关门车对空重车混编列车安全性影响

蒋益平, 池茂儒*, 唐继烈, 罗世民, 杨春辉

(1．西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室, 成都 610031; 2.中国铁路上海局集团有限公司科学技术研究所,上海 200071; 3．华东交通大学机电与车辆工程学院, 南昌 330013)

铁路货运在中国社会和经济发展中发挥着不可替代的作用。伴随着中国铁路的6次大提速,中国的铁路货运列车运行速度得到了较大提高,尤其是近年来,中国铁路网的快速建设和既有线路不断升级改造,铁路客运和货运分流明显,既有线路货运能力加强,为适应中国社会经济的进一步发展,不断发挥铁路货运的巨大优势作用,进一步提高货物运输效率,中国铁路上海局集团有限公司、中国铁路武汉局集团有限公司、中国铁路兰州局集团有限公司等铁路运输部门都在积极探索既有线货物列车提速运行的可行性[1]。王鹏然等[2]、高健等[3]对列车提速进行了研究,由于中国铁路货车运用的特殊性,在列车中存在空车、重车混合编组(简称空重车混编)以及关门车是非常普遍的现象,因此在既有线货物列车提速运行的关键时期对关门车和空重车混编列车进行研究非常必要。

关门车是指在铁路货运列车中因装载货物的特殊性或者由于车辆制动机临时发生故障而关闭车辆制动支管与列车制动管连接的截断塞门的车辆[4]。由于关闭了截断塞门,列车管与车辆制动机之间的空气通路被断开,所以关门车不起制动作用,因此,在制动时关门车可能因较大的惯性而对其前后车辆产生冲击和挤压,甚至可能引起脱轨等安全事故[5]。

空重车混编在铁路货物列车中也普遍存在,由于空车和重车的质量不一致,因此空重车混编列车为非均质列车,而且随着铁路运输重载化发展以及车辆制造的轻量化发展,铁路货车载重进一步增加,车体自重则进一步降低,制动时列车中的空车和重车因重量不同而使加速度产生明显,从而引起纵横向冲动和挤压现象[6]。而空车由于重量轻,容易因制动冲挤而压曲上浮,严重时可能导致脱轨等事故[6],因此对空重车混编列车的安全性进行研究非常必要。

针对关门车的研究,李月亮[7]分析了关门车对铁路运输的危害,并提出应对关门车的合理化措施。杨世权[8]对载重60 t级的敞车关门车的关门原因进行了详细分析,并针对各关门故障的原因提出了对策及建议。李岩[9]对C80关门车关门原因进行了分析。卢启鹏[10]分析了列车中关门车运用处置不合适时对列车运行安全的影响。杨兴光[11]建立了纵向动力学模型,分析了将关门车编组在列车的头部和尾部时列车的纵向车钩力。蒋益平等[12]建立了空车编组的列车动力学模型,研究了在常用制动时,列车中关门车的编组位置对轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率等的影响规律。

在对货运列车空重车混编动力学性能的研究方面,蒋益平等[6]建立了列车模型,对空车编组在列车的前部、后部时,空车的数量变化对列车中车辆的脱轨系数、横向力、轮重减载率等的影响进行了分析。郭刚等[13]建立了列车纵向动力学模型,分析了空重车混编时,货物列车在直线线路上紧急制动时的纵向力分布规律。杨亮亮等[14]在研究钩缓系统特性的的基础上,建立了不同轴重混编的列车模型,分析了混编列车中空车比例及位置等对列车纵向冲动的影响。张生玉等[15]对既有线开行27 t及以下轴重混编试验列车的试验情况进行了分析,分析了在制动时混编列车的的车钩力。

以上关于关门车以及空重车混编的研究对铁路货车安全运行起了极大的保障和促进作用,但是对关门车在空重车混编列车中的研究,以及对关门车是重车或者空车对列车安全性的研究较少,在铁路提速增效的需求下,开展这方面的研究非常必要和迫切。基于以上原因,建立空重车混编货物列车动力学分析模型,分析列车在提速运行时,关门车及空重车混编列车的安全性,为既有线货物列车提速安全运行提供理论依据。

1 列车动力学建模

1.1 车辆系统动力学模型

所研究的列车模型中的车辆为载重60 t的铁路平车,采用转K2型转向架。建立动力学模型时,货车车体、侧架、轮对考虑6个自由度,即3个转动和3个平动,转向架摇枕只考虑侧滚运动和摇头运动,转向架的承载鞍仅考虑其绕轮对的旋转自由度[6,12]。此外,列车中的机车还考虑电机的点头自由度。根据参考文献[6,12,16]的方法建立机车车辆的非线动力学模型如图1所示。

图1 机车/车辆动力学模型Fig.1 Locomotive/vehicle dynamics model

1.2 列车-轨道耦合动力学模型

建立机车/车辆非线性动力学分析模型后,考虑机车车辆间以及车辆和车辆间的相互耦合作用,建立列车动力学模型[6,12]。列车中,车辆之间安装13号车钩进行连接,采用 MT-3弹簧摩擦式缓冲器,缓冲器加载特性曲线和卸载特性曲线由落锤实验获得[12]。

在列车动力学模型的基础上,根据车辆-轨道耦合动力学理论[17],并综合考虑轨道和列车之间的垂向、横向相互作用,建立列车-轨道耦合动力学模型[6]。模型详细描述参考文献[6,12,16]。

1.3 建模及求解方法

由车辆系统动力学原理,考虑空气制动力、机车车辆间的相互作用以及曲线线路、坡道、风阻等的阻力,货物列车系统的运动方程如式(1)所示。其中列车在运行过程中受到的各种阻力等按照《列车牵引计算—第1部分:机车牵引式列车》(TB/T 1407.1—2018)[18]进行计算。

(1)

为解决列车模型自由度多,求解困难的问题,采用循环变量法[12]进行建模和求解,根据循环变量法可将式(1)所示的列车系统的振动方程分解为n个子方程也就是n个基本的积分单元,如式(2)所示,然后分别对这些积分单元进行计算便可求解式(1)[6,12]。

(2)

2 计算条件及评价标准

在进行动力学分析时,采用美国五级谱作为线路激励,列车分别以80、85、90 km/h 制动初速度在直线和曲线线路进行制动,计算时所设的曲线半径为600 m,缓和曲线长度设置为110 m,常用制动工况列车制动管减压70 kPa。直线运行时各安全性指标取线路运行过程中的最大值进行评价;在曲线运行时,各安全性指标取车辆通过缓和曲线线路和圆曲线线路时的最大值用于评价[6,12]。

空重车编组采用“两重夹一空”也即空车编组在重车中间的编组形式,列车编组为1辆机车+16辆重车+1辆空车+31辆重车+1辆空车+16辆重车,为研究空车编组在列车前后部分时的性能差异,空车分别编组在列车的前半列中间和后半列中间位置。按照《铁路技术管理规程》[4]中的相关规定,关门车数量取不能超过列车总辆数的6%,所以本次计算的列车模型中最多编组4 辆关门车,其中列车中的空车都被设定为关门车,此外,为对比分析关门车为重车时的情况,在对比分析中,还设定了相应的位置的重车为关门车,以与关门车为空车时的情况进行对比分析。

进行安全性评价的动力学指标主要采用脱轨系数和轮重减载率,根据《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599—2019)[19]的要求进行评价。当曲线半径大于400 m时,脱轨系数应不大于1.0,在计算条件设置中,曲线线路半径为600 m,所以列车中各车辆的脱轨系数应小于等于1.0,方满足该标准要求。同理,计算速度均小于160 km/h,按照《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599—2019)[19]标准要求,列车中所有车辆的轮重减载率应小于等于0.65,方满足标准要求。

3 关门车对空重混编列车安全性影响

3.1 关门车位置18+50编组

列车编组为1辆机车+16辆重车+1辆空车+31辆重车+1辆空车+16辆重车编组,关门车编组在第18和第50位,此两车既是关门车也是空车。

列车在直线和曲线工况下分别以80、85、90 km/h 的制动初速进行常用制动时,列车及关门车的脱轨系数最大值分别如图2和图3所示。从图2和图3可以看出,列车中的关门车及其他车辆的脱轨系数都小于《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599—2019)[19]规定的上限值1.0,符合要求。

图2 关门车位置为18和50时直线工况脱轨系数Fig.2 Derailment coefficient on straight line while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

图3 关门车位置为18和50时曲线工况脱轨系数Fig.3 Derailment coefficient on curved line while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

轮重减载率最大值如图4和图5所示,具体数值如表1所示。从图4和图5可以看出,轮重减载率均小于《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599—2019)[19]规定的上限值0.65,均符合标准要求。而且,从图2～图5中也可以看出,空车关门车的脱轨系数和轮重减载率均要比列车中其余车辆的脱轨系数和轮重减载率要大。

表1 关门车位置为18和50时常用制动工况不同速度安全性指标最大值Table 1 Maximum safety indexes at different speeds under service braking conditions while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

图4 关门车位置为18和50时直线工况轮重减载率Fig.4 Wheel unloading rate on straight line while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

图5 关门车位置为18和50时曲线工况轮重减载率Fig.5 Wheel unloading rate on curved line while wagons without braking function located in 18 and 50 position of the train

从表1可以看出,在80、85、90 km/h 3个制动速度下,随着制动初速增加,在直线线路和曲线线路中,关门车的脱轨系数和轮重减载率均逐渐增大曲线线路上的脱轨系数和轮重减载率要大于直线路况上的值。

3.2 关门车位置9+18+50+59编组

在机车+16重车+空车+31重车+空车+16重车编组的列车中,将关门车编组在第9、18、50和59位,其中9号和59号车是重车关门车,18 号和50 号车是空车关门车。当列车在直线和曲线工况下分别以80、85、90 km/h 初速进行常用制动工况时,列车及关门车的脱轨系数如图6和图7所示。可以看出,列车中的关门车及其余车辆的脱轨系数均小于标准规定的上限值1.0,符合标准要求。

图6 关门车位置为9、18、50、59时直线工况脱轨系数Fig.6 Derailment coefficient on straight line while wagons without braking function located in 9, 18, 50 and59 position of the train

图7 关门车位置为9、18、50、59时曲线工况脱轨系数Fig.7 Derailment coefficient on curved line while wagons without braking function located in 9, 18,50 and59 position of the train

轮重减载率如图8和图9所示,具体的数值如表2所示。可以看出轮重减载率均小于《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599—2019)[19]规定的上限值0.65,均符合标准要求。

表2 关门车位置为9、18、50、59时常用制动工况不同速度安全性指标最大值Table 2 Maximum safety indexes at different speeds under service braking conditions while wagons without braking function located in 9, 18,50 and 59 position of the train

图8 关门车位置为9、18、50、59时直线工况轮重减载率Fig.8 Wheel unloading rate on straight line while wagons without braking function located in 9, 18,50 and 59 position of the train

图9 关门车位置为9、18、50、59时曲线工况轮重减载率Fig.9 Wheel unloading rate on curved line while wagons without braking function located in 9, 18,50 and 59 position of the train

从图6～图9和表2中可以看出,在80、85、90 km/h 3个制动初速度下,随着制动初速增大,直线线路和曲线条件下的关门车的脱轨系数和轮重减载率均逐渐增大,且曲线线路上的脱轨系数和轮重减载率要大于直线路况上的值,尤其当制动初速为90 km/h时,曲线运行时18位空车关门车的脱轨系数达到了0.731 66,明显大于直线运行时的0.281 92。

从图6～图9中还可看出,第18和第50位的空车关门车的脱轨系数和轮重减载率都大于列车中其余重车的值,也大于第9位和第59位重车关门车的脱轨系数和轮重减载率。而重车关门车,仅脱轨系数要大于列车中其余重车的值,但轮重减载率与列车中的其余重车并无明显差异。

3.3 关门车位置17-18-49-50编组

为进一步验证对比列车中空车关门车和重车关门车在运行时的性能差异,分析了在全重列车中编组关门车时的安全性,列车编组为全重车,关门车位置为17、18位和49、50位,均为重车。

列车及关门车的脱轨系数如图10和图11所示。可以看出,第18和第50位的重车关门车的脱轨系数要大于列车中其余重车的值。

图10 关门车位置为17、18、49、50时直线工况脱轨系数Fig.10 Derailment coefficient on straight line while wagons without braking function located in 17, 18, 49 and 50 position of the train

图11 关门车位置为17、18、49、50时曲线工况脱轨系数Fig.11 Derailment coefficient on curved line while wagons without braking function located in 17, 18, 49 and 50 position of the train

重车关门车的轮重减载率如图12和图13所示。

图12 关门车位置为17、18、49、50时直线工况轮重减载率Fig.12 Wheel unloading rate on straight line while wagons without braking function located in 17, 18, 49 and 50 position of the train

图13 关门车位置为17、18、49、50时曲线工况轮重减载率Fig.13 Wheel unloading rate on curved line while wagons without braking function located in 17, 18, 49 and 50 position of the train

从图12和图13可以看出,重车关门车的轮重减载率与列车中的其余重车并无明显差异,这与在3.2节列车中重车关门车的规律一致。表明当列车中的关门车为空车时,其脱轨系数和轮重减载率要比关门车是重车时的脱轨系数和轮重减载率大,因此在空重车混编列车中,应重点加强对空车的制动系统的检查,尽量避免空重车混编时空车为关门车。

4 结论

当有关门车编组时,对机车+重车+空车+重车+空车+重车混合编组的货物列车以80、85、90 km/h速度在直线和曲线线路运行时的动力学安全性进行了分析,表明:

(1)列车中存在关门车时,关门车及列车中其他车辆的脱轨系数和轮重减载率都在《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》(GB/T 5599—2019)[19]规定的限度值以内,符合标准要求。

(2)当空重车混编货物列车中的关门车为空车时,关门车的脱轨系数和轮重减载率均明显大于列车中其余车辆的值,也比关门车为重车时的脱轨系数和轮重减载率大。

(3)当空重车混编货物列车中的关门车是重车时,其脱轨系数稍大于列车中其余车辆的脱轨系数,但轮重减载率与列车中其余车辆的值无明显差异。

(4)在列车常用制动工况中,随着制动初速的增大,脱轨系数和轮重减载率都有所增大;曲线线路上的脱轨系数和轮重减载率都大于直线线路上运行时的值。

研究成果将为普速列车提速时,空重车混合编组列车中关门车的编组数量和编组位置提供技术参考,但本次研究只是理论研究,实际编组时还应结合线路试验情况进行综合考虑。