（车辆工程专业论文）大秦线c63a型货物列车空车脱轨的分析研究.pdf

、 p 7 4 7 6 9 5 8 j 方交逶大学工程矮专监学掇论文 f 大秦线是晋煤外运的专用线，年运煤艇9 7 0 0 余万吨。c e ，a 型运煤 鬟黻车是大秦线运媒车辆串鹣主蘩车。l 辨7 年6 秀3 0 蠢和7 秀1 3 日， 在大黎线罗家屯至遵化北间上圣亍空举线连续发生两起7 2 辘c 6 3 a 型空 车同向编组列车脱轨重大事故，造成了巨大的经济损失由于该段线路符 仑g 转j - - 8 5 铁燃设诗按范要求，隽魏脱鞔髹嚣静焦点集中在 c 。，。型车辆上： 本文通过查阅资料，实际调查，对车辆脱轨的原因避行了认真研究， 认为罗车黢辕与下列因絮有关：( 1 ) 车辍发生共掇效瘦( 2 ) 率溉霪减 载( 3 ) 复线隧道风力( 4 ) 转向架横向冈j 螋过大，对车辆不平顺的适应性 差( 5 ) 轮轨润滑对脱轨安全性有影响( 6 ) 梦0 车横向振动。 必了找惑以上嚣起麟鞔事教匏羼l 因，1 9 9 7 筚1 0 胃，由j e 蒡铁路趱霸 铁道部科学研究院基同淄亍了长大货物列车脱轨试验。结果袭明，枣故 原因主要是盘子隧道内宽枕轨道结构的轨摊横向阻力较低，存在少数技 术状态不良的c 。：a 型空辙线区菠蛇行运动剥烈，及气候簸传产生戆 特殊环境等影响货物列车脱轨的因索综合作用所数。 为切实貉盘c 。，a 整空车脱轨，确保运输安全，论文提出废重点从以 下几个方面傲好防范工l 乍：( 1 ) 建议有关科研单位粒生产厂家在大秦线进 行一定数量和时间的c 。，a 型7 2 辆编组的空敞车的动力学试验和隧道风 渤力试验，搽索磺究歹i j 牵脱辘藤因与运行状态韵内在联系。( 2 ) 通过敬迸 设计，减小转向架的一系横向秘4 度，以提高三大传式货车转固槊的脱辘 稳定性。( 3 ) 采用轮轨润滑降低轮缘铺轨间的摩擦系数，提高车辆临界 速度。 关键词：敞车，蛇行运动，列车脱轨，转向絮 ! ! 查銮塑查堂三矍堡生童些堂整矍苎 a b s t r a c t d a q i nr a i l w a yl i n ei st h ec o a lt r a n s p o r t a t i o nl i n ef r o ms h a h x i p r o v i n c et oq i nh u a n g d a o h eb e ip r o v i n c e t h ef r e i g h tt r a f f i c c a p a c i t yo ft h el i n ei sa b o u t9 7 ，0 0 0 ，0 0 0t o n sp e ry e a r m o d e lc 6 3 a o p e nc a i i st h ep r e d o m i n a n tv e h i c l ef o rt r a n s p o r t i n gc o a lo nd a q i n r a i l w a yl i n e o nj u n e3 0 “a n dj u l y 13 r di n19 9 7 ，t w og r e a t a c c i d e n tt h a t7 2m o d e lc 6 3 e m p t yo p e nc a r sd e r a i l i n gt a k ep l a c e o nd a q i nr a i l w a yl i n ef r o ml u oj i a t u nt on o r t ho fz u nh u a , a n d b r i n g ss t u p e n d o u se c o n o m i cl o s s i ts u p p o s e dt h a tt h e r e a s o n r e s u l t i n gi nt r a i nd e r a i l i n gi sf r o mm o d e lc 6 3 ao p e nc a r s ，b e c a u s e t h el i n eo ft h i sz o n em e a s u r eu pt on a t i o n a ls t a n d a r dg b j - 8 5 ( r a i l w a yl i n ed e s i g ns t a n d a r d ) t h et h e s i se m p h a s i z e st h et r a i nd e r a i l i n gr e a s o n b yc o l l e c t i n g i n f o r m a t i o na n di n v e s t i g a t i n g ，a u t h o rt h i n k st h e r ea r es e v e r a l f o l l o w i n gr e a s o n s r e l a t e dt ot h et r a i nd e r a i l i n g ：( 1 ) b yr e a s o no ft h e r e s o n a n c eo f 氇et r a i n ；( 2 ) a sar e s u l to fw h e e lw e i g h td e c r e a s e ；( 3 ) t u n n e ls i d ew i n df o r c eh a v ee f f e c tt ot h et r a i nd e r a i l i n g ；( 4 ) t h e l a t e r a ls u s p e n d e dr i g i d i t yo ft h eb o g i ei st 0 0b i gt of i ti nw i t ht h e l i n e ；( 5 ) l u b r i c a t i o nc o n d i t i o n sb e t w e e nw h e e l sa n dl i n e sb r i n g so n t h et r a i nd e r a i l i n g ；e 6 ) l a t e r a lv i b r a t i o no ft h et r a i nc a u s et h et r a i n d e r a i l i n g “ i no r d e rt of i n dt h er e a s o n so ft h et w ot i m e so ft h et r a i n d e r a i l i n g ，b e i j i n gr a i l w a yb u r e a ua n dc h i n aa c a d e m yo fr a i l w a y s c i e n c e sc a r r i e do u tt h ed e r a i l i n gt e s to fl o n gh e a v yg o o d st r a i no n o c t o b e ri n1 9 9 7 t h et e s ts h o w s ，t h et r a i nd e r a i l i n gi sc a u s e db y t h el o wl a t e r a lt u n n e lr e s i s t a n c ea n ds p e c i a ls u r r o u n d i n g sc a u s e db y w e a t h e rc o n d i t i o nw h i c hr e s u l tj nm o d e 】c 6 3 ao p e nc a r ss n a k e m o v e m e n t a sm e n t i o n e da b o v e ，s e v e r a lp r o t e c t i o nm e a s u r e st oa v o i dt h e t r a i nd e r a i l i n gw i l lb et a k e n ： ) t t s t m m h i n gt h ei n t e rr e l m i o n s h i p j 方交逶大学工程硪士专业学位论文 b e t w e e nt h et r a i nd e r a i l i n ga n dt h es p e e do ft h et r a i nb yt r a i n d e r a i l i n ga n dw i n d - t u n n e lt e s t ；( 2 ) d e c r e a s et h el a t e r a ls u s p e n s i o n r i g i d i t y o ft h eb o g i eb yi m p r o v i n gd e s i g nf o ri n c r e a s i n gt h e d e r a i l i n gs t a b i l i t yo ft h eb o g i e ，( 3 ) i n c r e a s el u b r i c a t i o nb e t w e e n w h e e l sa n dl i n e st od e c r e a s et h ef r i c t i o nf a c t o ra n di n c r e a s et h e t r a i nc r i t i c a ls p e e d 2 k e y w o r d s ：o p e ne a r ，s n a k em o v e m e n t ，t r a i nd e r a i l i n g ，b o g i e 第一章 c 。董事整捌编组列车脱轨的事敖概况 ! 大秦线c 。，a 型货物列车空车脱轨的 分析研究 c 。a 型运煤专用数车是掇据cc nb b p 902675c 攘据 合同的技术条件，在c 。单元列车敞车基础上修改设计丽成。l997 年s 是30 翻霹7 惩i3 嚣，在大秦线罗家龟至遵纯j 0 润上行空车线连 续发生两起72 辆c 。烈空车间向编组列攀脱勒震大事故，歹8 车运褥速 度均为75 k m h ，线路为直线，千分之三下坡和隧道出口处的轨枕板线 路，由于该敬线路符合g b j98 85 铁黠线路设计窳范要求， 并于l997 年4 月l1 日经北京铁路局轨捡车动态检评奁定，该线段 潞为优秀。为此脱轨原因的焦点集中在c 。，a 型车辆上。观结合两起脱轨 攀技及e 。；。型车整歹缤缀罗车豹驻簸试验祷况，怼残辕擐嚣及茨范对策 作如下分析。 第一章c 。a 型车整列编组歹q 车 1 1 两起脱孰事载溉况觅表1 1 。 表1 1 熬i997 年6 秀30 醴和7 月l3 醪试验b2 次和试验 28 次c 。，a 裂空擎分别程大秦线罗家屯至i 蓥化j e 阕土行窆车线发生瓣 两起脱轨事故的概况。 1 2 两起脱轨事故的共i 司特征和规律： 通过对两起脱轨事故概况的初步分析，锯者发现两起脱轨事故有以 下共同特征霹蕊律： ( 1 ) 两次脱轨事故列车的编组均是c 。a 型车。 ac 。，a 型车端梁外：i 卿9 距心盘中心，一、二位尺寸不一致； b16 号转动车钩l 器幅写援谤必专写潞，誉左太密夺； c 车钩的联锁窑头、套口及立赠有明擞的纵向力攮毒、磨耗痰迹 !北方交通大学工程硕士专业学位论文 d 转向架轴承档键有磨耗痕迹。 ( 2 ) 脱勒辛仑对均包括列车前进方向的前转向架第轴 表1 1 两起脱轨事故概况表 时间1 9 9 7 年6 月3 0 日7 时柏分1 9 9 7 年7 月1 3 日1 8 时6 分 事故地点迁西遵义北间上行空车线罗家屯期间e 行蚌线 4 9 8 k m + 5 7 5 m - - 4 9 i k m + 7 5 0 m5 2 0 k m + 5 8 8 n 卜5 1 9 1 m i + 6 7 8 m 车次试验32 次试验28 次 机主型号 s s4 型1g0 号s s4 型16g 号 编组辆数7272 运行速度 75 75 ( 1 i n c h ) 列车总重l620 l620 ( tj 机次3 5 位、3 6 位、“位、4 5 位、机次1 9 位、2 6 位、2 9 位、3 0 位、” 4 6 位、4 7 位、4 8 位、5 0 位、5 1 位、 位、3 4 位、3 6 位、3 7 位、3 8 位、3 9 位、 5 3 位、5 4 位、5 6 位4 0 位、4 l 位、4 2 位、4 3 位、4 4 位、4 5 位、4 6 位、4 7 位、4 8 位、4 9 位、5 0 位、 脱轨位数 5 2 位、5 3 位、“位、5 5 位、5 6 位、5 8 位、5 9 位、印位、6 1 位、6 2 位、6 3 位、 6 4 位、6 5 位、6 6 位、6 7 位、6 8 位、6 9 位、7 0 位、7 1 位 脱轨辆数1212 ( 辆) 柏位车辆的第轮对脱向运行方向线路 备注 右侧；6 2 位，6 3 位，“位脱轨后顺覆 ( 3 ) 均发生在c e 。 型车的转动车钩端( 位端) 。 北方交通大学工程硕士专业学位论文 ! ( 4 ) 在两次事故的5 2 辆脱轨车中，除有一条轮对是脱向运行方向线 路右侧外，其余脱轨轮对均是脱向运行方向线路左侧。 ( 5 ) 两次脱轨事故列车的运行速度均为7 5 k m h 。 1 3 目前大秦线的货运情况 大秦线是晋煤外运的专用主干线。据统计，目前每年发送运煤列车 2 6 60o 余列，近160 余万辆车，年煤运量达到了97oo 余万吨， 货运量在全国各大干线中名列前茅。如此紧张繁忙的运量给运输安全， 特别是给运用车辆质量提出了很高的标准要求。 1 4 脱轨事故对运输安全的危害 列车脱轨可直接导致列车颠覆重大、大事故的发生，给国家、集体、 人民生命财产造成巨大的损失，影响铁路的正常运输和在运输业中的声 誉。在行车重大、大事故中，列车脱轨是影响安全的主要因素。近l o 年来，脱轨事故在我国每年重大、大事故总数中的比率基本保持在7o 左右，而列车冲突和其他原因引起的事故仅分别为2o 和10 。 所以，作为一种惯性事故，列车脱轨是目前安全问题的主要矛盾。为此， 防止列车脱轨，维护铁路安全正常的运输秩序，成了铁路有关科研部门 和单位的重要研究课题和防范的重点。c 。，n 型车作为大秦线运煤车辆中 的主型车，因而确保c 。，a 型车辆良好的技术状态是大秦线防止车辆脱轨 的重点。 一4第二章车辆脱熟塑垫堡受塞 2 1 车辆发生共振效应是列车脱轨的一个原因： 根据理论计算，列车在直线线路上运行时，产生的横向摇摆状蛇行 运动类似于正弦运动。我国货车蛇行运动完成一个正弦周期的波长为 1 5 7 1 米。当列车蛇行运动的频率与车体的固有频率相同时，车体要产生 横向共振，此时将产生相当大的横向动力，从而使列车爬轨脱轨。车体 摇摆固有频率约为1 2 赫，而c 。，a 型车体的固有频率为1 2 1 5 赫， 其共振速度范围为6 8 7 5k m h 。 据厂家提供，c 。a 型车辆在7 5 8 5km h 速度范围内产生共振效 应，是运行性能最差的速度区域。 试验3 2 次，2 8 次列车脱轨时，速度均为7 5 k m h ，正在上述共振速 度范围内，当列车在4 9 8 k m + 5 7 5 m - 5 2 2 k m + 2 7 7 m 处由5 1 o 的上坡道转 入3 o 的下坡道后，车体产生共振效应，横向摇摆大，由于车钩本身制 造的误差，致使车体向左摆动幅度加大，导致运行左侧钢轨受力增加， 从而使脱轨系数增大，列车脱向运行方向线路左侧。 2 2 车辆轮重减载是构成脱轨的又一原因： 按厂家提供的c 。：a 型车辆的图纸规定，端梁外侧面距心盘中心的 尺寸，一位端是l285 毫米，二位端是l350 2 毫米：一位端的 右上角装有盘式手制动装置，重量达76 公斤，由于两端设计尺寸的差 别( 加上制造工艺尺寸的实际误差) ，致使车辆两端的重量不均，运行中 前台车相对减载及右小角偏重，增加了一位轴减载向左脱轨的因素。 车辆制造存在缺陷，按厂家提供的1 6 号转动车钩的图纸规定，其 左右摆动幅度对称，各为149 毫米。经现车调查，大部分车钩摆幅不 符合设计尺寸，且左大右小的居多( 见表2 1 ) ，同时由于钩尾与前从 板的球形状接触，车钩摆幅左大右小的差异，导致车钩的纵向冲击力产 生角度变化，出现了横向力，在运行中加剧了车辆的“自激蛇行运动”， 增加了车体的摆振 16 号、l7 号车钩的联锁套头、套口在翻卸车时起定位作用。列 北方交通大学工程硕士专业学位论文! 车在运行中，联锁套头、套口在保持定位作用的同时，也使两 表2 1 试验28 次部分车孵孥静蓖冬胡查表 序 机次位车钩摆动 联锁套头磨耗联锁套口磨耗 号 位置车号量( m m )( m m )( m m ) 左摆右摆 11 9 4 3 3 0 0 8 7 1 9 61 3 7一位1 2 x 5 1一位2 8 4 5 24 34 3 2 6 6 7 41 7 6 1 4 8 一位1 1 3 1一位2 0 6 0 34 64 3 2 6 6 7 32 0 01 4 8一位1 6 5 3一位1 3 2 0 44 94 3 3 0 1 1 01 8 81 5 7一位1 7 5 6一位1 2 2 7 5 5 04 3 3 0 1 0 6 1 7 91 5 6 一位1 9 6 l一位3 2 5 7 65 34 3 2 6 2 3 31 7 31 6 8一位1 9 5 9 一位4 1 5 2 7 5 54 3 2 8 8 8 71 6 51 3 9一位1 8 5 2 一位3 4 6 2 85 6 4 3 29 1 0 4 31 6 7 1 5 7 一位2 2 5 8一位3 8 6 1 95 84 3 3 0 1 0 31 7 01 5 4一位1 7 5 3 一位4 1 6 3 1 6 04 3 3 0 1 0 51 8 51 5 5一位2 3 6 0 一位4 5 5 8 0 备左右摆是按照列车前进方句所定 注 钩之间各方向的活动量受到限制，把两钩以至于全列车的连接变成刚性 连接，而不像13 号车钩那样有一定的活动余量，从而释放两车体间所 产生的其他方向力。这样在列车运行中，钩舌间的正常摆动被锁死，其 间产生的其他方向力也通过钩尾转移给车体，增加了车体的摆振。同时， 当两车摆振产生较大不致时，即出现摆振频率由小到大向右传递，至 列车中部频率逐渐加大，横向力也相应增加，后部车钩重力压向中部， 使列车中部车辆处于蛇行状态，摆振浮起，促使列车从中部开始爬轨后 脱轨。 转向架轴承档键在正常情况下不应与轴承外豳接触，但由于16 一6 北方交通大学工程硕士专业学位论文 号、17 号车钩将全列车变成刚性连接，加大了车辆的摆振，特别是由 72 辆空车编成的长大列车，除因机车的牵引使列车前部车辆克服了一 定影响外，列车中部车辆涌动、摆振的频率将会逐渐加剧至“自激蛇行 运动”，出现了个别轮对因轴承档键的带动而向上浮起，当轮缘高于轨面 时，造成爬轨、脱轨以至颠覆。 2 3 复线隧道风力对脱轨的影响： 两次脱轨均发生在复线隧道内的上行( 空车) 线上，当列车特别是 长大轻型列车自东向西进入隧道后，车体左侧距隧道边墙较近，按流体 力学和隧道动力学理论，特别是右侧向风洞阻力作用于列车车体右侧， 加大了摆振幅度，当车体产生的横向力大于垂直动力时，再加上车辆的 横向力远远小于宽轨枕的横向阻力，迫使车轮向左测爬轨后脱轨。 2 4 转向碉费嘲糊崦测宣线商裁孥翻髋蝴向： 在60 k m h 120 k m h 速度范围时，高速火车在直线线路上 的脱轨主要由道路的不平顺引起，现时三大件式货车转向架的一系悬挂 横向刚度过尢对线路方向不平顺的适应性羞容易引起车辆的脱轨。 2 5 轮轨润滑对脱轨安全性的影响： 在铁道部科学院环形试验线综合脱轨试验和仿真研究以及其他测试 中，分析探讨了轮缘轨道内侧摩擦系数对车辆直线运行性能及脱轨可 能性的影响。 2 5 1 脱轨是轮轨几何关系的破坏。 轮对在轨道e 运行时，轮轨之间存在明确的几何约束关系。对于爬 轨、滑轨，用轮对横移或轮对抬升量来描述都是可行的，这些量若能准 确测量，那么就有直接的精确的脱轨判断标准。另一方面，当轮对在轨 道上横移时，轮轨接触角、接触点与滚动圆半径差、轮对摇头角等几何 参量发生变化，并且这些参量的变化又或多或少的影响轮轨间作用力， 这是通过轮轨力的测量反映脱轨趋向的内在原因。 对于接触斑e 的作用力有以下的平衡关系： 北方交通大学工程硕士专业学位论文 ! 2pc o s 占+ gs i n 占 ( 2 1 ) n i t e = ps i n6 一qc o s6 式中，n _ 法向力，p _ 垂向力，q _ 横向力，占书 角虫角， j e 有效摩擦系数目满足一j 朋j 。 定义脱轨系数： q p2型! ! 呈变= 坐! ! 塑鱼：塑鱼二坐 n c o s6 + n w es i n6 1 + , u e t a n6 ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可见无因次量g p 反映了轮轨接触角万，而有效摩擦系数胆 隐含了几何量以及轮对运动参数如冲角、接触角余弦、轮对横移速度、 名义速度等的影响。 图2 1 是接触角为6 8 。、 鹏在0 到0 4 变化时q p 的变 化情况；图2 2 是反映不同有效 摩擦系数下与= o 4 , 8 = 6 8 0 时， q p 限值相等的等效接触角变化 趋势( 接近线性) ，当衅等于 一0 4 时，接触角只要达到2 5 度 左右就可以达到= 0 4 , 6 = 6 酽 时的n a d a l 限度。可见有效摩擦 系数鹏对脱轨系数限值大小的影 也是显著的。这也使n a d a l 准则 的误判率较高。 陡一 、 、 l 卜口卜小1矿口- 图2 1 接触角为6 8 0 时的鹏q p 图 百 7 0 。州 箍 7 z - t 叫, 1 图2 2 与i 每n 4 函缶8 口 时等效的鹏 仉t 占图 上述的分析表明，摩擦系数对脱轨安全性的影响是显著的，通过对 有效摩擦系数的约束我们可以导出脱轨安全的动态限良。虽然以下的研 究表明脱轨系数许用值增大并不是小摩擦系数条件下脱轨发生较少的深 层原因，但这为采用改变摩擦系数的措施改善轮轨接触性能从而提高车 辆性能提供了理论导向。 我们知道，车辆的临界速度源自对线性系统特性的分析，是评价车 辆安全性能的重要指标。一般地当车辆发生不衰减的横向振动即可认为 达到临界速度。由于车辆是一强非线性系统，相应有一临界速度带，考 虑到不衰减的横向振动对车辆一轨道系统可能带来的实际危害，需要对 ! 北方交通大学工程硕士专业学位论文 其强度进行界定，从而更科学地定义车辆的临界速度，为脱轨安全性分 析提供依据。 我们知道，车辆的临界速度源自对线性系统特性的分析，是评价车 辆安全性能的重要指标。一般地当车辆发生不衰减的横向振动即可认为 达到临界速度。由于车辆是强非线性系统，相应有一临界速度带，考 虑到不衰减的横向振动对车辆一轨道系统可能带来的实际危害，需要对 其强度进行界定，从而更科学的定义车辆的临界速度，为脱轨安全性分 析提供依据。 设口。为某参数在频率下幅值( 0 乃= f c 2 ) ，定义参数 能量集中率为 a = ( 1 0 0 x 口2 口2 力) ( 2 3 ) 有效值口。= t 2 五( 2 4 ) 式中，正为采样频率。2h z 4h z 的评估频率范围是基于车辆振动特性 及f f t 特性决定的。 根据测试情况，我们认为对横向加速度使用有效幅值进行评价较为 合理，可取： 有效幅值口s o 5 9 对横向力、脱轨系数而言，参数能量集中率是进行是否有强烈横向 振动的重要判据，可取： 能量集中率旯0 8 般地，当加速度，横向力等的振动能量的8 0 0 , 6 都集中在2 t - i z - - 4 t - z 频率范围内，且加速度幅值达到0 5 9 以上时，车辆即已达到其临界运行 速度，脱轨安全性已处于一种不稳定的状态。 2 5 2 环张截试验结果分析： 针对我国近年来多次发生的货物列车直线段脱轨现象，铁科院进行 了环形线综合脱轨试验研究，轮轨润滑对车辆运行性能的影响及其定量 分析是其中的重要工作之一。 试验表明，轮轨润滑对车辆运行性能有较大影响，其结果对脱轨原 因分析、脱轨事故多发段的防护具有重要参考价值。 北方交通大学工程硕士专业学位论文 ! 以下以平车n17 的5 0 4 2 2 5 7 车为例，从轮轨横向力、脱轨系数 ( n a d a l 值) 、减载率、车体横向加速度等方面，对试验结果进行表述。 试验平车在干燥轨面以6 5 k i n _ h 1 8 0 k i n h 1 运行钢轨内侧涂油以 7 0 k m h i 1 0 0 k m _ w 1 运行，以及下雪以7 0 k i n h 】8 5 k i n h 1 运行时的横向 力对比情况是：以6 5 k r n m l - 7 0 k n d f l 速度运行时，轮轨横向力随速度增 加迅速增加，7 4 k m h 1 时拟合曲线有拐点，在速度大于8 0 k m h 1 时也有 迅速增加的可能；涂油情形，轮轨横向力在速度较大范围 7 0 k i n h 1 1 0 0 k i n h 1 内增加缓慢，9 0 k m h 1 左右拟合曲线有拐点， 1 0 0 k m w 1 后增势加大。就横向力发展趋势而言，涂油工况下该车 1 0 0 k i n h 1 运行性能与干燥轨面6 8 k n 川h 1 运行性能相当，且涂油工况下横 向力的绝对幅值远小于干燥工况。下雪工况车辆性能在干燥轨面与钢轨 内测涂油之间。 试验平车在干燥轨面以6 5 k i n h - 1 8 0 k m _ h i 运行，在钢轨内侧涂油以 7 0 k m h 1 0 0 k r n w 1 运行，以及下雪以7 0 k m h - j 8 5 k i n h - j ”运行时的减 载率的对比为：干燥轨面下，该车以6 5 k x n 1 1 1 7 0 k m h 1 速度运行时， 减载率随速度增加增加较快，7 4 k m h 1 时拟合曲线有拐点，在速度大于 8 0 k i n h 1 时，也有迅速增加的可能；涂油工况下，减载率在较大范围 7 0 k g h t 1 0 0 k m m 内增加，就减载率而言，涂油下该车以9 0 k m ho 运 行性能与干燥轨面以8 0 k i n _ h 1 运行性能接近。下雪工况车辆性能在干燥 轨面与钢轨内侧涂油工况之间。 同时通过对于燥工况和涂油工况下的横向力q ( k n ) 、脱轨系数q p ( n a d a l 值和a a r 滑动平均衡、车体横向加速度曲及能量集中率五的 比较，我们发现，在未涂油工况下，该车在7 0 k m h 速度下，脱轨系数 的n a d a l 值普遍达到了1 0 ，车体横向加速度普遍达到0 5 9 ，频率集 中在2 5 h z 左右，能量集中率 超过了0 9 ，也就是说该车已达到其临 界速度。而钢轨内侧涂油后，在8 0 k m a h - i 速度下的能量集中率仅为 0 1 2 2 3 ，在1 0 i i l r 1 速度下的能量集中率也仅为0 7 7 7 ，且该 车的横向力达到了3 0 k n ，脱轨系数( n a d a l 值) 达到了1 0 ，加速度达到 0 5 9 的次数仍小于该车未涂油时7 0 k i n _ h 1 的超限次数。 从以t 轮轨横向力、脱轨系数、减载率、车体横向加速度等试验结 果对比分析可见：减小轮轨孰冁系数可以改善车辆的横向性能，当轮 一1 0 北方交通大学工程硕士专业学位论文 轨摩擦系数小到一定程度时，比如轮勒涂油，可以明显改善车辆的横向 性能，这在轮轨横向力、脱轨系数、车体横向加速度等数值分析比较中 有相当一致的反映。涂油可以改善车辆垂向性能，但不显著，这可能是 横向性能改善的耦合效应；依照以上对临晃速度的定义，涂油可以使空 货车临界速度显著提高。 2 5 3 计算分析： 为了分析轮缘钢轨间摩擦系数对车辆动力学性能的影响，铁科院 利用n u c a r s 车辆动力学分析软件，采用准确测定的被试车辆静态参 数，建立了完整的动力学计算模型。在试验前主要以传统观念上的车辆 临界速度为指标对轮轨摩擦系数影响进行了分析。 下面是平车x 6 a5 2 0 2 7 4 0 的仿真结果。其中干燥工况下，轮轨踏面 和轮缘轨内侧摩擦系数均取为0 4 ：涂油工况下轮轨踏面摩擦系数 仍取为0 4 ，轮缘轨内测摩擦系数取为0 0 9 。 a 完全平直轨道t 的对比分析： 干燥情况下，在7 9 1 k n lh 1 时该车轮对受扰后的横向运动已由稳定 的收敛运动转化为不稳定的等幅、等频振动。同时，此时的车体横向振 动加速度幅值已达0 6 9 ，根据对临界速度的定义，可以认为此车的计算 临界速度为7 9 k m h 1 轮缘涂油工况下，虽然涂油后轮对横向运动由收敛 转化为不收敛的速度仅是由7 9 k m 。变为8 0 k mh 1 ，但其轮对横移幅值 和车体横向加速度却远远小于干燥工况下的值，根据前文关于临界速度 的定义，可以认为在8 0 k m h l 下该车仍处于稳定的运行状态下。 随着速度的提高，涂油工况的各项指标均明显小于干燥工况下的各 项指标。在1 0 0 k m h 速度时，涂油工况下的轮对横移量未超过1 0 m m ， 车体横向加速度未超过0 5 9 ，轮轨横向力未超过1 0 k n ，n a d a l 脱轨系 数最大不超过0 2 ，所以可以认为，在1 0 0 k m h 速度下，此车仍处于 稳定的运动状态下。也就是说，计算结果显示，涂油至少可以将此车的 临界速度提高2 0 k m h 以上。 b 直线不平顺响应分析： 当然，上述结果显示各项指标较小，与采用的激励是平直轨道有关。 然而在不平顺的线路上，涂油工况下的各项指标也明显小于干燥工况下 的值。而且，涂油工况下大值的出现并不象干燥工况下始终保持在较高 北方交通大学工程硕士专业学位论文 旦 的水平：出现持续的等频等幅振动，而是在局部出现较大的值，并且可 以衰减下去。如 o o k _ m 速度下，涂油时的脱轨系数仅在局部区段大 于1 0 ，而不是象干燥时脱轨系数普遍大于1 0 。 以上计算表明，轮( 缘) 轨侧涂油的确能明显改善空货车的横向性能， 从而有效地提高车辆运行的安全性能。 根据直线脱轨试验、仿真计算、相应验证性试验的结果分析，可以 认为，轮轨摩擦状态的改变对脱轨事故，的发生有重要影响，摩擦系加 大，脱轨系数许用值减小，车辆横向振动加大，车辆就容易脱轨。 2 6 列车横向振动脱轨： 从轮轨的相互关系讲，无论是曲线脱轨还是直线脱轨，都是由于轮 轨之间的横向作用力过大或车轮减载严重，致使脱轨系数或减载率超过 极限值造成的。事实上，直线脱轨时钢轨上存在明显的车轮爬轨痕迹， 车辆超过一定速度在直线上运行时也观测到严重的车轮浮起现象，说明 列车在直线上运行时也会产生较大的横向轮轨作用力和严重的车轮减载 现象，值得研究的是，是什么原因造成列车在直线上要承受如此大的横 向力，车轮减载如此严重，以致造成列车脱轨事故? 从目前的研究水平 来看，合理的解释是，列车在某速度下产生了严重的横向振动，最后 导致列车脱轨。下面是列车横向振动脱轨原理分析： 车辆在直线上运行时，由于车轮踏面为锥形和轮缘与钢轨间存在间 隙，当轮对中心在行进中偶而偏离直线轨道中心时，两轮便以不同直径 的滚动圆在钢轨匕滚动，使轮对在迁进中一面作横向摆动，一面围绕经 其重心的垂轴来回摇头，形成被称为“蛇行运动”的波形运动，剧烈的 蛇行运动不令破坏列车辆运行的平稳性，而且还破坏线路，甚至引起脱 轨事故，妨碍列车速度的提高。 当轮对在直线上匀速前进时，在某一瞬间，轮对中心偏离轨道中心 的距离为y ，轮对运行方向与线路中线间的夹角为a ，可知蛇行运动的方 程式为： f 五 y 叫哪8 m 1 石。 一1 2 北方交通大学王曼堡主童些堂垡堡塞 ( 2 5 ) 式中，y 。| - 蛇衍垂动的最大横移量： 凡车轮踏面锥度，我国新车轮 = 1 2 0 ： h 广车轮半径，我国货车r o = o 4 2 m ； r 戡路钢轨中心间距之半，鳓7 5 m ； 鲇制偏离线路中线的初始倾角，也是最大倾角： 口o = 口m “。 式( 2 5 ) 表明，轮对相对于轨道中心线同时进行周期性的侧摆和 摇头，这两个耦台挂行的运动y 和a 的振幅间存在一定的关系，频率相 同，相位差9 0 0 ，其蛇行运动的波长及频率为： ：2 万，型 ( 2 6 ) v 五 f ：兰：兰三( 2 7 ) l 2 x 1 r o s 二轴转向架的蛇行运动波长与频率为： 小z 一等( + 多 ( 2 s ) 五= 去 ( 2 9 ) 式中，u 行车速度，m s ； i 转向架长度之半，其它符号意义同前。 以我国货车轮对和“转8 ”转向架为例，由上式可算得车轮蛇行运 动的波长l = 1 5 7 7 m ，转向架蛇行运动的波长l o = 2 4 2 3 3 m 。不同行车速 度时其相应的频率f 和f o 列于表2 2 ： 显然，若车轮或转向架蛇行运动的频率与车辆相应的固有频率相一 致，则将发生共振，命名车辆的横向振动加剧，车轮撞吉钢轨，部分车 轮在剧烈的摆动下瞬时浮起，使脱轨系数与车轮减载率急剧增大，若脱 轨系数或减载率的限值k 或k 下降的不利局面也同时出现，则会导致 车辆在直线脱轨。 厣 soc 0 口 = 口 辱 北方交通大学工程硕士专业学位论文 旦 表2 2 不同行车速度时相应的频率 v f 而 o 缸汕)z )o a z ) 3 00 5 2 80 3 4 4 4 00 7 0 5 0 4 5 9 5 00 8 8 1 0 5 7 3 6 01 0 5 70 6 8 8 6 51 1 4 5 0 7 4 5 7 01 2 3 3o 8 0 2 v f 南 m 哟o z ) o z ) 7 51 3 2 10 8 6 0 8 01 4 0 9 o 9 1 7 8 51 4 9 70 9 7 4 9 0 1 5 8 51 0 3 2 1 0 01 7 6 11 1 4 6 1 l o1 9 3 71 2 6 1 长期以来，机车车辆的设计部门也采取了各种措施来阿氐蛇行频率， 提高固有频率，使列车的常用速度低于共振临界速度，以避免车辆横向 共振的发生，这些措施包括：约束轮对在转向架构架内的活动；增长转 向架的轴距；采用踏面斜度为1 4 0 的轮对；采用短吊杆摇动台等。当然， 由于蛇行运动理论是在车轮运行是纯滚动、车轮踏面锥度为常数等一系 列假设下推导的，因而对高速列车运行稳定性的一些现象无法解释，需 用基于蠕滑等理论的整个车体系统的稳定性理论来研究高速列车的运行 稳定性问题，但在低速时仍可用蛇行运动理论来分析一些问题。 若f 和为轮对和转向架的横向振动固有频率，则由蛇行共振理 论可知，当皋f ，或乎f o 时，车体将产生横向共振，就有脱轨的危险。 由式( 2 7 ) 和式( 2 9 ) 可推出其共振临界速度分别为： 旧砌厣 ”o = 7 2 n ( 2 1 1 ) 式中u 的单位为k m h 。 若确知轮对和转向架的固有( 自振) 频率，就能算得共振临界速度， 只要列车运行速度低于车辆的共振幅界速度，通常不会发生直线脱轨事 旦 北方交通大学工程硕士专业学位论文 故。 不难理解，即使不采用e 述蛇行运动共振理论来确定共振临界速度， 而用车体系统的稳定性理论来分析问题，也需由车辆部门给出车辆的失 稳速度，以使运营部门避开这速度，防止列车脱轨，保证行车安全。 众多的直线脱轨事故和进行的直线脱轨试验，进一步证实了车辆确 有一个临界失稳速度，进行大量的试验研究，确定出我国主要机车辆类 型的横向振动固有频率和临界失稳行车速度，将会对我国的列车辆提速 工作及行车辆安全作出重大贡献，但目前这方面的资料与数据极少，使 直线脱轨事故的分析工作陷入困境。 2 7 曲线脱轨分析： 车辆在曲线脱轨的原因比较复杂，是各种不利因素综合作用的结果。 在进行脱轨分析时，除轮、轨部件破损及人为因素等责任比较明确外， 由于“综合作用”的结果，往往是多方都有责任。从防范与社会脱轨事 故出发，应在提示脱轨机理的基础上，各自做好工作，用设备的良好状 态与维修工作的到位去“补偿”其他设备的不良和工作不够造成的不利 影响，脱轨事故的最终结果是在各种不利因素的影响下，一个车轮爬e 或眺下钢轨，造成轮对的另一端车轮掉道，因此，进行曲线脱轨分析时， 应从轮轨之间的相互作用入手进行研究。 2 7 1 曲线掰滴喇南脱懒 a 曲线脱轨条件。如图2 3 所示，当 车轮轮缘贴靠曲线钢轨且轮轨一点接触 时，车轮处于脱轨的临界状态，此时横向 导向力y 与车轮荷载q 均作用在此点上。 车轮能否脱轨，要根据轮轨间的受力情况 而定。 通过轮缘与钢轨接触点并沿轮缘倾角 线作一基准线a b ，若车轮在力的作用下 沿a b 线上爬，必然使另侧车轮掉入轨道造成车轮曲线脱轨，若车轮 在力的作用下沿a b 线下滑，由于轨顶的支撑作用及另侧车轮轮缘的 顶推作用，车轮就不会脱轨，因此，进行脱轨分析时，首先应分析各种 北方交通大学工程硕士专业学位诧文堕 力在a b 线上分力的关系，以确定脱轨条件是否成忘。 由阙2 3w 知，在轮轨之间的a b 滑动稀上，可把横向力y 和羲直 轮重q 分别分矮残爨妻予a b 线豹歪援力和沿a b 线的游动力。攫攒力 的平衡条件，要使车轮不沿a b 线爬k 钢轨造成脱轨，就必须满足下列 条件： q s i n $ 一y c o s p , u ( y s i n $ + q c o s ；b 1 摁上式进行适当变换压，攀轮不a 蔸孰的条件就成为： 旦塑生：坐( 2 _ 1 2 ) q1 + u t a n p 式中y _ 一曲线轨道承受的横向力； p 垂整轮耋； 率轮轮缘倾角，我国机车率轮b 叫o o ，牟辆车轮1 5 = 6 5 0 - - 6 8 。 辛q 勒间的摩擦系数。 令： 足：塑望二型 l + t a n 则上式变为： 兰蔓k q ( 2 1 3 ) 只簧馥线赣蓬b 轮勃之闻静横肉力y 与垂奁轮重q 之琵不超避k 馕，车轮就不会脱轨，通常把比值y q 叫做脱轨系数，k 是脱轨系数的 临界值。 不难著盘，蚕2 3 只分耨了一个牮轮豹兢辘条俘与受力关系，悉 个轮对的脱轨条件及受力情况，可参精图2 4 进行分析。 堕北方交通大学工程硕士专业学位论文 显然，轮对处于脱轨的临界状态时，其外轮轮缘仍与轨头小圆角一 点贴靠，作用有横向( 导向) 力y 1 ，而内轮轮缘则不与曲线里轨贴靠， 但由于不脱轨时外轮的下滑趋势，内轮通过轨顶面施加给里轨一个横向 力y 2 ，y 1 和y 2 的合力为车轮轴向力h = y 1 y 2 ( 图2 4 ) 。同理，当外 轮上作用于a b 方向的力使车轮沿a b 线下滑时，轮对就不会脱轨，这 时内轮就有向右滑移的趋势。从而使轮踏面承受一个向左的磨擦阻力 ：q ：。则实际上作用在外轮的水平力不是k ，而是h + l a 2 q 2 ，比照 式( 2 1 2 ) 当轮对中外轮满足下列条件时，轮对也不会脱轨： 丝：丝鱼塑旦二丝( 2 1 4 ) q i1 + “t a n 届 式中，q 1 ，q ：曲线外轮、里轨承受的垂直轮重； “，：轮对外，内轮的轮轨摩擦系数，通常取“= 2 = ； 崩一夕h 轮轮缘倾角，= 。 由于内轮的滑动面a b 为1 2 0 斜度的轮踏面，滑动面的倾角 1 ：= a r c t a n 去 。由于2 很小可忽略不计，根据平衡条件k = ：q ：， z u 则： h + u 2 q 2 ：兰二兰竺2 垒：旦 塑璺生二型 ( 2 】5 ) q lq l q 1l + t a i l 对照式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 5 ) 后不难看出，轮对的脱轨条件与外轮的 脱轨条件是完全相同的，因此，在进行脱轨分析时，只需对一个车轮即 外轮进行分析计算即可，不必再去研究轮以的脱轨条件。 综e 所述，列车在曲线上运行时，转向架前轴外轮轮缘贴靠钢轨， 北方交通大学工程硕士专业学位论文旦 若此时轮勒之间导向力y 与该处垂直轮重q 之比满足式( 2 1 2 ) ，车轮 就不公脱轨，否则就有脱轨危险，通常把式( 2 1 2 ) ，z f - 仓就不会脱轨， 否则就有脱轨危险。通m j v _ i 式( 2 1 2 ) 看作是车轮脱轨的条件。 b 脱轨系数及临界值分析。为了便于对脱轨机理进行分析，把式 ( 2 1 2 ) 的脱轨条件改写成式( 2 1 3 ) 的形式，由式( 2 1 3 ) 可知，只 要脱轨系数y q 小于或等于其临界限值k ，车辆就不会在曲线脱轨。 因此在研究曲线脱轨的原因与机理时，要对影响曲线脱轨的y 、q 、k 三种因素进行全面分析，既要研究脱轨系数的影响因素，也要了解脱轨 系数临界限值的变化规律，以便能系统地提示脱轨原因，全面地采取防 范措施。 。 ( 1 ) 影响横向( 导力) 力y 的因素分析。由前述曲线轨道承受的 横向力的有关计算公式可知，横向力y 与行车速度、曲线半径、转向架 结构及线路与车轮状况有关。例如曲线半径越小，横向力y 就越大，因 此小半径曲线列车脱轨的机率要大于大半径曲线。根据日本铁路的统计 资料，发生在r 3 2 6 当然，曲线原有超高是否恰当，即曲线存在欠超高或过超高时，也 会影响y 值，但由于其同时也影响垂直轮重q ，因此，对脱轨系数y q 的影响不大。例如当存在曲线欠超高时，横向力y 增大，但同时外轨 承受的垂直轮重q 也增加，因而脱轨系数y q 变化不大。存在曲线过 超高时也样，y 和q 都减小，y q