準(zhǔn)池重載鐵路曲線通過穩(wěn)定性預(yù)測研究

李 健 宿燕燕

（神華準(zhǔn)池鐵路有限責(zé)任公司，山西省朔州市，036000）

重載運輸是世界鐵路貨物運輸技術(shù)發(fā)展的重要方向。近年來，神華集團重載鐵路發(fā)展較快，大軸重、長編組、高行車密度，對重載線路安全穩(wěn)定運輸提出了更高的要求。

隨著列車牽引質(zhì)量和軸重的增加，線路病害加劇，線路維修工作量大大增加，行車安全受到威脅。我國學(xué)者結(jié)合重載鐵路的實際情況，選取典型路段進行軌道狀態(tài)及動力參數(shù)測試，以評估既有鐵路列車運行的安全性及線路的穩(wěn)定性。同時，在重載鐵路上進行樣機試驗，構(gòu)建重載鐵路輪軌力測試及傳輸系統(tǒng)方面的研究也在積極開展。上述研究以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，本文以仿真模擬為研究方向，在鐵路開通運營前，對線路曲線通過穩(wěn)定性進行事前預(yù)測，盡早發(fā)現(xiàn)隱患路段，縮小測試范圍，減少測試工作量及投入。

1 牽引計算建模

1.1 牽引計算模型

原鐵道部先后3次制定和頒布 《列車牽引計算規(guī)程》，規(guī)定了牽引計算方法及主要技術(shù)參數(shù)。為了使?fàn)恳嬎憬Y(jié)論與實際相貼切，本項目采用基于最快速策略的牽引計算單元模型。

準(zhǔn)池鐵路從大準(zhǔn)鐵路外西溝站引出，經(jīng)過八里鋪站、高家堡站、臥廠站接入朔黃鐵路神池南站，將相鄰兩站之間劃分為一個站段，視為一個獨立的牽引計算單元，整條線路由4個計算單元組成。根據(jù)曲線半徑和軌道超高設(shè)置情況可確定曲線限速，結(jié)合機車、車輛構(gòu)造速度以及安全制動距離確定的進站制動限速，將每個單元劃分為若干限速段，列車在每個限速段上運行時均不能超過該段的速度上限。進行牽引計算時，按順序逐單元進行，流程見圖1。

圖1 牽引計算單元模型求解流程圖

每一個計算單元的牽引過程分為起動過程、中間過程和進站過程3部分，按照最快速策略轉(zhuǎn)換運行工況，建立受力情況與運行時分、運行速度的關(guān)系式，迭代求解，繪制V-S曲線圖。

1.2 繪制V-S曲線圖

準(zhǔn)池鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：I級鐵路，雙線，重車方向限制坡度4‰，最小曲線半徑800m，機車類型SS4，牽引質(zhì)量10000t，牽引計算參數(shù)如下：

機車C80；編組方式SS4×2+C80×100；編組總重10368t；編組長度1266m；機車構(gòu)造速度100km／h。

由外西溝站出發(fā)至神池南站進行牽引計算，考慮制動空走時間，以相鄰兩站為計算區(qū)段，計算得到運行時分結(jié)果見表1。

表1 運行時分表

計算得到的V-S 曲線圖見圖2，V-S 曲線圖將作為基本參數(shù)引入車線動力學(xué)模型中。

圖2 準(zhǔn)池鐵路四站段牽引計算V-S曲線圖 （SS4×2+C80×100）

2 車線動力學(xué)建模

2.1 線路建模

將線路看作是一個連續(xù)變化的空間體，平縱橫的疊加設(shè)置以及隨線路延伸走形的變化引起了輪對、轉(zhuǎn)向架、敞車車體結(jié)構(gòu)體之間作用力的變化。

準(zhǔn)池鐵路采用緩和曲線—圓曲線—緩和曲線的布設(shè)規(guī)則，前后緩和曲線等長，緩和曲線為三次拋物線型，縱向采用直線超高順坡。線路中心線上任意點的曲率和超高值見式 （1）、（2）：

式中：k、h—— 所求點曲線曲率和超高值；

kc、hc—— 圓曲線曲率和超高值；

ZHn、HYn、YHn、HZn—— 第n 區(qū)段直緩點、緩圓點、圓緩點、緩直點的里程；

HZn-1—— 第n 區(qū)段的前一區(qū)段緩直點的里程；

HZn+1—— 第n 區(qū)段的后一區(qū)段直緩點的里程；

l—— 所求點的曲線里程；

f （l， kc）、f （l， hc）—— 緩 和 曲 線 部 分 的 曲率、超高函數(shù)。

緩和曲線是直線型超高順坡，上述兩個函數(shù)是線性的，如式 （3）：

2.2 車輛建模

車輛是一個復(fù)雜的多自由度振動系統(tǒng)，本文將車輛簡化為1個車體、2個轉(zhuǎn)向架及4個輪對組成的剛體系統(tǒng)。通常一個剛體具有6個自由度，在剛體系統(tǒng)中表現(xiàn)為縱移、橫移、浮沉、側(cè)滾、搖頭及點頭。本文根據(jù)研究目標(biāo)對車輛模型作如下定義：

（1）沿車輛運行方向為縱向正方向，全局坐標(biāo)原點在線路中心上，曲線縱向的正方向為切線方向，建立左手坐標(biāo)系；

（2）搖枕、側(cè)架不單獨考慮，質(zhì)量集中于轉(zhuǎn)向架；

（3）車體、轉(zhuǎn)向架、輪對質(zhì)量分布均勻、尺寸對稱，在靜止平衡位置作小位移振動；

（4）懸掛和減震裝置視為線性變化的彈簧和阻尼；

（5）模型各剛體縱移、搖頭、點頭自由度不是本文研究重點，不予考慮，輪對浮沉量及側(cè)滾角由輪對橫移量和搖頭角決定，不作為獨立自由度考慮。

根據(jù)上述定義，本文研究的車輛模型各結(jié)構(gòu)物自由度見表2。

表2 車輛模型自由度表

車輛結(jié)構(gòu)模型示意見圖3、圖4。

圖3 車輛結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖

圖4 車輛結(jié)構(gòu)后視示意圖

2.3 軌道建模

研究表明，軌道方向不平順激發(fā)了輪對的橫向振動。本文假定鋼軌、軌枕、道床為一整體剛性結(jié)構(gòu)，通過在鋼軌上施加軌道隨機不平順，引起車輛模型的振動。

本文以美國6級軌道譜為激振源，施加方向不平順展開研究，方向不平順功率譜密度函數(shù)為式（4）：

式 中：Sa（ ）Ω ——方 向 不 平 順 功 率 譜 密 度，cm2／ （rad·m）；

Aa——粗 糙 度 常 數(shù)， 取 0.0339 cm2·rad／m；

Ω——空間頻率，rad／m；

Ωc——截斷頻率，取0.8245rad／m；

k——安全系數(shù)，取0.25。

在將軌道不平順引入車輛線路模型前，需將軌道不平順功率譜進行時域轉(zhuǎn)化，形成軌道不平順的時間序列，最常用的方法主要有白噪聲法、二次濾波法、三角級數(shù)法等。本文采用數(shù)值模擬法，得到美國六級軌道譜方向不平順的時域序列見圖5，與該文獻計算結(jié)果 （圖6）作對比，數(shù)值的變化范圍基本相當(dāng)。

圖5 本文軌道不平順時間序列

圖6 文獻軌道不平順時間序列

2.4 輪軌關(guān)系建模

輪軌關(guān)系是車輛子系統(tǒng)與軌道子系統(tǒng)之間的聯(lián)系的橋梁。在建立輪軌關(guān)系模型時作如下假定：

（1）車輪與鋼軌接近剛體并且始終密貼；

（2）車輪和鋼軌只考慮單點接觸，在接觸點處車輪與鋼軌具有公切面。

本文選用磨耗型車輪踏面，通過車輪相對于軌道的橫向位移，可以確定輪軌接觸的其他幾何參數(shù)。輪對在軌道上滾動運行時，由于相對位移、速度差及緊壓摩擦的存在，車輪與鋼軌在接觸斑上會產(chǎn)生接觸力，接觸力可通過迭代的方式求解，本文不再贅述。

2.5 車線振動方程解算

車輛系統(tǒng)屬于完整約束系統(tǒng)，首先運用牛頓—歐拉法解除約束，然后根據(jù)力的平衡原則得到結(jié)構(gòu)物的運動微分方程。微分方程可與約束方程聯(lián)立求解。

前述將車輛懸掛系統(tǒng)簡化為線性彈簧和阻尼，求解一系、二系懸掛力時，必須先求解剛體間固定點的相對位移量。車線動力學(xué)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式如式（5）。

式中：［ ］M 、［ ］C 、［ ］K —— 質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣，線性系統(tǒng)［ ］C 、［ ］K 為常量；

｛ ｝A 、｛ ｝V 、｛ ｝X 、｛ ｝P ——廣義加速度、速度、位移、荷載矢量。

本文在求解上述動力學(xué)方程組時，采用新型顯式積分法，即式 （6）：

本 文 應(yīng) 用Microsoft Visual Studio.net 以 及Matlab Math Library函數(shù)庫編程求解上述動力學(xué)方程。

3 曲線通過穩(wěn)定性預(yù)測方法

3.1 牽引計算成果引入車線動力學(xué)模型

牽引計算成果按照運行時分將相應(yīng)速度、加速度、里程對應(yīng)的線路設(shè)計參數(shù)代入車線動力學(xué)模型中，將兩大模塊進行銜接，見圖7，實現(xiàn)列車動力響應(yīng)的實時動態(tài)求解。

3.2 穩(wěn)性預(yù)測指標(biāo)體系

車輛曲線通過穩(wěn)定性指標(biāo)體系包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)和輪軌橫向力。《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》 （GB5599-85）對上述指標(biāo)有明確規(guī)定，見表3。

4 算例分析

圖7 牽引計算成果引入動力學(xué)方程示意圖

本文以準(zhǔn)池鐵路外西溝站至神池南站正線DK0+000-DK179.185線路為算例。該線路包含4個站段，平面包括73段曲線，最小曲線半徑800 m；縱面包括154個坡段，限制坡度4‰，52個豎曲線，豎曲線半徑10000m。牽引計算采用車輛編組為SS4×2+C80×100，動力學(xué)車輛模型采用C80敞車，同時采用美國軌道六級譜作為線路激振源，對曲線通過穩(wěn)定性進行預(yù)測分析。

第二站段 （八里鋪—高家堡）18 個曲線段線路平縱橫設(shè)計參數(shù)見表4。

表3 曲線通過穩(wěn)定性預(yù)測指標(biāo)體系

根據(jù)以上條件，應(yīng)用本文研究方法，上述各曲線段通過穩(wěn)定性預(yù)測分析成果如圖8、圖9、圖10、圖11。

準(zhǔn)池鐵路第二站段最大脫軌系數(shù)為0.30，發(fā)生在第13曲線段，小于規(guī)范規(guī)定的第二限度1.0，超過全站段平均脫軌系數(shù) （2.0）10%以上的隱患曲線段共3個；第二站段最大輪軌橫向力為44.68 kN，發(fā)生在第13曲線段，小于規(guī)范規(guī)定的第二限度94kN，超過平均輪軌橫向力 （38.81kN）10%以上的隱患曲線段共3個；第二站段最大輪重減載率為0.34，發(fā)生在第13、14曲線段，小于規(guī)范規(guī)定的第二限度0.6，超過平均輪重減載率 （0.26）10%以上的隱患曲線段共4個；第二站段最大傾覆系數(shù)為0.27，發(fā)生在第5 曲線段，小于規(guī)范規(guī)定的限值0.8，超過平均傾覆系數(shù) （0.20）10%以上的隱患曲線段共2個。

表4 第二站段線路設(shè)計參數(shù)表

圖8 各曲線段最大脫軌系數(shù)圖

分析上述數(shù)據(jù)，準(zhǔn)池鐵路第二站段第13曲線段 （DK62+388.72-DK63+578.05），脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力3項指標(biāo)全線最高，該曲線段為運營維護及安全監(jiān)管的重點路段；第5曲線段 （DK39+636.64-DK41+026.18）、第14曲線段 （DK64+817.26-DK65+741.02）均有1項指標(biāo)全線最大，3項指標(biāo)超出站段平均值10%以上，應(yīng)作為次重點路段。

圖9 各曲線段最大輪軌橫向力圖

圖10 各曲線段最大輪重減載率圖

圖11 各曲線段最大傾覆系數(shù)圖

［1］ 尹成斐.重載鐵路小半徑曲線軌道狀態(tài)及動力參數(shù)測試 ［J］.研究與設(shè)計，2012 （4）

［2］ 田德柱，馮毅杰.重載鐵路輪軌力測試及傳輸系統(tǒng)研究 ［J］.鐵道建筑，2011 （12）

［3］ 程奕龍 .重載鐵路小半徑曲線段線路參數(shù)研究 ［D］.北京：北京交通大，2012

［4］ 陳忠華.基于車輛動力學(xué)的重載鐵路曲線磨耗鋼軌型面改進設(shè)計與分析 ［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009

［5］ TB／T1407-82，列車牽引計算規(guī)程 ［S］

［6］ TB／T1407-1998，列車牽引計算規(guī)程 ［S］

［7］ 蒲浩，李偉，龍喜安.高速鐵路牽引計算與三維運行仿真研究 ［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2011 （05）

［8］ 陳果，翟婉明.鐵路軌道不平順隨機過程的數(shù)值模擬 ［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，1999，34 （2）

［9］ 龍許友.高速鐵路線路參數(shù)對車線動力響應(yīng)影響分析及參數(shù)優(yōu)化匹配研究 ［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008

［10］ 翟婉明.車輛-軌道耦合動力學(xué) （第三版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2007

［11］ GB／T 5599-85，鐵道車輛動力學(xué)性能評定和實驗鑒定規(guī)范 ［S］