GMC—96x钢轨打磨车液力走行爬坡能力探讨

廖斌

【摘 要】今年3月，广铁集团GMC-96x型钢轨打磨列车在25‰坡道上坡运行时出现动力车轮对打滑的问题，引起了对打磨列车爬坡能力的探讨，本文通过研究GMC-96x打磨列车在不同的天气条件下GMC-96x打磨列车单动力和双动力的坡道启动能力，增强对GMC-96x打磨车运行性能的了解，提高打磨列车高铁运行安全系数。

【关键词】爬坡能力；高铁；GMC-96x打磨列车

0 引言

GMC-96x钢轨打磨车为襄阳金鹰重型工程机械有限公司生产的钢轨打磨列车，采用5节编组，其中1#、2#、4#、5#号车为工作车，采用惰性转向架，不具备自走行能力，3#车为动力车，采用动力转向架，提供整车的牵引动力。GMC-96x钢轨打磨车整备后总重约500t，其中，3#车自重120t，其余工作车（1#、2#、4#、5#）重量约380t。

1 打磨车轮轨黏着力计算

目前我国铁路线路大坡度主要在高速铁路和城际铁路线路，一般线路坡度不大于33‰，从几何角度分析，这些坡度的线路水平夹角极小，由于钢轨与水平面间夹角很小，不同坡度线路夹角的函数值相差不大，本文用33‰坡道夹角来计算各坡度的黏着力。

车轮与钢轨之间的摩擦力，等于车轮动轮对钢轨面的垂直压力乘以黏着系数。当打磨车处于上坡道时，车辆重力G被分解成与钢轨垂直的压力G1和与钢轨平行的阻力G2，这两个力与车辆重力和水平夹角α的关系是：

G1=Gcosα

G2=Gsinα

车轮最大黏着力为F黏max=μGcosα

其中，根据TB/T1407-1998《列车牵引计算规程》，机车车辆轮轨件黏着系数μ，按下列公式计算：

干燥轨面：μ=0.0624+

潮湿轨面：μ=0.0405+

从安全角度出发，本文取黏着系数最小值，得出不同天气条件下最小轮轨黏着系数分别为：

干燥轨面：μ=0.23

潮湿轨面：μ=0.15

3 列车启动条件

在铁路工程设计中，把运行中的列车看做是全部质量集中于重心的平移运动和某些部分进行回转（车轮）的刚体运动。根据牛顿定律，作用在物体上的力F与物体的质量m和加速度a三者的关系为F=ma，则有：

列车启动加速度a= =

根据TB/T1407—1998《列车牵引计算规程》规定，列车启动受到的阻力有：启动基本阻力和坡道阻力。

3.1 打磨车启动基本阻力

根据《列车牵引计算规程》规定，电力、内燃机车取5N/KN，滑动轴承车辆的启动单位基本阻力ωq=5N/kN，滚动轴承车辆的启动单位基本阻力ωq=3.5N/kN。钢轨打磨车动力车启动单位基本阻力取5N/KN，工作车采用滚动轴承，启动单位基本阻力取3.5N/kN。

打磨列车启动基本阻力为：

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

3.2 坡道附加阻力

《列车牵引计算规程》规定，车辆的单位坡道附加力的数值，等于坡道坡度的千分数。故列车在10‰、20‰、23‰、30‰、33‰坡度上的的单位坡道附加阻力分别为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别为：

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 列車坡道启动能力计算

参照轨道交通车辆“牵引制动特性及性能仿真计算”资料，以0.0833作为判定列车能够启动的最小加速度。

4.1 根据列车牵引能力计算

根据金鹰重型工程机械有限公司提供的打磨车动力曲线，打磨车动力车的最大牵引力约为280KN，计算出打磨车在坡度上启动加速度，得出10‰、20‰、33‰坡度下的列车启动加速度分别为：

10‰坡道：a10= = =0.42m/s2

20‰坡道：a20= = =0.32m/s2

33‰坡道：a33= = =0.20m/s2

计算结果表明，若以钢轨打磨车的最大牵引力计算，各坡道的启动加速度均大于列车能够启动的最小加速度0.0833m/s2，不考虑其他因素时，列车在上述坡道上能够启动。

4.2 根据列车启动黏着力计算

实际运用中，打磨车牵引力是一个可以调节的作用力。司机通过驾驶台油门手柄，可以调节打磨车牵引力的大小。但控制列车启动的限制条件是：列车牵引力不能大于车轮与钢轨之间的最大黏着力。若超过这个限度，车轮就会空转打滑，牵引力急剧下降。因此，需要验算打磨车启动时的黏着力，最终由黏着力决定打磨车启动牵引力的大小。钢轨打磨车动力车重120t，以33‰坡道的夹角计算动轮对钢轨的垂直压力，即：

F黏max=μGcosα≈120×9.81×0.9998=1177μ

根据天气条件不同，机车车辆轮轨件黏着系数取值在0.150.23之间，所以不同天气条件下打磨车黏着力的范围为：

F黏max=1177μ=176.55KN～270.71KNendprint

将潮湿天气条件下的黏着力作为最大牵引力，代入公式计算得出各中坡度线路下打磨车启动加速度分别为：

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

计算结果表明：在潮湿天气下，以启动黏着力作为牵引力计算，钢轨打磨车在23‰坡道下的启动加速度大于列车能够启动的最小加速度0.0833m/s2，因此，打磨车只能在小于23‰的坡道上启动。

将干燥天气条件下的黏着力作为最大牵引力，代入公式计算得出各中坡度线路下打磨车启动加速度分别为：

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

计算结果表明：在干燥天气下，根据启动黏着力计算，钢轨打磨车在既有线路的各种坡道下（33‰以下）的启动加速度均大于列车能够启动的最小加速度0.0833m/s2，因此，在干燥天气时打磨车在既有铁路线路的各种坡道上均能启动。

4.3 单动力的爬坡能力计算

打磨车有两套动力传动系统，当其中一套动力系统失效时，只能依赖单套动力系统走行。单动力情况下钢轨打磨车最大黏着力计算如下：

F黏max=μGcosα≈20×3×9.81×0.998=588.5μ

其中，根据天气条件不同，机车车辆轮轨件黏着系数μ取值在0.150.23之间，所以不同天气条件下打磨车黏着力的范围为：

F黏max=588.5μ=88.28KN～135.34KN

将潮湿天气条件下的黏着力作为最大牵引力，代入公式计算得出各中坡度线路下打磨车启动加速度分别为：

5‰坡道：a5= = =0.09m/s2

10‰坡道：a10= = =0.04m/s2

計算结果表明：在潮湿天气下，以启动黏着力作为牵引力计算，钢轨打磨车在5‰坡道下的启动加速度大于打磨车能够启动的最小加速度0.0833m/s2，因此，在潮湿天气下单动力打磨车只能在小于5‰的坡道上启动。

将干燥天气条件下的黏着力作为最大牵引力，代入公式计算得出各中坡度线路下打磨车启动加速度分别为：

10‰坡道：a10= = =0.13m/s2

15‰坡道：a15= = =0.084m/s2

20‰坡道：a20= = =0.03m/s2

计算结果表明： 在干燥天气下，以启动黏着力作为牵引力计算，钢轨打磨车在15‰坡道下的启动加速度大于打磨车能够启动的最小加速度0.0833m/s2，因此，在干燥天气下单动力打磨车只能在小于15‰的坡道上启动。

4 结语

根据GMC-96x钢轨打磨列车在客运专线施工时遇到的大坡度爬坡困难问题，本文从理论上计算GMC-96x钢轨打磨列车在不同工况、不同天气条件下的爬坡能力。数据表明，在干燥和潮湿天气条件下，由于黏着系数不同，打磨列车的坡道启动能力也有很大不同。在干燥天气时，双动力打磨列车能在33‰坡度启动，单动力打磨车只能在小于15‰的坡道上启动；在潮湿天气时，双动力打磨列车仅能在23‰以下坡度启动，单动力打磨车只能在小于5‰的坡道上启动。最后，希望借此文抛砖引玉，共同探讨出打磨列车大坡度运行的安全控制措施。

【参考文献】

[1]TB/T1407—1998《列车牵引计算规程》.北京，铁道出版社，1999.

[2]黄问盈.铁道轮轨黏着系数[J].铁道机车车辆，北京，2010（10）：17-25.

[3]GMC-96x型钢轨打磨列车牵引动车技术手册（1.0）.金鹰重型工程机械有限公司.

[责任编辑：朱丽娜]endprint