大準(zhǔn)鐵路老牛灣站列車脫軌原因分析和防范措施研究

李俊成

【摘 要】根據(jù)大準(zhǔn)鐵路老牛灣站列車脫軌事故發(fā)生的線路條件、車輛狀態(tài)、操縱方法等因素開展計(jì)算機(jī)仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，從而得出造成列車脫軌的原因，有效掌握風(fēng)險(xiǎn)事故產(chǎn)生的機(jī)理和規(guī)律，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事故的應(yīng)對(duì)提供科學(xué)的理論依據(jù)支持，從而進(jìn)一步有針對(duì)性地制定具體的防范措施。

【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(guān)鍵詞】動(dòng)力制動(dòng)；輪對(duì)橫向位移；車輪抬升量；輪軌橫向力；脫軌系數(shù)

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

【中圖分類號(hào)】U21 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）11-0190-05

1 引言

2017年5月19日，大準(zhǔn)鐵路老牛灣站發(fā)生一起列車脫軌事故，雙SS4G機(jī)車以2+0牽引方式牽引105輛C80空車，在大準(zhǔn)線由清水河車站向老牛灣車站運(yùn)行，接近老牛灣站車機(jī)聯(lián)控1道正線停車，司機(jī)實(shí)施電阻制動(dòng)調(diào)速，列車在經(jīng)過(guò)15#時(shí)發(fā)生脫軌事故，致使機(jī)后3、4、5、6、7位車輛脫軌。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

現(xiàn)場(chǎng)了解到線路為2.8-1.4‰的持續(xù)下坡道?？辈榱溯唽?duì)脫軌起點(diǎn)、脫軌軌跡、道岔狀態(tài)、鋼軌狀態(tài)等。發(fā)現(xiàn)密貼側(cè)尖軌上有明顯的車輪輪緣爬升痕跡，并且鋼軌頂部有蛇行運(yùn)動(dòng)痕跡，另一側(cè)尖軌與基本軌密貼側(cè)有明顯的擦傷痕跡，可以判斷此次脫軌屬于車輪爬軌脫軌。調(diào)查表明機(jī)后第五輛前端臺(tái)車輪對(duì)在通過(guò)老牛灣站15#道岔尖軌尖端后285mm（K231+646m）時(shí)爬上基本軌，沿軌面運(yùn)行3.9m后落入基本軌左側(cè)，觸發(fā)車輛自動(dòng)制動(dòng)裝置動(dòng)作，引發(fā)列車起非常。第五輛車輛沿3道道床拖行，又導(dǎo)致3、4位和6、7位車輛脫軌。此外，尖軌前端2m處存在鋼軌接頭，且該接頭存在1mm左右的橫向錯(cuò)位量，尖軌及基本軌形貌狀態(tài)正常、尖軌轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)正常。

現(xiàn)場(chǎng)勘察脫軌車輛為C80型三聯(lián)單元車組。勘查脫軌車輛轉(zhuǎn)向架狀態(tài)，重點(diǎn)考察了輪對(duì)踏面外形的狀態(tài)及損傷情況。發(fā)現(xiàn)了車輪表面（踏面、輪緣根部、輪緣）呈現(xiàn)溝壑狀，粗糙度明顯偏大，其中第五輛前臺(tái)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)一側(cè)車輪輪緣頂部有損傷，另一側(cè)輪背內(nèi)側(cè)有擦傷，證實(shí)此次脫軌為車輪爬軌脫軌。測(cè)量輪對(duì)輪緣厚度介于29.3-32mm，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距在1353mm左右，同一輪對(duì)輪徑差在1mm范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)輪徑差最大是機(jī)后4位前臺(tái)轉(zhuǎn)向架約為4mm，輪對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)均在規(guī)定限度范圍之內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)向機(jī)車乘務(wù)員了解了當(dāng)時(shí)的操縱機(jī)車情況，并詳細(xì)分析列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）運(yùn)行數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)司機(jī)在K228+726m處列車運(yùn)行速度73km/h時(shí)使用電阻制動(dòng)調(diào)速，制動(dòng)電流為500A，隨著列車速度變化制動(dòng)電流在相應(yīng)調(diào)整，總體趨于平穩(wěn)過(guò)渡。列車發(fā)生脫軌時(shí)，速度為36km/h，制動(dòng)電流為350A（該速度下，最大制動(dòng)電流為660A左右，制動(dòng)力為382kN），單臺(tái)機(jī)車制動(dòng)力約為200kN，符合原有規(guī)定的操縱要求。

3 列車脫軌的計(jì)算機(jī)仿真模擬分析

3.1 車輛模型

根據(jù)C80貨車的具體結(jié)構(gòu)，基于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立了C80貨車的動(dòng)力分析模型，研究了制動(dòng)條件下，列車在縱向沖動(dòng)作用下通過(guò)事故發(fā)生所處道岔時(shí)的運(yùn)行安全性。所采用的仿真模型為三節(jié)C80剛性連接的三維貨車動(dòng)力學(xué)仿真模型，按照脫軌車輛編組和位置，將脫軌車輛4、5、6位一組作為研究對(duì)象，將最大車鉤力施加于列車兩端部車鉤處進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2 列車脫軌的計(jì)算機(jī)仿真模擬分析

還原事故列車的參數(shù)和線路條件，仿真過(guò)程中，列車以36km/h的速度通過(guò)事故地段，4位貨車前端和6位貨車后端的車鉤力為320kN（通過(guò)列車縱向動(dòng)力計(jì)算得出），經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，5位貨車最先發(fā)生脫軌。為了分析該工況下列車的運(yùn)行安全性，選取事故車輛及其前后連掛車輛（4、5和6位貨車），并對(duì)其各項(xiàng)安全性指標(biāo)進(jìn)行分析，各項(xiàng)安全性指標(biāo)如圖1所示。

由圖1（a）～（f）可知，從10s開始，隨著車鉤力的增加，輪對(duì)橫向位移、輪軌垂向力、輪軌橫向力及脫軌系數(shù)逐漸增加。從圖1（d）可以看出，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)間為14s左右，列車受到?jīng)_擊，三連掛車輛的輪對(duì)產(chǎn)生很大的橫向輪軌力，由圖1（b）可知，5位貨車的車輪抬升量急劇增加，超出了安全限值，而4位貨車和6位貨車的車輪抬升量均在安全范圍之內(nèi)。

4 脫軌事故現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)影響分析

實(shí)際運(yùn)行中，影響車輛脫軌性能的原因很多也很復(fù)雜，有線路方面的原因（如線路質(zhì)量下降和軌道的不平順等），有車輛方面的原因（如車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)改變、性能變差、裝載等），也有機(jī)車操縱方面的原因，但歸根到底列車的脫軌通常是多種不利因素共同作用的結(jié)果。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，分析各參數(shù)對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響。

4.1 線路因素

線路為2.8-1.4‰的下坡道，線路坡道助漲了列車前行動(dòng)力，增加了制動(dòng)工況下列車縱向沖動(dòng)力和車輛垂向抬升力。

依據(jù)目前道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)用要求，轉(zhuǎn)轍區(qū)前端尖軌與基本軌密貼，其頂高逐步抬升、頂寬逐步加寬。如果車輪運(yùn)行到尖軌前端時(shí)且輪緣緊貼尖軌側(cè)面（輪軌間已無(wú)間隙），車輪和尖軌之間將產(chǎn)生向上的爬升力，輪緣極可能隨尖軌軌頂升高而逐步爬上尖軌軌頂。車輪輪緣一旦爬上軌頂并在軌頂繼續(xù)前行時(shí)，將受到轉(zhuǎn)向架運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和另一側(cè)車輪輪軌間約束的影響，該車輪極可能從鋼軌軌頂?shù)袈洌窗l(fā)生脫軌）或者再恢復(fù)到正常狀態(tài)（不發(fā)生脫軌）。如果另一側(cè)車輪輪背與尖軌之間有合理的約束作用，車輪可能恢復(fù)到正常狀態(tài)，但正常狀態(tài)下，另一側(cè)尖軌與基本軌之間的間隙不能為輪對(duì)提供這種約束，一旦車輪爬上軌頂，發(fā)生掉道脫軌的可能性大。并且列車經(jīng)過(guò)岔區(qū)或在外界因素激勵(lì)作用下（如尖軌前端2m處存在鋼軌接頭，且該接頭存在約1mm左右的橫向錯(cuò)位量），蛇形運(yùn)動(dòng)必然加劇，作用于輪軌間橫向力加大，導(dǎo)致輪軌間有較大的爬升力，因此道岔區(qū)發(fā)生脫軌的可能性較大。

4.2 車輛因素

4.2.1 車輛狀態(tài)

脫軌列車為空車，輪軌垂向力較重車小得多，脫軌系數(shù)（輪軌的橫向力與垂向力之比，常用Q/P表示）比較大。另外，列車在制動(dòng)工況下，在縱向力作用下，空車輪對(duì)發(fā)生的橫向位移和車輪抬升量較重車大，因此，空車較重車脫軌概率大。

4.2.2 連接方式

該型車采用三節(jié)車為一組的連接方式，三節(jié)車間沒(méi)有車鉤，采用牽引桿硬連接方式，在運(yùn)行過(guò)程中中間車輛受兩段車輛約束，橫向運(yùn)動(dòng)自由度受到限制，導(dǎo)致中間車輛較兩端車輛受到的輪軌橫向力有所增大，容易引起該車輛輪對(duì)貼靠輪緣的概率增加。

4.2.3 車輪表面粗糙度

車輪爬上鋼軌的必要條件是有足夠大的爬升力。爬升力由作用于鋼軌的正壓力（輪軌法向力）與輪軌摩擦系數(shù)的乘積確定。通常情況下輪軌正壓力在正常范圍內(nèi)變動(dòng)，那么摩擦系數(shù)越大，車輪爬升力越大。一般情況下，輪軌摩擦系數(shù)約為0.25-0.35，事故車輛的車輪表面（踏面、輪緣根部、輪緣）呈現(xiàn)溝壑狀，粗糙度明顯偏大。針對(duì)車輪表面粗糙度這一參數(shù)，在車鉤力320kN，速度36km/h，在制動(dòng)工況下，以三聯(lián)單元車組中間車為例，進(jìn)行仿真試驗(yàn)并計(jì)算不同車輪表面粗糙度對(duì)運(yùn)行安全性的影響，得到車輛各項(xiàng)安全性指標(biāo)形成下表1：

輪軌摩擦系數(shù)大于正常值，輪軌之間產(chǎn)生較大的爬升力，當(dāng)輪軌摩擦系數(shù)超過(guò)0.5時(shí)，較大的爬升力使得車輪逐漸爬上鋼軌，最終導(dǎo)致脫軌事故的發(fā)生。

4.3 電阻制動(dòng)操縱因素

電阻制動(dòng)是指將機(jī)車的牽引電動(dòng)機(jī)改作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，利用電磁力引起鋼軌對(duì)動(dòng)輪的外力，從而達(dá)到使列車降速或調(diào)速的目的?；诖?，分析了制動(dòng)電流、給流時(shí)間、制動(dòng)初速等電阻制動(dòng)操縱模式對(duì)事故時(shí)實(shí)際編組列車（SS4機(jī)車雙機(jī)重聯(lián)+105輛C80貨車空車）縱向沖動(dòng)的影響，以期為降低列車電阻制動(dòng)時(shí)的縱向沖動(dòng)提供理論指導(dǎo)和參考。

4.3.1 制動(dòng)電流影響

制動(dòng)時(shí)列車始終處在2.8‰的下坡道，初始速度為73km/h，制動(dòng)電流以制動(dòng)檔位1、3、5、7、9檔位代替，制動(dòng)檔位越高，制動(dòng)電流越大。手柄從0檔位提升至上述不同檔位用時(shí)為15s，之后保持上述不同制動(dòng)檔位運(yùn)行直至列車停止。

圖2 給出了不同電阻制動(dòng)手柄檔位條件下，列車運(yùn)行速度隨運(yùn)行時(shí)間的變化。從圖中可以看出，制動(dòng)檔位越高，列車運(yùn)行速度下降越快，如在制動(dòng)后50s時(shí)，當(dāng)制動(dòng)手柄檔位為1時(shí)，列車的速度為70.0 km/h，而制動(dòng)手柄檔位為9時(shí)列車速度為35.0m/h，減小了50.0%。

通過(guò)仿真試驗(yàn)可知，最大車鉤力均出現(xiàn)在貨車前端與機(jī)車相連接位置，隨著車位的增加最大車鉤力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；隨制動(dòng)電流的降低呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，如當(dāng)制動(dòng)檔位為9時(shí)列車最大車鉤力為794.5kN，制動(dòng)檔位為1時(shí)列車最大車鉤力為226.6kN，減小了71.5%。可見(jiàn)，電阻制動(dòng)手柄檔位對(duì)列車最大車鉤力的影響顯著。

4.3.2 給流時(shí)間的影響

制動(dòng)時(shí)列車始終處在2.8‰的下坡道，初始速度為73km/h，電阻制動(dòng)手柄從0檔位提升至4檔用時(shí)分別為5s、10s、15s、20s，之后保持4檔位運(yùn)行直至列車停止。

圖3給出了不同給流時(shí)間列車運(yùn)行速度隨運(yùn)行時(shí)間的變化。從圖中可以看出，給流時(shí)間越短，則列車制動(dòng)性能越優(yōu)，如在制動(dòng)后80s時(shí)，給流時(shí)間20s的列車速度為39.5km/h，而給流時(shí)間為5s時(shí)，列車的速度為35.5 km/h，降低了10.1%。

列車最大車鉤力隨給流時(shí)間的增大而略微減小，給流時(shí)間為5s時(shí)列車最大壓鉤力為339.6kN，當(dāng)給流時(shí)間為20s時(shí)列車最大壓鉤力為335.5kN，減小了1.2%。

4.3.3 制動(dòng)初速的影響

制動(dòng)時(shí)列車始終處在2.8‰的下坡道，電阻制動(dòng)手柄從0檔位提升至4檔用時(shí)為15s，列車制動(dòng)初始速度分別為40km/h、50km/h、60km/h、70km/h和80km/h，之后保持4檔位運(yùn)行直至列車停止。

圖4給出了列車以不同初速度制動(dòng)時(shí)每節(jié)車的最大車鉤力（壓鉤力）。由圖可知，隨著制動(dòng)初速的增加，列車最大車鉤力有減小的趨勢(shì)，當(dāng)初速度從40km/h增大至80km/h時(shí)，列車最大車鉤力從344.9kN減小到335.9kN，減小了2.6%。

4.3.4 小結(jié)

通過(guò)仿真計(jì)算，研究了制動(dòng)電流、給流時(shí)間、制動(dòng)初速等電阻制動(dòng)操縱模式對(duì)事故時(shí)實(shí)際編組列車（SS4機(jī)車雙機(jī)重聯(lián)+105輛C80貨車空車）縱向沖動(dòng)的影響，得到以下結(jié)論：

①電阻電流對(duì)列車最大車鉤力的影響顯著。制動(dòng)電流越小，列車最大車鉤力越小，同時(shí)列車制動(dòng)性能也越差。

②給流時(shí)間對(duì)列車最大車鉤力的影響有限。列車最大車鉤力隨制動(dòng)力上升時(shí)間的增加而略微減小，列車的制動(dòng)性能也隨之變差。

③制動(dòng)初速對(duì)列車最大車鉤力的影響較小。其影響規(guī)律是，制動(dòng)初速越高，列車最大車鉤力越小。

5 脫軌原因

大準(zhǔn)鐵路5.19脫軌主要原因是：C80萬(wàn)噸列車三聯(lián)剛性連接車組在連續(xù)下坡道情況下，實(shí)施電阻制動(dòng)通過(guò)道岔時(shí)，在第4和第6位貨車前后車鉤處產(chǎn)生了較大的縱向車鉤力（320kN），在車鉤力作用下，將產(chǎn)生較大的橫向分力；同時(shí)受到道岔沖擊，輪對(duì)產(chǎn)生很大的橫向輪軌力；再加三聯(lián)單元車組中間車車輪型面粗糙、輪軌摩擦系數(shù)大，車輪抬升量增加，車輪產(chǎn)生了爬軌行為。綜上因素疊加導(dǎo)致中間車最先出現(xiàn)脫軌。

6 防范措施

為了吸取老牛灣車站“5·19”列車脫軌事故教訓(xùn)，防止類似事故再次發(fā)生，針對(duì)造成此次事故的可能因素，制定以下列車脫軌防范措施：

6.1線路方面

①加強(qiáng)對(duì)線路的檢查和整治，要確保線路兩股鋼軌頂面在直線地段保持同一水平。

②加強(qiáng)對(duì)鋼軌的日常保養(yǎng)，定期進(jìn)行修理性打磨，避免因鋼軌狀態(tài)不良而加劇列車蛇形運(yùn)行。

③精細(xì)化全項(xiàng)目檢查道岔，要求各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)必須符合標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 車輛方面

①重點(diǎn)針對(duì)車輪表面粗糙度偏大，輪軌摩擦系數(shù)偏大的問(wèn)題，提高車輛檢修質(zhì)量。

② 加強(qiáng)日常運(yùn)用車輛維修質(zhì)量，確保車輛運(yùn)用狀態(tài)良好。

6.3 列車操縱方面

按照《鐵路機(jī)車操作規(guī)則》，結(jié)合大秦鐵路公司《列車操縱指導(dǎo)辦法》，及時(shí)修改大準(zhǔn)鐵路公司《萬(wàn)噸列車操縱細(xì)則》，并遵循下列原則：

①操縱列車時(shí)，給流要平緩，杜絕突變。SS4型機(jī)車每次給退流不宜超過(guò)100A，HXD1型機(jī)車每次給退流不宜超過(guò)50kN。

②雙SS4機(jī)車采用2+0方式牽引重車施行動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電流不超過(guò)額定電流的80%；牽引空車施行動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電流不超過(guò)額定電流的50%。HXD1機(jī)車牽引重車施行動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力不得超過(guò)368kN；牽引空車施行動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力不得超過(guò)230kN。

③進(jìn)站調(diào)速時(shí)，應(yīng)站外將列車速度控制在理想速度以下，避免列車在制動(dòng)工況下通過(guò)岔區(qū)。必須在岔區(qū)地段施行制動(dòng)時(shí)，要適量減小制動(dòng)電流，必要時(shí)采用空電聯(lián)合制動(dòng)，做到平穩(wěn)操縱。

7 結(jié)語(yǔ)

脫軌研究是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中典型而復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，具有很高的研究難度。深入開展列車脫軌安全性研究，對(duì)于制定脫軌安全標(biāo)準(zhǔn)以及防止車輛脫軌具有重要的理論、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。本文針對(duì)大準(zhǔn)鐵路發(fā)生的一起脫軌事故，對(duì)可能造成事故發(fā)生的因素通過(guò)理論分析、仿真計(jì)算等方式進(jìn)行研究，希望能為脫軌研究人員提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉鵬飛，王開云，張大偉.牽引及制動(dòng)操縱對(duì)重載機(jī)車輪軌動(dòng)力作用的影響[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2017，38（02）：96-104.

【2】趙澤平，姚建偉，張可新.基于可靠性理論制定動(dòng)車組子系統(tǒng)最佳預(yù)防維修周期的方法研究[J].鐵道機(jī)車車輛，2014，34（04）：85-89.

【3】潘永琛，姚建偉，李昌烽.高速列車近尾流區(qū)湍流渦旋的數(shù)值計(jì)算及動(dòng)力學(xué)討論[J].力學(xué)季刊，2017，38（02）：351-358.