田光榮,張衛(wèi)華,池茂儒,熊 芯

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所,北京100081;2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610031)

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)鐵路運(yùn)能與運(yùn)量之間的矛盾異常突出[1]。發(fā)展長(zhǎng)大列車(chē)重載運(yùn)輸因其顯著的功能特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益而被國(guó)際社會(huì)公認(rèn)為鐵路貨運(yùn)發(fā)展方向[2],故其為解決我國(guó)日益激化的鐵路貨運(yùn)矛盾的重要途徑和根本對(duì)策。

列車(chē)編組數(shù)量的增加引起編組形式的多變,空重車(chē)混編成為常見(jiàn)的一種貨物列車(chē)編組形式,研究表明[3]:車(chē)輛在列車(chē)編組中的位置對(duì)車(chē)輛的脫軌等安全性能有較大的影響。隨著列車(chē)編組的增加及牽引總重的提高,線路破壞、制動(dòng)失靈、斷鉤、脫軌等運(yùn)輸安全問(wèn)題也逐漸突顯出來(lái),嚴(yán)重制約了長(zhǎng)大列車(chē)重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展[1]。此外,在曲線區(qū)段,由于離心力、線路外軌超高及動(dòng)態(tài)變化的曲率等因素,列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的慣性離心力及沖擊力,將給列車(chē)的安全性及舒適度帶來(lái)不利的影響。現(xiàn)有研究表明[4]:列車(chē)在曲線線路上的動(dòng)力學(xué)性能較平直線路上更差。有必要對(duì)空重混編重載列車(chē)曲線通過(guò)安全性能的影響進(jìn)行深入分析。

1 列車(chē)線路模型及求解方法

計(jì)算所采用的車(chē)輛模型及參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。轉(zhuǎn)向架采用的是交叉支撐三大件式轉(zhuǎn)向架,交叉桿作為彈性約束加在兩側(cè)架之間,車(chē)端懸掛裝置采用17號(hào)車(chē)鉤和MT-2型緩沖器,緩沖器考慮了其遲滯特性。每輛車(chē)由1個(gè)車(chē)體、2個(gè)搖枕、4個(gè)側(cè)架和4個(gè)輪對(duì)共計(jì)11個(gè)剛體組成。車(chē)體取6個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭和搖頭;側(cè)架取5個(gè)自由度,即縱向、橫向、垂向、搖頭和點(diǎn)頭;搖枕只取1個(gè)自由度,即搖頭;輪對(duì)取4個(gè)自由度,即縱向、橫向、搖頭和點(diǎn)頭,每輛車(chē)的自由度共計(jì)44個(gè)。這樣,可以把列車(chē)的縱向、橫向和垂向運(yùn)動(dòng)空間耦合在一起,從而較為便捷和準(zhǔn)確地建立一個(gè)更接近實(shí)際的全自由度空間耦合模型。為了便于比較分析,文中所有仿真計(jì)算所采用的列車(chē)編組均設(shè)定為61輛。

圖1 曲線線路示意圖

由于主要分析混編列車(chē)的曲線通過(guò)性能,故曲線特征尤為重要。計(jì)算采用的曲線線路如圖1所示,圖中A、B、C、D為曲線相鄰區(qū)段的轉(zhuǎn)折點(diǎn),即直緩點(diǎn)和緩圓點(diǎn)。緩和曲線在直線和圓曲線之間起到連接作用,在直線上曲率、超高均為零,而在圓曲線上曲率、外軌超高是一個(gè)穩(wěn)定值。緩和曲線的存在,緩和了曲率、外軌超高的變化幅度,防止曲線運(yùn)行的離心力、外軌超高不連續(xù)等形成的沖擊力突然產(chǎn)生和消失,以保持列車(chē)曲線運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性和安全性。在緩和曲線范圍內(nèi),曲線半徑由無(wú)限大逐漸變到圓曲線半徑,外軌超高由零逐步上升到圓曲線的超高值。線路參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 曲線參數(shù)設(shè)置

列車(chē)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題,目前國(guó)內(nèi)外研究成果多是根據(jù)實(shí)際需要對(duì)列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型有針對(duì)性地予以簡(jiǎn)化處理,借助于垂向、橫向和縱向運(yùn)動(dòng)解耦以減少自由度。而且,研究成果大都集中于縱向動(dòng)力學(xué),而對(duì)列車(chē)的橫向和垂向動(dòng)力學(xué)研究得很少,且很不透徹[6,7]。主要原因在于編組輛數(shù)的增加導(dǎo)致了計(jì)算的困難;再者,編組方式改變將導(dǎo)致整個(gè)列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的修改,建模的通用性和靈活性很差。故本文采用基于循環(huán)變量的模塊化方法[8,9],它可以突破傳統(tǒng)列車(chē)動(dòng)力學(xué)研究中所遇到的諸如自由度繁雜等建模及求解難題,快捷地建立列車(chē)三維空間耦合動(dòng)力學(xué)模型,考慮列車(chē)中車(chē)與車(chē)之間的耦合和相互影響,對(duì)牽引及制動(dòng)等工況也可以進(jìn)行有效仿真。

2 車(chē)輛與列車(chē)曲線通過(guò)安全性比較

比較車(chē)輛與列車(chē)曲線通過(guò)安全性的差異,為此選用輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率等3個(gè)典型的安全性指標(biāo),比較車(chē)輛與列車(chē)牽引、惰行和制動(dòng)條件下的曲線通過(guò)性能,其中牽引工況下的機(jī)車(chē)輪周牽引力為100 kN,制動(dòng)阻力100 kN。由于對(duì)于車(chē)輛模型而言,僅包含一輛車(chē),故對(duì)比分析中列車(chē)是以頭車(chē)作為比較對(duì)象。此外,為了清晰區(qū)別車(chē)輛和列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的差異,此處未考慮線路上軌道隨機(jī)不平順的影響,即穩(wěn)態(tài)曲線通過(guò)性能分析。

為直觀起見(jiàn),圖2中僅給出了車(chē)輛和列車(chē)通過(guò)圖1所示S曲線的前半段曲線中輪重減載率的對(duì)比結(jié)果,可以看出,車(chē)輛的輪重減載率與列車(chē)惰行及制動(dòng)時(shí)相比差別不大,與列車(chē)牽引運(yùn)行相比差別較大,其最大平均值的比較可直觀的從圖3得知。圖3給出了車(chē)輛、列車(chē)牽引、制動(dòng)及惰行狀態(tài)的脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軌橫向力的比較,可以看出,脫軌系數(shù)和輪軌橫向力的結(jié)果趨勢(shì)和輪重減載率類(lèi)似。分析原因在于列車(chē)在牽引力作用下將會(huì)發(fā)生軸重轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致輪重減載率的增大;此外,由于牽引工況條件下,牽引力引起車(chē)鉤力的變化,特別是車(chē)鉤橫向分力又引起輪軌橫向力的變化,根據(jù)脫軌系數(shù)的公式,可進(jìn)一步導(dǎo)致脫軌系數(shù)的增大。制動(dòng)工況下,由于制動(dòng)阻力引起速度的降低,進(jìn)一步導(dǎo)致曲線通過(guò)安全性指標(biāo)的降低。綜上而言,在惰行工況下,車(chē)輛和列車(chē)的曲線通過(guò)安全性較為近似,一旦將牽引力或制動(dòng)力考慮進(jìn)來(lái),勢(shì)必引起列車(chē)的力動(dòng)平衡在一定程度上導(dǎo)致其性能的差異,此趨勢(shì)在圓曲線區(qū)段體現(xiàn)的尤為明顯。

圖2 輪重減載率比較

圖3 單車(chē)與列車(chē)曲線通過(guò)安全性比較

3 混編列車(chē)曲線通過(guò)安全性分析

3.1 空車(chē)不同位置曲線通過(guò)安全性比較

將1輛空車(chē)分別放置于61輛編組貨物列車(chē)的頭部(No.1)、中部(No.31)和尾部(No.61),其余位置均為重車(chē),為便于分析空車(chē)與相鄰車(chē)輛的相互作用,列車(chē)處于牽引運(yùn)行工況,牽引力100 kN。從兩個(gè)方面進(jìn)行分析:首先,研究空車(chē)處于不同位置時(shí)其本身曲線通過(guò)安全性的差異;其次,研究空車(chē)處于不同位置時(shí)整列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的差異,即空車(chē)位置對(duì)列車(chē)曲線通過(guò)性能的影響。

根據(jù)圖4～圖5的分析表明:空車(chē)自身的曲線通過(guò)安全性指標(biāo)與其在列車(chē)中的位置密切相關(guān)。當(dāng)空車(chē)位于列車(chē)頭部時(shí),其脫軌系數(shù)和輪重減載率最小,即曲線通過(guò)安全性最好;當(dāng)空車(chē)位于列車(chē)中部時(shí),其曲線通過(guò)安全性最差,此時(shí)空車(chē)處于兩端連續(xù)重車(chē)的中間,而且與直線相比曲線會(huì)對(duì)列車(chē)的運(yùn)行產(chǎn)生附加阻力,使得輪軌接觸的橫向阻力增大,出現(xiàn)前堵后擁的現(xiàn)象,而中部空車(chē)質(zhì)量較輕,這樣將導(dǎo)致其輪軌脫離,即脫軌,同時(shí)輪重減載率也惡化;當(dāng)空車(chē)位于列車(chē)尾部的時(shí)候,其脫軌系數(shù)和輪重減載率鑒于前兩種位置相應(yīng)指標(biāo)之間,更接近于空車(chē)位于中部的情況?？傮w而言,空車(chē)位于空重混編列車(chē)頭部時(shí)曲線通過(guò)性能最好,位于尾部時(shí)次之,位于中部時(shí)最差。原因在于相比單車(chē)而言,列車(chē)的各輛車(chē)之間有連接裝置,即車(chē)輛之間存在耦合作用,特別是相鄰車(chē)輛之間將有明顯的相互影響?？哲?chē)的安全性能比重車(chē)差,重車(chē)距離空車(chē)越近,空車(chē)對(duì)重車(chē)的影響也就越大。

圖4 空車(chē)不同位置時(shí)脫軌系數(shù)比較

圖5 空車(chē)不同位置時(shí)輪重減載率比較

前面比較了空車(chē)位于混編列車(chē)前中后不同位置時(shí)空車(chē)本身的曲線通過(guò)安全性能,接下來(lái)將分析空車(chē)位于不同位置時(shí)其對(duì)整列混編列車(chē)的曲線通過(guò)安全性的影響,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?當(dāng)把1輛空車(chē)分別放置在61輛編組列車(chē)的不同位置時(shí),其對(duì)整列車(chē)的曲線通過(guò)安全性的影響規(guī)律與空車(chē)本身曲線通過(guò)性能的變化趨勢(shì)一致——當(dāng)空車(chē)位于混編列車(chē)頭部時(shí),其輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率均是最小的,即曲線通過(guò)安全性最好;當(dāng)空車(chē)位于混編列車(chē)尾部的時(shí)候,其曲線通過(guò)安全性最差;空車(chē)位于列車(chē)中部時(shí)其性能介于前二者之間,總體差別不是特別大。列車(chē)通過(guò)曲線的時(shí)候,機(jī)車(chē)車(chē)輛是由輪軌橫向力進(jìn)行導(dǎo)向的,而且由于曲線及外軌超高的影響,重載車(chē)輛通過(guò)小曲線半徑的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)較大的輪軌橫向力。對(duì)于空重混編列車(chē),空車(chē)的輪軌橫向力在小曲線半徑明顯要小于重車(chē)。對(duì)于單一編組的列車(chē),尾部車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能要差于其他位置,當(dāng)尾部為空車(chē)時(shí),對(duì)列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能影響就比單一編組時(shí)更為明顯。

表2 不同編組方案中列車(chē)曲線通過(guò)安全性指標(biāo)最大值比較

3.2 列車(chē)前中后空車(chē)的曲線通過(guò)比較

為了解同一列車(chē)中不同位置空車(chē)曲線通過(guò)安全性能的差異,在61輛編組列車(chē)的第1位、第31位和第61位各放置一輛空車(chē),其余位置為重車(chē),根據(jù)2節(jié)分析結(jié)果,列車(chē)惰行和牽引工況條件下的動(dòng)力學(xué)性能差異較大,故分別考慮列車(chē)惰行和牽引兩種工況。

圖6、圖7首先表明的就是空重車(chē)的曲線通過(guò)性能是有差異的:空車(chē)的脫軌系數(shù)明顯大于重車(chē);重車(chē)的輪重減載率則明顯大于空車(chē)。由圖6可知惰行條件下,對(duì)處于混編列車(chē)不同位置的3輛空車(chē),其脫軌系數(shù)相差不大,但是位于列車(chē)中部的空車(chē)的輪重減載率最小,位于頭部的空車(chē)則最大。由圖7可知,在牽引工況下,脫軌系數(shù)最小是頭部的空車(chē),輪重減載率最小的則是位于尾部的空車(chē)。根據(jù)圖8進(jìn)一步分析牽引工況下,位于混編列車(chē)頭部、中部和尾部的3輛空車(chē)的脫軌系數(shù)和輪重減載率的時(shí)間變化歷程。由圖8(a)可知,3輛車(chē)的脫軌系數(shù)差別不甚明顯,均是S型曲線前半段上的值小于后半段上的值。但由圖8(b)看出,在前半個(gè)S曲線上,頭部空車(chē)的輪重減載率最大,尾部空車(chē)最小,而后半個(gè)S曲線上則是尾部空車(chē)輪重減載率最大,頭部空車(chē)的值最小。駛出曲線之后一段時(shí)間內(nèi),三者的對(duì)比結(jié)果又類(lèi)似于前半個(gè)S曲線。

圖6 不同位置空車(chē)曲線通過(guò)安全性能比較(惰行)

圖7 不同位置空車(chē)曲線通過(guò)安全性能比較(牽引)

總體而言,當(dāng)列車(chē)前部、中部和尾部同時(shí)有空車(chē)時(shí),列車(chē)牽引和列車(chē)惰行時(shí)其曲線通過(guò)性能有較明顯的差異。

4 結(jié)論

通過(guò)空、重車(chē)混編對(duì)重載列車(chē)曲線通過(guò)安全性的初步分析,得到結(jié)論:

圖8 牽引工況不同位置空車(chē)曲線通過(guò)安全性能比較

(1)運(yùn)用新的列車(chē)動(dòng)力學(xué)建模和仿真方法可以較為清晰地分析列車(chē)混編,尤其是空重車(chē)混編對(duì)其曲線通過(guò)安全性能的影響;

(2)單車(chē)的曲線通過(guò)性能與列車(chē)惰行時(shí)相比較為接近,與列車(chē)牽引狀態(tài)相比差異較大。主要是由于牽引力導(dǎo)致軸重發(fā)生轉(zhuǎn)移,另一方面,由于列車(chē)各車(chē)間存在耦合作用,牽引力引起車(chē)鉤力的變化,進(jìn)一步導(dǎo)致列車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的差異,所以車(chē)輛和列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能有一定區(qū)別;

(3)當(dāng)空車(chē)位于混編列車(chē)頭部時(shí),空車(chē)本身及整列車(chē)的曲線通過(guò)安全性均是最好,前者是空車(chē)位于列車(chē)中部時(shí)最差,而后者是空車(chē)位于列車(chē)尾部時(shí)最差;

(4)出現(xiàn)較大脫軌系數(shù)和輪重減載率的車(chē)輛主要是空重混編列車(chē)中的空車(chē),特別是連續(xù)重車(chē)后面緊接著的空車(chē),這對(duì)重載列車(chē)的曲線通過(guò)安全性極為不利。

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