煤礦窄軌列車運行阻力研究

張治貴

（山西汾西礦業集團水峪煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

引言

窄軌列車作為煤礦運輸的主要設備，其應用廣泛且具有較好的運輸能力。窄軌列車可采用機車、絞車、人力以及自溜滑行等驅動裝置，這些驅動裝置若想發揮其性能均需掌握軌道車輛的運行阻力系數。基于對煤礦窄軌列車運行阻力的研究不僅可提高設備的運輸效率，而且在一定程度上還能夠達到節能的效果[1]。此外，精準掌握窄軌列車的運行阻力還能夠估算出其所需的牽引力，因此，重點對煤礦窄軌列車的運行阻力進行研究，具體闡述如下：

1 煤礦窄軌列車運行阻力產生機理研究

礦用軌道列車在實際運行過程中不可避免地會受到阻力的影響，而且阻力隨與列車的工作環境變化而變化，主要可以分為基本阻力和附加阻力。其中，基本阻力伴隨著列車運行的整個過程，而附加阻力只有在列車在曲線、坡道或在啟動時才會存在[2]。本文將重點對列車的基本阻力進行研究。一般情況下，列車運行阻力產生主要與下述因素相關：

1）列車車輪與軌道之間的滾動摩擦系數、滑動摩擦系數。其中，滑動摩擦還分為縱向滑動摩擦和橫向滑動摩擦。

2）列車本身結構車軸與軸頸之間的滑動摩擦；一般情況，該項摩擦系數可通過采用滾動軸承減小。

3）在實際運行中列車本身會與軌道之間發生碰撞沖擊產生的動能轉化為運行阻力。

4）在正常運行過程中，列車會受到一定的空氣阻力。但是，列車運行速度小于10 m/s，該項因素可忽略不計。

因此，在實際生產中窄軌列車的基本阻力主要為列車車輪與軌道之間的滑動摩擦、滾動摩擦等組成。而且，當窄軌列車在低速運行狀態時運行阻力主要以車軸與軸頸之間的摩擦力為主；隨著窄軌列車運行速度的提高，運行阻力主要表現為車輪與軌道之間的滑動阻力和相互碰撞時產生損失動力而產生的振動阻力[3]。

本文將通過數值模擬對不同信號窄軌列車的運行阻力系數進行對比研究。

2 窄軌列車數值模擬模型的建立

本文將基于UG 建立不同型號窄軌列車的三維模型，并將所搭建的模型導入ADAMS 軟件中對不同型號窄軌列車的運行阻力系數進行數值模擬研究。本文所研究窄軌列車的型號及對應參數如表1 所示：

表1 窄軌列車型號及參數

結合表1 所述的模型基于UG 軟件分別對窄軌列車的車箱、車架、車輪對以及緩沖器和連接器分別進行建模。

1）對于車輪建模按照表1 參數搭建即可。

2）在實際工程中與車輪所配套的軌道規格為30 kg/m，對應軌道的高度為152 mm，軌道頭部寬度為70 mm。

在實際建模過程中嚴格按照工程應用的實際尺寸進行建模；同時，基于自底向上的原則對各個部件進行裝配，在裝配過程中應保證同心、接觸對齊、平行以及鏡像裝配的命令完成。將所建立的模型導入ADAMS 軟件中，并對其中參數進行設置：

1）車體、車輪以及車軌的材料參數應該按照鋼進行設置；

2）根據窄軌列車的運行工況完成對模型添加相應的約束、接觸力、摩擦力等。

3 窄軌列車運行阻力研究

3.1 窄軌列車運行阻力的試驗研究

結合上述所搭建的數值模擬模型，對窄軌列車在平直線路上運行工況下的運行阻力系數進行測定，包括在水平運行和滑坡運行兩種狀態，并搭建如圖1 所示的試驗平臺：

圖1 運行阻力試驗平臺

如圖1 所示，將不同型號的窄軌列車置于高度為h的坡道上，并對車體在重車和空車兩種工況下的運行阻力進行測定。具體操作方法：列車從高度為h的坡道上在自身重力的情況下滑行，在運行阻力的作用下其在某個位置停止[4]。根據停止的位置換算出不同型號窄軌列車在重車和空車工況下的運行阻力系數，對應的換算公式如式（1）所示，結果如表2 所示：

表2 不同型號窄軌列車運行阻力系數試驗研究

式中：w 為阻力系數；h 為坡道的高度；L 為阻力作用行程。

3.2 窄軌列車運行阻力仿真分析

結合上述所搭建的模型并對不同型號窄軌列車模型的參數進行設置，對其重車和空車工況下的運行阻力系數進行仿真分析。

3.2.1 MGC1.1-6型窄軌列車

根據實際工況，設定車軌間的間距為600 mm，該型列車在重車時的質量為1.61 t，模型中對應坡道的高度為0.78 m。經仿真分析得出如下結論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為103.56 m，經換算得出該型列車的運行阻力系數為0.007 531，其對應的基本運行阻力為121.25 N。

同理，該型列車在空車時的質量為0.61 t，模型中對應坡道的高度為0.78 m。經仿真分析得出如下結論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為82.15 m，經換算得出該型列車的運行阻力系數為0.009 495，其對應的基本運行阻力為57.91 N。

3.2.2 MGC1.7-6型窄軌列車

根據實際工況，設定車軌間的間距為600 mm，該型列車在重車時的質量為2 t，模型中對應坡道的高度為0.78 m。經仿真分析得出如下結論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為119.96 m，經換算得出該型列車的運行阻力系數為0.006 502，其對應的基本運行阻力為215.87。

同理，該型列車在空車時的質量為1 t，模型中對應坡道的高度為0.78 m。經仿真分析得出如下結論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為91.83 m，經換算得出該型列車的運行阻力系數為0.008 494，其對應的基本運行阻力為112.12 N。

3.2.3 MPC3.3-6型窄軌列車

根據實際工況，設定車軌間的間距為600 mm，該型列車在重車時的質量為3 t，模型中對應坡道的高度為0.78 m。經仿真分析得出如下結論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為141.28 m，經換算得出該型列車的運行阻力系數為0.005 521，其對應的基本運行阻力為259.44 N。

同理，該型列車在空車時的質量為2 t，模型中對應坡道的高度為0.78 m。經仿真分析得出如下結論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為105.51 m，經換算得出該型列車的運行阻力系數為0.007 435，其對應的基本運行阻力為128.1 N。

3.2.4 MLC1.5-6型窄軌列車

根據實際工況，設定車軌間的間距為600 mm，該型列車在重車時的質量為5 t，模型中對應坡道的高度為0.78 m。經仿真分析得出如下結論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為155.81 m，經換算得出該型列車的運行阻力系數為0.005 006，其對應的基本運行阻力為400.48 N。

同理，該型列車在空車時的質量為4 t，模型中對應坡道的高度為0.78 m。經仿真分析得出如下結論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為133.96 m，經換算得出該型列車的運行阻力系數為0.005 823，其對應的基本運行阻力為174.69 N。

4 結語

1）對于同一型號列車，隨著列車數量的增加對應的運行阻力系數增大，其增量為0.000 3/輛；

2）對于不同型號列車，隨著礦車載重量的增加對應的運行阻力系數降低，但是其對應的阻力較大，因為重量增加慣性增大，其對應的阻力系數較小；但是，重量增加對軌道的正壓力較大，導致摩擦力較大，對應的阻力較大。