中国神华能源股份有限公司轨道机械化维护分公司，天津

收稿日期：2021年8月13日；录用日期：2021年9月22日；发布日期：2021年9月29日

摘要

建立重载货车–轨道耦合动力学模型，计算重载货车在小半径曲线以不同速度通过时的安全性指标，分析重载铁路不同速度运行时的列车安全性。结果表明：以50 km/h速度条件下仿真的最大垂向力、最大横向力分别为180 kN、40 kN，最大脱轨系数及最大减载率分别为0.29、0.38，皆小于规范限值规定，且保留一定的安全储备；速度提高时，轮轨垂向力变化不大，轮轨横向力、脱轨系数、减载率均随速度增大而增大，且外轨增幅大于内轨增幅；对比现场试验结果，仿真结果略大于现场试验结果，但二者均在安全限值之内，仿真结果偏安全。

关键词

重载铁路，养护维修，列车速度，动力学，运行安全性

Analysis on Running Safety of Heavy-Haul Vehicle with Different Speed

Jun Jia

Track Mechanization Maintenance Branch of China Shenhua Energy Co., Tianjin

Received: Aug. 13^th, 2021; accepted: Sep. 22^nd, 2021; published: Sep. 29^th, 2021

ABSTRACT

A dynamic model coupled with heavy-haul freight car and track was established to calculate the operation safety index of the heavy-haul freight car passing through sharp radius curve with different speed. And the operation safety of the train was analyzed. The results show that the maximum vertical force and lateral force were 180 kN and 40 kN respectively at the train speed of 50 km/h. The maximum derailment coefficient and the maximum load shedding rate are 0.29 and 0.38 respectively, which are all less than the standard limit value, and certain safety reserve is reserved; when the speed increases, the wheel rail vertical force changes little, and the wheel rail lateral force, derailment coefficient and load shedding rate increase with the increase of speed, and the increase of the outer rail is greater than the increase of the inner rail; compared with the field test results, the simulation results are slightly larger than the field test results, but both of them are within the safety limit, and the simulation results are relatively safe.

Keywords:Heavy Haul Railway, Maintenance, Train Speed, Dynamic, Operation Safety

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1. 引言

随着我国重载铁路货运运输的高速发展，为适应不断增长的货运需求，重载铁路不断地往大轴重、大长度、高速度的方向发展，在此背景下带来的重载铁路安全性问题也随之产生。国内已有不少学者针对重载铁路的安全性问题进行仿真分析，杨春雷等 [1] 建立了曲线轨道的重载铁路货车–轨道耦合动力学模型，分析了曲线半径、缓和曲线长度和外轨超高等曲线几何参数对重载货车轮轨动力作用的影响。杨轶科等 [2] 建立了重载铁路车辆–轨道耦合动力学模型，计算分析了小半径曲线区段接头不平顺激扰下的轮轨动力响应。王景涛等 [3] 通过SIMPACK建立货运列车模型，分析了货物重心的横向偏移对货车通过曲线的安全性影响。孙海富 [4] 建立动力学仿真模型，分析了重载铁路列车通过不同曲线半径的安全性指标，提出了重载铁路最小曲线半径选择的标准。随着重载运输的发展，列车速度的提高特别是养护维修后列车速度的提高成为趋势，已有研究较少从理论上分析重载铁路在不同速度下的安全性问题。

本文以我国某重载铁路典型曲线段的条件下进行仿真分析，结合现场试验的结果，模拟重载铁路现场工况，对重载货车在不同速度运行下的安全性指标进行检算，为重载铁路提高列车开通速度提供理论依据。

2. 仿真计算模型与方法

2.1. 车辆与线路条件

2.1.1 车辆条件

试验段重载铁路车辆大多采用C80货车，C80型煤矿专用敞车是我国专门为重载铁路而设计制造的专用敞车，有C80、C80A、C80B、C80C型系列。其主要职能是运载煤炭。同时其也是为货车提高运量而设计的重载型货车。C80敞车是浴盆漏斗式卸载结构，采用了全不锈钢车体以及旋转式车钩。采用旋转式车钩。C80型敞车，载重80 t，自重小于28 t，容积87 m³，车辆长度1200 cm。货车类型见图1。

2.1.2. 轨道条件

仿真模型设置曲线半径600米，采用如图2所示的线路条件。

2.2. 重载货车–轨道耦合动力学模型

采用车辆–轨道耦合动力学理论，建立了重载货车–有砟轨道空间耦合动力学模型，如图3所示。

图1. 货车类型

图2. 仿真分析时平面曲线示意图

图3. 货车车辆–有砟轨道空间耦合模型正视图

车辆模型采用经典的车辆空间动力学模型，货车转向架模型由两个轮对、构架和一系悬挂组成。轨道子模型中，钢轨视为有限长Timoshenko梁模型，钢轨采用连续弹性离散点支承梁模型，而不用连续弹性基础梁模型；采用连续分布轨道模型而不是简化的等效集总参数轨道模型；轨下基础沿纵向被离散，以各轨枕支点为基元；每个支承单元采用双质量(轨枕、道床)、三层(钢轨–轨枕–道床–路基)弹簧–阻尼振动模型；相邻支承单元之间引入道床剪切刚度和剪切阻尼；路基视为弹簧阻尼单元。轮轨接触是联系车辆子系统与轨道子系统的纽带，法向力用非线性Hertz接触理论求解，切向蠕滑力用Kalker线性理论求解，后用沈氏理论非线性修正。

2.3. 重载货车–轨道耦合动力学模型

我国已有三大干线轨道谱，但不适用于重载铁路的条件。徐磊等人 [5] 针对朔黄重载铁路提出了更适合于重载铁路环境的轨道高低及轨向不平顺谱，如式(1)、(2)所示。

$S_v\left(f\right)=\frac{af+b}{{\left(1+bf+c{f}^2+d{f}^3\right)}^2}$ (1)

$S_a\left(f\right)=\frac{af}{{\left(1+bf+c{f}^2\right)}^2}$ (2)

根据轨检车数据，拟合出了朔黄重载铁路的轨道不平顺谱特征参数，如表1所示。

表1. 朔黄重载铁路轨道不平顺谱统计参数

采用频率转换法，可将轨道谱由频域转换到时域，本计算分析中采用不平顺综合作用激扰。

2.4. 重载货车–轨道耦合动力学模型

试验数据评定主要依据TB/T2360“铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准” [6]、GB5599“铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范” [7]，判断轮轨横向力、轮轨垂直力、轮轴横向力、脱轨系数及轮重减载率等安全指标是否超限。

3. 仿真结果分析

3.1. 重载货车曲线通过运行安全性指标

首先，分析重载车辆以速度50 km/h通过上行轨道时的行车安全性性能，计算分析了轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率随时间的变化规律，如下图4~7所示。

图4. 轮轨垂向力波形图

由图4可知，由于轨道不平顺激励作用C80货车以50 km/h运行时，4个轮对内外轮轨垂向力大小均在静荷载130 kN上下波动，最大值为180 kN，小于250 kN限值，满足规范要求。

图5. 轮轨横向力波形图

由图5可知，由于轨道不平顺激励作用C80货车以50 km/h运行时，4个轮对内外轮轨横向力最大值为40 kN，小于83 kN限值，满足规范要求。

图6. 脱轨系数波形图

由图6可知，由于轨道不平顺激励作用C80货车以50 km/h运行时，4个轮对内外轮轨脱轨系数最大值为0.29，小于1.0限值，满足规范要求。

图7. 轮重减载率波形图

由图7可知，由于轨道不平顺激励作用C80货车以50 km/h运行时，4个轮对内外轨轮重减载率最大值为0.38，小于0.6限值，满足规范要求。

3.2. 列车运行速度对安全性的影响

进一步计算重载车辆C80以三种速度45 km/h、50 km/h和60 km/h分别通过上行轨道时的行车安全性性能，统计了轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率有效值的最大值情况，其随速度的变化规律，如图8~11。

由图8可知，由于轨道不平顺激励作用C80货车以不同速度运行时，各轮对内外轨轮轨垂向力有效值的最大值为138 kN，小于250 kN限值，满足规范要求。在45~60 km/h速度范围内，随着速度的增加，轮轨垂向力几乎不受影响。

由图9可知，由于轨道不平顺激励作用C80货车以不同速度运行时，各轮对内外轨轮轨横向力有效值的最大值随着车速的增加，都相应增大，外轨增幅略大于内轨，车速60 km/h时，最大值46 kN，小于83 kN限值，满足规范要求。

图8. 轮轨垂向力统计值

图9. 轮轨横向力统计值

图10. 脱轨系数统计值

由图10可知，由于轨道不平顺激励作用C80货车以不同速度运行时，各轮对内外脱轨系数有效值的最大值随着车速的增加，都相应增大，外轨增幅略大于内轨，车速60 km/h时，最大值0.245，小于1.0限值，满足规范要求。

图11. 轮轨横向力统计值

由图11可知，由于轨道不平顺激励作用C80货车以不同速度运行时，各轮对内外轨轮重减载率有效值的最大值随着车速的增加，外轨先增加后降低，内轨都相应增大；车速60 km/h时，最大值0.37，小于0.6限值，满足规范要求。

4. 仿真结果与试验结果对比

在重载铁路现场，针对相同曲线半径的轨道进行轮轨力测试。货车为C80，轨道为75 kg/m，与仿真条件一致。轮轨动力响应采用“剪应力法”测试，在钢轨轨腰和轨底粘贴应变片，并接桥，引出至应变采集仪进行应力应变测量，测量前应进行垂直力和横向力的标定，如下图12所示。

图12. 动力响应测试现场图

计算得到不同列车速度下，车辆通过测点引起的脱轨系数及减载率均值有效值。将上述仿真结果与实测结果对比如下表2所示。

表2. 仿真与现场实测结果对比

随着列车速度的提高，仿真计算的结果显示脱轨系数最大值在0.42~0.47，轮重减载率最大值在0.32~0.35，现场实测结果显示脱轨系数有效值0.20~0.46，减载率有效值0.10~0.33，仿真结果略大于实测结果，且均处于安全范围，安全储备充足。

5. 结论

本文从理论上建立重载货车–轨道耦合动力学模型，模拟重载铁路现场工况，对不同车速下货车运行安全性指标进行检算，结论如下：

1) 50 km/h速度条件下，仿真得到的最大垂向力、最大横向力分别为180 kN、40 kN，最大脱轨系数及最大减载率分别为0.29、0.38，皆小于规范限值规定，且保留一定的安全储备。

2) 速度提高时，各轮对内外轨轮轨垂向力有效值的最大值皆为138 kN，速度对垂向力的影响不大；各轮对内外轨轮轨横向力有效值的最大值随着车速的增加，都相应增大，外轨增幅略大于内轨，车速60 km/h时，最大值46 kN，小于83 kN限值，满足规范要求。

3) 速度提高时，各轮对内外脱轨系数有效值的最大值随着车速的增加，都相应增大，外轨增幅略大于内轨，车速60 km/h时，最大值0.245，小于1.0限值，满足规范要求；各轮对内外轨轮重减载率有效值的最大值随着车速的增加，外轨先增加后降低，内轨都相应增大，车速60 km/h时，最大值0.37，小于0.6限值，满足规范要求。

4) 对比仿真结果与现场实测结果，仿真结果与现场实测结果均在安全限值之内，且仿真结果略大于实测结果，仿真结果偏安全。

文章引用

贾 军. 不同速度下的重载车辆运行安全性分析
Analysis on Running Safety of Heavy-Haul Vehicle with Different Speed[J]. 交通技术, 2021, 10(05): 402-412. https://doi.org/10.12677/OJTT.2021.105046

参考文献