列车混编对曲线通过安全性的影响分析

列车混编对曲线通过安全性的影响分析

田光荣;张卫华;池茂儒;熊芯

【摘要】为了突破列车动力学仿真的难题以及研究列车运行安全性,运用基于循环变量的模块化建模方法,对货物列车空重车混编条件下的曲线通过安全性进行了详细仿真分析.研究表明:车辆的曲线通过性能与列车惰行工况下较为接近,且明显好于列车牵引工况下的动力学性能;空车位于空重混编列车的不同位置以及同一列车中不同位置的空车,空车本身及列车的曲线通过安全性均有差异.期望借助新的方法和仿真结论,合理优化列车编组方式,以提高列车的曲线通过安全性.

【期刊名称】《铁道机车车辆》

【年(卷),期】2010(030)003

【总页数】5页(P5-9)

【关键词】列车;安全性;曲线通过;混编

【作者】田光荣;张卫华;池茂儒;熊芯

【作者单位】中国铁道科学研究院,机车车辆研究所,北京,100081;西南交通大学,牵引动力国家重点实验室,四川成都,610031;西南交通大学,牵引动力国家重点实验室,四川成都,610031;中国铁道科学研究院,机车车辆研究所,北京,100081

【正文语种】中文

【中图分类】U270.1+1

长期以来,我国铁路运能与运量之间的矛盾异常突出[1]。发展长大列车重载运输因

其显著的功能特点和经济效益而被国际社会公认为铁路货运发展方向[2],故其为解

决我国日益激化的铁路货运矛盾的重要途径和根本对策。

列车编组数量的增加引起编组形式的多变,空重车混编成为常见的一种货物列车编

组形式,研究表明[3]:车辆在列车编组中的位置对车辆的脱轨等安全性能有较大的影响。随着列车编组的增加及牵引总重的提高,线路破坏、制动失灵、断钩、脱轨等

运输安全问题也逐渐突显出来,严重制约了长大列车重载运输的发展[1]。此外,在曲线区段,由于离心力、线路外轨超高及动态变化的曲率等因素,列车运行时产生的惯

性离心力及冲击力,将给列车的安全性及舒适度带来不利的影响。现有研究表明[4]:列车在曲线线路上的动力学性能较平直线路上更差。有必要对空重混编重载列车曲线通过安全性能的影响进行深入分析。

1 列车线路模型及求解方法

计算所采用的车辆模型及参数详见文献[5]。转向架采用的是交叉支撑三大件式转

向架,交叉杆作为弹性约束加在两侧架之间,车端悬挂装置采用17号车钩和MT-2

型缓冲器,缓冲器考虑了其迟滞特性。每辆车由1个车体、2个摇枕、4个侧架和4个轮对共计11个刚体组成。车体取6个自由度,即纵向、横向、垂向、侧滚、点头和摇头;侧架取5个自由度,即纵向、横向、垂向、摇头和点头;摇枕只取1个自由度,即摇头;轮对取4个自由度,即纵向、横向、摇头和点头,每辆车的自由度共计44个。这样,可以把列车的纵向、横向和垂向运动空间耦合在一起,从而较为便捷和准确地

建立一个更接近实际的全自由度空间耦合模型。为了便于比较分析,文中所有仿真

计算所采用的列车编组均设定为61辆。

图1 曲线线路示意图

由于主要分析混编列车的曲线通过性能,故曲线特征尤为重要。计算采用的曲线线

路如图1所示,图中A、B、C、D为曲线相邻区段的转折点,即直缓点和缓圆点。缓和曲线在直线和圆曲线之间起到连接作用,在直线上曲率、超高均为零,而在圆曲线

上曲率、外轨超高是一个稳定值。缓和曲线的存在,缓和了曲率、外轨超高的变化

幅度,防止曲线运行的离心力、外轨超高不连续等形成的冲击力突然产生和消失,以

保持列车曲线运行时的平稳性和安全性。在缓和曲线范围内,曲线半径由无限大逐

渐变到圆曲线半径,外轨超高由零逐步上升到圆曲线的超高值。线路参数详见表1。表1 曲线参数设置参数名称曲线半径缓和曲线长外轨超高钢轨型号运行速度备注参数值 400 m 100 m 120 mm 60 kg/m 80 km/h 按70 mm欠超高计算(vmax=4R)

列车动力学问题是一个复杂的系统问题,目前国内外研究成果多是根据实际需要对

列车动力学模型有针对性地予以简化处理,借助于垂向、横向和纵向运动解耦以减

少自由度。而且,研究成果大都集中于纵向动力学,而对列车的横向和垂向动力学研

究得很少,且很不透彻[6,7]。主要原因在于编组辆数的增加导致了计算的困难;再者,编组方式改变将导致整个列车动力学模型的修改,建模的通用性和灵活性很差。故

本文采用基于循环变量的模块化方法[8,9],它可以突破传统列车动力学研究中所遇

到的诸如自由度繁杂等建模及求解难题,快捷地建立列车三维空间耦合动力学模型,

考虑列车中车与车之间的耦合和相互影响,对牵引及制动等工况也可以进行有效仿真。

2 车辆与列车曲线通过安全性比较

比较车辆与列车曲线通过安全性的差异,为此选用轮轨横向力、脱轨系数和轮重减

载率等3个典型的安全性指标,比较车辆与列车牵引、惰行和制动条件下的曲线通

过性能,其中牵引工况下的机车轮周牵引力为100 kN,制动阻力100 kN。由于对于车辆模型而言,仅包含一辆车,故对比分析中列车是以头车作为比较对象。此外,为了清晰区别车辆和列车动力学性能的差异,此处未考虑线路上轨道随机不平顺的影响,

即稳态曲线通过性能分析。

为直观起见,图2中仅给出了车辆和列车通过图1所示S曲线的前半段曲线中轮重

减载率的对比结果,可以看出,车辆的轮重减载率与列车惰行及制动时相比差别不大,与列车牵引运行相比差别较大,其最大平均值的比较可直观的从图3得知。图3给

出了车辆、列车牵引、制动及惰行状态的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力的比较,可以看出,脱轨系数和轮轨横向力的结果趋势和轮重减载率类似。分析原因在于

列车在牵引力作用下将会发生轴重转移,导致轮重减载率的增大;此外,由于牵引工况条件下,牵引力引起车钩力的变化,特别是车钩横向分力又引起轮轨横向力的变化,根据脱轨系数的公式,可进一步导致脱轨系数的增大。制动工况下,由于制动阻力引起

速度的降低,进一步导致曲线通过安全性指标的降低。综上而言,在惰行工况下,车辆和列车的曲线通过安全性较为近似,一旦将牵引力或制动力考虑进来,势必引起列车

的力动平衡在一定程度上导致其性能的差异,此趋势在圆曲线区段体现的尤为明显。图2 轮重减载率比较

图3 单车与列车曲线通过安全性比较

3 混编列车曲线通过安全性分析

3.1 空车不同位置曲线通过安全性比较

将1辆空车分别放置于61辆编组货物列车的头部(No.1)、中部(No.31)和尾部(No.61),其余位置均为重车,为便于分析空车与相邻车辆的相互作用,列车处于牵引

运行工况,牵引力100 kN。从两个方面进行分析:首先,研究空车处于不同位置时其

本身曲线通过安全性的差异;其次,研究空车处于不同位置时整列车动力学性能的差异,即空车位置对列车曲线通过性能的影响。

根据图4～图5的分析表明:空车自身的曲线通过安全性指标与其在列车中的位置

密切相关。当空车位于列车头部时,其脱轨系数和轮重减载率最小,即曲线通过安全

性最好;当空车位于列车中部时,其曲线通过安全性最差,此时空车处于两端连续重车的中间,而且与直线相比曲线会对列车的运行产生附加阻力,使得轮轨接触的横向阻

力增大,出现前堵后拥的现象,而中部空车质量较轻,这样将导致其轮轨脱离,即脱轨,