GMC—96x鋼軌打磨車液力走行爬坡能力探討

廖斌

【摘 要】今年3月，廣鐵集團GMC-96x型鋼軌打磨列車在25‰坡道上坡運行時出現動力車輪對打滑的問題，引起了對打磨列車爬坡能力的探討，本文通過研究GMC-96x打磨列車在不同的天氣條件下GMC-96x打磨列車單動力和雙動力的坡道啟動能力，增強對GMC-96x打磨車運行性能的了解，提高打磨列車高鐵運行安全系數。

【關鍵詞】爬坡能力；高鐵；GMC-96x打磨列車

0 引言

GMC-96x鋼軌打磨車為襄陽金鷹重型工程機械有限公司生產的鋼軌打磨列車，采用5節編組，其中1#、2#、4#、5#號車為工作車，采用惰性轉向架，不具備自走行能力，3#車為動力車，采用動力轉向架，提供整車的牽引動力。GMC-96x鋼軌打磨車整備后總重約500t，其中，3#車自重120t，其余工作車（1#、2#、4#、5#）重量約380t。

1 打磨車輪軌黏著力計算

目前我國鐵路線路大坡度主要在高速鐵路和城際鐵路線路，一般線路坡度不大于33‰，從幾何角度分析，這些坡度的線路水平夾角極小，由于鋼軌與水平面間夾角很小，不同坡度線路夾角的函數值相差不大，本文用33‰坡道夾角來計算各坡度的黏著力。

車輪與鋼軌之間的摩擦力，等于車輪動輪對鋼軌面的垂直壓力乘以黏著系數。當打磨車處于上坡道時，車輛重力G被分解成與鋼軌垂直的壓力G1和與鋼軌平行的阻力G2，這兩個力與車輛重力和水平夾角α的關系是：

G1=Gcosα

G2=Gsinα

車輪最大黏著力為F黏max=μGcosα

其中，根據TB/T1407-1998《列車牽引計算規程》，機車車輛輪軌件黏著系數μ，按下列公式計算：

干燥軌面：μ=0.0624+

潮濕軌面：μ=0.0405+

從安全角度出發，本文取黏著系數最小值，得出不同天氣條件下最小輪軌黏著系數分別為：

干燥軌面：μ=0.23

潮濕軌面：μ=0.15

3 列車啟動條件

在鐵路工程設計中，把運行中的列車看做是全部質量集中于重心的平移運動和某些部分進行回轉（車輪）的剛體運動。根據牛頓定律，作用在物體上的力F與物體的質量m和加速度a三者的關系為F=ma，則有：

列車啟動加速度a= =

根據TB/T1407—1998《列車牽引計算規程》規定，列車啟動受到的阻力有：啟動基本阻力和坡道阻力。

3.1 打磨車啟動基本阻力

根據《列車牽引計算規程》規定，電力、內燃機車取5N/KN，滑動軸承車輛的啟動單位基本阻力ωq=5N/kN，滾動軸承車輛的啟動單位基本阻力ωq=3.5N/kN。鋼軌打磨車動力車啟動單位基本阻力取5N/KN，工作車采用滾動軸承，啟動單位基本阻力取3.5N/kN。

打磨列車啟動基本阻力為：

ωq=5×120×9.81+3.5×380×9.81=5.89+13.04=18.93KN

3.2 坡道附加阻力

《列車牽引計算規程》規定，車輛的單位坡道附加力的數值，等于坡道坡度的千分數。故列車在10‰、20‰、23‰、30‰、33‰坡度上的的單位坡道附加阻力分別為10N/KN、20N/KN、23N/KN、30N/KN、33N/kN。在10‰、20‰、33‰坡度上的坡道附加阻力分別為：

5‰坡道：ω5=5×500×9.81=24.52KN

10‰坡道：ω10=10×500×9.81=49.05KN

20‰坡道：ω20=20×500×9.81=98.1KN

23‰坡道：ω23=23×500×9.81=112.8KN

25‰坡道：ω25=25×500×9.81=122.6KN

30‰坡道：ω30=30×500×9.81=147.2KN

33‰坡道：ω33=33×500×9.81=161.8KN

4 列車坡道啟動能力計算

參照軌道交通車輛“牽引制動特性及性能仿真計算”資料，以0.0833作為判定列車能夠啟動的最小加速度。

4.1 根據列車牽引能力計算

根據金鷹重型工程機械有限公司提供的打磨車動力曲線，打磨車動力車的最大牽引力約為280KN，計算出打磨車在坡度上啟動加速度，得出10‰、20‰、33‰坡度下的列車啟動加速度分別為：

10‰坡道：a10= = =0.42m/s2

20‰坡道：a20= = =0.32m/s2

33‰坡道：a33= = =0.20m/s2

計算結果表明，若以鋼軌打磨車的最大牽引力計算，各坡道的啟動加速度均大于列車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，不考慮其他因素時，列車在上述坡道上能夠啟動。

4.2 根據列車啟動黏著力計算

實際運用中，打磨車牽引力是一個可以調節的作用力。司機通過駕駛臺油門手柄，可以調節打磨車牽引力的大小。但控制列車啟動的限制條件是：列車牽引力不能大于車輪與鋼軌之間的最大黏著力。若超過這個限度，車輪就會空轉打滑，牽引力急劇下降。因此，需要驗算打磨車啟動時的黏著力，最終由黏著力決定打磨車啟動牽引力的大小。鋼軌打磨車動力車重120t，以33‰坡道的夾角計算動輪對鋼軌的垂直壓力，即：

F黏max=μGcosα≈120×9.81×0.9998=1177μ

根據天氣條件不同，機車車輛輪軌件黏著系數取值在0.150.23之間，所以不同天氣條件下打磨車黏著力的范圍為：

F黏max=1177μ=176.55KN～270.71KNendprint

將潮濕天氣條件下的黏著力作為最大牽引力，代入公式計算得出各中坡度線路下打磨車啟動加速度分別為：

10‰坡道：a10= = =0.22m/s2

20‰坡道：a20= = =0.12m/s2

23‰坡道：a23= = =0.09m/s2

25‰坡道：= = =0.07m/s2

30‰坡道：= = =0.02m/s2

計算結果表明：在潮濕天氣下，以啟動黏著力作為牽引力計算，鋼軌打磨車在23‰坡道下的啟動加速度大于列車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，因此，打磨車只能在小于23‰的坡道上啟動。

將干燥天氣條件下的黏著力作為最大牽引力，代入公式計算得出各中坡度線路下打磨車啟動加速度分別為：

10‰坡道：a10= = =0.4m/s2

20‰坡道：a20= = =0.3m/s2

25‰坡道：a25= = =0.25m/s2

30‰坡道：a30= = =0.21m/s2

33‰坡道：a33= = =0.17m/s2

計算結果表明：在干燥天氣下，根據啟動黏著力計算，鋼軌打磨車在既有線路的各種坡道下（33‰以下）的啟動加速度均大于列車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，因此，在干燥天氣時打磨車在既有鐵路線路的各種坡道上均能啟動。

4.3 單動力的爬坡能力計算

打磨車有兩套動力傳動系統，當其中一套動力系統失效時，只能依賴單套動力系統走行。單動力情況下鋼軌打磨車最大黏著力計算如下：

F黏max=μGcosα≈20×3×9.81×0.998=588.5μ

其中，根據天氣條件不同，機車車輛輪軌件黏著系數μ取值在0.150.23之間，所以不同天氣條件下打磨車黏著力的范圍為：

F黏max=588.5μ=88.28KN～135.34KN

將潮濕天氣條件下的黏著力作為最大牽引力，代入公式計算得出各中坡度線路下打磨車啟動加速度分別為：

5‰坡道：a5= = =0.09m/s2

10‰坡道：a10= = =0.04m/s2

計算結果表明：在潮濕天氣下，以啟動黏著力作為牽引力計算，鋼軌打磨車在5‰坡道下的啟動加速度大于打磨車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，因此，在潮濕天氣下單動力打磨車只能在小于5‰的坡道上啟動。

將干燥天氣條件下的黏著力作為最大牽引力，代入公式計算得出各中坡度線路下打磨車啟動加速度分別為：

10‰坡道：a10= = =0.13m/s2

15‰坡道：a15= = =0.084m/s2

20‰坡道：a20= = =0.03m/s2

計算結果表明： 在干燥天氣下，以啟動黏著力作為牽引力計算，鋼軌打磨車在15‰坡道下的啟動加速度大于打磨車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，因此，在干燥天氣下單動力打磨車只能在小于15‰的坡道上啟動。

4 結語

根據GMC-96x鋼軌打磨列車在客運專線施工時遇到的大坡度爬坡困難問題，本文從理論上計算GMC-96x鋼軌打磨列車在不同工況、不同天氣條件下的爬坡能力。數據表明，在干燥和潮濕天氣條件下，由于黏著系數不同，打磨列車的坡道啟動能力也有很大不同。在干燥天氣時，雙動力打磨列車能在33‰坡度啟動，單動力打磨車只能在小于15‰的坡道上啟動；在潮濕天氣時，雙動力打磨列車僅能在23‰以下坡度啟動，單動力打磨車只能在小于5‰的坡道上啟動。最后，希望借此文拋磚引玉，共同探討出打磨列車大坡度運行的安全控制措施。

【參考文獻】

[1]TB/T1407—1998《列車牽引計算規程》.北京，鐵道出版社，1999.

[2]黃問盈.鐵道輪軌黏著系數[J].鐵道機車車輛，北京，2010（10）：17-25.

[3]GMC-96x型鋼軌打磨列車牽引動車技術手冊（1.0）.金鷹重型工程機械有限公司.

[責任編輯：朱麗娜]endprint