双层集装箱重车重心高度对运行安全性的影响

2010 年 12 月
Dec . 2010
J o ur nal of Traffic a n d Tra n s po r t a tio n Engi neering
文章编号 :167121637 ( 2010) 0620041207
双层集装箱重车重心高度对运行安全性的影响
郎茂祥1 ,彭永昭1 ,刘春启
2
摘 要 :根据多刚体动力学理论 ,运用 SIM P A C K 仿真软件分别建立了一定装载工况和运行工况 下双层集装箱车辆的单车动力学仿真模型和四车动力学仿真模型 。

基于铁路车辆运行安全评价指 标及其标准 ,将模型仿真结果与双层集装箱列车实际运行试验的结果进行了对比分析 ,研究了重车 重心高度与运行安全性的关系 ,给出了合理的双层集装箱重车重心限制高度 。

仿真结果表明 :随着 双层集装箱重车重心高度的增大 ,轮轴横向力 、轮重减载率与脱轨系数增大 ,最先达到安全限度的 是脱轨系数 ;在最不利装载工况下 ,安全的重车重心高度限值为 2 480 mm 。

关键词 :双层集装箱车辆 ;运行安全性 ;重车重心高度 ;脱轨系数 ;轮重减载率 中图分类号 : U 292 . 926 文献标志码 : A
Inf l u ence of gravity center height on runn i ng saf e ty of l o a d e d
doubl e 2stack conta iner car
L A N G Mao 2xia n g 1 , P E N G Y o n g 2zhao 1 , L IU Ch u n 2qi
2
(1 . S choo l of Traff ic a n d Tra n spo r t a tio n , Beijing J i ao t o n g U n iver s it y , Beijing 100044 , China ;
2 . J i a n gsu Dih ua Indust r ial G ro u p C o . , L t d . , Na n jing 210041 , J i a n gsu , China )
Abstract : A cco r d i n g to t h e sy s t e m dyna m ic s of ri g i d bo d y s , t h e dyna m ic s si m ulatio n mo d el s of si n gle 2ve h icle a n d fo u r 2ve h icle do u ble 2st a c k co n t a i n e r ca r s u n de r cer t a i n loa d i n g a n d r u n ni n g co n ditio n s were e s t a b li s hed by SIM P A C K. Ba s ed o n t h e eval u ati n g crit e r ia s a n d i n de xe s of railway t r ai n r u nni n g saf e t y , t h e si mulatio n re s ult wa s co m p a r ed wit h e xp e ri me n t dat a . The relatio n s hip bet w ee n t h e hei g ht of loa d ed ca r πs gravit y ce n t e r a n d t h e r u n n i n g saf e t y of do u ble 2 st a ck co n t a i n e r ca r wa s a n al y ze d , a n d t h e r ea s o n a b le hei g ht of gravit y ce n t e r wa s p r e s e n t e d. Si mulatio n re s ult i n dicat e s t h at lat e r al w h eel s et fo rce , w h eel u n loa d i n g rat e a n d derail me n t co e fficie n t i n crea s e wit h t h e i n crea s e of t h e hei g ht , a n d derail me n t co e ff icie n t fi r s t l y reache s it s li mit val u e . The li mit val u e of t h e hei g ht i s 2 480 mm u n de r t h e mo s t u n f a v o r a b le loa d i n g co n ditio n . 7 t a b s , 5 fig s , 16 ref s.
K ey w ords : do u ble 2st a c k co n t a i n er ca r ; r u nni n g saf e t y ; hei g ht of loa d ed ca r πs gra v it y ce n t e r ; derail me n t coefficie n t ; w h eel unloa d i n g rat e
Author resum e : L A N G Mao 2xia n g ( 19692) , male , p rof e s so r , PhD , + 86210251684152 , mxla n g @ bjt u . e d u . cn .
简称《加规》) 规定重车重心高度 从钢 轨 面起 , 超 过 2 000 mm 时应按规定限速运行 。

而双层集装箱车
辆一般采用 2 层集装箱叠装的装载形式 ,下层可装
0 引 言
《铁路货物装载加固规则》
(铁运 [ 2006 ] 161 号 , 收稿日期 :2010206225
基金项目 :国家自然科学基金项目 ( 60870014)
作者简介 :郎茂祥 ( 19692) ,男 ,山东高唐人 ,北京交通大学教授 ,工学博士 ,从事现代货物运输技术与管理研究 。

42
交 通 运 输 工 程 学 报
2010 年
-
式中 :ΔP 为轮重减载量 ( k g ) ; P 为减载和增载侧车轮 的平均轮载 ( kg ) 。

第 1 限度为评定车辆运行安全性 的合格标准 ,第 2 限度为增大了安全裕量的标准 。

1 . 3 最大横向力容许限度
最大横向力允许限度指标用于评定车辆在运行 过程中是否会导致轨距扩宽 (道钉拨起) 或线路产生 严重变形 (钢轨和轨枕在道床上出现横向滑移或挤翻 钢轨) [ 16 ] 。

对于木轨枕 ,横向力的允许限度标准为
2 个 高 度 相 同 的 20 f t 箱 , 上 层 可 装 1 个 40 f t 或 48 f t 箱 ,这种双层装载的方式会造成双层集装箱重
车重心高度超过 2 000 mm 。

若按现行规定限速运
行 ,则会严重影响双层集装箱的运输效率 ,因此 ,研 究重车重心高度对双层集装箱车辆运行安全性的影 响 ,进而确定合理的双层集装箱重车重心限制高度 , 是亟需研究和解决的问题 。

国内外已有的关于车辆运行安全性的相关理论 及仿真建模多为空车或空 、重车的对比研究 ,大多缺 乏考虑装载工况对车辆运行安全性的影响
[ 127 ]
;国内
近几年关于一般货车装载工况与列车运行安全性的 研究[ 8213 ]
,大多用静力学方法进行计算 。

车辆动力 学的发展为研究货车装载问题提供了新的研究方法 与工具[ 14215 ] 。

本文将在介绍双层集装箱车辆运行安 全性指标和评价标准的基础上 ,运用 SIMPA C K 仿真 软件建立双层集装箱车辆的单车动力学模型和四车 动力学模型 ,利用双层集装箱列车实际运行试验数据 对模型进行验证 ,进而用建立的双层集装箱车辆动力 学模型研究重车重心高度对双层集装箱车辆运行安 全性的影响 ,以确定合理的重车重心限制高度 。

1 车辆运行评定指标和判定标准
1 . 1 脱轨系数
脱轨系数是用于评定车辆的车轮轮缘在横向力 作用下是否会因逐渐爬上轨头而脱轨的列车运行安 全性评价指标[ 16 ] ,其判定标准第 1 限度为
P s t1 + P s t2
H ≤0 . 85 1 . 0 + ( 5)
2
对于混凝土轨枕 , 横向力的允许限度标准为
P st1 + P st2
H ≤0 . 85 1 . 5 +
( 6)
2
式中 : H 为轮轴横向力 ( kN ) ; P st1 与 P st2 分别为 1 与 2 位车轮的静载荷 ( kN ) 。

对于脱轨系数和轮重 减 载率 , 本文采用第 1 限度作为分析重心高度对双层 集装箱车辆运行安全性影响的判定标准 。

车辆动力学仿真模型的建立
本文将用 SIM P A C K 软件的 W heel/ Rail 模块
建立双层集装箱车辆的动力学仿真模型 ,建模需要 输入详细的车辆参数 ,包括各种零部件的外形参数 及其之间的动力学参数 ,而且需要对车辆装载工况 、 运行线路和速度工况进行设定 。

2 . 1 车辆设定
本文选用 X2 K 型双层集装箱车辆进行动力学 模拟 ,分别建立双层集装箱车辆的单车动力模型和 四车动力模型 。

考虑到系统自由度的多少及仿真计 算量的大小 ,基于研究的主要目的和要求 ,对一些次 要因素进行适当的假定和简化 。

在建立双层集装箱 车辆动力学模型时 ,做了如下假设 。

(1) 轮对 、侧架与车体等均视为刚体 。

(2) 轮对及车体沿线路方向作等速运动 ,不考虑 纵向动力作用的影响 。

(3) 车体关于质心左右对称和前后对称 。

(4) 不考虑钢轨的弹性变形 ,只考虑轨道不平顺
的影响及轮轨接触面上的弹性接触 。

(5) 把车体等同于一个长方体 ,长方体的质量与
重心高度等参数与实际车体相同 (模拟货物的尺寸 : 长度为 121 192 m ,宽度为 2. 438 m ,高度为 5. 517 m ) 。

(6) 车钩间隙的瞬态力以准静态方法近似 。

双层集装箱车辆的主要部件包括车体 、摇枕 、侧 架和轮对等 。

车体具有沉浮 、横移 、纵移 、点头 、摇头 以及侧滚 6 个自由度 ; 摇枕具有摇头和侧滚 2 个自
2 Q 1 ≤1 . 2 ( 1)
P 1
第 2 限度为
Q 1 ≤1 . 0 ( 2)
P 1
式中 : P 1 为爬轨侧车轮作用于钢轨的垂向力 ( kN ) ; Q 1 为爬轨侧车轮作用于钢轨的横向力 ( kN ) 。

第 1 限度为评定车辆运行安全性的合格标准 , 第 2 限度 为增大了安全裕量的标准 。

1 .
2 轮重减载率
轮重减载率为货车在特定工况下因车轮减载而 脱轨的另 一 脱 轨 安 全 性 评 定 指 标[ 16 ]
, 其 判 定 标 准
第 1 限度为
Δ P
≤0 . 65
( 3)
-
P
第 2 限度为
Δ P
≤0 . 60 ( 4)
-
P
第 6 期
郎茂祥 ,等 :双层集装箱重车重心高度对运行安全性的影响
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由度 ;侧架有沉浮 、横移 、纵移 、点头 、侧滚以及摇头
6 个自由度 ;轮对同样具有所有空间自由度 ,见表 1 。

表 1 车辆组成部件及自由度
T a b. 1 V ehicle components and degrees of f r eedom
(1) 进入曲线区段 。

在此区段 ,轨道线路的曲率
由 0 增加至 1/ R , 同时线路超高线性增加至曲线线
路超高 。

(2) 圆曲线区段 。

在此区段 ,曲线曲率与超高保
持不变 。

(3) 离开曲线区段 。

此区段与进入曲线区段相
反 ,曲线曲率减小至 0 ,线路超高线性减小至 0 。

中
国《铁路线路修理规则》(铁运 [ 2006 ] 146 号) 规定 ,线路最大欠超高量为 75 mm , 最大容许过超 高量为 50 mm , 设 臵 的 线 路 最 大 超 高 值 不 得 大 于
150 mm 。

根据该规定 ,考虑双层集装箱车辆的构造
速度为 120 k m 〃h
- 1
,本文设定的双层集装箱车辆
运行线路工况见表 3 。

表 3 运行参数
T a b. 3 R unning par a m eters
2 . 2 车辆装载工况
根据《加规》规定 ,结合双层集装箱车辆装载实
际 ,本文设计了 18 种装载工况 ,见表 2 。

表 2 装载工况
T a b. 2 Loa ding conditions
另外 , 根据《铁路线路修理规则》( 铁运 [ 2006 ] 146 号) 对线路状态的限制 ,在仿真时高低不平顺值
取轨道静态几何尺寸容许偏差管理值中高低不平顺 限值 10 mm 。

2 . 4 单车动力学模型与四车动力学模型运行结果
比较
把 X2 K 型双层集装箱车辆的相应参数输入到 SIM PA C K 仿真软件中 ,建立了双层集装箱车辆的 单车模型和四车模型 ,分别见图 1 、2 。

根据设定的 运行线路工况和装载工况 ,可分别得到两模型的运 行结果 ,其动力学性能对比见表 4 。

2 .
3 车辆运行线路工况的设定
在双层集装箱车辆动力学仿真中 ,选取半径 R
分别为 600 、1 000 与 1 600 m 的曲线线路作为研究 对象 ,以反映曲线线路对双层集装箱车辆运行安全 性的影响 。

中国铁路尚未建立完善的轨道谱 ,经分 析美国第 5 级线路状况大体相当于中国的第 1 级线 路状况 ,考虑到双层集装箱运输通道为提速改造线 路 ,本文选取美国第 5 级轨道谱进行模拟 。

为了保
证车辆曲线运行的平稳性与安全性 ,本 文在设计双层集装箱车辆运行线路工况时 ,在进入 和离开曲线区段设臵了过渡曲线 。

设定的曲线线路 由 3 部分组成 。

图 1 单车模型
Fi g . 1 Si ngle 2ve hicle mo del 表 4 动力学性能对比
T a b. 4 C om parison of dyna mics perf orm ances
模型 指标
脱轨系数
轮重减载率
轮轴横向力/ kN
四车模型 ( 直线) 0 . 901 0 . 594 77 . 463 四车模型 ( 曲线)
0 . 953 0 . 611 88 . 431 单车模型
0 . 900
0 . 601
75 . 492
曲线 半径/ m
直线
长度/ m 缓和曲线 长度/ m 圆曲线 长度/ m
外轨超高/ mm 欠超高/
mm 600 150 130 150 120 25 1 000 200 150 200 137 30 1 600
300
200
400
150
35
装载 工况
箱货总重心横向 偏移量/ m m
两转向架 负载差/ t 箱货总
质量/ t
重车
质量/ t 重车重心
高度/ mm
1
0 78 100 2 100
2
78
100
2 200
3
78
100
2 300
4
78
100
2 400
5
78
100
2 500
6
78
100
2 600
7
100
78
100
2 100
8
100
78
100
2 200
9
100
78
100
2 300
10
100
78
100
2 400
11 100 0 78 100 2 500
12
100
78
100
2 600 13
100
10
68
90
2 100
14
100
10
68
90
2 200
15
100
10
68
90
2 300
16 100 10 68 90 2 400
17
100
10
68
90
2 500
18 100 10 68 90
2 600
部件名称 轮对
承载鞍
侧架
摇枕
车体
数量
4
8
4
2
1 自由度
4 ×6
8 ×1
4 ×6
2 ×2
1 ×6
44
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制定双层集装箱车辆安全运行技术条件的参考 。

重车重心高度对车辆运行安全性的
影响
分析重车重心高度对车辆运行安全性的影响 时 ,设定的仿真工况为线路曲线半径为 1 600 m ,车
辆的运行速度为 120 k m 〃h - 1。

4 . 1 重心无偏移对车辆运行安全性的影响
利用双层集装箱车辆动力学仿真模型 ,得到箱 货总重心无纵横向偏移时 ,车辆运行安全性指标随 重车重心高度的变化情况见图 3 。

由图 3 (a ) 、( b ) 可知 ,在箱货总重心无偏移的情 况下 ,重车重心越高 ,其脱轨系数越大 ,且随重车重 心高度的增加 ,脱轨系数增大的速度也加快 ,重车重
心高度从 2 100 mm 增加到 2 600 mm 时 ,内侧车轮 脱轨系数从 01 691 增加到 11 152 , 但均没有超出安 全限度 。

随着重车重心高度的增加 ,外侧车轮的脱 轨系数也在增大 ,但是增长幅度没有内侧车轮大 。

由图 3 (c ) 可看出 , 随着重车重心高度的增加 , 轮重减载率缓慢上升 ,当重车重心高度为 2 500
mm
时 ,轮重减载率达到安全限度值 01 65 ; 当重车重心 高度为2 600 mm 时 , 轮重减载率为 01 692 , 超出安 全限度 。

由图 3 ( d ) 可看出 ,随着重车重心高度的增加 , 轮轴横向力随之增大 ,但变化幅度不大 。

当重车重 心高 度 增 加 到 2 600 mm 时 , 轮 轴 横 向 力 为 80 . 531 kN ,尚未达到安全限度 。

4 . 2 重心横向偏移对车辆运行安全的影响
利用双层集装箱车辆动力学仿真模型 ,可得箱
货总重心横向偏移 100 mm , 纵向不偏移的装载工 况下 ,车辆动力学指标随重车重心高度的变化情况 见图 4 。

由图 4 (a ) 、( b ) 可以看出 ,随着重车重心高度的 增大 ,内 、外侧脱轨系数不仅逐渐增大 ,且增大速度
逐渐加快 ,大于箱货总重心横向无偏移工况的增幅 。

当重车重心高度达到 2 500 mm 时 ,内侧脱轨系数已 经接近安全限度值 ;当重车重心高度达到 2 600 mm 时 ,内侧脱轨系数超过安全限度 。

由图 4 ( c ) 可 以 看 出 , 当 箱 货 总 重 心 横 向 偏 移
100 mm 时 ,车辆的轮重减载率总体较高 ,并且随着
重车重心高度的增加而增大 。

当重车重心高度达到
2 600 mm 时 ,轮重减载率达到 0 . 700 , 已经超过安
全限度 。

由图 4 ( d ) 可以看出 ,当双层集装箱车辆通过曲
4 图 2 四车模型
Fi g . 2 Fo u r 2vehicle mo del
四车模型的运行参数与单车模型的运行参数之
间存在较大的差异 。

直线上四车模型的各动力学参 数基本上都大于单车模型参数 ,曲线上的四车模型 的各动力学参数大于直线上四车模型参数 。

这说明 车钩连结对车辆运行性能有一定的影响 ,单节车辆 在运行中只受到来自轨道的激扰 ,不受其他车辆的 影响 ,所以动力学性能较列车好 。

但是实际中车辆 必须编在列车中运行 ,需要考虑相邻车辆间的影响 , 因此 ,四车模型的动力学模拟结果更接近于车辆实 际运行情况 。

车辆动力学模型的验证
车辆装载工况见表 5 。

为了验证双层集装箱车 辆动力学模型的正确性 ,设线路曲线半径为 1 600 m ,
车辆的运行速度为 120 k m 〃h - 1。

当重车重心高度 为 2 400 mm ,箱货总重心横向偏移为 100 mm ,纵向 无偏移时 ,车辆在曲线上运行的仿真结果与试验结 果的对比见表 6 。

表 5 试验装载方案
T a b. 5 E xperim ent l oading conditions
3 表 6 结果比较
T ab. 6 C om parison of results
由表 6 可以看出 ,双层集装箱车辆动力学仿真 结果与试验结果非常接近 ,这说明仿真模型正确 ,即 双层集装箱车辆动力学模型的计算结果 ,可以作为
动力学指标 仿真结果
试验结果
单车模型
四车模型
脱轨系数
1 . 051
0 . 953
1 . 113
轮重减载率
0 . 572
0 . 613
0 . 553 轮轴横向力/ kN
74 . 321
88 . 432
71 . 312
车辆 重车重心 高度/ mm 箱货总重心横向 偏移量/ mm 两转向架 负载差/ t 箱货总 质量/ t 重车
质量/ t
1
2 300
100
78
100
2
2 300
100
10
68
90
3
2 400
100
78
100
4
2 400
100
10
68
90
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图 3 重心无偏移时的运行指标变化曲线
Dyna mic i n dex cha nge cur v e s wit ho ut devi atio n of gra vit y cent er
Fi g . 3 图 4 重心横向偏移 100 mm 时运行指标变化曲线
Fi g . 4 Dyna mic i ndex change cur ve s wit h lat e ral devi atio n of 100 mm f o r gravi t y cent er
46
交 通 运 输 工 程 学 报 2010 年
线时 ,重车重心高度越大 ,其所受到的横向力越大 。

当重车重心高度超过 2 400 mm 时 , 轮轴横向力的 增大速度明显加快 ;当重车重心高度达到2 600 mm
时 ,轮轴横向力达到了 901 411 kN ,仍在安全限度范 围内 。

但与箱货总重心没有偏移的工况相比 ,箱货 总重心横向有偏移时 ,轮轴横向力的变化幅度增大 。

4 . 3 重心纵横向均偏移对车辆运行安全性的影响
箱货总重心横向偏 移 100 mm , 纵向 偏移 使 两 转向架负载差为 10 t 时 ,车辆运行安全性指标随重 车重心高度的变化情况见图 5 。

由图 5 (a ) 、
( b ) 可知 ,当箱货总重心纵横向均偏 移时 ,脱轨系数明显增大 ,在此工况下重车重心高度
对脱轨系数的影响非常明显 。

当重车重心高度达到
2 500 mm 时 ,内侧脱轨系数接近安全限度 ,外侧脱
轨系数达到安全限度 。

由图 5 (c ) 可看出 ,当箱货总重心纵横向均发生 偏移时 ,轮重减载率增幅很大 ,当重车重心高度达到 2 500 mm 时 ,轮重减载率超过安全限度 。

由图 5 ( d ) 可看出 ,从总体上看 , 在箱货总重心 纵横向均偏的情况下 ,重车重心越高 ,车辆的轮轴横 向力越大 ,但均未超过安全限度 。

由此可见 ,双层集装箱车辆的箱货总重心在横
向和纵向的偏移量都达到最大时 ,重车重心高度为
2 500 mm 时 , 脱轨系数与轮重减载率均超过安 全
限度 。

4 . 4 车辆最大重车重心高度的确定
取双层集装箱车辆运行速度为 120 k m 〃h - 1 , 运行线路的曲线半径为 1 600 m , 箱货总重心纵横 向偏移量均达到最大值 ,重车重心高分别取 2 400 、 2 420 、2 440 、2 460 、2 480 与 2 500 mm ,通过模拟运 算 ,得到的运行指标见表 7 。

表 7 不同重心高度下的运行指标
T a b . 7 R unning indices under diff erent heights of gr avity center
由表 7 可以看出 ,在上述装载和运行工况条件 下 ,随着重车重心高度的增加 ,最先达到安全限度的 是脱轨系数 ,其次是轮重减载率和轮轴横向力 。

当 重车重心高度为 2 480 mm 时 , 车辆的脱轨系数达
图 5 重心纵横向均偏移时运行指标变化曲线
Fi g . 5 Dyna m ic i n dex cha nge cur ve s wit h lo gnit udi nal a n d t ra n sver se devi atio n s of gravit y cent er
重车重心高度/ m m
脱轨系数
轮重减载率 轮轴横向力/ kN
2 400
1 . 121
0 . 610
89 . 632
2 420
1 . 143
0 . 615
90 . 120
2 440 1 . 160 0 . 634 90 . 351
2 460
1 . 169
0 . 641
92 . 462
2 480
1 . 200
0 . 645
92 . 131
2 500
1 . 210
0 . 652
93 . 263
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到安全限度 ,虽然此时轮重减载率和轮轴横向力没 有超标 ,但此时车辆已经处于危险阶段 。

当重车重 心高度为 2 500 mm 时 ,轮重减载率增加到安全限
度 ,因此 ,可认为双层集装箱车辆的重车重心极限高 度为 2 480 mm 。

[ 6 ] [ 7 ] 结 语
( 1) 双层集装箱重车重心高度越大 ,其所受到
的轮轴横 向 力 越 大 , 轮 重 减 载 率 与 脱 轨 系 数 也 相
应增大 ,因此 ,可说明列车脱轨在一定程 度 上与 轮 轴横向力 有 关 , 其 变 化 规 律 与 轮 轴 横 向 力 的 变 化 规律类似 。

(2) 随着重车重心高度的增加 ,最先达到安全
限度的是脱轨系数 ,因此 ,可认为重车重心高度的变
化对脱轨系数的影响最明显 。

(3) 当双层集装箱车辆的箱货总重心横向偏移
100 mm ,纵向两个转向架的负载差为 10 t ,曲线半
径为 1 600 m ,运行速度为 120 k m 〃h - 1
时 ,重车重 心高度最大可以达到 2 480 mm 。

(4) 本文建立的模型只考虑了双层集装箱车辆
的横向和垂向动力学特性 ,缺乏对不同编组 、不同牵 引与制动等工况下列车的纵向作用力的考虑 。

在以 后的研究中 ,可考虑列车横 、纵 、垂三方向的耦合动 力学问题 。

参 考 文 献 :
R ef e rences :
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