王新銳,陳政南,苗曉雨,張?zhí)鞁?/p>

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所,北京100081)

青藏鐵路是中國(guó)實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程,是我國(guó)第一條通往西藏的鐵路,也是世界上海拔最高的高原鐵路,無(wú)論從我國(guó)的經(jīng)濟(jì)方面還是戰(zhàn)略方面都具有非常重要的意義和地位。青藏鐵路少不了大件的運(yùn)輸任務(wù),就是從現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料,分析在青藏線和內(nèi)地其他線路上車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的變化,從而分析大件貨物運(yùn)輸時(shí)車(chē)輛運(yùn)行的安全性(動(dòng)力學(xué)性能),并在現(xiàn)有大件運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方案的基礎(chǔ)上,提出青藏鐵路大件運(yùn)輸或軍事裝備運(yùn)輸時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方面。

1 青藏鐵路概況

青藏鐵路東起青海省省會(huì)西寧,西至西藏自治區(qū)首府拉薩,全長(zhǎng)1 956 km。其中,西寧至格爾木段814 km于1984年投入運(yùn)營(yíng)。大部分區(qū)段海拔在3 000 m以上,見(jiàn)圖1。青藏鐵路格爾木至拉薩段,全長(zhǎng)1 142 km,于2006年7月1日投入運(yùn)營(yíng)。格拉段穿越550多km的多年凍土地段,全線平均海拔在4 500 m以上。鐵路穿越海拔4 000 m以上的地段為960 km。見(jiàn)圖 2。青藏鐵路是當(dāng)今世界海拔最高、線路最長(zhǎng)的高原鐵路,沿線常年平均氣溫在零攝氏度以下,空氣中的含氧量?jī)H為平原地區(qū)的一半。

圖1 青藏線(西格段)海拔高度示意圖

圖2 青藏線(格拉段)海拔高度示意圖

2 不同線路條件下車(chē)輛運(yùn)行安全性分析[1,2]

2006年5月間中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所(簡(jiǎn)稱(chēng)鐵科院機(jī)輛所)在青藏線上對(duì)德國(guó)KIROW 公司生產(chǎn)的一輛KRC1600HA型鐵路救援起重機(jī)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)。2008年9月間鐵科院機(jī)輛所在蘭州鐵路局蘭新線蘭州西站—天祝站間對(duì)德國(guó)KIROW 公司生產(chǎn)的KRC1600HDCT型鐵路救援起重機(jī)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)(圖3)。兩次試驗(yàn)最高試驗(yàn)速度分別為133 km/h和133.6 km/h。KRC1600HA型鐵路救援起重機(jī)和KRC1600HDCT型鐵路救援起重機(jī)在結(jié)構(gòu)上完全一樣,只是在電氣控制方面有所調(diào)整,所以這兩次動(dòng)力學(xué)性能有很強(qiáng)的對(duì)比性,能夠很好地說(shuō)明青藏鐵路線路條件對(duì)車(chē)輛(貨車(chē))動(dòng)力學(xué)性能的綜合影響。該類(lèi)型起重機(jī)最高運(yùn)行速度120 km/h,最大起升總重160 t,走行部由4個(gè)2軸轉(zhuǎn)向架組成,軸重24 t,對(duì)于分析長(zhǎng)大貨物車(chē)在青藏線上的動(dòng)力學(xué)性能有很好的借鑒意義。

圖3 KRC1600HDCT型鐵路救援起重機(jī)

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1 試驗(yàn)線路

青藏線KRC1600HA型起重機(jī)動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)的曲線及側(cè)線試驗(yàn)在青藏公司管內(nèi)西格線西寧至巴燕間進(jìn)行,全長(zhǎng)60多 km,最高限速 100 km/h,包括R300,R400,R600,R800 m曲線多處。直線工況(包括大曲線)試驗(yàn)在格拉線格爾木至五道梁間250多km間進(jìn)行,最高試驗(yàn)速度133 km/h。

蘭新線KRC1600HDCT型鐵路救援起重機(jī)動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)在蘭州西站—天祝站之間上、下行區(qū)間進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)段長(zhǎng)約135 km,包括R300,R400,R600,R800 m曲線多處(最大超高120 mm)。

2.1.2 試驗(yàn)速度

兩次試驗(yàn)的試驗(yàn)速度設(shè)計(jì)都是相同的。直線試驗(yàn)速度為60,70,80,90,100,110,120,132 km/h;曲線試驗(yàn)速度按曲線最大允許速度執(zhí)行;側(cè)線試驗(yàn)速度按45 km/h(12#側(cè)線道岔)和30 km/h(9#側(cè)線道岔)執(zhí)行。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

無(wú)論是青藏線格拉段(直線工況),還是西格段(曲線工況)上救援起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合GB/T 5599-1985《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》的要求[1,2]。

2.2.1 青藏線格拉段(直線工況)

總體分析青藏線救援起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)大于蘭新線,特別是青藏線格拉段(直線工況)比較明顯,比如脫軌系數(shù)(圖4)、輪重減載率(圖 5)和輪軸橫向力(圖6)等穩(wěn)定性指標(biāo)。平穩(wěn)性指標(biāo)和轉(zhuǎn)向架的彈簧動(dòng)撓度也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律,見(jiàn)圖7～圖9。圖 9還表明青藏線格拉段的彈簧動(dòng)撓度最大與平均值相差也較大,說(shuō)明線路狀態(tài)相對(duì)稍差。按照通常的經(jīng)驗(yàn),結(jié)構(gòu)相同的車(chē)輛其動(dòng)力學(xué)性能基本一致。青藏線格拉段是2006年7月1日正式運(yùn)營(yíng),屬新建線路,而且地處高寒地區(qū),存在常年凍土帶。顯然對(duì)于這兩次試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的差異,青藏線(格拉段)特殊地理、氣候、環(huán)境因素下的線路條件的影響是主要因素。

圖4 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——脫軌系數(shù)(直線工況)

圖5 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——輪重減載率(直線工況)

圖6 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——輪軸橫向力(直線工況)

圖7 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——橫向平穩(wěn)性指標(biāo)(直線工況)

圖8 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——垂向平穩(wěn)性指標(biāo)(直線工況)

圖9 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——彈簧動(dòng)撓度(直線工況)

2.2.2 青藏線西格段(曲線工況)

青藏線西格段為曲線試驗(yàn)工況,在西格段的測(cè)試結(jié)果略大于蘭新線,但這種差別不明顯。圖10～圖12分別是曲線工況下脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力的變化圖;圖13和圖14分別是橫向、垂向平穩(wěn)性指標(biāo)變化圖。曲線工況下特征說(shuō)明:一方面,青藏線(西格段)是1984年建成投入運(yùn)營(yíng),屬于老線路,線路條件比較穩(wěn)定,更接近于內(nèi)地線路狀況,測(cè)試結(jié)果也趨于相近;另一方面,與不同地域的環(huán)境條件相比,曲線本身的特征參數(shù)(曲線半徑、超高、順坡率等)是影響動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的更主要的因素。

圖10 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——脫軌系數(shù)(曲線工況)

圖11 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——輪重減載率(曲線工況)

圖12 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——輪軸橫向力(曲線工況)

圖13 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——橫向平穩(wěn)性指標(biāo)(曲線工況)

圖14 鐵路救援起重機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比——垂向平穩(wěn)性指標(biāo)(曲線工況)

3 不同氣候條件下車(chē)輛運(yùn)行安全性分析

前面以救援起重機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,對(duì)青藏線與內(nèi)地通常(平原)線路動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析,比較充分地說(shuō)明了青藏線路(地理)綜合條件對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。由于這兩次試驗(yàn)均在天氣尚好的條件下進(jìn)行,所以氣溫、大風(fēng)和雨雪對(duì)鐵路貨車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的影響還沒(méi)有完全在試驗(yàn)中反映出來(lái)。青藏鐵路不但地質(zhì)狀況復(fù)雜,天氣條件也多變,時(shí)常出現(xiàn)大風(fēng)、雨雪,天氣比較寒冷。這種天氣條件下,不太可能在青藏線進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)。因此,我們根據(jù)現(xiàn)有的貨車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同氣溫(夏天與冬天)、大風(fēng)和雨雪條件下,貨車(chē)動(dòng)力學(xué)性能變化情況,為青藏線鐵路貨車(chē)的運(yùn)行,特別是大件運(yùn)輸車(chē)輛提供運(yùn)輸安全技術(shù)支持。

3.1 氣溫的影響

我國(guó)東北地區(qū)冬天氣溫一般-20℃～-30℃,夏天一般在零上30℃,最大相對(duì)溫差在60℃上下,接近于青藏線的氣溫變化范圍。在這兩個(gè)極端條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠很好地反映出氣溫對(duì)車(chē)輛性能的影響(對(duì)測(cè)試的影響)。圖 15、圖 16是DQ35型鉗夾式貨車(chē)運(yùn)輸兩臺(tái)哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)定子的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖[3,4],定子及附件運(yùn)輸總重318 t。運(yùn)輸區(qū)間:哈爾濱電機(jī)廠至許昌禹州電廠,第1臺(tái)和第2臺(tái)運(yùn)輸路徑完全一樣,貨物(定子)完全一樣,使用車(chē)輛均為同一輛車(chē)(DQ35型鉗夾式貨車(chē)),只是運(yùn)輸時(shí)間第一臺(tái)在夏季(7月21日～8月2日),另一臺(tái)在冬季(11月10日～11月22日)。因此,這兩次大件運(yùn)輸是反映氣溫對(duì)車(chē)輛運(yùn)行性能或測(cè)試結(jié)果影響的典型例子。

圖15的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)、圖16的振動(dòng)加速度和彈簧動(dòng)態(tài)位移測(cè)試數(shù)據(jù)表明,第1臺(tái)運(yùn)輸過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與第2臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,整體上沒(méi)有明顯區(qū)別,個(gè)別波動(dòng)也屬正常的變化。車(chē)輛輪軌力的測(cè)試也是基于車(chē)輪應(yīng)力測(cè)試,所以,車(chē)輛本身的運(yùn)行穩(wěn)定性隨氣溫變化沒(méi)有明顯的變化。由此可認(rèn)為青藏線的氣溫條件不會(huì)明顯影響到貨車(chē)或大件運(yùn)輸?shù)能?chē)輛動(dòng)力學(xué)性能。

圖15 DQ35型鉗夾車(chē)哈爾濱—禹州電廠2臺(tái)定子運(yùn)輸應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

圖16 DQ35型鉗夾車(chē)哈爾濱—禹州電廠2臺(tái)定子運(yùn)輸加速度和位移數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 大風(fēng)的影響[5]

2009年4～5月在烏魯木齊鐵路局管內(nèi)的蘭新線上,對(duì)4輛被試貨車(chē)(單層集裝箱車(chē)、雙層集裝箱車(chē)、棚車(chē)、敞車(chē))進(jìn)行了在大風(fēng)環(huán)境條件下的動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn),以研究在新疆大風(fēng)環(huán)境下被試貨車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行平穩(wěn)性是否符合要求,為擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步研究提供數(shù)據(jù),為大風(fēng)環(huán)境下列車(chē)運(yùn)行管理提供依據(jù)。青藏線上大風(fēng)、雨雪天氣多變,很難正好抓住大風(fēng)情況下的記錄,所以在青藏線上進(jìn)行大風(fēng)試驗(yàn)存在較大的困難。這次新疆大風(fēng)試驗(yàn)是在比較嚴(yán)酷條件下的一次比較全面的試驗(yàn),對(duì)青藏線貨物運(yùn)輸特別是大件運(yùn)輸?shù)陌踩杂泻芎媒梃b意義。

新疆大風(fēng)試驗(yàn)的試驗(yàn)線路為蘭新線百里風(fēng)區(qū)的瞭墩—小草湖之間(K1 440+125—K1 530+367)。表1是2009年進(jìn)行的新疆大風(fēng)試驗(yàn)的基本信息。

表1 2009年新疆大風(fēng)試驗(yàn)最高試驗(yàn)速度及風(fēng)速匯總

單層集裝箱車(chē)(空箱)、空棚車(chē)、空敞車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求;雙層集裝箱(空箱)的傾覆系數(shù)、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力和運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,但輪重減載率超限嚴(yán)重。圖17表明雙層集裝箱(空箱)車(chē)的輪重減載率有部分點(diǎn)超過(guò)了安全限度值0.65,無(wú)擋風(fēng)墻時(shí)超限點(diǎn)相對(duì)較多。超限主要出現(xiàn)在無(wú)擋風(fēng)墻、路塹、進(jìn)入路塹前50 m內(nèi)、插入式擋風(fēng)墻的薄弱環(huán)節(jié)等。試驗(yàn)結(jié)果表明,輪重減載率和傾覆系數(shù)是受風(fēng)載影響最大的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)。風(fēng)載作用下迎風(fēng)側(cè)輪重減載率明顯增大,車(chē)輛同側(cè)4個(gè)車(chē)輪的變化過(guò)程類(lèi)似,傾覆系數(shù)的變化過(guò)程與輪重減載率類(lèi)似,但沒(méi)有超過(guò)限度值。風(fēng)引起的載荷與車(chē)輛的迎風(fēng)面積有直接的關(guān)系,迎風(fēng)面積越大所受到的載荷也就越大。在2004年1月進(jìn)行的雙層集裝箱車(chē)線路運(yùn)行試驗(yàn)(京廣線平推)[6],雙層集裝箱(空箱)車(chē)的輪重減載率最大值為0.41,無(wú)大風(fēng)正常條件下,雙層集裝箱車(chē)的輪重減載率一般不會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限度值。

圖17 新疆大風(fēng)試驗(yàn)中雙層集裝箱車(chē)輪重減載率散點(diǎn)圖

青藏線上暫時(shí)不會(huì)運(yùn)行雙層集裝箱車(chē),但是會(huì)運(yùn)行敞車(chē)、棚車(chē)、單層集裝箱車(chē)輛或大件運(yùn)輸車(chē)輛和軍事裝備的車(chē)輛,這些車(chē)輛迎風(fēng)面積相對(duì)比較大。在空車(chē)和重車(chē)條件下,風(fēng)對(duì)車(chē)輛的載荷是相同的。只是在重車(chē)狀態(tài)下,風(fēng)載荷引起的輪重增減載率相對(duì)空車(chē)要小。即便如此,也要引起高度重視。在青藏線大件運(yùn)輸過(guò)程中,在通常監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,還應(yīng)關(guān)注車(chē)輪載荷的變化,可從轉(zhuǎn)向架彈簧位移的測(cè)試和車(chē)輛側(cè)滾運(yùn)動(dòng)的測(cè)試兩方面來(lái)把握車(chē)輛在大風(fēng)條件下的運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 雨雪的影響

2000年在環(huán)行線進(jìn)行了貨物列車(chē)直線段脫軌試驗(yàn),研究了輪軌潤(rùn)滑對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響[7,8]。圖18是以N17型平車(chē)為例的輪軌潤(rùn)滑對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能影響圖,其中包括涂油、下雪和干噪3種工況,其他車(chē)輛也有類(lèi)似的影響。圖18表明,下雪有利于改善車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能,特別是車(chē)輛的橫向動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)(橫向力和橫向加速度)。下雪條件下,輪緣與鋼軌內(nèi)側(cè)間得到了適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑,減小了摩擦阻力和車(chē)輪的沖角,從而達(dá)到改善車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的目的。因此,青藏線上的雨雪天氣從輪軌關(guān)系方面來(lái)講有利于大件運(yùn)輸車(chē)輛的運(yùn)行安全性,但雨雪天氣對(duì)列車(chē)的牽引和制動(dòng),或動(dòng)車(chē)來(lái)講有不利的因素。雨雪天氣還會(huì)造成鐵路貨車(chē)的增載,消耗更多的能源。

圖18 輪軌潤(rùn)滑(輪緣與鋼軌內(nèi)側(cè)面)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

青藏線(格拉段)特殊地理、氣候、環(huán)境因素下的線路條件是影響鐵路貨車(chē)或大件運(yùn)輸車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的主要因素,突出表現(xiàn)在直線工況下;與不同地方的線路條件相比,曲線的特征參數(shù)(曲線半徑、超高、順坡率等)是影響貨車(chē)或大件運(yùn)輸車(chē)輛曲線動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的主要的因素;青藏線的氣溫條件不會(huì)影響到貨車(chē)或大件運(yùn)輸車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能;青藏線的大風(fēng)天氣會(huì)對(duì)貨車(chē)或大件運(yùn)輸車(chē)輛造成一定的影響,主要表現(xiàn)有輪重增減的變化;雨雪天氣雖對(duì)鐵路貨車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能存在有利的一面,但對(duì)列車(chē)的牽引和制動(dòng)存在不利的影響,此外,雨雪還會(huì)造成鐵路貨車(chē)的增載,消耗更多的能源。

鑒于青藏線上鐵路貨車(chē)或特種車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能特點(diǎn),建議在大件運(yùn)輸監(jiān)測(cè)或大型軍事裝備運(yùn)輸時(shí),盡可能選擇天氣較好的條件進(jìn)行運(yùn)輸;在現(xiàn)有大件運(yùn)輸監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,增加轉(zhuǎn)向架彈簧位移和車(chē)輛振動(dòng)加速度的測(cè)點(diǎn)數(shù)目,關(guān)注車(chē)輪載荷的變化和車(chē)輛振動(dòng)型式的變化;加強(qiáng)對(duì)線路的巡視與整治;此外,借鑒現(xiàn)有的信息技術(shù)發(fā)展成果,建立起信息溝通渠道,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)診斷與解決。

[1] 陳政南.KRC 1600HA型鐵路救援起重機(jī)動(dòng)力學(xué)性能檢驗(yàn)報(bào)告,(2006)JL字第W-158號(hào)[R].北京:鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車(chē)車(chē)輛檢驗(yàn)站,2006.

[2] 曲金娟.KRC1600HDCT型鐵路救援起重機(jī)動(dòng)力學(xué)性能檢驗(yàn)報(bào)告,(2008)JL字第W-355號(hào)[R].北京:鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車(chē)車(chē)輛檢驗(yàn)站,2008.

[3] 苗曉雨.DQ35型鉗夾車(chē)哈爾濱——禹州電廠第一臺(tái)定子運(yùn)輸監(jiān)測(cè)報(bào)告,2008年JL字第60號(hào)[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所,2008.

[4] 王新銳.DQ35型鉗夾車(chē)哈爾濱——禹州電廠第二臺(tái)定子運(yùn)輸監(jiān)測(cè)報(bào)告,2008年JL字第82[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所,2008.

[5] 熊 芯.新疆鐵路大風(fēng)環(huán)境下貨車(chē)動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究,2009年JL字第 44號(hào)[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所,2009

[6] 康 熊.雙層集裝箱列車(chē)(過(guò)渡裝箱方案)京廣線運(yùn)行試驗(yàn)研究報(bào)告,T Y字第1 778號(hào),2004年機(jī)研字第003號(hào)[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2004.

[7] 王衛(wèi)東.環(huán)行線貨物列車(chē)直線段脫軌試驗(yàn)報(bào)告,TY字第1 408號(hào)[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2000.

[8] 王衛(wèi)東,等.輪軌潤(rùn)滑對(duì)脫軌性及車(chē)橋耦合振動(dòng)的影響[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2001,22(1):40-46.