剛性加固條件下C70H型通用敞車(chē)重車(chē)重心位置對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響

張 舵，湯銀英，彭其淵，吳嘉楊，黃 成

(1. 西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 611756；2. 西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸智能化國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 611756；3. 中國(guó)中鐵二院有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

高速和重載是我國(guó)鐵路貨運(yùn)發(fā)展的主要目標(biāo)。2013年修訂的《鐵路主要技術(shù)政策》提出[1]：“貨車(chē)軸重研究推廣25 t，研究發(fā)展27 t?？爝\(yùn)貨物列車(chē)最高運(yùn)行速度160 km/h，普通貨物列車(chē)最高運(yùn)行速度120 km/h?！彪m然貨車(chē)載重量增加，設(shè)計(jì)速度提高，但我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《加規(guī)》”)系引用前蘇聯(lián)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于重車(chē)重心位置的要求比較保守，且對(duì)于所有車(chē)型和貨物品類(lèi)采用了相同標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法因“貨”而異地制定裝運(yùn)方案，導(dǎo)致鐵路貨運(yùn)工作受到了很大的約束。同時(shí)，《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《線規(guī)》”)于2006年進(jìn)行了修訂，提高了線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但國(guó)際通用規(guī)范所要求的線路參數(shù)更加惡劣。且隨著中歐班列的開(kāi)行，歐亞大陸之間的鐵路貨物運(yùn)輸愈發(fā)頻繁，必須確保我國(guó)的貨運(yùn)列車(chē)能夠在境外鐵路線路安全運(yùn)行。因此，非常有必要研究重車(chē)重心位置對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響規(guī)律，保障新形勢(shì)下鐵路貨物運(yùn)輸安全，提高鐵路運(yùn)輸能力。本文參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)車(chē)輛裝運(yùn)工況，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真的方法研究剛性加固條件下重車(chē)重心位置對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響，針對(duì)具體車(chē)型和貨物提出了相應(yīng)的裝車(chē)方案。

1 建立動(dòng)力學(xué)仿真模型

1.1 VI-Rail 簡(jiǎn)介

動(dòng)力學(xué)仿真軟件VI-Rail的前身是ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)軟件中的Rail模塊。ADAMS即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，該軟件是美國(guó)MDI(Mechanical dynamics Inc.)公司開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS于2002年被世界著名的工程軟件開(kāi)發(fā)公司MSC收購(gòu)，而在2005年，MSC公司將ADAMS/Rail模塊出售給了VI-grade公司，在ADAMS/Rail的基礎(chǔ)上，VI-grade公司研發(fā)推出了VI-Rail。

VI-Rail依然依托MSC ADAMS的軟件平臺(tái)，但對(duì)軌道交通領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)更加完善。通常，用戶在模板創(chuàng)建界面利用VI-Rail的庫(kù)組件(輪對(duì)、側(cè)架、懸架等)建立參數(shù)化模板，然后，在標(biāo)準(zhǔn)界面，用戶使用已經(jīng)創(chuàng)建的新模板以及定義的數(shù)據(jù)就可創(chuàng)建前后轉(zhuǎn)向架以及車(chē)體子系統(tǒng)，進(jìn)而輕易地組裝成一個(gè)軌道車(chē)輛，甚至是一列完整的列車(chē)。其中的貨運(yùn)工具箱(Freight Toolkit)，包含了代表性的貨車(chē)轉(zhuǎn)向架組件庫(kù)(包括搖枕、側(cè)架、軸箱、具有3D摩擦的心盤(pán)、旁承、斜楔等)，能夠幫助用戶輕松地組裝一個(gè)參數(shù)化的貨運(yùn)車(chē)輛模型，并可以模擬多種仿真場(chǎng)景。鑒于其在貨運(yùn)車(chē)輛建模方面的優(yōu)越性，本文選擇使用VI-Rail來(lái)建立C70H型敞車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型。

1.2 模型描述

C70H型敞車(chē)仿真模型包含3個(gè)主要部分——空車(chē)車(chē)體、轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架和貨物。其中，轉(zhuǎn)向架模型的準(zhǔn)確性是重中之重。利用VI-Rail的貨運(yùn)工具箱，可以方便快捷地完成轉(zhuǎn)向架的建模工作。

建立轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架模型的第一步是建立輪對(duì)，輪對(duì)踏面選擇LM磨耗型踏面。隨后，將輪對(duì)與軸箱用轉(zhuǎn)動(dòng)副(Revolute Joint)進(jìn)行連接。根據(jù)輪對(duì)和軸箱的位置，建立側(cè)架和搖枕組件。軸箱與側(cè)架之間，用具有分段剛度系數(shù)的彈簧連接，以表示在橫向和縱向存在著的間隙/止擋結(jié)構(gòu)。在搖枕與車(chē)體之間，心盤(pán)不僅提供了法向力(點(diǎn)面接觸)和平面摩擦力，同時(shí)還具有比較大的回轉(zhuǎn)阻尼，起到連接、緩沖作用；而旁承不僅可以在車(chē)體搖頭或者側(cè)滾過(guò)大時(shí)提供垂向力，防止車(chē)體與搖枕接觸，還可以提供平面摩擦力來(lái)抑制車(chē)體振動(dòng)。

應(yīng)當(dāng)特別注意的是，在側(cè)架與搖枕之間，存在著由楔塊與減震彈簧所組成的中央懸掛系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。圖1中,P為作用于搖枕上的車(chē)體質(zhì)量, t。

圖1 楔塊式摩擦減震器原理示意圖[2]

減震彈簧所提供的彈力很容易表達(dá)，楔塊與搖枕、側(cè)架之間的摩擦力的計(jì)算則比較復(fù)雜。對(duì)其中一個(gè)楔塊的受力情況進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2。圖2中：α為副摩擦面與水平面的夾角，設(shè)定為45°；β為主摩擦面與鉛錘面的夾角，設(shè)定為2.5°；N為作用在主摩擦面的法向力, N；f主為作用在主摩擦面的摩擦力, N；F為作用在副摩擦面的法向力, N；f副為作用在副摩擦面的摩擦力, N；Pa為楔塊彈簧的反力, N。

圖2 楔塊受力分析圖[2]

在主、副摩擦面上，均存在著與物體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反的摩擦力。因此，根據(jù)法向力的大小、摩擦系數(shù)大小和物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，可以計(jì)算得到摩擦力的大小和方向[2]。

根據(jù)以上描述，即可建立轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)仿真模型。將前后轉(zhuǎn)向架和車(chē)體這3個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行組裝即可形成完整的C70H型敞車(chē)模型，見(jiàn)圖3。

圖3 C70H型敞車(chē)模型

為了實(shí)現(xiàn)本文的研究目標(biāo)，還需將50 t重的均質(zhì)貨物模型與車(chē)體進(jìn)行零自由度鉸接，該貨物圍繞質(zhì)心的X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為1.363×104、8.172×104、8.696×104kg·m2。

2 車(chē)輛裝載工況設(shè)計(jì)

由于貨物與車(chē)體之間采用剛性加固，因此，車(chē)輛裝載工況包含了重車(chē)重心的縱向、橫向偏移量以及重車(chē)重心距離軌面的高度這3個(gè)參數(shù)，具體設(shè)計(jì)如下：

(1) 重車(chē)重心縱向偏移量

《加規(guī)》針對(duì)貨物總重心的縱向偏移量提出了明確要求，可由其計(jì)算出允許的最大重車(chē)重心縱向偏移量。具體要求主要有兩條：一條是前后轉(zhuǎn)向架的負(fù)重差不超過(guò)10 t；另一條是各轉(zhuǎn)向架所承擔(dān)的貨物重量不超過(guò)貨車(chē)標(biāo)記載重的一半。其中，第一條要求是為了保證前后轉(zhuǎn)向架的負(fù)荷盡量一致，方便對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行保養(yǎng)，其取值主要來(lái)源于實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，因此本文不將其作為設(shè)定重車(chē)重心縱向偏移量的約束條件。而根據(jù)第二條要求，結(jié)合貨物質(zhì)量和轉(zhuǎn)向架中心距(9.21 m)、空車(chē)質(zhì)量(23.8 t)、車(chē)輛標(biāo)記載重(700 kN)，可以得到最大允許的重車(chē)重心縱向偏移量為1.248 m。進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)重車(chē)重心縱向偏移量x及其對(duì)應(yīng)的貨物重心相對(duì)于車(chē)輛幾何中心的縱向偏移量x貨見(jiàn)表1。

表1 重車(chē)重心及貨物重心縱向偏移量 m

(2) 重車(chē)重心橫向偏移量

雖然《加規(guī)》中規(guī)定貨物總重心橫向偏移量不能超過(guò)100 mm，但既有研究表明，這個(gè)限值有些保守[3]。而根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，貨物重心橫向偏移量最大允許值為200 mm，若超過(guò)該值則旁承會(huì)被壓死，嚴(yán)重影響車(chē)輛運(yùn)行安全[4]。因此，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)重車(chē)重心橫向偏移量y及其對(duì)應(yīng)的貨物重心相對(duì)于車(chē)輛幾何中心的橫向偏移量y貨見(jiàn)表2。

表2 重車(chē)重心及貨物重心橫向偏移量 m

(3) 重車(chē)重心高

《加規(guī)》規(guī)定，重車(chē)重心距離軌面高度的最大值為2 000 mm，如果超過(guò)則會(huì)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行限速，但已有學(xué)者證明重車(chē)重心高的限值應(yīng)大于2 000 mm[5-6]。因此本文選取了較寬泛的重車(chē)重心高范圍，以使得仿真結(jié)果盡量全面地體現(xiàn)重車(chē)重心高對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全的影響。進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)的重車(chē)重心高z及其對(duì)應(yīng)的貨物重心高z貨具體見(jiàn)表3。

表3 重車(chē)重心及貨物重心距軌面高度 m

3 車(chē)輛運(yùn)行工況設(shè)計(jì)

本文僅研究車(chē)輛勻速通過(guò)區(qū)間的過(guò)程，因此，在設(shè)計(jì)車(chē)輛運(yùn)行工況時(shí)主要考慮以下基本要素：曲線半徑、曲線外軌超高、最大欠超高、最大過(guò)超高、軌道不平順激勵(lì)、緩和曲線長(zhǎng)度以及車(chē)輛運(yùn)行速度。為了保證車(chē)輛在境內(nèi)外鐵路線路上的運(yùn)行安全性，探索國(guó)際通用的線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)貨車(chē)的適用性，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)章要求對(duì)以上要素的取值進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量選取惡劣運(yùn)行工況，從而保證車(chē)輛的行車(chē)安全，體現(xiàn)車(chē)輛運(yùn)行特性。所參考的國(guó)內(nèi)規(guī)章主要是《線規(guī)》[7]和《鐵路線路修理規(guī)則》[8]，而所參考的國(guó)外規(guī)章則是在國(guó)際鐵路相關(guān)領(lǐng)域最具權(quán)威的UIC 518《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能-運(yùn)行安全性-運(yùn)行品質(zhì)和軌道疲勞的試驗(yàn)、驗(yàn)收規(guī)范》[9]、BS EN 13803《鐵路應(yīng)用設(shè)施．軌道．軌道平面設(shè)計(jì)參數(shù).軌距≥1 435 mm》[10]和BS EN 14363《鐵路車(chē)輛運(yùn)行特性的測(cè)試和仿真——運(yùn)行性能和穩(wěn)定性試驗(yàn)》[11]。

(1) 曲線半徑

通常而言，小半徑曲線不利于車(chē)輛運(yùn)行安全，因此，BS EN 13803規(guī)定最小曲線半徑為150 m；按照BS EN 14363的要求，進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)行性能測(cè)試時(shí)線路應(yīng)包含半徑在250～400 m之間的極小半徑曲線和半徑在400～600 m之間的小半徑曲線；而《線規(guī)》提出最小曲線半徑的取值應(yīng)參照具體工程條件和設(shè)計(jì)行車(chē)速度，見(jiàn)表4。

表4 我國(guó)最小曲線半徑[7]

為了提供較惡劣的運(yùn)行工況，本文借鑒BS EN 14363的規(guī)定，測(cè)試車(chē)輛通過(guò)350 m半徑曲線所在區(qū)間和600 m半徑曲線所在區(qū)間時(shí)的運(yùn)行性能。

(2) 曲線外軌超高

根據(jù)BS EN 14363的要求，最大曲線超高為150 mm，與《鐵路線路修理規(guī)則》的規(guī)定一致，因此，曲線超高設(shè)定為150 mm。

(3) 最大欠超高

根據(jù)BS EN 14363規(guī)定，貨運(yùn)車(chē)輛的最大允許欠超高為130 mm；UIC 518規(guī)定，速度不高于140 km/h的貨車(chē)，最大允許欠超高為130 mm；《鐵路線路修理規(guī)則》則提出特殊情況下最大欠超高可以達(dá)到110 mm。綜上所述，國(guó)內(nèi)對(duì)于最大欠超高的要求比較保守，本文決定按照國(guó)際通用慣例將最大欠超高設(shè)置為130 mm。

(4) 最大過(guò)超高

BS EN 13803提出最大過(guò)超高在特殊情況下允許達(dá)到150 mm；而《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定，困難條件下最大過(guò)超高可以達(dá)到50 mm，速度大于160 km/h的線路可以達(dá)到70 mm。為了使得欠超高與過(guò)超高的數(shù)值相對(duì)應(yīng)，以充分體現(xiàn)超高對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響，本文的最大過(guò)超高也設(shè)定為130 mm。

(5) 軌道不平順激勵(lì)

本文的主要目的在于研究重車(chē)重心位置對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響規(guī)律，軌道不平順激勵(lì)的大小并不會(huì)干擾這一規(guī)律的具體表現(xiàn)形式。此外，我國(guó)的軌道譜體系并不成熟，而美國(guó)五級(jí)軌道譜已被證明與我國(guó)的三大干線軌道譜比較接近[12]。因此，本文采用美國(guó)五級(jí)軌道譜作為動(dòng)力學(xué)仿真中的不平順激勵(lì)。

(6) 緩和曲線長(zhǎng)度

《線規(guī)》規(guī)定，可以根據(jù)曲線半徑的大小查表確定其對(duì)應(yīng)的最小緩和曲線長(zhǎng)度，但本文對(duì)最小曲線半徑的設(shè)定已經(jīng)突破了《線規(guī)》既有規(guī)定，因此，需要采用《線規(guī)》提出的另一種方法，即通過(guò)最大超高順坡率來(lái)計(jì)算最小緩和曲線長(zhǎng)度。《線規(guī)》對(duì)最大超高順坡率的規(guī)定見(jiàn)表5。

表5 特殊情況下最大超高順坡率[7]

對(duì)于350 m半徑曲線，根據(jù)前文中線路超高的設(shè)定，其設(shè)計(jì)速度為93.6 km/h，計(jì)算可得最小緩和曲線長(zhǎng)度為100 m；同理可得600 m半徑曲線的最小緩和曲線長(zhǎng)度為130 m。

(7) 運(yùn)行速度

根據(jù)前文對(duì)軌道超高的設(shè)定，可計(jì)算出350 m半徑曲線的均衡速度為19 m/s，允許速度范圍為7 ～26 m/s；600 m半徑曲線的均衡速度為25 m/s，允許速度范圍為9 ～34 m/s。

綜上所述，車(chē)輛運(yùn)行工況見(jiàn)表6,其中R為區(qū)間所包含曲線半徑。

表6 車(chē)輛運(yùn)行工況

本文中曲線為右曲線，線路布局見(jiàn)圖4。圖4中：u為外軌超高；R為曲率半徑；X為線路里程。

圖4 仿真線路布局

4 車(chē)輛曲線通過(guò)性能評(píng)判指標(biāo)

世界各國(guó)評(píng)判車(chē)輛曲線通過(guò)性能的指標(biāo)各不相同，脫軌系數(shù)和輪重減載率是其中最基礎(chǔ)、運(yùn)用最普遍的兩個(gè)指標(biāo)，而各國(guó)的安全限值也不盡相同。

對(duì)于最大脫軌系數(shù)和輪重減載率的要求見(jiàn)表7。其中，對(duì)于最大輪重減載率的檢測(cè)，多數(shù)國(guó)家更注重動(dòng)態(tài)安全指標(biāo)，其原因在于某些時(shí)候輪對(duì)對(duì)鋼軌的沖擊所造成的瞬態(tài)輪重減載可能導(dǎo)致輪重減載率的激增，但不會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛脫軌。

表7 對(duì)脫軌系數(shù)安全限值的規(guī)定[12-17]

綜合各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，本文選擇1.0作為脫軌系數(shù)的安全限值。由于動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程中包含瞬態(tài)輪重減載這一特殊情況，因此將輪重減載率的安全限值設(shè)定為0.9。

5 重車(chē)重心偏移量對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全的影響

5.1 模型可靠性驗(yàn)證

在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真之前，需要首先驗(yàn)證仿真模型的可靠性。本文借鑒了北京交通大學(xué)的科研項(xiàng)目——“提速后重車(chē)重心高度及貨物重心容許橫向偏移量試驗(yàn)”的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)C70H型敞車(chē)模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

該項(xiàng)試驗(yàn)中,重車(chē)重心高為2 300 mm，貨物質(zhì)量為60 t，后轉(zhuǎn)向架負(fù)重比前轉(zhuǎn)向架重100 kN，對(duì)外軌超高120 mm的350 m半徑曲線和外軌超高80 mm的600 m半徑曲線上的車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試，采集了車(chē)輛通過(guò)圓曲線過(guò)程中最大的脫軌系數(shù)絕對(duì)值和輪重減載率絕對(duì)值。本文利用VI-Rail所建立的C70H型敞車(chē)模型模擬了試驗(yàn)過(guò)程，采集仿真過(guò)程中車(chē)輛的運(yùn)行安全性指標(biāo)，將其與試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同半徑曲線指標(biāo)驗(yàn)證

由圖5可見(jiàn)，本文所建立的仿真模型具有較高的可靠性，可以用于動(dòng)力學(xué)仿真研究。

5.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析

根據(jù)車(chē)輛裝載工況設(shè)計(jì)490個(gè)重車(chē)重心位置，分別在10個(gè)車(chē)輛運(yùn)行工況下進(jìn)行仿真。任意一個(gè)仿真案例均具備唯一的重車(chē)重心位置與車(chē)輛運(yùn)行工況組合，共需運(yùn)行4 900個(gè)仿真案例。在對(duì)某一案例進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、軌道模型和運(yùn)行速度，模擬車(chē)輛勻速通過(guò)區(qū)間的過(guò)程。采集每個(gè)仿真過(guò)程中4個(gè)輪對(duì)各自最大的脫軌系數(shù)和輪重減載率的絕對(duì)值，進(jìn)而得到車(chē)輛安全指標(biāo)的最大值。若車(chē)輛最大脫軌系數(shù)絕對(duì)值大于1.0或者最大輪重減載率絕對(duì)值大于0.9，則視為可能脫軌的危險(xiǎn)情況，進(jìn)行剔除。對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)正常的車(chē)輛，其最大脫軌系數(shù)見(jiàn)圖6。圖6中，x的值為正表明重車(chē)重心靠近前轉(zhuǎn)向架，y的值為正表明重車(chē)重心靠近車(chē)輛右側(cè)。

根據(jù)圖6的10種工況下車(chē)輛的最大脫軌系數(shù)，可得：

(1)在同一高度下，脫軌系數(shù)與重車(chē)重心橫、縱偏移量存在著近似線性關(guān)系，重車(chē)重心位于車(chē)輛右后方相對(duì)不利，位于車(chē)輛左前方相對(duì)較好。

(2)脫軌系數(shù)和重車(chē)重心高的關(guān)系與車(chē)輛運(yùn)行速度有關(guān)，當(dāng)車(chē)輛處于過(guò)超高狀態(tài)(工況1、2、6、7)時(shí)，隨著重車(chē)重心高的增加最大脫軌系數(shù)會(huì)增大；當(dāng)車(chē)輛處于欠超高狀態(tài)(工況4、5、9、10)時(shí)，隨著重車(chē)重心高的增加最大脫軌系數(shù)會(huì)減?。划?dāng)車(chē)輛處于均衡速度運(yùn)行狀態(tài)(工況3、8)時(shí)，最大脫軌系數(shù)基本不隨高度變化。

(3)在相同超高狀態(tài)下，車(chē)輛通過(guò)600 m半徑曲線所在區(qū)間時(shí)，其脫軌系數(shù)要明顯小于車(chē)輛通過(guò)350 m半徑曲線所在區(qū)間，說(shuō)明曲線半徑越大越有利于行車(chē)安全。

正常運(yùn)行車(chē)輛最大的輪重減載率見(jiàn)圖7，坐標(biāo)軸含義與圖6相同。

圖6 車(chē)輛最大脫軌系數(shù)

根據(jù)圖7可以得到以下結(jié)論：

(1)在同一高度下，輪重減載率基本呈現(xiàn)“等高線”式分布特征，“低洼部分”代表了輪重減載率最小的重車(chē)重心位置，距離“低洼部分”越遠(yuǎn)越不利于行車(chē)安全。

(2)在橫向，車(chē)輛運(yùn)行速度越高，“低洼部分”越向車(chē)輛右側(cè)移動(dòng)，說(shuō)明速度較快時(shí)重車(chē)重心靠近車(chē)輛右側(cè)比較安全；在縱向，“低洼部分”基本均位于車(chē)輛中前部，說(shuō)明貨物位于車(chē)輛前部比較有利于車(chē)輛運(yùn)行安全。

(3)通常而言，重車(chē)重心越高，輪重減載率越大，但如圖7(a)、7(g)所示，在速度較低情況下，存在重車(chē)重心越高但輪重減載率越小的可能。

圖7 車(chē)輛最大輪重減載率

通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可以看出，脫軌系數(shù)和輪重減載率這兩個(gè)安全指標(biāo)所受到的重車(chē)重心位置影響是不同的。由于輪重減載率在重車(chē)重心偏移的影響下更容易達(dá)到安全限值，因此，在衡量車(chē)輛曲線通過(guò)性能時(shí)，需要在兼顧脫軌系數(shù)和輪重減載率的同時(shí)，側(cè)重考慮后者。

5.3 重車(chē)重心分布的安全區(qū)域

根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，350、600 m半徑曲線分別對(duì)應(yīng)的5個(gè)工況下車(chē)輛運(yùn)行安全指標(biāo)均達(dá)到要求的重車(chē)重心分布區(qū)域見(jiàn)圖8。

兩種曲線半徑條件下的重車(chē)重心安全范圍的關(guān)系見(jiàn)圖9。由此可知，重車(chē)重心的安全分布區(qū)域會(huì)隨著曲線半徑的減小而縮小。因此，若用C70H型敞車(chē)裝運(yùn)本文所列舉貨物，圖8(a)所示安全范圍適用于在美國(guó)五級(jí)軌道譜激勵(lì)條件下、所有曲線半徑不小于350 m的右曲線所在區(qū)間，可稱(chēng)之為“絕對(duì)安全區(qū)域”。

圖8 重車(chē)重心安全范圍

圖9 兩種曲線半徑條件下重車(chē)重心分布安全區(qū)域?qū)Ρ?/p>

而根據(jù)前文所介紹的《加規(guī)》對(duì)于貨物總重心的橫、縱偏移量以及重車(chē)重心高的要求，可以計(jì)算得到重車(chē)重心的最大縱向偏移量約為0.6 m，最大橫向偏移量約為0.07 m，距離軌面高度最高為2 m。因此，按照《加規(guī)》中的規(guī)定，重車(chē)重心的安全范圍應(yīng)分布在一個(gè)長(zhǎng)方體空間內(nèi)，此安全空間對(duì)比見(jiàn)圖10(稱(chēng)之為“加規(guī)空間”以方便表達(dá))與本文得到的“絕對(duì)安全區(qū)域”的空間關(guān)系?？梢钥吹剑瑑煞N空間具有一定的交集，且“絕對(duì)安全區(qū)域”的邊界范圍要更大。應(yīng)當(dāng)注意，本文所采用的車(chē)輛運(yùn)行工況比國(guó)內(nèi)現(xiàn)行工況更加惡劣，因此導(dǎo)致了部分“加規(guī)空間”無(wú)法滿足本案例對(duì)于車(chē)輛運(yùn)行安全的要求。

由于本文所提出的“絕對(duì)安全區(qū)域”為針對(duì)某一具體案例、通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真的手段所得到的，并不具有普遍適用性。因此，不能根據(jù)圖10所體現(xiàn)出的空間關(guān)系就貿(mào)然認(rèn)為可以對(duì)《加規(guī)》所提出的相關(guān)限值進(jìn)行更改，因?yàn)椤都右?guī)》中的要求具有一般性。但圖10表明，根據(jù)車(chē)輛型號(hào)、貨物參數(shù)和車(chē)輛運(yùn)行工況靈活地確定“絕對(duì)安全區(qū)域”是非常有必要的。這樣不僅可以更好地保證車(chē)輛運(yùn)行安全，還可以充分利用車(chē)輛的裝載能力，提高鐵路運(yùn)輸效率。

：加規(guī)空間；：絕對(duì)安全區(qū)域。圖10 安全空間對(duì)比圖

6 結(jié)束語(yǔ)

在不同重車(chē)重心高度下，安全區(qū)域在水平方向的分布范圍是不同的，因此，限制重車(chē)重心的合理分布范圍時(shí)不應(yīng)把重車(chē)重心縱向偏移量、橫向偏移量和高度相互剝離開(kāi)，而應(yīng)從立體空間角度進(jìn)行約束。車(chē)輛型號(hào)、貨物質(zhì)量及其分布、線路條件、車(chē)輛運(yùn)行速度等因素均會(huì)對(duì)重車(chē)重心分布的安全區(qū)域造成影響，因此，本文針對(duì)具體車(chē)輛和貨物、通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真的方法來(lái)模擬車(chē)輛在惡劣工況下的運(yùn)行狀態(tài)，分析重車(chē)重心位置對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響，確定在美國(guó)五級(jí)軌道譜激勵(lì)條件下的“絕對(duì)安全區(qū)域”，從而更好地保證車(chē)輛運(yùn)行安全，提高貨物運(yùn)輸能力。

但需要指出的是，本文僅考慮了直線、緩和曲線和曲線所組成的常規(guī)線路組合，且僅考慮了右曲線所在區(qū)間，在今后的研究中應(yīng)繼續(xù)對(duì)車(chē)輛通過(guò)左曲線以及道岔、平交道口等特殊位置時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。