针对停留车辆的人力制动机止轮影响因素研究

叶余玲

(哈尔滨局集团公司七台河站，黑龙江 七台河 154500)

1 停留车辆溜逸影响因素

1.1 受力分析

停留在钢轨上的车辆从静止到运动，需要打破力的平衡。车辆沿可能溜逸方向受力分析如图1所示。图1中，Fz为车辆溜逸阻力，包括周颈上润滑油被挤出而产生阻力、人力制动机阻力使车轮与钢轨产生的最大静摩擦力、防溜铁鞋产生的静摩擦力、自动制动系统产生的阻力；Fp表示车辆自身重量产生的沿坡道方向向下的分力，Ff为风压对车辆产生的沿溜逸方向的压力，当风向分力与溜逸方向相同时Ff为正，当风向分力与溜逸方向相反时Ff为负。当Fz+Fp+Ff=0，即起动阻力为0时，车辆达到溜逸的临界值。

图1 车辆停留受力分析图

1.2 未采取止轮措施的车辆起动阻力

起动阻力是列车在缓解状态下从静态向动态转变所产生的阻力。一方面机车、车辆因车辆在停留中较深的压入钢轨以及周颈上润滑油被挤出而产生阻力；另一方面，列车中前位车辆起动后，其额外阻力消失，而把动能依次传递给次位车辆，直至末位车辆起动。在起动过程中车辆受力情况非常复杂，起动阻力计算公式通常根据专门的试验确定。机车车辆停留在坡道、曲线、隧道时，还会受到附加阻力，因此我国机车、车辆的单位起动阻力Wqn是以起动地段的线路加算坡度iq为变化量的函数计算。

机车、车辆加算阻力

Wj=Wi+Wr+Ws

(1)

加算坡度ij的千分数等于单位加算附加阻力Wj的数值，ij=Wj

ij=i+ir+is

(2)

列车起动阻力计算公式

Wq=

[∑(p·wqt)+G·Wqn+(∑P+G)·iq)]

·g·10-3(KN)

(3)

式中：滚动轴承货车起动单位基本阻力Wqn取3.5 N/ KN；滑动轴承货车起动单位基本阻力Wqn=3+0.4iq；计算结果小于5 N/KN时，按5 N/KN计算。

iq—起动地段的加算坡度，‰；P—机车重量，t；G—车辆重量，t。

取机车总量P=0时，可以得到车辆缓解状态下的起动阻力公式为

Fqt=(wqIn+iq)·G·g·10-3

(4)

从计算公式可以得出，无风情况下处于缓解状态下的车辆的起动阻力Fqt与车辆的总重、曲线、隧道成正比关系，与坡道成反比关系，当Wqn+iq=0时，缓解状态的车辆达到溜逸临界值。通过计算可知，理论上无风、无曲线条件下滚动轴承货车停留在3.5‰及以上的坡道会发生溜逸，滑动轴承货车停留在5‰及以上的坡道会发生溜逸。

1.3 采取止轮措施的车辆起动阻力

目前，为了防止车辆溜逸主要采取的措施为人力制动机紧固和安放防溜铁鞋的方式。人力制动机与防溜铁鞋的制动原理相同，均是使车辆轮对的运动方式由滚动转变为滑动，从而提高车辆从静止到运动时产生的阻力。

采取止轮措施的车辆起动阻力Fqn计算公式为

Fqn=μh·Gz·g·iq·Gz·10-3(KN)

(5)

式中：μh—车轮与钢轨，或铁鞋与钢轨的最大静摩擦系数，车轮与钢轨之间最大静摩擦系数取0.15，铁鞋与钢轨的静摩擦系数取0.58；Gz—止轮车辆的重量，t。一只防溜逸铁鞋Gz取1/8止轮车辆的重量。

1.4 风压阻力

风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。风压与风速、空气重度、重力加速度有关，而空气重度、重力加速度随纬度和海拔高度而变，风速相同、温度相同的情况下，风压在高原比在平原地区小。风压通用计算公式为

(6)

考虑最不利的情况下，风向与停留车辆溜逸方向相同时，风压力达到最大值，风压受力面积为车辆的和截面积，采用P70车型的横截面积，取9 m2。通过计算得出最不利情况下车辆受到风压力表1。

表1 最不利条件下车辆受到风压力表

2 人力制动机防溜逸能力分析

一组车辆停留在线路上，对于部分车辆采取止轮措施后，整组停留车辆溜逸的起动阻力公式应为

Fq=Fq′+Fq″+Ff(KN)

(7)

将公式(4)、(5)代入公式(7)得到：

Fqn=(Wqn+iq)·G·g·10-3+μh·Gz·g·iq·Gz·g·10-3+Ff(KN)

(8)

式中：Wqn—起动单位基本阻力。目前铁路货车大多采用滚动轴承，因此采用Wqn取3.5 N/ KN；i—起动地段的加算坡度，‰。因车辆停留弯道不易统计掌握，且弯道阻力与隧道阻力均为阻碍车辆溜逸的正阻力，不进行计算，不会产生安全隐患，站内线路也没有隧道，因此计算中iq等于坡道的千分数i，溜逸方向为下坡，因此取负值。

当Fp=0时，代入公式(8)，得到停留车辆达到溜逸临界值。一辆人力制动机的最大制动能力计算公式

(9)

以P70、C70、X6A为例，计算不同风力、空、重情况下人力制动机止轮能力，空车时Gz取止轮车辆自重，重车时Gz取止轮车辆满载时的总重。计算结果见表2、表3、表4。结果表明滚动轴承货车的溜逸坡度与单位起动阻力成正相关，单位起动阻力越大，开始产生溜逸的坡度越大。人力制动机的止轮能力与止轮车辆总重量为正比关系，车辆越重止轮能力越强。人力制动机的止轮能力与线路坡度、风力等级负相关，止轮能力随着坡度变化明显，随风力等级变化不明显。

表2 风力为0级时一辆人力制动机的止轮能力

表3 风力为6级时一辆人力制动机的止轮能力

表4 风力为12级时一辆人力制动机的止轮能力

3 结 论

(1)车辆的单位起动阻力决定了车辆开始溜逸的线路坡度。

(2)止轮车辆的重量与止轮能力成正比关系，重量越重止轮能力越强，在6‰坡道、12级风条件下对1辆车进行人力制动机止轮，可以防止同等重量41～55辆车溜逸。通过空、重车重量对比可以得出，一辆空车止轮可以防止同种车型满载情况下9～11辆车溜逸。因此空重混编的车辆对重车进行止轮，可以更有效的防止车辆溜逸。

(3)通过止轮能力分析发现，止轮位置与止轮能力无关，但是考虑到车钩承受能力、车辆连挂不彻底、作业方便等因素，止轮车辆以停留车辆两端最外方为宜。

(4)风力等级与停留车辆溜逸负相关，通过表2～表4的数据对比可以发现，风力对空车的影响比对重车大，12级风情况下空车止轮能力约减少13辆，重车约减少3辆。