成綿樂城際鐵路 500 m 長鋼軌車輛運(yùn)輸傾覆穩(wěn)定性分析

劉 飛

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

在進(jìn)行高速鐵路建設(shè)時(shí)，存在鋪軌基地沒有既有貨運(yùn)線直通的情況，需要修建便線進(jìn)行連通。由于便線修建存在資金投入大、建設(shè)周期長、工期不可控、組織實(shí)施難度大等問題，因而可以采用通過既有線再跨線既有高速鐵路運(yùn)輸長鋼軌直通鋪軌基地的方式，一方面可以節(jié)省便線投資，另一方面可以縮短建設(shè)周期。以成貴高速鐵路 (成都東—貴陽東) 建設(shè)為例，鋪架基地設(shè)置在成綿樂城際鐵路 (成都東—峨眉山) 樂山站成貴車場[1]，500 m 長鋼軌運(yùn)輸徑路為石板灘—成都東達(dá)成場，經(jīng)東環(huán)成都南下行聯(lián)絡(luò)線—成都南—成綿樂城際鐵路—樂山鋪軌基地，需要跨線成綿樂城際鐵路南段經(jīng)成都南站至樂山站進(jìn)行 500 m 長鋼軌的運(yùn)輸。成綿樂城際鐵路最高運(yùn)行速度為 250 km/h，當(dāng)利用成綿樂城際鐵路運(yùn)輸 500 m 長鋼軌時(shí)，500 m 長鋼軌列車的運(yùn)行速度與外軌超高設(shè)置不相適應(yīng)，需要對曲線超高值進(jìn)行檢算，并對長鋼軌車輛的傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析[2]，為跨線高速鐵路長鋼軌運(yùn)輸?shù)陌踩蕴峁┍Ｕ稀?/p>

1 成綿樂城際鐵路 500 m 長鋼軌運(yùn)輸曲線超高檢算

車輛在曲線行駛時(shí)，由于離心力作用，將車輛推向外股鋼軌，加大了外股鋼軌的壓力，使旅客產(chǎn)生不適、貨物位移等。因此，需要把外軌適當(dāng)抬高，設(shè)置外軌超高。成綿樂城際鐵路下行線外軌超高最大的曲線段曲線半徑 R 為 3 200 m，外軌超高 h 為 175 mm。成綿樂城際鐵路曲線指標(biāo)如表1 所示。

成綿樂城際鐵路橋涵結(jié)構(gòu)采用 ZK 標(biāo)準(zhǔn)荷載和ZK特種荷載圖式設(shè)計(jì)[3]，成都南—樂山主要橋涵類型包括：①(72 + 128 + 72) m 雙線連續(xù)梁；②(32 + 48 + 32) m雙線連續(xù)梁；③6×32 m (變寬道岔)單線變雙線連續(xù)梁；④32 m 雙線簡支梁；⑤24 m 雙線簡支梁；⑥6 m單線涵洞；⑦3 m 單線涵洞；⑧1.5 m 單線涵洞。

表1 成綿樂城際鐵路曲線指標(biāo)Tab.1 A curves index of Chengmianle intercity high speed railway

通過對 500 m 長鋼軌列車通過橋涵時(shí)荷載效應(yīng)檢算[4]可知，500 m 長鋼軌列車以不大于60 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，理論上長鋼軌列車荷載效應(yīng)未超過設(shè)計(jì)荷載圖式，橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)整體上仍處于正常范圍。成綿樂城際鐵路設(shè)計(jì)速度為 250 km/h，當(dāng) 500 m 長鋼軌列車以最高速度 60 km/h 通過時(shí)，仍然存在未被平衡的向心加速度，表現(xiàn)為外軌過超高。均衡超高值檢算公式可表示為[5]

式中：Hj為均衡超高值，mm；vmax為 500 m 長鋼軌列車最大運(yùn)行速度，km/h；R為曲線半徑，m。

當(dāng) 500 m 長鋼軌列車以最大速度 60 km/h 通過各曲線路段時(shí)，成綿樂城際鐵路各超高設(shè)置較大曲線段均衡超高，曲線過超高計(jì)算結(jié)果如表2 所示。當(dāng)曲線半徑為 3 200 m，曲線超高設(shè)置為 175 mm 時(shí)，均衡超高為 13.3 mm，最大過超高為 161.7 mm，車輛有向內(nèi)軌傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行校核。

表2 曲線過超高計(jì)算結(jié)果Tab.2 Results of curve superelevation

2 外軌過超高條件下車輛傾覆穩(wěn)定性分析

2.1 傾覆系數(shù)計(jì)算

當(dāng) 500 m 長鋼軌列車通過曲線半徑為 3 200 m，外軌超高為 175 mm，外軌過超高為 161.7 mm 時(shí)，車體受力示意圖如圖1 所示。

車輛沿軌道運(yùn)行時(shí)受到橫向力的作用，如風(fēng)力、離心力、線路超高引起的重力橫向分量及橫向振動慣性力等。在這些橫向力的作用下，一側(cè)車輪減載，另一側(cè)增載，在各種橫向力最不利的組合下，車輛一側(cè)車輪垂向力減少至零時(shí)，車輛有傾覆危險(xiǎn)，傾覆程度可以用傾覆系數(shù)D表示[2]，計(jì)算公式為

圖1 車體受力示意圖Fig.1 A schematic diagram of forces on the vehicle

式中：P1為減載側(cè)輪軌間垂向力，kN ；P2為增載側(cè)輪軌間垂向力，kN。

為簡化計(jì)算，略去以下影響較小的因素：①車體傾側(cè)時(shí)橫向力作用點(diǎn)至軌面的高度變化；②車輛簧下部分所受的風(fēng)力；③簧上部分垂向慣性力；④簧下部分的垂向和橫向慣性力；⑤車鉤力的作用；⑥在橫向力作用下的車體橫移量。

由圖1可以看出，根據(jù)作用在車輛上各力平衡條件可求出內(nèi)側(cè)和外側(cè)車輪上的垂向力P1和P2，導(dǎo)出傾覆系數(shù)D為

式中：G為車輛總重，kN；F1為車體橫向振動慣性力，kN；F2為離心力，kN；FW為橫向風(fēng)壓力，kN；h為外軌超高量，mm；H為車體重心至軌面高，mm；θ為曲線外軌超高角，rad；b為左右輪軌接觸點(diǎn)之間的跨距的一半，mm。

車體重心至軌面高H由車輛、鋼軌及座架重心位置確定，計(jì)算公式為

式中：G1為鋼軌重量，kN；G2為座架重量，kN；G車為車輛自重，kN；H1為鋼軌重心距離平車地板高度，mm；H2為座架重心距平車地板高度，mm；H空為空車重心高，mm；H車為普通平車距軌面高度，mm。

由《500 m 長 (60 kg/m) 鋼軌普通平車裝載加固方案研究報(bào)告》可知[6]，當(dāng)長鋼軌裝載 4 層時(shí)，車輛最大承重G1為 494.9 kN，鋼軌重心距平車地板高度H1為 651 mm；座架重量G2為 15.68 kN，座架重心距車地板高度H2為 620 mm。由《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》附錄可知[7]，普通平車地板面距軌面最高H車為 1 216 mm，考慮裝載安全余量，計(jì)為 1 230 mm，空車重心高度H空為 740 mm，自重約G車為 215.6 kN；不計(jì)轉(zhuǎn)向架彈簧壓縮量，當(dāng)長鋼軌裝載 4 層時(shí)，車輛總重G為 726.18 kN，由公式 ⑷ 可知，車體重心至軌面高H=1 542 mm。由《500 m 長 (60 kg/m) 鋼軌普通平車裝載加固方案試驗(yàn)報(bào)告》，在曲線半徑為1 000 m 時(shí)車體橫向加速度最大值[8]為 2.35 m/s2，車體橫向振動慣性力F1最大為 174.1 kN。

由成綿樂城際鐵路線路條件可知，外軌超高h(yuǎn)為 175 mm。500 m 長鋼軌裝載車輛為普通平車，裝載 4 層鋼軌后側(cè)向迎風(fēng)面的投影面積為 17.394 m2，由《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》可知，側(cè)向風(fēng)壓q為0.49 kN/m2，風(fēng)力FW為 8.52 kN，風(fēng)壓力中心距軌面高度HW為 1 407 mm。曲線半徑R為 3 200 m，500 m長鋼軌列車在成綿樂城際鐵路以 60 km/h 速度運(yùn)行，離心力F2為 6.43 kN，由公式 ⑶ 可得傾覆系數(shù)D=0.74?？紤]通過速度較低的情況，500 m 長鋼軌列車以 5 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，離心力F2為 0.05 kN，傾覆系數(shù)D=0.76。

綜上所述，裝載 4 層鋼軌時(shí)，當(dāng) 500 m 長鋼軌列車通過高速鐵路速度大于5 km/h 時(shí)，傾覆系數(shù)D均小于《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB5599—1985)規(guī)定的容許傾覆系數(shù) 0.8，車輛不會傾覆[9]。

2.2 車體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算

當(dāng) 500 m 長鋼軌列車在曲線半徑R為 3 200 m 處停留時(shí)，根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10082—2017) 可知，車輛穩(wěn)定系數(shù)[10]可以表示為

式中：n為車輛穩(wěn)定系數(shù)；S1為兩鋼軌頂面中心距離，mm ；H為車輛重心至軌面的高度，mm；?h為過超高值，mm。

當(dāng)S1=1 500 mm，H=1 542 mm，500 m 長鋼軌列車靜停在曲線上時(shí)，外軌超高值 175 mm 全部為過超高值，可得n=4.17。

車輛穩(wěn)定系數(shù)均滿足《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10082—2005) 中“一般情況下，n不應(yīng)小于3”的要求。

3 成綿樂城際鐵路車輛傾覆穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證

利用成綿樂城際鐵路正式運(yùn)輸 500 m 長鋼軌前，長鋼軌運(yùn)輸按試運(yùn)行組織 2 次，并對車輛動力學(xué)性能進(jìn)行監(jiān)測，選取 3 輛被試車，分別為裝軌 36 輛車中的第 1、第 2、第 19 車的每個(gè)搖枕彈簧處安裝位移傳感器以測量彈簧垂向動撓度，第一根軸上布置測力輪對，測力輪對安裝位置在圖中用黑色圓圈表示，測力輪對安裝位置示意圖如圖2所示。利用測力輪對測量輪軌垂向力、橫向力，并計(jì)算脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力[11]，根據(jù)垂向動撓度可以計(jì)算車輛傾覆系數(shù)。

圖2 測力輪對安裝位置示意圖Fig.2 A schematic diagram of the position where the instrumented wheelsets are installed

3.1 長軌車1數(shù)據(jù)分析

在整個(gè)測試速度范圍內(nèi)，長軌車1垂向動撓度主要過超高曲線段監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3 所示[12]，由彈簧垂向動撓度值可知被測試車各工況下傾覆系數(shù)最大值為0.22，小于0.8 的限度值。

3.2 長軌車2數(shù)據(jù)分析

在整個(gè)測試速度范圍內(nèi)，長軌車2垂向動撓度主要過超高曲線段監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4 所示[12]，由彈簧垂向動撓度值可知被測試車各工況下傾覆系數(shù)最大值為0.25，小于0.8 的限度值。

3.3 長軌車19數(shù)據(jù)分析

在整個(gè)測試速度范圍內(nèi)，長軌車19垂向動撓度主要過超高曲線段監(jiān)測數(shù)據(jù)如表5 所示[12]，由彈簧垂向動撓度值可知被測試車各工況下傾覆系數(shù)最大值為0.29，小于0.8 的限度值。

在整個(gè)測試速度范圍內(nèi)，被測試車各工況下傾覆系數(shù)最大值 0.29，小于《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB5599—1985) 規(guī)定的容許傾覆系數(shù) 0.8 的限度值。通過理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，利用成綿樂城際線路運(yùn)輸 500 m 長鋼軌車輛傾覆穩(wěn)定性滿足《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》及《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，但仍然需要結(jié)合實(shí)際運(yùn)輸需求做好相關(guān)應(yīng)急預(yù)案[13]，以保證運(yùn)輸安全。

表3 長軌車1垂向動撓度主要過超高曲線段監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.3 Monitoring data of vertical dynamic de fl ection of vehicle 1 in the main superelevation line segment

表4 長軌車2垂向動撓度主要過超高曲線段監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.4 Monitoring data of vertical dynamic de fl ection of vehicle 2 in the main superelevation line segment

表5 長軌車19垂向動撓度主要過超高曲線段監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.5 Monitoring data of vertical dynamic de fl ection of vehicle 19 in the main superelevation line segment

4 結(jié)束語

通過成綿樂城際鐵路 500 m 長鋼軌運(yùn)輸車輛傾覆穩(wěn)定性的理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)可知，受 500 m 長鋼軌跨裝及車鉤作用影響，實(shí)際運(yùn)輸中車輛傾覆穩(wěn)定性更好，運(yùn)輸安全性更高。由于高速鐵路線橋條件普遍優(yōu)于既有線，采用高速鐵路 500 m 長鋼軌運(yùn)輸較采用既有貨運(yùn)線路運(yùn)輸車輛動力學(xué)性能更好，但還需要根據(jù)具體的線路條件，針對 500 m 長鋼軌運(yùn)輸車輛對線橋可能的損傷進(jìn)行深入研究。目前 500m 長鋼軌已經(jīng)在成綿樂城際鐵路實(shí)施運(yùn)輸，為利用既有高速鐵路500 m 長鋼軌運(yùn)輸提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

[1]中國鐵路總公司.中國鐵路總公司關(guān)于新建成都至貴陽鐵路樂山至貴陽段初步設(shè)計(jì)的批復(fù)：鐵總辦函[2013]568 號[A].北京：中國鐵路總公司，2013.

[2]嚴(yán)雋耄.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[3]國家鐵路局.鐵路列車荷載圖式：TB/T 3466—2016[S].北京：中國鐵道出版社，2007：3-4.

[4]中國鐵道科學(xué)研究院.成貴鐵路利用成綿樂客專運(yùn)輸長鋼軌可行性研究[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2017.

[5]國家鐵路局.高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[6] 中國鐵道科學(xué)研究院.500 m 長 (60 kg/m) 鋼軌普通平車裝載加固方案研究報(bào)告[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2007.

[7]中國鐵路總公司.鐵路貨物裝載加固規(guī)則[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[8] 中國鐵道科學(xué)研究院.500 m 長 (60 kg/m) 定尺鋼軌普通平車裝載加固方案試驗(yàn)報(bào)告[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2008.

[9]國家標(biāo)準(zhǔn)局.鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范：GB5599—1985[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986：4-5.

[10]國家鐵路局.鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范：TB10082—2017[S].北京：中國鐵道出版社，2017：38-39.

[11]馬玉坤.75 m 長鋼軌采用普通平車運(yùn)輸方案研究[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2016，38 (5)：84-90.MA Yu-kun.Study on Transport Program of 75 m Long Rails by Ordinary Flat Car[J].Railway Transport and Economy，2016，38 (5)：84-90.

[12]中國鐵道科學(xué)研究院.成貴鐵路利用成綿樂客專運(yùn)輸長鋼軌試運(yùn)行監(jiān)測報(bào)告[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2017.

[13]崔朝暉.大秦鐵路運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)卡控對策的探討[J].鐵道貨運(yùn)，2016，34 (11) ：42-46.CUI Zhao-hui.Discussion on the Safety Control Measures in the Dispatching Process of Datong-Qinhuangdao Railway[J].Railway Freight Transport，2016，34 (11) ：42-46.