横风条件下重载货车直线区段运行安全性研究

2021-07-31赵军梁佳李少峰代宏元刘成徐彬倢

机械 2021年7期

赵军，梁佳，李少峰，代宏元，刘成，徐彬倢

（1.内蒙古伊泰呼准铁路有限公司，内蒙古鄂尔多斯017000；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031）

近年来，经济快速发展极大促进了区域间货物流通的需求，重载铁路凭借其运量大和成本低的优点获得了快速发展。我国重载铁路主要用于煤炭等大宗商品远距离运输，铁路线路多处于西北地区，该地区中存在众多强风区域。随着重载列车速度不断提升，横风载荷对列车运行安全的威胁不断凸显，也极大限制了重载铁路的发展，影响运输效率，因此有必要针对横风载荷对重载列车运行安全影响开展研究。

关于风载荷对车辆动力学性能的影响，众多学者已进行了大量研究。杨明智等[1]对强横风下青藏线运行的棚车气动性能进行数值模拟，并对部分数值模拟的结果进行风洞实验验证，为青藏线大风预警系统提供理论支撑；寇丽君[2]针对无风、横风、自然风和阶跃阵风环境下高速列车的气动特性及气动载荷变化规律开展研究，同时分析不同风模型下风屏障对高速列车运行安全性的影响；高广军等[3]基于青藏铁路实际运行条件，采用棚车缩比模型风洞试验所得棚车气动力系数，建立车辆在轨道倾覆与车体在转向架倾覆的数学模型，研究列车直线和曲线运行时车速和临界倾覆风速影响规律；郭向荣等[4]建立考虑风载荷作用的车桥系统模型，分析横风作用下空载与满载货物列车通过大跨度铁路斜拉桥的运行安全性；公衍军等[5]考虑车辆在侧风条件下运行时所受到的侧向力、升力、侧滚力矩、点头力矩、摇头力矩五种侧风载荷，分析了侧风载荷随着环境风速和车辆运行速度变化而变化的规律；姚应峰[6]分析了200 km/h动车组直线常值侧风和阵风工况、曲线常值侧风工况动力学性能与线路运行限值；任尊松等[7]结合列车空气动力学与系统动力学，研究了强侧风对高速列车运行安全的影响；邓永权等[8]确定以车体侧滚角反映横风载荷对车辆的作用程度，为通过车体侧滚角进行脱轨安全预测提供依据；崔涛等[9]对不同侧风环境作用时列车外流场和系统动态相应进行协同仿真，分析列车在不同侧风载荷作用下安全运行的临界速度，并确定列车侧风作用安全域；郗艳红等[10]采用STAR_CCM+软件对高速列车的气动特性数值模拟计算，为高速列车运行安全控制提供参考。蒋俊等[11]通过Matlab的Simulink模块，联合动力学模型建立了基于蠕滑速度的粘着控制系统，考虑了列车运行基本阻力、制动力和横风作用的影响，为后续研究提供了基础。

现有关于风致安全性的研究多集中在高速车辆领域[12]，对于货车等运行速度相对较低的车辆研究较少。本文以重载列车常用的C80型敞车作为研究对象，建立了考虑横风载荷的三连挂货车单元仿真分析模型，基于该模型仿真分析了空载和满载状态下货车运行安全性随车辆运行速度和横风风速的变化规律，同时对空载和满载状态下货车的动力学性能进行了对比分析。该研究旨在探明横风载荷对重载货车轮轨相互作用影响规律，为提升重载列车运行安全性提供参考。

1 横风气动载荷模型

在仿真分析横风对重载货车运行安全性影响时，一般将横风的影响以外部载荷的形式施加于车体上，因此需先建立横风气动载荷模型，本文主要对稳态风作用下的车辆运行安全性进行研究。由文献[13]可知，车辆表面气动载荷分布主要受车辆外形、高度等因素影响，且呈现出非均匀分布的特征。在动力学仿真计算过程中，通常将横风作用下的气动载荷简化为作用于车体质心的集中力系。本文仿真分析时将横风载荷等效为侧向力、升力以及侧滚力矩。车辆运行过程中，气动载荷主要由车辆运行速度、风速、风向角、空气密度、车体等效受风面积及车辆气动系数等因素决定，具体计算公式为：

式中：Fs为侧向力，N；Fl为升力，N；Mr为侧滚力矩，N/m；ρ为空气密度，kg/m3；A为车辆等效受风面积，m2；h为等效受风高度，m；Cs、Cl、Crm为气动力系数；β为等效风速侧偏角，rad；vr为作用于车辆上的等效风速，m/s。等效风速根据车速和风速叠加得到，为：

式中：u为风速，m/s；v为车辆运行速度，m/s；α为风向角，rad。

等效风速侧偏角进一步可计算为：

本文主要针对风向角为90°的极端横风工况开展仿真计算分析，计算中采用的货车气动系数依据文献[14]中试验结果选取，详细气动力系数曲线如图1所示。

图1 货车气动力系数曲线

2 重载货车-轨道相互作用模型

本文以万吨编组重载列车中三连挂货车单元作为研究对象开展仿真分析，如图2所示。三连挂货车单元中货车选取国内重载铁路常用的C80敞车，其车体采用双浴盆结构，车体除底架外采用铝合金型材与板材的铆接结构，车体自重轻、容积大，空载状态下车辆总重约为20 t，最大载重达80 t。采用常见的转K6型三大件式转向架，配备交叉拉杆装置，其中央悬挂为货车中常见的斜楔减振装置，并采用两级悬挂刚度以适应空重车的运行条件，具有运行速度高、动力学性能稳定等特点。为了减小列车纵向车钩自由间隙以降低列车纵向冲动水平，同时兼顾列车的曲线通过性能，车间连挂装置选取16/17号联锁式车钩和RFC型牵引杆搭配使用的方案，三连挂单元内部货车采用牵引杆连接，单元之间采用联锁式车钩连接。牵引杆一端为固定式结构，另一端为转动式结构，采用与安装车钩时相同的缓冲器及钩尾框，牵引杆的长度与车钩的连接长度一致，实现与车钩缓冲装置的互换。

图2 万吨编组列车三连挂货车单元

为分析横风载荷下重载货车运行安全性，基于SIMPACK动力学仿真系统建立了详细的三连挂货车单元模型。模型中包含三辆货车和两套牵引杆-缓冲器系统，为了模拟车间相互作用，在三连挂货车单元前后施加大小相等方向相反的纵向力，纵向车钩力沿车体中心线方向作用于车钩箱位置。为了模拟横风的作用，在轨道上建立移动参考点，将计算得到时域横风载荷施加在车体质心位置，如图3所示。

图3 考虑横风载荷的三连挂货车单元仿真分析模型

对于三连挂货车单元，斜楔悬挂系统和牵引杆-缓冲器系统模型的建立对于计算结果具有重要影响。如图4所示，对于斜楔悬挂系统，中央弹簧位于摇枕和侧架之间，减振弹簧位于斜楔和侧架之间。斜楔与立柱磨耗板、斜楔与摇枕之间存在摩擦面，车辆运行过程中的振动能量主要通过两个摩擦面产生的摩擦而耗散。牵引杆-缓冲器系统中，牵引杆与钩尾框通过圆销连接，缓冲器和从板安装于钩尾框内部，车钩箱内设置有止挡，以限制从板位移，从而实现力的传递。缓冲器装置选取具有非线性迟滞特性的非线性弹簧阻尼单元来模拟，牵引杆端部与前从板的球面接触采用单向接触力元模拟。压钩力作用下，纵向力经牵引杆传递至前从板，压缩缓冲器，进一步将力作用于车体；拉钩力作用下，纵向力作用于钩尾框，使得缓冲器底座受力，纵向力进一步经缓冲器传递至前从板，最终作用于车体。

图4 重载货车关键部件模型

3 横风作用下重载货车安全性分析

基于以上建立的考虑横风载荷的三连挂货车单元仿真分析模型，分析不同风速和车速条件下空载和满载货车在横风作用下的轮轨动力学性能。为考虑相邻车辆间的相互作用，三连挂货车单元两端施加300 kN压钩力。仿真计算时，风速分别取13 m/s、17 m/s、21 m/s、25 m/s和29 m/s，对于空载货车，车速计算范围取40～80 km/h，间隔取10 km/h，对于满载货车，车速计算范围取60～80 km/h，间隔取5 km/h。

图5展示了横风载荷作用下空载货车以不同速度在直线区段运行时的动力学指标最大值统计结果，各项指标最大值随着车速和风速的增大均呈现出增大趋势。

图5 空载状态下横风载荷影响分析

在风速13 m/s和29 m/s两种条件下，轮轨垂向力的差值在5 kN左右，车辆运行速度为80 km/h时，在风速29 m/s横风作用下轮轨垂向力的最大值约为53.5 kN。轮轨横向力和轮轴横向力受横风影响较轮轨垂向力更为显著。最大轮轨横向力和轮轴横向力分别为22.3 kN和23.9 kN。当风速由13 m/s增至29 m/s时，其轮轨横向力和轮轴横向力增加大约8 kN，最大增幅分别达到97.7%和72.5%。同一速度不同风速条件下，脱轨系数最大差异在0.15左右，脱轨系数最大值约为0.53。横风作用下空载货车轮重减载率较大，车速为40 km/h工况下，当风速超过25 m/s时轮重减载率超出限值，车速为50 km/h工况下，风速达到21 m/s及以上时轮重减载率超限，而当车速达60 km/h及以上时，横风风速超过13 m/s的工况下轮重减载率均超出限值，最大轮重减载率达1，出现轮轨瞬时分离。倾覆系数随车速和风速变化显著，车速50 km/h工况下，风速由13 m/s增至29 m/s时，倾覆系数由0.29增至0.58，增幅达100%。车速不超过70 km/h时，风速在29 m/s以下范围内空载货车的倾覆系数均未超限，车速80 km/h工况下，风速达25 m/s及以上时倾覆系数超限，最大倾覆系数达0.9。对于车轮抬升量，其最大值随车速和风速的增大而增大，但远小于限值，最大车轮抬升量约为1.2 mm。

由以上分析可知，横风作用下空载货车运行安全性受风速和车速影响较显著，横向轮轨相互作用随风速增大显著增大，且轮重减载问题较突出，在较高车速和风速下存在倾覆风险。

图6展示了横风载荷作用下满载货车以不同速度在直线区段运行时的动力学指标最大值统计结果，各项指标最大值随着车速和风速的变化规律与空载状态一致。

图6 满载状态下横风载荷影响分析

对于轮轨垂向力，由于满载状态下货车静轮重较大，横风对轮轨垂向力影响有限，相同车速不同风速条件下最大轮轨垂向力的差异在10 kN左右。货车在满载状态下，横风对其轮轨横向力和轮轴横向力影响较轮轨垂向力更显著。当车速80 km/h、风速29 m/s时，轮轨横向力和轮轴横向力的最大值分别为34.5 kN和52.7 kN。此外，当车速60 km/h时，轮轨横向力和轮轴横向力随风速变化较其他速度工况更为显著，风速由13 m/s增加至29 m/s时，轮轨横向力由15.5 kN增大至27.1 kN，增幅达74.8%，而轮轴横向力由26.1 kN增至48.2 kN，增幅达84.7%。对于脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数以及车轮抬升量，随着风速和车速增大略有增大，但远小于安全限值。

与空载货车相比，满载状态下货车的各项安全指标明显较低。由此可知，满载状态下货车受横风载荷影响较小，未表现出明显的运行安全风险。