壓鉤力作用下空載貨車曲線上運行安全性研究

代宏元　李玥飛　楊海　李建東　王軍　陳清華

摘要：隨著重載列車運行速度不斷提升，其在小半徑曲線區段的安全性問題不斷凸顯。本文以空載貨車作為研究對象，基于車輛動力學理論建立了詳細的三連掛貨車單元模型。基于該模型分析了空載貨車壓鉤力作用下通過曲線區段的輪軌相互作用特征，并進一步研究曲線軌道關鍵參數對車輛運行安全性的影響，研究結果表明：空載貨車在小半徑曲線區段的輪重減載情況尤為突出，各項安全性指標隨壓鉤力的增大而增大。適當增大曲線超高量和緩和曲線長度有利于緩解空載貨車的輪重減載問題，同時適當增長曲線超高量可有效降低輪軌橫向相互作用，增加緩和曲線長度可降低輪軌垂向作用。線路維護中可根據實際情況適當調整曲線超高和緩和曲線長度，以提升小半徑曲線區段的車輛運行安全性。

關鍵詞：重載鐵路；空載貨車；小半徑曲線；壓鉤力；運行安全性

中圖分類號：TH113 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.04.007

文章編號：1006-0316 （2023） 04-0045-08

Study on Running Safety of Unloaded Wagon on Curves

under the Effect of Compression Coupler force

DAI Hongyuan1，LI Yuefei1，YANG Hai1，LI Jiandong1，WANG Jun1，CHEN Qinghua2

（ 1.Inner Mongolia Yitai Huzhun Railway Co.， Ltd.， Ordos 017000， China;

2.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：As the running speed of heavy-haul train continues to increase， the safety problems at small radius curve sections become more and more prominent. Focusing on the running safety of unloaded wagons， a detailed 3-pack wagons model has been established based on the vehicle dynamics theory. By employing the model， the wheel-rail interaction characteristics of the unloaded wagon passing through the curve section under the effect of the compression coupler forces are analyzed， and the influence of the key parameters of the curve track on the running safety of the vehicle is further investigated. The results indicate that the wheel unloading problem of the unloaded wagon is prominent in the small radius curve sections， and the safety indices increase with the increase of the compression force. It is revealed that the proper increase of super elevation and the transition curve length can mitigate the wheel unloading. Meanwhile， the proper increase of super elevation can reduce the lateral wheel-rail interaction， and the vertical wheel-rail interaction decreases with the increase of the transition curve length. To enhance the running safety of vehicle in small radius curve sections， the super elevation and the transition curve length can be adjusted appropriately in the track maintenance.

Key words：heavy haul railway；unloaded wagon；small radius curve；compression coupler force；running safety

鐵路作為交通運輸動脈，對于實現物資長距離運輸，優化資源配置起著重要作用。隨著經濟社會快速發展，鐵路運輸的需求不斷增加，鐵路運輸能力亟待提升，重載列車憑借運量大、成本低等優勢迎來新的發展機遇。經過多年發展，國內重載列車配套技術日臻完善，但長期運用過程中也暴露出一些問題，嚴重制約重載鐵路運輸發展。由于我國重載鐵路多是在普通鐵路基礎上發展而來，線路中仍存在較多小半徑曲線，隨著重載列車運行速度、車輛軸重及編組長度的不斷提升，曲線區段輪軌動力作用不斷加劇，嚴重威脅行車安全。

針對該問題眾多學者開展了大量研究。曾勇[1]等分析國內外鐵路設計行車速度設計與重載鐵路最小曲線半徑標準，建立重載列車動力學仿真模型，分析400～1200 m曲線半徑對車輛動力學性能的影響，對我國重載鐵路線路參數設計提出建議；陳輝輝[2]建立列車縱向動力學模型與動力學分析模型，仿真分析緊急制動工況中曲線半徑與緩和曲線長度對列車曲線通過性能的影響；王巍等[3]利用NUCARS建立貨車—軌道動力學模型，重點分析線路平面線型、軌道幾何狀態等對貨車通過連續反向小半徑曲線的動力學影響規律；鄭艦等[4]基于準靜態方法和動態方法分析貨車車輛結構參數與縱向沖動對重載貨車引起的附加橫向力影響規律，并研究了縱向沖動對車輛曲線運行安全性的影響；楊亮亮等[5]建立了考慮車輛之間橫向耦合作用以及列車空氣制動時閘瓦對車輪的摩擦約束作用的重載列車動力學模型，基于該模型分析了惰行和制動工況下列車曲線通過時的運行安全性、車輪磨耗分布特征、輪軌滾動阻力特性影響。劉鵬飛等[6]由機車車輛通過曲線軌道基本受力角度著重研究機車車輛通過曲線工況時懸掛系統內、外側的垂向動態承載特性，并提出改善機車曲線通過性能的措施與建議；蔣立干[7]考慮長大下坡道曲線段實際線路條件，分析重載列車在空氣制動工況下通過曲線段的行車性能，并根據性能指標變化趨勢給出大坡度小半徑曲線半徑推薦值；趙軍等[8]分析了橫風作用下三聯掛單元式重載貨車在直線區段運行時運行速度和風速對車輛輪軌動力學性能的影響；王超[9]基于車輛－軌道耦合動力學理論和輪軌磨耗理論分析了不同壓鉤力作用下重載列車運行安全性及小半徑曲線鋼軌的磨耗規律；程奕龍[10]建立列車動力學仿真模型對重載鐵路小半徑曲線段主要的線路參數進行研究，并通過列車的動力學性能評價指標得出線路參數的影響規律及合理取值。

本文以國內重載鐵路常見的空載三連掛C80貨車單元作為研究對象，建立詳細的車輛－軌道相互作用模型及車間連掛裝置模型，分析了壓鉤力作用下重載貨車曲線段輪軌相互作用特征，同時研究了曲線軌道關鍵參數對車輛運行安全性的影響。該研究結論旨在為重載列車操縱及線路維護提供參考，以提升曲線區段列車運行安全性。

1 三連掛貨車單元介紹及仿真分析模型建立

三連掛貨車單元為國內現役重載列車常見的編組模式，為減小列車車鉤自由間隙，同時兼顧列車曲線通過性能，三連掛單元內部采用RFC型牽引桿替代車鉤，單元之間仍采用16/17號聯鎖式車購，其具體結構如圖1所示。C80型貨車是國內重載鐵路運輸的主力車型，其車體為鋁合金材質，采用雙浴盆結構，具有自重輕，容積大的特點。其轉向架采用常見的轉K6型三大件式轉向架，并配備交叉拉桿裝置，斜楔懸掛系統采用兩級懸掛剛度以適應空重車狀態。空載狀態下，C80型貨車總重約為20 t。

為了分析壓鉤力作用下三連掛貨車單元在曲線上動力學性能，本文基于SIMPACK動力學仿真軟件，建立了貨車和連掛裝置模型，如圖2所示。該模型包含三節C80型貨車和2個RFC型牽引桿，在三連掛貨車單元端部施加大小相等方向相反的縱向力以模擬壓鉤作用，縱向壓鉤力沿車體中心線方向作用于車鉤箱位置。

該模型的關鍵在于貨車斜楔懸掛裝置及車輛連掛裝置建模，圖3和圖4分別給出了兩個關鍵部件的模型圖。圖3（a）和（b）分別展示了斜楔懸掛裝置的實物結構圖和模型圖。由圖可知，貨車斜楔懸掛裝置主要由搖枕、斜楔、中央彈簧、減振彈簧、立柱磨耗板等部分組成，其中減震彈簧連接斜楔和構架，中央彈簧連接搖枕和構架，立柱磨耗板固定安裝在構架上，搖枕與斜楔、斜楔與立柱磨耗板之間存在摩擦面。車輛運行中，在線路不平順激擾下，兩個摩擦面處產生相對摩擦，以耗散振動能量。圖4展示了采用RFC型牽引桿和MT-2型摩擦式緩沖器的連掛裝置系統模型。模型中用考慮遲滯特性的非線性彈簧阻尼單元模擬緩沖器裝置，為了準確模擬連掛裝置的力傳遞路徑，模型中還考慮了鉤尾框、從板、緩沖器底座等結構部件。RFC型牽引桿端部及前從板接觸面均為球面結構，壓鉤力作用下，車鉤力經牽引桿端部傳遞至前從板，前從板產生位移使緩沖器產生壓縮，車鉤力進一步傳遞至車鉤箱，進而作用于車體。

2 壓鉤力作用下空載貨車曲線段輪軌動力作用特征分析

基于以上建立的三連掛C80貨車單元動力學仿真模型，分別選取半徑為400 m、600 m和800 m的曲線，分析壓鉤力作用下空載貨車在不同曲線軌道上的輪軌動力相互作用特征。根據準東鐵路實際線路條件，選取三處不同半徑曲線開展分析，各曲線對應的圓曲線長度、曲線超高及緩和曲線長度如表1所示。

對于各曲線軌道，壓鉤力分別取200 kN、400 kN、600 kN和800 kN進行計算，仿真計算時，三連掛單元端部施加的壓鉤力在0～5 s內由0增加至設定值，此后保持恒定。車輛運行速度設置為70 km/h，線路激擾采用準東鐵路實測不平順。

圖5展示了不同壓鉤力作用下，空載貨車通過半徑分別為400 m、600 m和800 m的曲線時各項動力學指標。由圖5（a）可知，車輛通過不同半徑曲線軌道時其輪軌垂向力最大值均隨車鉤力增大而增大，且在曲線1上輪軌垂向力較曲線2和曲線3上更大，壓鉤力800 kN作用下，其最大輪軌垂向力約為40 kN。受軌道隨機不平順影響，當壓鉤力不超過600 kN時，曲線2上輪軌垂向力略小于曲線3上的相應值，當輪軌垂向力達800 kN時，曲線2上輪軌垂向力更大。從圖5（b）和（c）中可以看出，輪軌橫向力和輪軸橫向力的最大值均隨著壓鉤力增大不斷增大，且曲線半徑越小，橫向力越大，壓鉤力為800 kN時，車輛在曲線1上輪軌橫向力最大值約為23 kN，輪軸橫向力最大值約為

24 kN，其值約為200 kN壓鉤力作用下相應橫向力的2倍。對于脫軌系數、輪重減載率以及車輪抬升量，其最大值隨著壓鉤力和曲線半徑變化呈現相同變化規律，壓鉤力越大，曲線半徑約小，各指標最大值越小。壓鉤力為800 kN時，車輛在半徑為400 m、600 m和800 m的曲線上的最大脫軌系數分別為0.60、0.45和0.39，相應的最大輪重減載率分別為0.72、0.60和0.57。由此可知，800 kN壓鉤力作用下，車輛在半徑為400 m曲線上的輪重減載率已經超出限值。車輪抬升量總體變化較小，最大值在1.4～1.7 mm范圍內。由上分析可知，車輛在半徑較小曲線上運行風險更高，且壓鉤力越大，各項安全性指標越大，空載車輛的輪重減載問題較為突出。

3 曲線關鍵參數對空載貨車運行安全性的影響分析

在上節分析結果的基礎上，本節針對曲線關鍵參數對空載貨車運行安全性的影響開展進一步分析，選取曲線超高和緩和曲線長度作為分析對象。本節以曲線1為例進行仿真分析，壓鉤力設置為800 kN，車輛運行速度仍為70 km/h。分析曲線超高及緩和曲線長度影響規律時，曲線超高分別取50 mm、70 mm、90 mm、110 mm和130 mm，緩和曲線長度分別取50 m、70 m、90 m、110 m和130 m。

圖6展示了不同曲線超高條件下，空載貨車在800 kN壓鉤力作用下以70 km/h速度通過半徑為400 m曲線時的各項動力學指標最大值。從圖6（a）可以看出，當曲線超高為90 mm和110 mm時，輪軌垂向力的最大值較其他曲線超高條件下更小，但整體差異較小，變化范圍在2 kN以內。對于輪軌橫向力和輪軸橫向力而言，其最大值隨著曲線超高增大整體呈減小趨勢，如圖6（b）和（c）所示。當曲線超高為50 mm時，輪軌橫向力和輪軸橫向力最大值分別為23.9 kN和24.7 kN，而當曲線超高設為130 mm時，輪軌橫向力和輪軸橫向力最大值分別降至17.4 kN和20.0 kN，降幅分別達27%和19%。由圖6（d）和（e）可知，脫軌系數和輪重減載率最大值隨曲線超高增大亦呈現降低的趨勢。當曲線超高由50 mm增加至130 mm時，最大脫軌系數由0.73降至0.51，而最大輪重減載率由0.86降至0.66。車輪抬升量隨曲線超高增大整體呈下降趨勢，但整體變化較小，如圖6（f）所示。由此可知，對于小半徑曲線而言，適當增大曲線超高量可有效降低輪軌橫向相互作用，同時亦可緩解空載貨車突出的輪重減載問題，可綜合提升空載貨車通過小半徑曲線時的運行安全性。

圖7為不同緩和曲線長度條件下，空載貨車在800 kN壓鉤力作用下以70 km/h速度通過半徑為400 m曲線時的各項動力學指標最大值統計結果。由圖7（a）可知，輪軌垂向力最大值隨著緩和曲線長度增加而減小，當緩和曲線長度為50 m和130 m時，最大輪軌垂向力分別為42.2 kN和39.6 kN。對于輪軌橫向力和輪軸橫向力，其最大值出現在車輛運行至圓曲線上，其最大值受緩和曲線長度影響較小，受線路隨機不平順影響，輪軌橫向力和輪軸橫向力略有波動，變化范圍在2 kN以內，如圖7（b）和（c）所示。從圖7（d）和（f）可以看出，脫軌系數和車輪抬升量最大值隨緩和曲線長度增加亦變化不大，脫軌系數在0.6附近小幅波動，而車輪抬升量約為1.65 mm。輪重減載率隨緩和曲線增大顯著降低，當緩和曲線長度由50 m增加至130 m時，最大輪重減載率由0.79降至0.65，降幅達18%。由上分析可知，增加緩和曲線長度可降低輪軌垂向相互作用，同時也可改善空載貨車輪重減載問題，對輪軌橫向相互作用影響相對較小。

4 結論

本文針對壓鉤力作用下空載貨車通過小半徑曲線時的運行安全性進行分析，首先建立了詳細的三連掛貨車單元模型，在此基礎上分析了不同壓鉤力和不同曲線半徑條件下的輪軌動態相互作用規律，同時也對曲線關鍵參數對行車安全性的影響做了深入分析，結論如下：

（1）空載貨車在半徑較小曲線上運行風險更高，其中輪重減載問題尤為突出，且輪軌相互作用力和安全性指標隨壓鉤力的增大而增大。

（2）對于小半徑曲線而言，適當增加曲線超高量和緩和曲線長度可有效改善空載貨車的輪重減載問題，同時增大曲線超高量可有效降低輪軌橫向相互作用，而增加緩和曲線長度可降低輪軌垂向相互作用。

（3）為提升空載貨車通過小半徑曲線時的運行安全性，可基于現場條件適當調整曲線超高和緩和曲線長度，同時列車操縱中應避免列

車空載狀態下過大的車鉤力。

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收稿日期：2022-07-26

基金項目：國家自然科學基金（51825504）

作者簡介：代宏元（1975－），男，內蒙古鄂爾多斯人，助理工程師，主要研究方向為鐵路機車車輛運營維護，E-mail：1160484015@qq.com。