线路维护提供参考，以提升曲线区段列车运行安全性。

1 三连挂货车单元介绍及仿真分析模型建立

三连挂货车单元为国内现役重载列车常见的编组模式，为减小列车车钩自由间隙，同时兼顾列车曲线通过性能，三连挂单元内部采用RFC型牵引杆替代车钩，单元之间仍采用16/17号联锁式车购，其具体结构如图1所示。C80型货车是国内重载铁路运输的主力车型，其车体为铝合金材质，采用双浴盆结构，具有自重轻，容积大的特点。其转向架采用常见的转K6型三大件式转向架，并配备交叉拉杆装置，斜楔悬挂系统采用两级悬挂刚度以适应空重车状态。空载状态下，C80型货车总重约为20 t。

为了分析压钩力作用下三连挂货车单元在曲线上动力学性能，本文基于SIMPACK动力学仿真软件，建立了货车和连挂装置模型，如图2所示。该模型包含三节C80型货车和2个RFC型牵引杆，在三连挂货车单元端部施加大小相等方向相反的纵向力以模拟压钩作用，纵向压钩力沿车体中心线方向作用于车钩箱位置。

该模型的关键在于货车斜楔悬挂装置及车辆连挂装置建模，图3和图4分别给出了两个关键部件的模型图。图3（a）和（b）分别展示了斜楔悬挂装置的实物结构图和模型图。由图可知，货车斜楔悬挂装置主要由摇枕、斜楔、中央弹簧、减振弹簧、立柱磨耗板等部分组成，其中减震弹簧连接斜楔和构架，中央弹簧连接摇枕和构架，立柱磨耗板固定安装在构架上，摇枕与斜楔、斜楔与立柱磨耗板之间存在摩擦面。车辆运行中，在线路不平顺激扰下，两个摩擦面处产生相对摩擦，以耗散振动能量。图4展示了采用RFC型牵引杆和MT-2型摩擦式缓冲器的连挂装置系统模型。模型中用考虑迟滞特性的非线性弹簧阻尼单元模拟缓冲器装置，为了准确模拟连挂装置的力传递路径，模型中还考虑了钩尾框、从板、缓冲器底座等结构部件。RFC型牵引杆端部及前从板接触面均为球面结构，压钩力作用下，车钩力经牵引杆端部传递至前从板，前从板产生位移使缓冲器产生压缩，车钩力进一步传递至车钩箱，进而作用于车体。

2 压钩力作用下空载货车曲线段轮轨动力作用特征分析

基于以上建立的三连挂C80货车单元动力学仿真模型，分别选取半径为400 m、600 m和800 m的曲线，分析压钩力作用下空载货车在不同曲线轨道上的轮轨动力相互作用特征。根据准东铁路实际线路条件，选取三处不同半径曲线开展分析，各曲线对应的圆曲线长度、曲线超高及缓和曲线长度如表1所示。

对于各曲线轨道，压钩力分别取200 kN、400 kN、600 kN和800 kN进行计算，仿真计算时，三连挂单元端部施加的压钩力在0～5 s内由0增加至设定值，此后保持恒定。车辆运行速度设置为70 km/h，线路激扰采用准东铁路实测不平顺。

图5展示了不同压钩力作用下，空载货车通过半径分别为400 m、600 m和800 m的曲线时各项动力学指标。由图5（a）可知，车辆通过不同半径曲线轨道时其轮轨垂向力最大值均随车钩力增大而增大，且在曲线1上轮轨垂向力较曲线2和曲线3上更大，压钩力800 kN作用下，其最大轮轨垂向力约为40 kN。受轨道随机不平顺影响，当压钩力不超过600 kN时，曲线2上轮轨垂向力略小于曲线3上的相应值，当轮轨垂向力达800 kN时，曲线2上轮轨垂向力更大。从图5（b）和（c）中可以看出，轮轨横向力和轮轴横向力的最大值均随着压钩力增大不断增大，且曲线半径越小，横向力越大，压钩力为800 kN时，车辆在曲线1上轮轨横向力最大值约为23 kN，轮轴横向力最大值约为

24 kN，其值约为200 kN压钩力作用下相应横向力的2倍。对于脱轨系数、轮重减载率以及车轮抬升量，其最大值随着压钩力和曲线半径变化呈现相同变化规律，压钩力越大，曲线半径约小，各指标最大值越小。压钩力为800 kN时，车辆在半径为400 m、600 m和800 m的曲线上的最大脱轨系数分别为0.60、0.45和0.39，相应的最大轮重减载率分别为0.72、0.60和0.57。由此可知，800 kN压钩力作用下，车辆在半径为400 m曲线上的轮重减载率已经超出限值。车轮抬升量总体变化较小，最大值在1.4～1.7 mm范围内。由上分析可知，车辆在半径较小曲线上运行风险更高，且压钩力越大，各项安全性指标越大，空载车辆的轮重减载问题较为突出。

3 曲线关键参数对空载货车运行安全性的影响分析

在上节分析结果的基础上，本节针对曲线关键参数对空载货车运行安全性的影响开展进一步分析，选取曲线超高和缓和曲线长度作为分析对象。本节以曲线1为例进行仿真分析，压钩力设置为800 kN，车辆运行速度仍为70 km/h。分析曲线超高及缓和曲线长度影响规律时，曲线超高分别取50 mm、70 mm、90 mm、110 mm和130 mm，缓和曲线长度分别取50 m、70 m、90 m、110 m和130 m。

图6展示了不同曲线超高条件下，空载货车在800 kN压钩力作用下以70 km/h速度通过半径为400 m曲线时的各项动力学指标最大值。从图6（a）可以看出，当曲线超高为90 mm和110 mm时，轮轨垂向力的最大值较其他曲线超高条件下更小，但整体差异较小，变化范围在2 kN以内。对于轮轨横向力和轮轴横向力而言，其最大值随着曲线超高增大整体呈减小趋势，如图6（b）和（c）所示。当曲线超高为50 mm时，轮轨横向力和轮轴横向力最大值分别为23.9 kN和24.7 kN，而当曲线超高设为130 mm时，轮轨横向力和轮轴横向力最大值分别降至17.4 kN和20.0 kN，降幅分别达27%和19%。由图6（d）和（e）可知，脱轨系数和轮重减载率最大值随曲线超高增大亦呈现降低的趋势。当曲线超高由50 mm增加至130 mm时，最大脱轨系数由0.73降至0.51，而最大轮重减载率由0.86降至0.66。车轮抬升量随曲线超高增大整体呈下降趋势，但整体变化较小，如图6（f）所示。由此可知，对于小半径曲线而言，适当增大曲线超高量可有效降低轮轨横向相互作用，同时亦可缓解空载货车突出的轮重减载问题，可综合提升空载货车通过小半径曲线时的运行安全性。

图7为不同缓和曲线长度条件下，空载货车在800 kN压钩力作用下以70 km/h速度通过半径为400 m曲线时的各项动力学指标最大值统计结果。由图7（a）可知，轮轨垂向力最大值随着缓和曲线长度增加而减小，当缓和曲线长度为50 m和130 m时，最大轮轨垂向力分别为42.2 kN和39.6 kN。对于轮轨横向力和轮轴横向力，其最大值出现在车辆运行至圆曲线上，其最大值受缓和曲线长度影响较小，受线路随机不平顺影响，轮轨横向力和轮轴横向力略有波动，变化范围在2 kN以内，如图7（b）和（c）所示。从图7（d）和（f）可以看出，脱轨系数和车轮抬升量最大值随缓和曲线长度增加亦变化不大，脱轨系数在0.6附近小幅波动，而车轮抬升量约为1.65 mm。轮重减载率随缓和曲线增大显著降低，当缓和曲线长度由50 m增加至130 m时，最大轮重减载率由0.79降至0.65，降幅达18%。由上分析可知，增加缓和曲线长度可降低轮轨垂向相互作用，同时也可改善空载货车轮重减载问题，对轮轨横向相互作用影響相对较小。

4 结论

本文针对压钩力作用下空载货车通过小半径曲线时的运行安全性进行分析，首先建立了详细的三连挂货车单元模型，在此基础上分析了不同压钩力和不同曲线半径条件下的轮轨动态相互作用规律，同时也对曲线关键参数对行车安全性的影响做了深入分析，结论如下：

（1）空载货车在半径较小曲线上运行风险更高，其中轮重减载问题尤为突出，且轮轨相互作用力和安全性指标随压钩力的增大而增大。

（2）对于小半径曲线而言，适当增加曲线超高量和缓和曲线长度可有效改善空载货车的轮重减载问题，同时增大曲线超高量可有效降低轮轨横向相互作用，而增加缓和曲线长度可降低轮轨垂向相互作用。

（3）为提升空载货车通过小半径曲线时的运行安全性，可基于现场条件适当调整曲线超高和缓和曲线长度，同时列车操纵中应避免列

车空载状态下过大的车钩力。

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[8]赵军，梁佳，李少峰，等. 横风条件下重载货车直线区段运行安全性研究[J]. 机械，2021，48（7）：13-19.

[9]张斌，王超. 考虑压钩力作用的重载铁路曲线钢轨磨耗研究[J]. 机械，2021，48（5）：37-42，51.

[10]程奕龙. 重载铁路小半径曲线段线路参数研究[D]. 北京：北京交通大学，2012.

收稿日期：2022-07-26

基金项目：国家自然科学基金（51825504）

作者简介：代宏元（1975－），男，内蒙古鄂尔多斯人，助理工程师，主要研究方向为铁路机车车辆运营维护，E-mail：1160484015@qq.com。