唐士晟,史永革,張小勇

(烏魯木齊鐵路局,新疆烏魯木齊830011)

新疆鐵路地處大漠戈壁,屬于典型大陸性氣候,干旱少雨,自然環(huán)境惡劣。每年受冷空氣影響,大風(fēng)頻繁。強(qiáng)冷氣流經(jīng)過(guò)山口時(shí)產(chǎn)生狹管效應(yīng),風(fēng)速加大,同時(shí)受新疆北高南低地形影響,大風(fēng)順坡而下,風(fēng)力強(qiáng)勁。風(fēng)區(qū)站停留的車(chē)輛在大風(fēng)作用下,受到沿車(chē)長(zhǎng)方向的氣動(dòng)力。在線(xiàn)路坡度為零時(shí),當(dāng)氣動(dòng)力等于車(chē)輛起動(dòng)阻力之和時(shí),車(chē)輛達(dá)到臨界溜逸狀態(tài);當(dāng)氣動(dòng)力大于車(chē)輛起動(dòng)阻力之和時(shí),車(chē)輛將發(fā)生溜逸,造成行車(chē)事故。新疆鐵路歷史上分別在天山和阿拉山口站發(fā)生過(guò)車(chē)輛溜逸事故,給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)?yè)p失。

1 風(fēng)場(chǎng)中停留車(chē)輛受力分析

1.1 沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)力

大風(fēng)是造成車(chē)輛溜逸的主因,當(dāng)車(chē)輛停留在坡道上時(shí),由于風(fēng)向不同,車(chē)輛可能順坡溜逸,也可能逆坡溜逸。

車(chē)輛在風(fēng)場(chǎng)中受到的氣動(dòng)力比較復(fù)雜,本次研究?jī)H將對(duì)車(chē)輛溜逸起決定因素的沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)力(即縱向推力)作為研究對(duì)象。根據(jù)車(chē)輛模型風(fēng)洞試驗(yàn),沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)推力ρ v2HLC,其中 ρ為空氣密度;v為風(fēng)速;H、L為車(chē)輛模型結(jié)構(gòu)特征尺度,H為車(chē)高,L為車(chē)長(zhǎng);C為沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)系數(shù),大小與來(lái)風(fēng)方向有關(guān)。所以,沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)推力的大小與風(fēng)速、風(fēng)向角(風(fēng)向與車(chē)輛之間所夾銳角)、車(chē)型、車(chē)輛編組位置有關(guān),與車(chē)輛載重?zé)o關(guān)。

(1)擋風(fēng)墻對(duì)沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)力的影響

擋風(fēng)墻的遮蔽效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是抬高迎風(fēng)氣流而改變流場(chǎng),并在擋風(fēng)墻與車(chē)輛之間產(chǎn)生渦流,降低了風(fēng)速。沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)力與風(fēng)速的平方成正比,由于擋風(fēng)墻后風(fēng)速較無(wú)擋風(fēng)墻風(fēng)速小,故風(fēng)向角一定時(shí),擋風(fēng)墻后車(chē)輛所受氣動(dòng)力小于無(wú)擋風(fēng)墻遮蔽的車(chē)輛,相對(duì)安全。另外,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,針對(duì)不同類(lèi)型的擋風(fēng)墻,對(duì)拉式擋風(fēng)墻后車(chē)輛所受氣動(dòng)力小于土堆式擋風(fēng)墻后車(chē)輛所受氣動(dòng)力,防護(hù)效果較優(yōu),見(jiàn)表1。

表1 不同類(lèi)型擋風(fēng)墻后車(chē)輛所受縱向氣動(dòng)力比較(以中間車(chē)為例) kN

(2)風(fēng)向角對(duì)沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)力的影響

風(fēng)向角對(duì)車(chē)輛所受縱向氣動(dòng)力影響較大,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)風(fēng)向角為 30°時(shí),沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)力最大,見(jiàn)表2。

表2 不同風(fēng)向角車(chē)輛所受縱向氣動(dòng)力比較(以無(wú)擋風(fēng)墻條件下的中間車(chē)為例) kN

(3)車(chē)型和編組位置對(duì)沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)力的影響

相對(duì)不同車(chē)型,敞車(chē)受到的沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)力最大,棚車(chē)次之,單層客車(chē)最小;相對(duì)車(chē)輛位置,頭車(chē)較大,尾車(chē)、中間車(chē)較小。見(jiàn)圖1無(wú)擋風(fēng)墻區(qū)段沿車(chē)長(zhǎng)方向氣動(dòng)力同車(chē)型、風(fēng)向角、車(chē)輛編組位置的關(guān)系。

1.2 車(chē)輛起動(dòng)阻力

根據(jù)TB/T 1407-1998《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》對(duì)裝有滾動(dòng)軸承貨車(chē)起動(dòng)單位基本阻力取3.5 N/kN,則起動(dòng)阻力為3.5×(車(chē)輛自重+載重)。

圖1 無(wú)擋風(fēng)墻區(qū)段車(chē)輛縱向氣動(dòng)力與車(chē)型、風(fēng)向角、車(chē)輛編組位置的關(guān)系

1.3 閘瓦制動(dòng)力

長(zhǎng)時(shí)間停留在風(fēng)區(qū)的車(chē)輛,由于管路風(fēng)壓已全部泄漏,自動(dòng)制動(dòng)機(jī)失去作用,其制動(dòng)力為零。這時(shí)車(chē)輛制動(dòng)力主要由手制動(dòng)機(jī)產(chǎn)生。根據(jù)TB/T 1407-1998,貨車(chē)每輛換算閘瓦壓力40 kN,客車(chē)每輛換算閘瓦壓力80 kN。對(duì)于中磷閘瓦,當(dāng)車(chē)速為零時(shí),換算摩擦系數(shù)為0.433。所以,貨車(chē)每輛手制動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)力為17.32 kN,客車(chē)每輛手制動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)力為34.64 kN。

1.4 坡道下滑力

坡道下滑力由車(chē)輛重力產(chǎn)生,根據(jù) TB/T 1407-1998車(chē)輛單位坡道下滑力等于坡道的千分?jǐn)?shù),則坡道下滑力為i×(車(chē)輛自重+載重),i為坡道千分?jǐn)?shù)。在順坡風(fēng)作用時(shí),車(chē)輛重力產(chǎn)生的也是造成車(chē)輛向坡下溜逸的因素之一,屬于溜逸動(dòng)力;在逆坡風(fēng)作用時(shí),坡道下滑力阻止車(chē)輛向坡上溜逸,屬于溜逸阻力。

1.5 鐵鞋制動(dòng)阻力

鐵鞋制動(dòng)的原理就是變滾動(dòng)摩擦為滑動(dòng)摩擦,增大摩擦力,使溜行車(chē)輛盡快減速停車(chē),從而達(dá)到制動(dòng)目的。對(duì)于停留在風(fēng)區(qū)的車(chē)輛,受到風(fēng)力和車(chē)鉤力往復(fù)作用,原本和車(chē)輪踏面貼實(shí)的鐵鞋逐漸松脫,最終失去保護(hù)作用。另外,以自重200 kN的貨車(chē)為例,鐵鞋與鋼軌摩擦系數(shù)為0.15,單個(gè)鐵鞋制動(dòng)力不超過(guò)15 kN,與氣動(dòng)力相比很小,可以忽略。故鐵鞋制動(dòng)阻力在溜逸分析時(shí)不予考慮。

2 臨界溜逸狀態(tài)計(jì)算模型

2.1 順坡風(fēng)作用下(圖2)

溜逸動(dòng)力=風(fēng)作用車(chē)輛氣動(dòng)力+坡道下滑力

溜逸阻力=車(chē)輛起動(dòng)阻力+閘瓦制動(dòng)力

當(dāng)動(dòng)力等于阻力時(shí),車(chē)輛處于臨界溜逸狀態(tài)。根據(jù)等式,可以求出順坡風(fēng)作用下不發(fā)生溜逸所需最少手制動(dòng)車(chē)輛數(shù)。

圖2 順坡風(fēng)作用下車(chē)輛受力簡(jiǎn)圖

2.2 逆坡風(fēng)作用下(圖3)

溜逸動(dòng)力=風(fēng)作用車(chē)輛氣動(dòng)力

溜逸阻力=車(chē)輛起動(dòng)阻力+閘瓦制動(dòng)力+坡道下滑力

當(dāng)動(dòng)力等于阻力時(shí),車(chē)輛處于臨界溜逸狀態(tài)。根據(jù)等式,可以求出逆坡風(fēng)作用下不發(fā)生溜逸所需最少手制動(dòng)車(chē)輛數(shù)。

圖3 逆坡風(fēng)作用下車(chē)輛受力簡(jiǎn)圖

2.3 順、逆坡風(fēng)的確定

根據(jù)風(fēng)區(qū)車(chē)站線(xiàn)路走向和車(chē)站附近測(cè)風(fēng)站多年12級(jí)及以上大風(fēng)風(fēng)向統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定風(fēng)向角分布范圍,確定最不利風(fēng)向角(30°時(shí)氣動(dòng)推力最大),再結(jié)合車(chē)站坡度方向確定順、逆坡風(fēng)。

3 車(chē)輛載重量及順、逆坡風(fēng)對(duì)溜逸的影響

由臨界溜逸狀態(tài)計(jì)算模型分析,逆坡風(fēng)作用下,溜逸動(dòng)力隨車(chē)輛載重的增大而保持不變,溜逸阻力隨車(chē)輛載重的增大而增大,此時(shí)空車(chē)發(fā)生溜逸的可能性較大。

順坡風(fēng)作用下,溜逸動(dòng)力中包含的坡道下滑力隨車(chē)輛載重的增大而增大,同時(shí)溜逸阻力中包含的車(chē)輛起動(dòng)阻力也相應(yīng)增大,二者數(shù)值之差為(i-3.5)×車(chē)輛總重,當(dāng)i＜3.5時(shí),坡道下滑力小于車(chē)輛起動(dòng)阻力,二者差值隨車(chē)輛載重增大而增大,所以相比較而言,空車(chē)溜逸的可能性高于重車(chē)。

4 風(fēng)區(qū)車(chē)站停留車(chē)輛不發(fā)生溜逸所需最少手制動(dòng)車(chē)輛數(shù)的計(jì)算過(guò)程

以煙墩風(fēng)區(qū)思甜站為例,根據(jù)2004—2009年大風(fēng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),得到最大年極值風(fēng)速(瞬時(shí)風(fēng)速)為42.3 m/s,根據(jù)十六風(fēng)向統(tǒng)計(jì)玫瑰圖得到該站12級(jí)及以上主盛行風(fēng)向?yàn)镋NE(東東北風(fēng)),頻率為38%,次盛行風(fēng)向?yàn)镻PN(北風(fēng))、ESE(東東南風(fēng))、PSE(東南風(fēng))、SSE(南東南風(fēng))、SSW(南西南風(fēng)),出現(xiàn)頻率各13%。思甜站坡度為2.7‰,坡向?yàn)橄滦邢缕隆?/p>

根據(jù)思甜站線(xiàn)路走向和坡道走向,確定不利風(fēng)向?yàn)镾SE(南東南風(fēng)),風(fēng)向角為27.5°,屬于順坡風(fēng)。假定停留貨車(chē)輛數(shù)50輛,客車(chē)30輛,利用臨界溜逸狀態(tài)計(jì)算模型計(jì)算,得到表3。由表3可知,在思甜站停留車(chē)輛在順坡風(fēng)作用下,空車(chē)發(fā)生溜逸的可能性比重車(chē)大。相同條件下,空敞車(chē)發(fā)生溜逸的可能性大于空棚車(chē)、客車(chē)。

同時(shí),風(fēng)向PPN(北風(fēng))也應(yīng)該考慮,其風(fēng)向角為50°,屬于逆坡風(fēng)。假定停留貨車(chē)輛數(shù)50輛,客車(chē)30輛,利用臨界溜逸狀態(tài)計(jì)算模型計(jì)算,得到表4。由表4可知,在思甜站停留車(chē)輛在逆坡風(fēng)作用下,空車(chē)發(fā)生溜逸的可能性比重車(chē)大。相同條件下,空敞車(chē)發(fā)生溜逸的可能性大于空棚車(chē)、客車(chē)。

由此可見(jiàn),思甜站最不利風(fēng)向?yàn)镾SE(南東南風(fēng))。順、逆坡風(fēng)條件下,空車(chē)發(fā)生溜逸的可能性均大于重車(chē),空敞車(chē)發(fā)生溜逸的可能性大于空棚車(chē)、客車(chē)。因此,在以后確定停留車(chē)輛不發(fā)生溜逸所需最少手制動(dòng)輛數(shù)時(shí)均以空車(chē)參數(shù)為計(jì)算依據(jù)。

表3 思甜站各車(chē)型在順坡風(fēng)作用下臨界溜逸狀態(tài)計(jì)算表

表4 思甜站各車(chē)型在逆坡鳳作用下臨界溜逸狀態(tài)計(jì)算表

5 各主要風(fēng)區(qū)車(chē)站停留車(chē)輛最少手制動(dòng)輛數(shù)計(jì)算結(jié)果

5.1 煙墩風(fēng)區(qū)(無(wú)擋風(fēng)墻區(qū)段,表5)

表5 煙墩風(fēng)區(qū)車(chē)站停留車(chē)輛最少手制動(dòng)輛數(shù)計(jì)算公式

5.2 0.5 km風(fēng)區(qū)(對(duì)拉式擋風(fēng)墻區(qū)段,表6)

表6 0.5 km風(fēng)區(qū)車(chē)站停留車(chē)輛最少手制動(dòng)輛數(shù)計(jì)算公式

5.3 0.015km風(fēng)區(qū)(土堆式擋風(fēng)墻,表7)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,極端大風(fēng)條件下,天山站應(yīng)禁止單輛空棚車(chē)或空敞車(chē)停留,此時(shí)僅靠手制動(dòng)力不能保證制動(dòng)安全,車(chē)輛有溜逸危險(xiǎn)。

表7 0.015 km風(fēng)區(qū)車(chē)站停留車(chē)輛最少手制動(dòng)輛數(shù)計(jì)算公式

5.4 南疆線(xiàn)前100 km風(fēng)區(qū)(鐵泉、珍珠泉、紅山渠處于對(duì)拉式擋風(fēng)墻區(qū)段,其余為無(wú)擋風(fēng)墻區(qū)段,表8)

6 增設(shè)輔助防溜措施

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)車(chē)站停留車(chē)輛在20輛以上時(shí),極端大風(fēng)條件下,思甜、天山、鹽湖、阿拉山口、東湖溝、托克遜、小埡、布爾加依、八盤(pán)磨站停留車(chē)輛最少手制動(dòng)車(chē)輛比例接近或超過(guò)40%,其中天山、托克遜、小埡超過(guò)50%。從發(fā)生溜逸可能性的大小分析,從大到小排序?yàn)榈谝惶焐秸?第二托克遜、小埡站,第三思甜、鹽湖、東湖溝站,第四阿拉山口、布爾加依、八盤(pán)磨站。如僅從安全角度考慮,上述車(chē)站在極端大風(fēng)條件下不宜停留車(chē)輛。

當(dāng)運(yùn)輸生產(chǎn)和避風(fēng)防災(zāi)應(yīng)急需要確需上述車(chē)站停留車(chē)輛時(shí),為保證行車(chē)安全,則需要考慮在上述風(fēng)區(qū)車(chē)站增加輔助防溜設(shè)施。對(duì)目前所使用的各種輔助防溜設(shè)施進(jìn)行比較分析,靜態(tài)液壓防溜器不失為一個(gè)好的選擇。根據(jù)資料介紹,每組靜態(tài)液壓防溜器對(duì)每條輪對(duì)的制動(dòng)力30～70 kN,一般可夾 4～6條輪對(duì),每組最少制動(dòng)合力120 kN。每增加一組液壓防溜器后,對(duì)于貨車(chē),最少相當(dāng)于增加6.9輛(120/17.32)手制動(dòng)車(chē)輛,對(duì)于客車(chē)最少相當(dāng)于增加3.5輛(120/34.64)手制動(dòng)車(chē)輛。各個(gè)車(chē)站實(shí)際所需液壓防溜器組數(shù),可根據(jù)各風(fēng)區(qū)車(chē)站停留車(chē)輛最少手制動(dòng)輛數(shù)計(jì)算結(jié)果和車(chē)站到發(fā)線(xiàn)線(xiàn)路條件具體確定。靜態(tài)液壓防溜器的使用在提高安全保障的同時(shí)將大大縮短作業(yè)時(shí)間,減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

表8 南疆線(xiàn)前100 km風(fēng)區(qū)車(chē)站停留車(chē)輛最少手制動(dòng)輛數(shù)計(jì)算公式

[1] TB/T1407-1998列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程[S].

[2] 側(cè)風(fēng)作用下車(chē)輛空氣動(dòng)力性能風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[R].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2006.

[3] 田紅旗.列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[4] 楊根生.風(fēng)沙災(zāi)害論文選集[M].北京:海洋出版社,2005.