大准铁路老牛湾站列车脱轨原因分析和防范措施研究

李俊成

【摘 要】根据大准铁路老牛湾站列车脱轨事故发生的线路条件、车辆状态、操纵方法等因素开展计算机仿真分析，并根据仿真结果进行必要的现场试验研究，从而得出造成列车脱轨的原因，有效掌握风险事故产生的机理和规律，对风险事故的应对提供科学的理论依据支持，从而进一步有针对性地制定具体的防范措施。

【Abstract】According to the computer simulation analysis of train derailment accident occurred in Dazhun railway Laoniuwan station line， we analyze the vehicle condition， operation method and other factors， and do necessary field tests according to the simulation results， so that we can find the cause of the train derailment， and effectively grasp the mechanism and law of risk accident to provide a theoretical basis for the response to risk accident， thus further targeted to develop specific preventive measures.

【關键词】动力制动；轮对横向位移；车轮抬升量；轮轨横向力；脱轨系数

【Keywords】 dynamic braking； wheelset lateral displacement； wheel lift； wheel rail vertical force； derailment coefficient

【中图分类号】U21 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）11-0190-05

1 引言

2017年5月19日，大准铁路老牛湾站发生一起列车脱轨事故，双SS4G机车以2+0牵引方式牵引105辆C80空车，在大准线由清水河车站向老牛湾车站运行，接近老牛湾站车机联控1道正线停车，司机实施电阻制动调速，列车在经过15#时发生脱轨事故，致使机后3、4、5、6、7位车辆脱轨。

2 现场调研

现场了解到线路为2.8-1.4‰的持续下坡道。勘查了轮对脱轨起点、脱轨轨迹、道岔状态、钢轨状态等。发现密贴侧尖轨上有明显的车轮轮缘爬升痕迹，并且钢轨顶部有蛇行运动痕迹，另一侧尖轨与基本轨密贴侧有明显的擦伤痕迹，可以判断此次脱轨属于车轮爬轨脱轨。调查表明机后第五辆前端台车轮对在通过老牛湾站15#道岔尖轨尖端后285mm（K231+646m）时爬上基本轨，沿轨面运行3.9m后落入基本轨左侧，触发车辆自动制动装置动作，引发列车起非常。第五辆车辆沿3道道床拖行，又导致3、4位和6、7位车辆脱轨。此外，尖轨前端2m处存在钢轨接头，且该接头存在1mm左右的横向错位量，尖轨及基本轨形貌状态正常、尖轨转换工作状态正常。

现场勘察脱轨车辆为C80型三联单元车组。勘查脱轨车辆转向架状态，重点考察了轮对踏面外形的状态及损伤情况。发现了车轮表面（踏面、轮缘根部、轮缘）呈现沟壑状，粗糙度明显偏大，其中第五辆前台转向架轮对一侧车轮轮缘顶部有损伤，另一侧轮背内侧有擦伤，证实此次脱轨为车轮爬轨脱轨。测量轮对轮缘厚度介于29.3-32mm，轮对内侧距在1353mm左右，同一轮对轮径差在1mm范围内，转向架前后轮对轮径差最大是机后4位前台转向架约为4mm，轮对检测数据均在规定限度范围之内。

现场向机车乘务员了解了当时的操纵机车情况，并详细分析列车运行监控装置（LKJ）运行数据。发现司机在K228+726m处列车运行速度73km/h时使用电阻制动调速，制动电流为500A，随着列车速度变化制动电流在相应调整，总体趋于平稳过渡。列车发生脱轨时，速度为36km/h，制动电流为350A（该速度下，最大制动电流为660A左右，制动力为382kN），单台机车制动力约为200kN，符合原有规定的操纵要求。

3 列车脱轨的计算机仿真模拟分析

3.1 车辆模型

根据C80货车的具体结构，基于机械系统动力学理论，建立了C80货车的动力分析模型，研究了制动条件下，列车在纵向冲动作用下通过事故发生所处道岔时的运行安全性。所采用的仿真模型为三节C80刚性连接的三维货车动力学仿真模型，按照脱轨车辆编组和位置，将脱轨车辆4、5、6位一组作为研究对象，将最大车钩力施加于列车两端部车钩处进行仿真计算。

3.2 列车脱轨的计算机仿真模拟分析

还原事故列车的参数和线路条件，仿真过程中，列车以36km/h的速度通过事故地段，4位货车前端和6位货车后端的车钩力为320kN（通过列车纵向动力计算得出），经过仿真计算发现，5位货车最先发生脱轨。为了分析该工况下列车的运行安全性，选取事故车辆及其前后连挂车辆（4、5和6位货车），并对其各项安全性指标进行分析，各项安全性指标如图1所示。

由图1（a）～（f）可知，从10s开始，随着车钩力的增加，轮对横向位移、轮轨垂向力、轮轨横向力及脱轨系数逐渐增加。从图1（d）可以看出，当列车运行时间为14s左右，列车受到冲击，三连挂车辆的轮对产生很大的横向轮轨力，由图1（b）可知，5位货车的车轮抬升量急剧增加，超出了安全限值，而4位货车和6位货车的车轮抬升量均在安全范围之内。

4 脱轨事故现场的参数影响分析

实际运行中，影响车辆脱轨性能的原因很多也很复杂，有线路方面的原因（如线路质量下降和轨道的不平顺等），有车辆方面的原因（如车辆结构参数改变、性能变差、装载等），也有机车操纵方面的原因，但归根到底列车的脱轨通常是多种不利因素共同作用的结果。结合现场调研情况，分析各参数对列车运行安全性的影响。

4.1 线路因素

线路为2.8-1.4‰的下坡道，线路坡道助涨了列车前行动力，增加了制动工况下列车纵向冲动力和车辆垂向抬升力。

依据目前道岔结构设计和运用要求，转辙区前端尖轨与基本轨密贴，其顶高逐步抬升、顶宽逐步加宽。如果车轮运行到尖轨前端时且轮缘紧贴尖轨侧面（轮轨间已无间隙），车轮和尖轨之间将产生向上的爬升力，轮缘极可能随尖轨轨顶升高而逐步爬上尖轨轨顶。车轮轮缘一旦爬上轨顶并在轨顶继续前行时，将受到转向架运动状态和另一侧车轮轮轨间约束的影响，该车轮极可能从钢轨轨顶掉落（即发生脱轨）或者再恢复到正常状态（不发生脱轨）。如果另一侧车轮轮背与尖轨之间有合理的约束作用，车轮可能恢复到正常状态，但正常状态下，另一侧尖轨与基本轨之间的间隙不能为轮对提供这种约束，一旦车轮爬上轨顶，发生掉道脱轨的可能性大。并且列车经过岔区或在外界因素激励作用下（如尖轨前端2m处存在钢轨接头，且该接头存在约1mm左右的横向错位量），蛇形运动必然加剧，作用于轮轨间横向力加大，导致轮轨间有较大的爬升力，因此道岔区发生脱轨的可能性较大。

4.2 车辆因素

4.2.1 车辆状态

脱轨列车为空车，轮轨垂向力较重车小得多，脱轨系数（轮轨的横向力与垂向力之比，常用Q/P表示）比较大。另外，列车在制动工况下，在纵向力作用下，空车轮对发生的横向位移和车轮抬升量较重车大，因此，空车较重车脱轨概率大。

4.2.2 连接方式

该型车采用三节车为一组的连接方式，三节车间没有车钩，采用牵引杆硬连接方式，在运行过程中中间车辆受两段车辆约束，横向运动自由度受到限制，导致中间车辆较两端车辆受到的轮轨横向力有所增大，容易引起该车辆轮对贴靠轮缘的概率增加。

4.2.3 车轮表面粗糙度

车轮爬上钢轨的必要条件是有足够大的爬升力。爬升力由作用于钢轨的正压力（轮轨法向力）与轮轨摩擦系数的乘积确定。通常情况下轮轨正压力在正常范围内变动，那么摩擦系数越大，车轮爬升力越大。一般情况下，轮轨摩擦系数约为0.25-0.35，事故车辆的车轮表面（踏面、轮缘根部、轮缘）呈现沟壑状，粗糙度明显偏大。针对车轮表面粗糙度这一参数，在车钩力320kN，速度36km/h，在制动工况下，以三联单元车组中间车为例，进行仿真试验并计算不同车轮表面粗糙度对运行安全性的影响，得到车辆各项安全性指标形成下表1：

轮轨摩擦系数大于正常值，轮轨之间产生较大的爬升力，当轮轨摩擦系数超过0.5时，较大的爬升力使得车轮逐渐爬上钢轨，最终导致脱轨事故的发生。

4.3 电阻制动操纵因素

电阻制动是指将机车的牵引电动机改作发电机运行，利用电磁力引起钢轨对动轮的外力，从而达到使列车降速或调速的目的。基于此，分析了制动电流、给流时间、制动初速等电阻制动操纵模式对事故时实际编组列车（SS4机车双机重联+105辆C80货车空车）纵向冲动的影响，以期为降低列车电阻制动时的纵向冲动提供理论指导和参考。

4.3.1 制动电流影响

制动时列车始终处在2.8‰的下坡道，初始速度为73km/h，制动电流以制动档位1、3、5、7、9档位代替，制动档位越高，制动电流越大。手柄从0档位提升至上述不同檔位用时为15s，之后保持上述不同制动档位运行直至列车停止。

图2 给出了不同电阻制动手柄档位条件下，列车运行速度随运行时间的变化。从图中可以看出，制动档位越高，列车运行速度下降越快，如在制动后50s时，当制动手柄档位为1时，列车的速度为70.0 km/h，而制动手柄档位为9时列车速度为35.0m/h，减小了50.0%。

通过仿真试验可知，最大车钩力均出现在货车前端与机车相连接位置，随着车位的增加最大车钩力呈现出先增大后减小的趋势；随制动电流的降低呈现出减小趋势，如当制动档位为9时列车最大车钩力为794.5kN，制动档位为1时列车最大车钩力为226.6kN，减小了71.5%。可见，电阻制动手柄档位对列车最大车钩力的影响显著。

4.3.2 给流时间的影响

制动时列车始终处在2.8‰的下坡道，初始速度为73km/h，电阻制动手柄从0档位提升至4档用时分别为5s、10s、15s、20s，之后保持4档位运行直至列车停止。

图3给出了不同给流时间列车运行速度随运行时间的变化。从图中可以看出，给流时间越短，则列车制动性能越优，如在制动后80s时，给流时间20s的列车速度为39.5km/h，而给流时间为5s时，列车的速度为35.5 km/h，降低了10.1%。

列车最大车钩力随给流时间的增大而略微减小，给流时间为5s时列车最大压钩力为339.6kN，当给流时间为20s时列车最大压钩力为335.5kN，减小了1.2%。

4.3.3 制动初速的影响

制动时列车始终处在2.8‰的下坡道，电阻制动手柄从0档位提升至4档用时为15s，列车制动初始速度分别为40km/h、50km/h、60km/h、70km/h和80km/h，之后保持4档位运行直至列车停止。

图4给出了列车以不同初速度制动时每节车的最大车钩力（压钩力）。由图可知，随着制动初速的增加，列车最大车钩力有减小的趋势，当初速度从40km/h增大至80km/h时，列车最大车钩力从344.9kN减小到335.9kN，减小了2.6%。

4.3.4 小结

通过仿真计算，研究了制动电流、给流时间、制动初速等电阻制动操纵模式对事故时实际编组列车（SS4机车双机重联+105辆C80货车空车）纵向冲动的影响，得到以下结论：

①电阻电流对列车最大车钩力的影响显著。制动电流越小，列车最大车钩力越小，同时列车制动性能也越差。

②给流时间对列车最大车钩力的影响有限。列车最大车钩力随制动力上升时间的增加而略微减小，列车的制动性能也随之变差。

③制动初速对列车最大车钩力的影响较小。其影响规律是，制动初速越高，列车最大车钩力越小。

5 脱轨原因

大准铁路5.19脱轨主要原因是：C80万吨列车三联刚性连接车组在连续下坡道情况下，实施电阻制动通过道岔时，在第4和第6位货车前后车钩处产生了较大的纵向车钩力（320kN），在车钩力作用下，将产生较大的横向分力；同时受到道岔冲击，轮对产生很大的横向轮轨力；再加三联单元车组中间车车轮型面粗糙、轮轨摩擦系数大，车轮抬升量增加，车轮产生了爬轨行为。综上因素叠加导致中间车最先出现脱轨。

6 防范措施

为了吸取老牛湾车站“5·19”列车脱轨事故教训，防止类似事故再次发生，针对造成此次事故的可能因素，制定以下列车脱轨防范措施：

6.1线路方面

①加强对线路的检查和整治，要确保线路两股钢轨顶面在直线地段保持同一水平。

②加强对钢轨的日常保养，定期进行修理性打磨，避免因钢轨状态不良而加剧列车蛇形运行。

③精细化全项目检查道岔，要求各项检测数据必须符合标准。

6.2 车辆方面

①重点针对车轮表面粗糙度偏大，轮轨摩擦系数偏大的问题，提高车辆检修质量。

② 加强日常运用车辆维修质量，确保车辆运用状态良好。

6.3 列车操纵方面

按照《铁路机车操作规则》，结合大秦铁路公司《列车操纵指导办法》，及时修改大准铁路公司《万吨列车操纵细则》，并遵循下列原则：

①操纵列车时，给流要平缓，杜绝突变。SS4型机车每次给退流不宜超过100A，HXD1型机车每次给退流不宜超过50kN。

②双SS4机车采用2+0方式牵引重车施行动力制动时，制动电流不超过额定电流的80%；牵引空车施行动力制动时，制动电流不超过额定电流的50%。HXD1机车牵引重车施行动力制动时，制动力不得超过368kN；牵引空车施行动力制动时，制动力不得超过230kN。

③进站调速时，应站外将列车速度控制在理想速度以下，避免列车在制动工况下通过岔区。必须在岔区地段施行制动时，要适量减小制动电流，必要时采用空电联合制动，做到平稳操纵。

7 结语

脱轨研究是铁路运输系统中典型而复杂的动力学问题，具有很高的研究难度。深入开展列车脱轨安全性研究，对于制定脱轨安全标准以及防止车辆脱轨具有重要的理论、经济和社会价值。本文针对大准铁路发生的一起脱轨事故，对可能造成事故发生的因素通过理论分析、仿真计算等方式进行研究，希望能为脱轨研究人员提供参考。

【参考文献】

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