既有萬噸重載鐵路提速條件下輪軌動態(tài)相互作用特性

康喆 王開云 陳是扦

西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大宗貨物運(yùn)輸需求也日趨膨脹，亟待進(jìn)一步發(fā)展成本低、效率高、單次運(yùn)量大的重載鐵路運(yùn)輸［1］。長編組、大軸重、提速是重載貨運(yùn)的發(fā)展趨勢［2-6］。然而，提速條件下重載鐵路的輪軌相互作用會更加劇烈。因此，有必要對提速條件下的輪軌動態(tài)相互作用特性開展研究。

關(guān)于重載鐵路提速相關(guān)問題的研究已經(jīng)取得了一些成果。翟婉明等［7］運(yùn)用車輛-軌道耦合動力學(xué)理論對提速線路的主要動力問題進(jìn)行了細(xì)致的分析，并提出了基本對策。孫文峰［8］通過對最小曲線半徑和運(yùn)營模式的關(guān)系進(jìn)行研究，認(rèn)為提高列車最低運(yùn)行速度并縮小速差可較好地實(shí)現(xiàn)提速改造。錢立新［9］提出，提升我國既有線路運(yùn)營速度的關(guān)鍵在于研究新的輪軌動力學(xué)理論，利用新輪軌動力學(xué)理論優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)并對既有線進(jìn)行提速改造。蔡君君［10］認(rèn)為我國既有線路提速改造應(yīng)聚焦于曲線半徑和超高選擇，提出可通過增加緩長或適當(dāng)增加超高來實(shí)現(xiàn)既有線提速。白新榮［11］針對2萬t列車通過重載鐵路更換道岔、道床清篩施工后的提速安全性問題進(jìn)行了深入研究，提出應(yīng)將岔區(qū)道床清篩和更換道岔施工限行分開考慮，才可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化提速。胡紹海［12］針對我國既有線提速化、重載化的趨勢，提出要改進(jìn)養(yǎng)護(hù)維修手段，不斷提高線路設(shè)備質(zhì)量，以適應(yīng)運(yùn)輸發(fā)展的需要。

根據(jù)既有文獻(xiàn)，我國既有萬噸重載鐵路提速所引起的輪軌相互作用特性變化規(guī)律及安全性問題尚不明確。本文針對我國某既有萬噸重載鐵路提速條件下的輪軌相互作用特性進(jìn)行了仿真分析，并開展提速動力學(xué)現(xiàn)場測試，探討提速對萬噸重載列車輪軌相互作用特性的影響，為我國重載鐵路提速提供理論參考與技術(shù)支持。

1 動力學(xué)仿真模型

選取我國重載線路常見的C80型貨車作為研究對象。為計(jì)算分析提速條件下萬噸重載貨車的輪軌相互作用特性及運(yùn)行安全性，運(yùn)用SIMPACK多體動力學(xué)軟件建立了三連掛貨車仿真模型，包括貨車子模型及鉤緩系統(tǒng)子模型。

1.1 貨車子模型

根據(jù)C80型貨車的具體結(jié)構(gòu)，基于多體動力學(xué)理論，建立重載貨車動力學(xué)分析子模型。單節(jié)貨車模型包含1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、4個(gè)輪對、8個(gè)軸箱及2個(gè)搖枕，其中車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對均視為6自由度剛體，軸箱為只有1個(gè)點(diǎn)頭自由度的剛體，搖枕為有3個(gè)自由度（垂向、側(cè)滾、搖頭）的剛體。單節(jié)貨車模型共計(jì)58個(gè)自由度。三連掛貨車動力學(xué)模型如圖1所示。模型中考慮了斜楔主副摩擦面的摩擦減振功能，并用摩擦力元進(jìn)行模擬，考慮了彈性旁承的預(yù)壓力。此外，還考慮了減振元件的阻尼及止擋元件的非線性特性。

圖1 三連掛貨車動力學(xué)模型

1.2 鉤緩系統(tǒng)子模型

單節(jié)貨車間的連接采取牽引桿和16/17號聯(lián)鎖式車鉤搭配使用的方式，車鉤和牽引桿的配合使用可以在兼顧列車曲線通過能力的同時(shí)減小縱向車鉤間隙，從而降低列車的縱向沖動，提高列車運(yùn)行性能。車鉤模型主要由鉤尾框、從板、鉤體、緩沖器等部分組成，模型中考慮了鉤尾與從板之間的摩擦、車鉤的最大擺角等。鉤緩裝置的動力學(xué)模型見圖2。

圖2 鉤緩裝置的動力學(xué)模型

1.3 動力學(xué)模型驗(yàn)證

根據(jù)課題組開展某重載鐵路現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對上述仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。選取試驗(yàn)車運(yùn)行速度等級為80、90 km/h下輪軌垂向力與輪軌橫向力的實(shí)測值與仿真值進(jìn)行對比，結(jié)果見表1?？芍簩?shí)測值與仿真值較為吻合；二者有一定差異，這是由于仿真計(jì)算中無法完全考慮列車在實(shí)際運(yùn)行中的各種邊界條件。可見，該三連掛貨車模型能夠較為準(zhǔn)確地反映列車在實(shí)際運(yùn)行條件下的動力學(xué)響應(yīng)。

表1 不同速度等級下輪軌力仿真值與實(shí)測值對比

2 仿真分析

基于考慮不同操縱工況的三連掛貨車單元仿真分析模型，分析不同運(yùn)行速度、線路條件下空載和滿載貨車的輪軌相互作用特性。通過在三連掛貨車模型前后車鉤中心線處施加相應(yīng)的縱向力來模擬列車的牽引、惰行、電制動等操縱方式。由于多體動力學(xué)模型中沒有考慮機(jī)車，因此本模型中采用在前部貨車頭部和后部貨車尾部車鉤位置添加力元，并施加恒力的方式來模擬車鉤力的作用，其中牽引工況下施加與列車運(yùn)行同方向的恒力，電制動工況下反之。根據(jù)雙機(jī)重聯(lián)的HXD3C機(jī)車牽引和電制動特性曲線，80 km/h速度下施加648 kN車鉤力，90 km/h速度下施加576 kN車鉤力，惰行工況下不施加車鉤力。

結(jié)合某重載鐵路既有線的實(shí)際線路條件，設(shè)置了空載和滿載條件下直線和5種半徑曲線線路的典型線路條件組合。曲線線路條件組合見表2。仿真計(jì)算時(shí)采用實(shí)測線路不平順。通過輪軌垂向力、輪軌橫向力、輪軸橫向力、車輪抬升量、脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)評判輪軌相互作用特性。

表2 曲線線路條件組合

2.1 惰行工況

惰行工況下不同線路條件及速度等級的輪軌相互作用指標(biāo)見圖3?？芍憾栊泄r下，通過速度相同時(shí)，隨著曲線半徑由400 m逐漸增大到1 200 m再到直線，各輪軌相互作用指標(biāo)均呈減小趨勢；對于相同線路，速度等級由80 km/h提高到90 km/h，各輪軌相互作用指標(biāo)普遍小幅增大；重車的輪軌相互作用相較空車更為劇烈。80 km/h速度下空車、重車輪軌垂向力的最大值分別為43.12、181.94 kN，速度達(dá)到90 km/h時(shí)分別為44.58、194.77 kN，分別增加了3.4%、7.5%。車速由80 km/h提升至90 km/h，不同線路條件下空車、重車的輪軌橫向力最大值分別增大了3.8%、6.7%，輪軸橫向力最大值分別增大了6.2%、11.5%，車輪抬升量最大值分別增大了4.7%、7.2%，脫軌系數(shù)最大值分別增大了27.3%、8.1%，輪重減載率最大值分別增大了22.0%、25.0%。因此，萬噸重載貨車小幅提速后，惰行工況下各輪軌相互作用指標(biāo)均小于安全限值，且隨著速度提高，輪軌相互作用指標(biāo)普遍增大，尤其是脫軌系數(shù)和輪重減載率受提速影響較大。

圖3 惰行工況下輪軌相互作用特性

2.2 牽引工況

牽引工況下不同線路條件及速度等級的輪軌相互作用指標(biāo)見圖4?？芍籂恳r下，通過速度相同時(shí)，隨著曲線半徑由400 m逐漸增大到1 200 m再到直線，各輪軌相互作用指標(biāo)均呈減小趨勢；對于相同線路，速度等級由80 km/h提高到90 km/h，各輪軌相互作用指標(biāo)普遍小幅增大；重車的輪軌相互作用較空車更為劇烈。80 km/h速度下空車、重車輪軌垂向力的最大值分別為35.18、188.21 kN，速度達(dá)到90 km/h時(shí)分別為36.67、191.73kN，分別增大了4.2%、1.9%；車速由80 km/h提升至90 km/h，不同線路條件下空車、重車的輪軌橫向力最大值分別增大了9.1%、12.2%，輪軸橫向力最大值分別增大了3.1%、7.7%，車輪抬升量（空車為最大值，重車為平均值）分別增大了3.9%、13.2%，脫軌系數(shù)（空車為最大值，重車為平均值）分別增大了20.0%、30.0%，輪重減載率最大值分別增大了6.3%、22.6%。因此，萬噸重載貨車小幅提速后，牽引工況下各輪軌相互作用指標(biāo)均小于安全限值，且隨著速度提高，輪軌相互作用指標(biāo)普遍增大。與惰行工況類似，牽引工況下脫軌系數(shù)和輪重減載率受提速影響也相對較大。

圖4 牽引工況下輪軌相互作用特性

2.3 電制動工況

電制動工況下不同線路條件及速度等級的輪軌相互作用指標(biāo)見圖5?？芍?，電制動工況下，通過速度相同時(shí)，隨著曲線半徑由400 m逐漸增大到1 200 m再到直線，各輪軌相互作用指標(biāo)均呈減小趨勢；對于相同線路，速度等級由80 km/h提高到90 km/h，各輪軌相互作用指標(biāo)普遍小幅增大；重車輪軌相互作用相較空車更為劇烈，但脫軌系數(shù)小于空車。80 km/h速度下空車、重車輪軌垂向力最大值分別為35.28、184.67 kN，速度達(dá)到90 km/h時(shí)分別為39.17、188.55 kN，分別增加了11.0%和2.1%。車速由80 km/h提升至90 km/h，不同線路條件下空車、重車的輪軌橫向力最大值分別增大了3.2%、7.8%，輪軸橫向力最大值分別增大了1.0%、8.4%，車輪抬升量最大值分別增大了4.7%、7.2%，脫軌系數(shù)（空車為最大值，重車為平均值）分別增大了6.5%、26.6%，輪重減載率最大值分別增大了9.0%、35.0%。因此，電制動工況下萬噸重載貨車小幅提速，輪軌相互作用指標(biāo)普遍增大，尤其是輪重減載率增大幅度較大，各指標(biāo)均小于安全限值。

圖5 電制動工況下輪軌相互作用特性

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及分析

2021年9—11月，在某重載鐵路半徑400 m的曲線區(qū)段開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)中，首先對應(yīng)變片進(jìn)行了標(biāo)定，將標(biāo)定后的應(yīng)變片布置在鋼軌上，對列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的輪軌力進(jìn)行測試?；谠囼?yàn)的測試結(jié)果，對仿真計(jì)算所得到的輪軌相互作用規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，并通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對該提速條件下的輪軌相互安全性進(jìn)行系統(tǒng)評判。分析時(shí)，選取了輪軌力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標(biāo)。

萬噸重載列車在空載和滿載狀態(tài)下通過曲線測點(diǎn)的輪軌垂向力和輪軌橫向力時(shí)程曲線見圖6?？芍嚎哲囃ㄟ^曲線時(shí)輪軌力先出現(xiàn)較大峰值后大幅減小，表明機(jī)車產(chǎn)生的輪軌相互作用大于空載貨車；重車工況下機(jī)車與貨車的輪軌力差異不明顯。

圖6 輪軌力時(shí)程曲線

不同測試工況下空載與滿載列車通過測點(diǎn)時(shí)的脫軌系數(shù)和輪重減載率的變化曲線見圖7。可知：空車工況下脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值分別為0.93、0.28，重車工況下脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值分別為0.72、0.29；空車工況的脫軌系數(shù)大于重車工況，與最低測試速度相比，最高測試速度下空車、重車的脫軌系數(shù)分別增大了19%、20%；輪重減載率隨運(yùn)行速度增加而呈增大趨勢，與最低測試速度相比，最高測試速度下空車、重車的輪重減載率分別增大了27%、80%，滿載條件下增幅更加明顯，這也與仿真分析中得出的規(guī)律基本一致；所有工況下脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值分別為0.93、0.29，滿足既有萬噸重載鐵路提速的要求。

圖7 脫軌系數(shù)和輪重減載率隨車速的變化曲線

4 結(jié)論

本文針對我國某既有萬噸重載鐵路既有線提速的可行性問題，開展列車通過不同線路條件時(shí)輪軌動態(tài)相互作用特性的仿真與試驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下：

1）小半徑曲線上輪軌相互作用較為劇烈，隨曲線半徑增加，輪軌相互作用各指標(biāo)普遍呈減小趨勢。在曲線半徑由400 m增至1 000 m時(shí)，輪軌橫向力、脫軌系數(shù)等指標(biāo)顯著下降；增至1 200 m時(shí)，多數(shù)指標(biāo)已降低至接近直線工況的水平。操縱模式對萬噸重載列車輪軌相互作用指標(biāo)的影響不顯著。

2）列車運(yùn)行速度由80 km/h提升至90 km/h時(shí)，脫軌系數(shù)和輪重減載率增幅較大。仿真分析中，二者的最大增幅分別達(dá)到了27.3%和35.0%，各工況下輪軌動態(tài)安全性指標(biāo)小于安全限值。

3）現(xiàn)場測試結(jié)果表明，脫軌系數(shù)和輪重減載率受重載列車提速的影響較大?？哲嚬r下脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值分別為0.93、0.28，空車工況的脫軌系數(shù)顯著大于重車工況；重車工況下脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大值分別為0.72、0.29；輪重減載率隨運(yùn)行速度增加而呈增大趨勢，滿載條件下增幅更加明顯?？傮w而言，輪軌動態(tài)相互作用安全性指標(biāo)小于各自限值。