橫風(fēng)條件下重載貨車直線區(qū)段運(yùn)行安全性研究

趙軍，梁佳，李少峰，代宏元，劉成，徐彬倢

（1.內(nèi)蒙古伊泰呼準(zhǔn)鐵路有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610031）

近年來，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展極大促進(jìn)了區(qū)域間貨物流通的需求，重載鐵路憑借其運(yùn)量大和成本低的優(yōu)點(diǎn)獲得了快速發(fā)展。我國(guó)重載鐵路主要用于煤炭等大宗商品遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，鐵路線路多處于西北地區(qū)，該地區(qū)中存在眾多強(qiáng)風(fēng)區(qū)域。隨著重載列車速度不斷提升，橫風(fēng)載荷對(duì)列車運(yùn)行安全的威脅不斷凸顯，也極大限制了重載鐵路的發(fā)展，影響運(yùn)輸效率，因此有必要針對(duì)橫風(fēng)載荷對(duì)重載列車運(yùn)行安全影響開展研究。

關(guān)于風(fēng)載荷對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，眾多學(xué)者已進(jìn)行了大量研究。楊明智等[1]對(duì)強(qiáng)橫風(fēng)下青藏線運(yùn)行的棚車氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)部分?jǐn)?shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為青藏線大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)提供理論支撐；寇麗君[2]針對(duì)無(wú)風(fēng)、橫風(fēng)、自然風(fēng)和階躍陣風(fēng)環(huán)境下高速列車的氣動(dòng)特性及氣動(dòng)載荷變化規(guī)律開展研究，同時(shí)分析不同風(fēng)模型下風(fēng)屏障對(duì)高速列車運(yùn)行安全性的影響；高廣軍等[3]基于青藏鐵路實(shí)際運(yùn)行條件，采用棚車縮比模型風(fēng)洞試驗(yàn)所得棚車氣動(dòng)力系數(shù)，建立車輛在軌道傾覆與車體在轉(zhuǎn)向架傾覆的數(shù)學(xué)模型，研究列車直線和曲線運(yùn)行時(shí)車速和臨界傾覆風(fēng)速影響規(guī)律；郭向榮等[4]建立考慮風(fēng)載荷作用的車橋系統(tǒng)模型，分析橫風(fēng)作用下空載與滿載貨物列車通過大跨度鐵路斜拉橋的運(yùn)行安全性；公衍軍等[5]考慮車輛在側(cè)風(fēng)條件下運(yùn)行時(shí)所受到的側(cè)向力、升力、側(cè)滾力矩、點(diǎn)頭力矩、搖頭力矩五種側(cè)風(fēng)載荷，分析了側(cè)風(fēng)載荷隨著環(huán)境風(fēng)速和車輛運(yùn)行速度變化而變化的規(guī)律；姚應(yīng)峰[6]分析了200 km/h動(dòng)車組直線常值側(cè)風(fēng)和陣風(fēng)工況、曲線常值側(cè)風(fēng)工況動(dòng)力學(xué)性能與線路運(yùn)行限值；任尊松等[7]結(jié)合列車空氣動(dòng)力學(xué)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，研究了強(qiáng)側(cè)風(fēng)對(duì)高速列車運(yùn)行安全的影響；鄧永權(quán)等[8]確定以車體側(cè)滾角反映橫風(fēng)載荷對(duì)車輛的作用程度，為通過車體側(cè)滾角進(jìn)行脫軌安全預(yù)測(cè)提供依據(jù)；崔濤等[9]對(duì)不同側(cè)風(fēng)環(huán)境作用時(shí)列車外流場(chǎng)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)相應(yīng)進(jìn)行協(xié)同仿真，分析列車在不同側(cè)風(fēng)載荷作用下安全運(yùn)行的臨界速度，并確定列車側(cè)風(fēng)作用安全域；郗艷紅等[10]采用STAR_CCM+軟件對(duì)高速列車的氣動(dòng)特性數(shù)值模擬計(jì)算，為高速列車運(yùn)行安全控制提供參考。蔣俊等[11]通過Matlab的Simulink模塊，聯(lián)合動(dòng)力學(xué)模型建立了基于蠕滑速度的粘著控制系統(tǒng)，考慮了列車運(yùn)行基本阻力、制動(dòng)力和橫風(fēng)作用的影響，為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)。

現(xiàn)有關(guān)于風(fēng)致安全性的研究多集中在高速車輛領(lǐng)域[12]，對(duì)于貨車等運(yùn)行速度相對(duì)較低的車輛研究較少。本文以重載列車常用的C80型敞車作為研究對(duì)象，建立了考慮橫風(fēng)載荷的三連掛貨車單元仿真分析模型，基于該模型仿真分析了空載和滿載狀態(tài)下貨車運(yùn)行安全性隨車輛運(yùn)行速度和橫風(fēng)風(fēng)速的變化規(guī)律，同時(shí)對(duì)空載和滿載狀態(tài)下貨車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。該研究旨在探明橫風(fēng)載荷對(duì)重載貨車輪軌相互作用影響規(guī)律，為提升重載列車運(yùn)行安全性提供參考。

1 橫風(fēng)氣動(dòng)載荷模型

在仿真分析橫風(fēng)對(duì)重載貨車運(yùn)行安全性影響時(shí)，一般將橫風(fēng)的影響以外部載荷的形式施加于車體上，因此需先建立橫風(fēng)氣動(dòng)載荷模型，本文主要對(duì)穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用下的車輛運(yùn)行安全性進(jìn)行研究。由文獻(xiàn)[13]可知，車輛表面氣動(dòng)載荷分布主要受車輛外形、高度等因素影響，且呈現(xiàn)出非均勻分布的特征。在動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算過程中，通常將橫風(fēng)作用下的氣動(dòng)載荷簡(jiǎn)化為作用于車體質(zhì)心的集中力系。本文仿真分析時(shí)將橫風(fēng)載荷等效為側(cè)向力、升力以及側(cè)滾力矩。車輛運(yùn)行過程中，氣動(dòng)載荷主要由車輛運(yùn)行速度、風(fēng)速、風(fēng)向角、空氣密度、車體等效受風(fēng)面積及車輛氣動(dòng)系數(shù)等因素決定，具體計(jì)算公式為：

式中：Fs為側(cè)向力，N；Fl為升力，N；Mr為側(cè)滾力矩，N/m；ρ為空氣密度，kg/m3；A為車輛等效受風(fēng)面積，m2；h為等效受風(fēng)高度，m；Cs、Cl、Crm為氣動(dòng)力系數(shù)；β為等效風(fēng)速側(cè)偏角，rad；vr為作用于車輛上的等效風(fēng)速，m/s。等效風(fēng)速根據(jù)車速和風(fēng)速疊加得到，為：

式中：u為風(fēng)速，m/s；v為車輛運(yùn)行速度，m/s；α為風(fēng)向角，rad。

等效風(fēng)速側(cè)偏角進(jìn)一步可計(jì)算為：

本文主要針對(duì)風(fēng)向角為90°的極端橫風(fēng)工況開展仿真計(jì)算分析，計(jì)算中采用的貨車氣動(dòng)系數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[14]中試驗(yàn)結(jié)果選取，詳細(xì)氣動(dòng)力系數(shù)曲線如圖1所示。

圖1 貨車氣動(dòng)力系數(shù)曲線

2 重載貨車-軌道相互作用模型

本文以萬(wàn)噸編組重載列車中三連掛貨車單元作為研究對(duì)象開展仿真分析，如圖2所示。三連掛貨車單元中貨車選取國(guó)內(nèi)重載鐵路常用的C80敞車，其車體采用雙浴盆結(jié)構(gòu)，車體除底架外采用鋁合金型材與板材的鉚接結(jié)構(gòu)，車體自重輕、容積大，空載狀態(tài)下車輛總重約為20 t，最大載重達(dá)80 t。采用常見的轉(zhuǎn)K6型三大件式轉(zhuǎn)向架，配備交叉拉桿裝置，其中央懸掛為貨車中常見的斜楔減振裝置，并采用兩級(jí)懸掛剛度以適應(yīng)空重車的運(yùn)行條件，具有運(yùn)行速度高、動(dòng)力學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。為了減小列車縱向車鉤自由間隙以降低列車縱向沖動(dòng)水平，同時(shí)兼顧列車的曲線通過性能，車間連掛裝置選取16/17號(hào)聯(lián)鎖式車鉤和RFC型牽引桿搭配使用的方案，三連掛單元內(nèi)部貨車采用牽引桿連接，單元之間采用聯(lián)鎖式車鉤連接。牽引桿一端為固定式結(jié)構(gòu)，另一端為轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，采用與安裝車鉤時(shí)相同的緩沖器及鉤尾框，牽引桿的長(zhǎng)度與車鉤的連接長(zhǎng)度一致，實(shí)現(xiàn)與車鉤緩沖裝置的互換。

圖2 萬(wàn)噸編組列車三連掛貨車單元

為分析橫風(fēng)載荷下重載貨車運(yùn)行安全性，基于SIMPACK動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)建立了詳細(xì)的三連掛貨車單元模型。模型中包含三輛貨車和兩套牽引桿-緩沖器系統(tǒng)，為了模擬車間相互作用，在三連掛貨車單元前后施加大小相等方向相反的縱向力，縱向車鉤力沿車體中心線方向作用于車鉤箱位置。為了模擬橫風(fēng)的作用，在軌道上建立移動(dòng)參考點(diǎn)，將計(jì)算得到時(shí)域橫風(fēng)載荷施加在車體質(zhì)心位置，如圖3所示。

圖3 考慮橫風(fēng)載荷的三連掛貨車單元仿真分析模型

對(duì)于三連掛貨車單元，斜楔懸掛系統(tǒng)和牽引桿-緩沖器系統(tǒng)模型的建立對(duì)于計(jì)算結(jié)果具有重要影響。如圖4所示，對(duì)于斜楔懸掛系統(tǒng)，中央彈簧位于搖枕和側(cè)架之間，減振彈簧位于斜楔和側(cè)架之間。斜楔與立柱磨耗板、斜楔與搖枕之間存在摩擦面，車輛運(yùn)行過程中的振動(dòng)能量主要通過兩個(gè)摩擦面產(chǎn)生的摩擦而耗散。牽引桿-緩沖器系統(tǒng)中，牽引桿與鉤尾框通過圓銷連接，緩沖器和從板安裝于鉤尾框內(nèi)部，車鉤箱內(nèi)設(shè)置有止擋，以限制從板位移，從而實(shí)現(xiàn)力的傳遞。緩沖器裝置選取具有非線性遲滯特性的非線性彈簧阻尼單元來模擬，牽引桿端部與前從板的球面接觸采用單向接觸力元模擬。壓鉤力作用下，縱向力經(jīng)牽引桿傳遞至前從板，壓縮緩沖器，進(jìn)一步將力作用于車體；拉鉤力作用下，縱向力作用于鉤尾框，使得緩沖器底座受力，縱向力進(jìn)一步經(jīng)緩沖器傳遞至前從板，最終作用于車體。

圖4 重載貨車關(guān)鍵部件模型

3 橫風(fēng)作用下重載貨車安全性分析

基于以上建立的考慮橫風(fēng)載荷的三連掛貨車單元仿真分析模型，分析不同風(fēng)速和車速條件下空載和滿載貨車在橫風(fēng)作用下的輪軌動(dòng)力學(xué)性能。為考慮相鄰車輛間的相互作用，三連掛貨車單元兩端施加300 kN壓鉤力。仿真計(jì)算時(shí)，風(fēng)速分別取13 m/s、17 m/s、21 m/s、25 m/s和29 m/s，對(duì)于空載貨車，車速計(jì)算范圍取40～80 km/h，間隔取10 km/h，對(duì)于滿載貨車，車速計(jì)算范圍取60～80 km/h，間隔取5 km/h。

圖5展示了橫風(fēng)載荷作用下空載貨車以不同速度在直線區(qū)段運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，各項(xiàng)指標(biāo)最大值隨著車速和風(fēng)速的增大均呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。

圖5 空載狀態(tài)下橫風(fēng)載荷影響分析

在風(fēng)速13 m/s和29 m/s兩種條件下，輪軌垂向力的差值在5 kN左右，車輛運(yùn)行速度為80 km/h時(shí)，在風(fēng)速29 m/s橫風(fēng)作用下輪軌垂向力的最大值約為53.5 kN。輪軌橫向力和輪軸橫向力受橫風(fēng)影響較輪軌垂向力更為顯著。最大輪軌橫向力和輪軸橫向力分別為22.3 kN和23.9 kN。當(dāng)風(fēng)速由13 m/s增至29 m/s時(shí)，其輪軌橫向力和輪軸橫向力增加大約8 kN，最大增幅分別達(dá)到97.7%和72.5%。同一速度不同風(fēng)速條件下，脫軌系數(shù)最大差異在0.15左右，脫軌系數(shù)最大值約為0.53。橫風(fēng)作用下空載貨車輪重減載率較大，車速為40 km/h工況下，當(dāng)風(fēng)速超過25 m/s時(shí)輪重減載率超出限值，車速為50 km/h工況下，風(fēng)速達(dá)到21 m/s及以上時(shí)輪重減載率超限，而當(dāng)車速達(dá)60 km/h及以上時(shí)，橫風(fēng)風(fēng)速超過13 m/s的工況下輪重減載率均超出限值，最大輪重減載率達(dá)1，出現(xiàn)輪軌瞬時(shí)分離。傾覆系數(shù)隨車速和風(fēng)速變化顯著，車速50 km/h工況下，風(fēng)速由13 m/s增至29 m/s時(shí)，傾覆系數(shù)由0.29增至0.58，增幅達(dá)100%。車速不超過70 km/h時(shí)，風(fēng)速在29 m/s以下范圍內(nèi)空載貨車的傾覆系數(shù)均未超限，車速80 km/h工況下，風(fēng)速達(dá)25 m/s及以上時(shí)傾覆系數(shù)超限，最大傾覆系數(shù)達(dá)0.9。對(duì)于車輪抬升量，其最大值隨車速和風(fēng)速的增大而增大，但遠(yuǎn)小于限值，最大車輪抬升量約為1.2 mm。

由以上分析可知，橫風(fēng)作用下空載貨車運(yùn)行安全性受風(fēng)速和車速影響較顯著，橫向輪軌相互作用隨風(fēng)速增大顯著增大，且輪重減載問題較突出，在較高車速和風(fēng)速下存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

圖6展示了橫風(fēng)載荷作用下滿載貨車以不同速度在直線區(qū)段運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，各項(xiàng)指標(biāo)最大值隨著車速和風(fēng)速的變化規(guī)律與空載狀態(tài)一致。

圖6 滿載狀態(tài)下橫風(fēng)載荷影響分析

對(duì)于輪軌垂向力，由于滿載狀態(tài)下貨車靜輪重較大，橫風(fēng)對(duì)輪軌垂向力影響有限，相同車速不同風(fēng)速條件下最大輪軌垂向力的差異在10 kN左右。貨車在滿載狀態(tài)下，橫風(fēng)對(duì)其輪軌橫向力和輪軸橫向力影響較輪軌垂向力更顯著。當(dāng)車速80 km/h、風(fēng)速29 m/s時(shí)，輪軌橫向力和輪軸橫向力的最大值分別為34.5 kN和52.7 kN。此外，當(dāng)車速60 km/h時(shí)，輪軌橫向力和輪軸橫向力隨風(fēng)速變化較其他速度工況更為顯著，風(fēng)速由13 m/s增加至29 m/s時(shí)，輪軌橫向力由15.5 kN增大至27.1 kN，增幅達(dá)74.8%，而輪軸橫向力由26.1 kN增至48.2 kN，增幅達(dá)84.7%。對(duì)于脫軌系數(shù)、輪重減載率、傾覆系數(shù)以及車輪抬升量，隨著風(fēng)速和車速增大略有增大，但遠(yuǎn)小于安全限值。

與空載貨車相比，滿載狀態(tài)下貨車的各項(xiàng)安全指標(biāo)明顯較低。由此可知，滿載狀態(tài)下貨車受橫風(fēng)載荷影響較小，未表現(xiàn)出明顯的運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)直線區(qū)段橫風(fēng)載荷對(duì)重載貨車運(yùn)行安全性影響進(jìn)行分析，建立了考慮橫風(fēng)載荷的三連掛重載貨車單元三維仿真模型，基于該模型，計(jì)算分析了空載和滿載兩種狀態(tài)下車輛運(yùn)行速度和橫風(fēng)風(fēng)速對(duì)車輛輪軌動(dòng)力學(xué)性能的影響，結(jié)論如下：

（1）橫風(fēng)載荷作用下，空載和滿載貨車的各項(xiàng)輪軌相互作用和安全性指標(biāo)均隨車輛運(yùn)行速度和風(fēng)速的增大而增大，且橫向輪軌相互作用和安全性指標(biāo)受橫風(fēng)載荷尤為顯著；

（2）空載貨車運(yùn)行安全性受橫風(fēng)影響極大，在高速運(yùn)行狀態(tài)下，較大的橫風(fēng)載荷易造成車輛傾覆，而滿載貨車各項(xiàng)安全性指標(biāo)在橫風(fēng)載荷下仍具有較大的安全裕度；

（3）為了提升重載列車運(yùn)行安全性，在常年多風(fēng)區(qū)段應(yīng)適當(dāng)限速運(yùn)行，強(qiáng)風(fēng)區(qū)域應(yīng)設(shè)置擋風(fēng)墻，降低橫風(fēng)載荷對(duì)行車安全的威脅。