基于脫軌系數安全標準的貨物重心縱向容許偏移量的研究

張立員，張 興

（1.北京中物儲國際物流科技有限公司 項目部，北京 100070；2.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

基于脫軌系數安全標準的貨物重心縱向容許偏移量的研究

張立員1，張 興2

（1.北京中物儲國際物流科技有限公司 項目部，北京 100070；2.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

在研究貨物重心縱向偏移量與脫軌系數之間關系的基礎上，通過對車輪脫軌臨界狀態的受力分析，建立脫軌系數與貨物重心縱向偏移量的關系模型。基于橫向力的最不利組合，設計相應的裝載工況和運行工況。按照脫軌系數為1.2的標準，計算各種裝載工況和運行工況組合條件下，貨物質量和貨物重心縱向容許偏移量之間的關系，并與現行規定值比較，說明貨物重心縱向容許偏移量的規定有進一步研究的空間。

脫軌系數；縱向偏移量；貨物重心；轉向架

貨物重心縱向偏移量，即鐵路貨物裝車后重心偏離車輛橫中心線的距離，是評價貨物裝載安全的指標之一。貨物重心縱向偏移量過大，會造成車輛兩個轉向架的負重差增加，影響車輛運行穩定性。《鐵路貨物裝載加固規則》對于貨物重心縱向容許偏移量有明確規定：裝車后貨物總重心的投影應位于貨車的縱、橫中心線的交叉點上?？v向偏離時，每個車輛轉向架所承受的貨物質量不得超過貨車容許載重量的 1/2，且兩個轉向架承受重量之差不得大于 10 t[1]。隨著我國鐵路貨物列車運行速度的不斷提高，以及運輸設備、基礎設施的不斷改善，貨物列車的運行條件發生較大的變化，有必要對貨物重心縱向容許偏移量進行系統研究。

1 建立貨物重心縱向偏移量與脫軌系數關系模型

當貨物重心偏離車輛橫中心線時，車輛兩個轉向架的負重不同，其中一個轉向架輪重減小，在一定程度上會影響車輛運行穩定性。脫軌系數是衡量車輛運行穩定性的指標之一，在《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》中對脫軌系數規定的允許限度是 1.0，危險限度是 1.2[2]。以下研究的計算標準為 1.2。

以車體和轉向架整體為研究對象進行受力分析，如圖1所示。

圖1中，y是車輛重心偏離車輛縱中心線的距離，mm；2b 是輪對滾圓之間的距離，mm；∑Q 是橫向力合力，kN；h 是橫向力合力距軌面的高度，mm；2P0為4倍的最小靜軸重，kN，其計算公式為：

式中：g 為重力加速度，取 9.8 m/s2；L 為 1/2 車輛銷距，mm；M貨為貨物質量，t；M 為車輛總重，t；a 為貨物重心偏離車輛橫中心線距離，mm；l 為車輛銷距，mm。

當左側車輪處于脫軌臨界狀態時，通過力平衡和力矩平衡，可得：

式中：ε 為初始減載率，直線上取值為 0.08，曲線上取值為 0.14。

由于處于脫軌臨界狀態，有：

式中：μ2為踏面與鋼軌頂面的摩擦系數，計算時取0.25；α2為踏面傾角，《鐵道機車車輛車輪輪緣踏面外形》(TB/T449－2003)中規定踏面斜率為 1/20。

因此，脫軌系數的計算模型為：

2 車輛橫向力不利組合工況的確定

車輛橫向力作用點高度、方向不同，對脫軌系數的影響不同。當橫向力作用點高度小于 1 000 mm時，橫向力方向指向脫軌側為不利工況；當橫向力作用點高度大于 1 000 mm 時，橫向力方向指向非脫軌側為不利工況。車鉤力 Fc的作用點高度低于1 000 mm，風力 Fw、橫向振動慣性力 Fg和離心力Fr的作用點高度一般高于 1 000 mm[3]。

車輛在直線和曲線上運行時，橫向力的最不利組合如圖2所示。圖2中 hw為風力作用點高度；h0為車輛重心高度；hc為車鉤力作用點高度；G 為車輛總重 (kN)。

3 計算工況的設計

3.1 計算車型的選擇

以 C64K型敞車為例進行計算。其計算參數取值如表1所示。

表1 C64K 型敞車計算參數取值

3.2 車輛裝載工況

在探討貨物重心縱向偏移量與貨物質量之間的關系時，設計了4種裝載工況，如表2所示。

目前《鐵路貨物裝載加固規則》所規定的重車重心限制高度是 2 000 mm。雙層集裝箱的重車重心限制高度已提至 2 400 mm[4]；罐車重心的限制高度是2 200 mm[5]。因此，在裝載工況設計時考慮將重車重心高度設定為 2 000 mm 和 2 200 mm 兩種，貨物重心橫向偏移量取 0 mm 和容許限值 100 mm 兩種。

3.3 車輛運行工況

車輛脫軌與線路條件及運行速度關系十分密切[2]。列車在曲線上運行時，速度不同，離心力 Fr不同。根據我國鐵路線路條件、曲線限速規定和貨車提速條件，可分為以下3種運行工況：工況 1為車輛在直線上運行；工況2為車輛在半徑為 800 m、外軌超高為 120 mm 的曲線上，速度為 120 km/h；工況3為車輛在半徑為 300 m、外軌超高為 140 mm的曲線上，速度為 60 km/h。

表2 車輛裝載工況 mm

式中：P容為車輛容許載重量，t。

因此，不同裝載工況下貨物重心縱向容許偏移量 a容如下。

4 貨物重心縱向容許偏移量的計算

通過公式⑹對以上3種運行工況條件下，裝載工況 1～裝載工況4的貨物重心縱向容許偏移量與貨物質量的關系進行計算，如圖3所示。在保證安全的條件下，貨物重心縱向容許偏移量應按不利工況，即容許偏移量較小的運行工況取值。同時，基于每個轉向架的負重不大于車輛容許載重量的1/2，貨物重心縱向偏移量應同時滿足：

5 結論分析

通過以上理論計算，得出 C64K在不同裝載工況下，貨物重心縱向容許偏移量的確定方法。其他車型的貨物重心縱向容許偏移量也可由上述計算方法得到。不同裝載工況下貨物重心縱向容許偏移量與現行規定的對比如表3所示。

表3 不同工況條件下 a 容與現行規定的對比

在表3中，比較裝載工況1和裝載工況2的a容、裝載工況3和裝載工況4的 a容，說明在貨物質量和貨物重心橫向偏移量一定時，隨著重車重心高度的增大，貨物重心縱向容許偏移量減??；比較裝載工況1和裝載工況3的 a容、裝載工況2和裝載工況4的 a容，說明在貨物質量和重車重心高度一定時，隨著貨物重心橫向偏移量的增大，貨物重心縱向容許偏移量減小。比較裝載工況1的a容與現行規定的a容可知，當貨物重心橫向無偏移時，理論計算得出的貨物重心縱向容許偏移量超出現行規定，仍能保證運輸安全。比較裝載工況3的a容與現行規定的a容可知，當貨物重心達到橫向容許偏移量時，若貨物質量較大，則貨物重心縱向容許偏移量可以超出現行規定；若貨物質量較小，則貨物重心縱向容許偏移量小于現行規定。

通過上述計算分析可知，現行《鐵路貨物裝載加固規則》對于貨物重心縱向容許偏移量的規定還有進一步研究的空間。在此僅以 C64K車型為例進行計算，其他車種車型可根據同樣方法進行計算。本文僅是基于脫軌系數指標進行計算的，在實際列車運行中車輛的脫軌受多種因素影響，因而確定合理的貨物重心縱向容許偏移量還需進行全面系統的研究。

[1] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路貨物裝載加固規則[M]. 北京：中國鐵道出版社，2006.

[2] 國家標準局. GB5599—85鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范[S]. 北京：中國標準出版社，1986.

[3] 韓 梅，王艷玲，龐 亮，等. 基于脫軌系數安全標準的重車重心限制高度的研究[J]. 中國鐵道科學，2007，28(4)：106-109.

[4]《雙層集裝箱重心偏移裝載安全技術條件及運輸組織的研究》課題組. 雙層集裝箱重心偏移裝載安全技術條件及運輸組織的研究[R]. 北京：北京交通大學，2007.

[5] 北京交通大學. 罐車重車重心高度運行試驗報告[R]. 北京：北京交通大學，2007.

Study on Freight Longitudinal Allowable De fl ection based on Safety Criteria for Derail Coef fi cient

ZHANG Li-yuan1, ZHANG Xing2

(1. Project Department, Beijing Zhongwuchu International Logistic Scientific Ltd. Corporation, Beijing 100070,China; 2. School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Based on analyzing the relationship between freight longitudinal allowable deflection and derail coef fi cient, and through analyzing the stress of wheel derail critical status, the relationship model was established. The relative loading and operation situation were designed according to the most disadvantage combination of transversal force. Under the standard of 1.2 derail coefficient, each kind of loading and operation situation as well as the relationship between freight quality and freight longitudinal allowable deflection were calculated and were compared with existing regulated value, all of these expounds that the regulation of freight longitudinal allowable de fl ection has wide research range.

Derail Coefficient; Longitudinal Deflection;Freight Gravity; Bogie

1003-1421(2011)01-0081-05

U270.1+1

A

2010-11-03

中央高校基本科研業務費專項資金資助(2009YJS046)

責任編輯：馮姍姍