青藏鐵路大型設備運輸車輛動力學性能分析

王新銳,陳政南,苗曉雨,張天嬰

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

青藏鐵路是中國實施西部大開發戰略的標志性工程,是我國第一條通往西藏的鐵路,也是世界上海拔最高的高原鐵路,無論從我國的經濟方面還是戰略方面都具有非常重要的意義和地位。青藏鐵路少不了大件的運輸任務,就是從現有的試驗數據資料,分析在青藏線和內地其他線路上車輛動力學性能的變化,從而分析大件貨物運輸時車輛運行的安全性(動力學性能),并在現有大件運輸監測方案的基礎上,提出青藏鐵路大件運輸或軍事裝備運輸時重點監測的方面。

1 青藏鐵路概況

青藏鐵路東起青海省省會西寧,西至西藏自治區首府拉薩,全長1 956 km。其中,西寧至格爾木段814 km于1984年投入運營。大部分區段海拔在3 000 m以上,見圖1。青藏鐵路格爾木至拉薩段,全長1 142 km,于2006年7月1日投入運營。格拉段穿越550多km的多年凍土地段,全線平均海拔在4 500 m以上。鐵路穿越海拔4 000 m以上的地段為960 km。見圖 2。青藏鐵路是當今世界海拔最高、線路最長的高原鐵路,沿線常年平均氣溫在零攝氏度以下,空氣中的含氧量僅為平原地區的一半。

圖1 青藏線(西格段)海拔高度示意圖

圖2 青藏線(格拉段)海拔高度示意圖

2 不同線路條件下車輛運行安全性分析[1,2]

2006年5月間中國鐵道科學研究院機車車輛研究所(簡稱鐵科院機輛所)在青藏線上對德國KIROW 公司生產的一輛KRC1600HA型鐵路救援起重機進行了動力學性能試驗。2008年9月間鐵科院機輛所在蘭州鐵路局蘭新線蘭州西站—天祝站間對德國KIROW 公司生產的KRC1600HDCT型鐵路救援起重機進行了動力學性能試驗(圖3)。兩次試驗最高試驗速度分別為133 km/h和133.6 km/h。KRC1600HA型鐵路救援起重機和KRC1600HDCT型鐵路救援起重機在結構上完全一樣,只是在電氣控制方面有所調整,所以這兩次動力學性能有很強的對比性,能夠很好地說明青藏鐵路線路條件對車輛(貨車)動力學性能的綜合影響。該類型起重機最高運行速度120 km/h,最大起升總重160 t,走行部由4個2軸轉向架組成,軸重24 t,對于分析長大貨物車在青藏線上的動力學性能有很好的借鑒意義。

圖3 KRC1600HDCT型鐵路救援起重機

2.1 試驗條件

2.1.1 試驗線路

青藏線KRC1600HA型起重機動力學性能試驗的曲線及側線試驗在青藏公司管內西格線西寧至巴燕間進行,全長60多 km,最高限速 100 km/h,包括R300,R400,R600,R800 m曲線多處。直線工況(包括大曲線)試驗在格拉線格爾木至五道梁間250多km間進行,最高試驗速度133 km/h。

蘭新線KRC1600HDCT型鐵路救援起重機動力學性能試驗在蘭州西站—天祝站之間上、下行區間進行。試驗區段長約135 km,包括R300,R400,R600,R800 m曲線多處(最大超高120 mm)。

2.1.2 試驗速度

兩次試驗的試驗速度設計都是相同的。直線試驗速度為60,70,80,90,100,110,120,132 km/h;曲線試驗速度按曲線最大允許速度執行;側線試驗速度按45 km/h(12#側線道岔)和30 km/h(9#側線道岔)執行。

2.2 試驗數據對比分析

無論是青藏線格拉段(直線工況),還是西格段(曲線工況)上救援起重機的動力學性能指標均符合GB/T 5599-1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》的要求[1,2]。

2.2.1 青藏線格拉段(直線工況)

總體分析青藏線救援起重機的動力學性能指標大于蘭新線,特別是青藏線格拉段(直線工況)比較明顯,比如脫軌系數(圖4)、輪重減載率(圖 5)和輪軸橫向力(圖6)等穩定性指標。平穩性指標和轉向架的彈簧動撓度也表現出同樣的規律,見圖7～圖9。圖 9還表明青藏線格拉段的彈簧動撓度最大與平均值相差也較大,說明線路狀態相對稍差。按照通常的經驗,結構相同的車輛其動力學性能基本一致。青藏線格拉段是2006年7月1日正式運營,屬新建線路,而且地處高寒地區,存在常年凍土帶。顯然對于這兩次試驗動力學性能指標的差異,青藏線(格拉段)特殊地理、氣候、環境因素下的線路條件的影響是主要因素。

圖4 鐵路救援起重機試驗數據對比——脫軌系數(直線工況)

圖5 鐵路救援起重機試驗數據對比——輪重減載率(直線工況)

圖6 鐵路救援起重機試驗數據對比——輪軸橫向力(直線工況)

圖7 鐵路救援起重機試驗數據對比——橫向平穩性指標(直線工況)

圖8 鐵路救援起重機試驗數據對比——垂向平穩性指標(直線工況)

圖9 鐵路救援起重機試驗數據對比——彈簧動撓度(直線工況)

2.2.2 青藏線西格段(曲線工況)

青藏線西格段為曲線試驗工況,在西格段的測試結果略大于蘭新線,但這種差別不明顯。圖10～圖12分別是曲線工況下脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力的變化圖;圖13和圖14分別是橫向、垂向平穩性指標變化圖。曲線工況下特征說明:一方面,青藏線(西格段)是1984年建成投入運營,屬于老線路,線路條件比較穩定,更接近于內地線路狀況,測試結果也趨于相近;另一方面,與不同地域的環境條件相比,曲線本身的特征參數(曲線半徑、超高、順坡率等)是影響動力學性能指標的更主要的因素。

圖10 鐵路救援起重機試驗數據對比——脫軌系數(曲線工況)

圖11 鐵路救援起重機試驗數據對比——輪重減載率(曲線工況)

圖12 鐵路救援起重機試驗數據對比——輪軸橫向力(曲線工況)

圖13 鐵路救援起重機試驗數據對比——橫向平穩性指標(曲線工況)

圖14 鐵路救援起重機試驗數據對比——垂向平穩性指標(曲線工況)

3 不同氣候條件下車輛運行安全性分析

前面以救援起重機的試驗數據分析,對青藏線與內地通常(平原)線路動力學性能試驗進行了詳細的對比分析,比較充分地說明了青藏線路(地理)綜合條件對車輛動力學性能的影響。由于這兩次試驗均在天氣尚好的條件下進行,所以氣溫、大風和雨雪對鐵路貨車動力學性能的影響還沒有完全在試驗中反映出來。青藏鐵路不但地質狀況復雜,天氣條件也多變,時常出現大風、雨雪,天氣比較寒冷。這種天氣條件下,不太可能在青藏線進行動力學性能試驗。因此,我們根據現有的貨車試驗數據分析不同氣溫(夏天與冬天)、大風和雨雪條件下,貨車動力學性能變化情況,為青藏線鐵路貨車的運行,特別是大件運輸車輛提供運輸安全技術支持。

3.1 氣溫的影響

我國東北地區冬天氣溫一般-20℃～-30℃,夏天一般在零上30℃,最大相對溫差在60℃上下,接近于青藏線的氣溫變化范圍。在這兩個極端條件下的試驗數據能夠很好地反映出氣溫對車輛性能的影響(對測試的影響)。圖 15、圖 16是DQ35型鉗夾式貨車運輸兩臺哈爾濱電機廠生產的發電機定子的監測數據對比圖[3,4],定子及附件運輸總重318 t。運輸區間:哈爾濱電機廠至許昌禹州電廠,第1臺和第2臺運輸路徑完全一樣,貨物(定子)完全一樣,使用車輛均為同一輛車(DQ35型鉗夾式貨車),只是運輸時間第一臺在夏季(7月21日～8月2日),另一臺在冬季(11月10日～11月22日)。因此,這兩次大件運輸是反映氣溫對車輛運行性能或測試結果影響的典型例子。

圖15的動應力測試數據、圖16的振動加速度和彈簧動態位移測試數據表明,第1臺運輸過程中的監測數據與第2臺的監測數據基本一致,整體上沒有明顯區別,個別波動也屬正常的變化。車輛輪軌力的測試也是基于車輪應力測試,所以,車輛本身的運行穩定性隨氣溫變化沒有明顯的變化。由此可認為青藏線的氣溫條件不會明顯影響到貨車或大件運輸的車輛動力學性能。

圖15 DQ35型鉗夾車哈爾濱—禹州電廠2臺定子運輸應力測試數據對比

圖16 DQ35型鉗夾車哈爾濱—禹州電廠2臺定子運輸加速度和位移數據對比

3.2 大風的影響[5]

2009年4～5月在烏魯木齊鐵路局管內的蘭新線上,對4輛被試貨車(單層集裝箱車、雙層集裝箱車、棚車、敞車)進行了在大風環境條件下的動力學性能試驗,以研究在新疆大風環境下被試貨車的運行穩定性和運行平穩性是否符合要求,為擋風墻的設計和進一步研究提供數據,為大風環境下列車運行管理提供依據。青藏線上大風、雨雪天氣多變,很難正好抓住大風情況下的記錄,所以在青藏線上進行大風試驗存在較大的困難。這次新疆大風試驗是在比較嚴酷條件下的一次比較全面的試驗,對青藏線貨物運輸特別是大件運輸的安全性有很好借鑒意義。

新疆大風試驗的試驗線路為蘭新線百里風區的瞭墩—小草湖之間(K1 440+125—K1 530+367)。表1是2009年進行的新疆大風試驗的基本信息。

表1 2009年新疆大風試驗最高試驗速度及風速匯總

單層集裝箱車(空箱)、空棚車、空敞車的動力學性能指標均符合標準要求;雙層集裝箱(空箱)的傾覆系數、脫軌系數、輪軸橫向力和運行平穩性指標均符合標準要求,但輪重減載率超限嚴重。圖17表明雙層集裝箱(空箱)車的輪重減載率有部分點超過了安全限度值0.65,無擋風墻時超限點相對較多。超限主要出現在無擋風墻、路塹、進入路塹前50 m內、插入式擋風墻的薄弱環節等。試驗結果表明,輪重減載率和傾覆系數是受風載影響最大的動力學性能指標。風載作用下迎風側輪重減載率明顯增大,車輛同側4個車輪的變化過程類似,傾覆系數的變化過程與輪重減載率類似,但沒有超過限度值。風引起的載荷與車輛的迎風面積有直接的關系,迎風面積越大所受到的載荷也就越大。在2004年1月進行的雙層集裝箱車線路運行試驗(京廣線平推)[6],雙層集裝箱(空箱)車的輪重減載率最大值為0.41,無大風正常條件下,雙層集裝箱車的輪重減載率一般不會超過標準限度值。

圖17 新疆大風試驗中雙層集裝箱車輪重減載率散點圖

青藏線上暫時不會運行雙層集裝箱車,但是會運行敞車、棚車、單層集裝箱車輛或大件運輸車輛和軍事裝備的車輛,這些車輛迎風面積相對比較大。在空車和重車條件下,風對車輛的載荷是相同的。只是在重車狀態下,風載荷引起的輪重增減載率相對空車要小。即便如此,也要引起高度重視。在青藏線大件運輸過程中,在通常監測的基礎上,還應關注車輪載荷的變化,可從轉向架彈簧位移的測試和車輛側滾運動的測試兩方面來把握車輛在大風條件下的運行狀態。

3.3 雨雪的影響

2000年在環行線進行了貨物列車直線段脫軌試驗,研究了輪軌潤滑對車輛動力學性能的影響[7,8]。圖18是以N17型平車為例的輪軌潤滑對車輛動力學性能影響圖,其中包括涂油、下雪和干噪3種工況,其他車輛也有類似的影響。圖18表明,下雪有利于改善車輛的動力學性能,特別是車輛的橫向動力學性能指標(橫向力和橫向加速度)。下雪條件下,輪緣與鋼軌內側間得到了適當的潤滑,減小了摩擦阻力和車輪的沖角,從而達到改善車輛動力學性能的目的。因此,青藏線上的雨雪天氣從輪軌關系方面來講有利于大件運輸車輛的運行安全性,但雨雪天氣對列車的牽引和制動,或動車來講有不利的因素。雨雪天氣還會造成鐵路貨車的增載,消耗更多的能源。

圖18 輪軌潤滑(輪緣與鋼軌內側面)對車輛動力學性能的影響

4 結束語

青藏線(格拉段)特殊地理、氣候、環境因素下的線路條件是影響鐵路貨車或大件運輸車輛動力學性能的主要因素,突出表現在直線工況下;與不同地方的線路條件相比,曲線的特征參數(曲線半徑、超高、順坡率等)是影響貨車或大件運輸車輛曲線動力學性能指標的主要的因素;青藏線的氣溫條件不會影響到貨車或大件運輸車輛的動力學性能;青藏線的大風天氣會對貨車或大件運輸車輛造成一定的影響,主要表現有輪重增減的變化;雨雪天氣雖對鐵路貨車的動力學性能存在有利的一面,但對列車的牽引和制動存在不利的影響,此外,雨雪還會造成鐵路貨車的增載,消耗更多的能源。

鑒于青藏線上鐵路貨車或特種車輛的動力學性能特點,建議在大件運輸監測或大型軍事裝備運輸時,盡可能選擇天氣較好的條件進行運輸;在現有大件運輸監測的基礎上,增加轉向架彈簧位移和車輛振動加速度的測點數目,關注車輪載荷的變化和車輛振動型式的變化;加強對線路的巡視與整治;此外,借鑒現有的信息技術發展成果,建立起信息溝通渠道,發現問題及時診斷與解決。

[1] 陳政南.KRC 1600HA型鐵路救援起重機動力學性能檢驗報告,(2006)JL字第W-158號[R].北京:鐵道部產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站,2006.

[2] 曲金娟.KRC1600HDCT型鐵路救援起重機動力學性能檢驗報告,(2008)JL字第W-355號[R].北京:鐵道部產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站,2008.

[3] 苗曉雨.DQ35型鉗夾車哈爾濱——禹州電廠第一臺定子運輸監測報告,2008年JL字第60號[R].北京:中國鐵道科學研究院機車車輛研究所,2008.

[4] 王新銳.DQ35型鉗夾車哈爾濱——禹州電廠第二臺定子運輸監測報告,2008年JL字第82[R].北京:中國鐵道科學研究院機車車輛研究所,2008.

[5] 熊 芯.新疆鐵路大風環境下貨車動力學性能試驗研究,2009年JL字第 44號[R].北京:中國鐵道科學研究院機車車輛研究所,2009

[6] 康 熊.雙層集裝箱列車(過渡裝箱方案)京廣線運行試驗研究報告,T Y字第1 778號,2004年機研字第003號[R].北京:中國鐵道科學研究院,2004.

[7] 王衛東.環行線貨物列車直線段脫軌試驗報告,TY字第1 408號[R].北京:中國鐵道科學研究院,2000.

[8] 王衛東,等.輪軌潤滑對脫軌性及車橋耦合振動的影響[J].中國鐵道科學,2001,22(1):40-46.