GMC—96x鋼軌打磨車液力走行爬坡能力探討

廖斌

【摘 要】今年3月，廣鐵集團GMC-96x型鋼軌打磨列車在25‰坡道上坡運行時出現(xiàn)動力車輪對打滑的問題，引起了對打磨列車爬坡能力的探討，本文通過研究GMC-96x打磨列車在不同的天氣條件下GMC-96x打磨列車單動力和雙動力的坡道啟動能力，增強對GMC-96x打磨車運行性能的了解，提高打磨列車高鐵運行安全系數(shù)。

【關(guān)鍵詞】爬坡能力；高鐵；GMC-96x打磨列車

0 引言

GMC-96x鋼軌打磨車為襄陽金鷹重型工程機械有限公司生產(chǎn)的鋼軌打磨列車，采用5節(jié)編組，其中1#、2#、4#、5#號車為工作車，采用惰性轉(zhuǎn)向架，不具備自走行能力，3#車為動力車，采用動力轉(zhuǎn)向架，提供整車的牽引動力。GMC-96x鋼軌打磨車整備后總重約500t，其中，3#車自重120t，其余工作車（1#、2#、4#、5#）重量約380t。

1 打磨車輪軌黏著力計算

目前我國鐵路線路大坡度主要在高速鐵路和城際鐵路線路，一般線路坡度不大于33‰，從幾何角度分析，這些坡度的線路水平夾角極小，由于鋼軌與水平面間夾角很小，不同坡度線路夾角的函數(shù)值相差不大，本文用33‰坡道夾角來計算各坡度的黏著力。

車輪與鋼軌之間的摩擦力，等于車輪動輪對鋼軌面的垂直壓力乘以黏著系數(shù)。當打磨車處于上坡道時，車輛重力G被分解成與鋼軌垂直的壓力G1和與鋼軌平行的阻力G2，這兩個力與車輛重力和水平夾角α的關(guān)系是：

G1=Gcosα

G2=Gsinα

車輪最大黏著力為F黏max=μGcosα

其中，根據(jù)TB/T1407-1998《列車牽引計算規(guī)程》，機車車輛輪軌件黏著系數(shù)μ，按下列公式計算：

干燥軌面：μ=0.0624+

潮濕軌面：μ=0.0405+

從安全角度出發(fā)，本文取黏著系數(shù)最小值，得出不同天氣條件下最小輪軌黏著系數(shù)分別為：

干燥軌面：μ=0.23

潮濕軌面：μ=0.15

3 列車啟動條件

在鐵路工程設計中，把運行中的列車看做是全部質(zhì)量集中于重心的平移運動和某些部分進行回轉(zhuǎn)（車輪）的剛體運動。根據(jù)牛頓定律，作用在物體上的力F與物體的質(zhì)量m和加速度a三者的關(guān)系為F=ma，則有：

列車啟動加速度a= =

根據(jù)TB/T1407—1998《列車牽引計算規(guī)程》規(guī)定，列車啟動受到的阻力有：啟動基本阻力和坡道阻力。

3.1 打磨車啟動基本阻力

根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》規(guī)定，電力、內(nèi)燃機車取5N/KN，滑動軸承車輛的啟動單位基本阻力ωq=5N/kN，滾動軸承車輛的啟動單位基本阻力ωq=3.5N/kN。鋼軌打磨車動力車啟動單位基本阻力取5N/KN，工作車采用滾動軸承，啟動單位基本阻力取3.5N/kN。

打磨列車啟動基本阻力為：

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

3.2 坡道附加阻力

《列車牽引計算規(guī)程》規(guī)定，車輛的單位坡道附加力的數(shù)值，等于坡道坡度的千分數(shù)。故列車在10‰、20‰、23‰、30‰、33‰坡度上的的單位坡道附加阻力分別為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別為：

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 列車坡道啟動能力計算

參照軌道交通車輛“牽引制動特性及性能仿真計算”資料，以0.0833作為判定列車能夠啟動的最小加速度。

4.1 根據(jù)列車牽引能力計算

根據(jù)金鷹重型工程機械有限公司提供的打磨車動力曲線，打磨車動力車的最大牽引力約為280KN，計算出打磨車在坡度上啟動加速度，得出10‰、20‰、33‰坡度下的列車啟動加速度分別為：

10‰坡道：a10= = =0.42m/s2

20‰坡道：a20= = =0.32m/s2

33‰坡道：a33= = =0.20m/s2

計算結(jié)果表明，若以鋼軌打磨車的最大牽引力計算，各坡道的啟動加速度均大于列車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，不考慮其他因素時，列車在上述坡道上能夠啟動。

4.2 根據(jù)列車啟動黏著力計算

實際運用中，打磨車牽引力是一個可以調(diào)節(jié)的作用力。司機通過駕駛臺油門手柄，可以調(diào)節(jié)打磨車牽引力的大小。但控制列車啟動的限制條件是：列車牽引力不能大于車輪與鋼軌之間的最大黏著力。若超過這個限度，車輪就會空轉(zhuǎn)打滑，牽引力急劇下降。因此，需要驗算打磨車啟動時的黏著力，最終由黏著力決定打磨車啟動牽引力的大小。鋼軌打磨車動力車重120t，以33‰坡道的夾角計算動輪對鋼軌的垂直壓力，即：

F黏max=μGcosα≈120×9.81×0.9998=1177μ

根據(jù)天氣條件不同，機車車輛輪軌件黏著系數(shù)取值在0.150.23之間，所以不同天氣條件下打磨車黏著力的范圍為：

F黏max=1177μ=176.55KN～270.71KNendprint

將潮濕天氣條件下的黏著力作為最大牽引力，代入公式計算得出各中坡度線路下打磨車啟動加速度分別為：

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

計算結(jié)果表明：在潮濕天氣下，以啟動黏著力作為牽引力計算，鋼軌打磨車在23‰坡道下的啟動加速度大于列車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，因此，打磨車只能在小于23‰的坡道上啟動。

將干燥天氣條件下的黏著力作為最大牽引力，代入公式計算得出各中坡度線路下打磨車啟動加速度分別為：

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

計算結(jié)果表明：在干燥天氣下，根據(jù)啟動黏著力計算，鋼軌打磨車在既有線路的各種坡道下（33‰以下）的啟動加速度均大于列車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，因此，在干燥天氣時打磨車在既有鐵路線路的各種坡道上均能啟動。

4.3 單動力的爬坡能力計算

打磨車有兩套動力傳動系統(tǒng)，當其中一套動力系統(tǒng)失效時，只能依賴單套動力系統(tǒng)走行。單動力情況下鋼軌打磨車最大黏著力計算如下：

F黏max=μGcosα≈20×3×9.81×0.998=588.5μ

其中，根據(jù)天氣條件不同，機車車輛輪軌件黏著系數(shù)μ取值在0.150.23之間，所以不同天氣條件下打磨車黏著力的范圍為：

F黏max=588.5μ=88.28KN～135.34KN

將潮濕天氣條件下的黏著力作為最大牽引力，代入公式計算得出各中坡度線路下打磨車啟動加速度分別為：

5‰坡道：a5= = =0.09m/s2

10‰坡道：a10= = =0.04m/s2

計算結(jié)果表明：在潮濕天氣下，以啟動黏著力作為牽引力計算，鋼軌打磨車在5‰坡道下的啟動加速度大于打磨車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，因此，在潮濕天氣下單動力打磨車只能在小于5‰的坡道上啟動。

將干燥天氣條件下的黏著力作為最大牽引力，代入公式計算得出各中坡度線路下打磨車啟動加速度分別為：

10‰坡道：a10= = =0.13m/s2

15‰坡道：a15= = =0.084m/s2

20‰坡道：a20= = =0.03m/s2

計算結(jié)果表明： 在干燥天氣下，以啟動黏著力作為牽引力計算，鋼軌打磨車在15‰坡道下的啟動加速度大于打磨車能夠啟動的最小加速度0.0833m/s2，因此，在干燥天氣下單動力打磨車只能在小于15‰的坡道上啟動。

4 結(jié)語

根據(jù)GMC-96x鋼軌打磨列車在客運專線施工時遇到的大坡度爬坡困難問題，本文從理論上計算GMC-96x鋼軌打磨列車在不同工況、不同天氣條件下的爬坡能力。數(shù)據(jù)表明，在干燥和潮濕天氣條件下，由于黏著系數(shù)不同，打磨列車的坡道啟動能力也有很大不同。在干燥天氣時，雙動力打磨列車能在33‰坡度啟動，單動力打磨車只能在小于15‰的坡道上啟動；在潮濕天氣時，雙動力打磨列車僅能在23‰以下坡度啟動，單動力打磨車只能在小于5‰的坡道上啟動。最后，希望借此文拋磚引玉，共同探討出打磨列車大坡度運行的安全控制措施。

【參考文獻】

[1]TB/T1407—1998《列車牽引計算規(guī)程》.北京，鐵道出版社，1999.

[2]黃問盈.鐵道輪軌黏著系數(shù)[J].鐵道機車車輛，北京，2010（10）：17-25.

[3]GMC-96x型鋼軌打磨列車牽引動車技術(shù)手冊（1.0）.金鷹重型工程機械有限公司.

[責任編輯：朱麗娜]endprint