唐士晟,史永革,張小勇

(烏魯木齊鐵路局,新疆烏魯木齊830011)

新疆鐵路地處大漠戈壁,屬于典型大陸性氣候,干旱少雨,自然環(huán)境惡劣。每年受冷空氣影響,大風(fēng)頻繁。強冷氣流經(jīng)過山口時產(chǎn)生狹管效應(yīng),風(fēng)速加大,同時受新疆北高南低地形影響,大風(fēng)順坡而下,風(fēng)力強勁。風(fēng)區(qū)站停留的車輛在大風(fēng)作用下,受到沿車長方向的氣動力。在線路坡度為零時,當(dāng)氣動力等于車輛起動阻力之和時,車輛達(dá)到臨界溜逸狀態(tài);當(dāng)氣動力大于車輛起動阻力之和時,車輛將發(fā)生溜逸,造成行車事故。新疆鐵路歷史上分別在天山和阿拉山口站發(fā)生過車輛溜逸事故,給鐵路運輸帶來損失。

1 風(fēng)場中停留車輛受力分析

1.1 沿車長方向氣動力

大風(fēng)是造成車輛溜逸的主因,當(dāng)車輛停留在坡道上時,由于風(fēng)向不同,車輛可能順坡溜逸,也可能逆坡溜逸。

車輛在風(fēng)場中受到的氣動力比較復(fù)雜,本次研究僅將對車輛溜逸起決定因素的沿車長方向氣動力(即縱向推力)作為研究對象。根據(jù)車輛模型風(fēng)洞試驗,沿車長方向氣動推力ρ v2HLC,其中 ρ為空氣密度;v為風(fēng)速;H、L為車輛模型結(jié)構(gòu)特征尺度,H為車高,L為車長;C為沿車長方向氣動系數(shù),大小與來風(fēng)方向有關(guān)。所以,沿車長方向氣動推力的大小與風(fēng)速、風(fēng)向角(風(fēng)向與車輛之間所夾銳角)、車型、車輛編組位置有關(guān),與車輛載重?zé)o關(guān)。

(1)擋風(fēng)墻對沿車長方向氣動力的影響

擋風(fēng)墻的遮蔽效應(yīng)實質(zhì)上是抬高迎風(fēng)氣流而改變流場,并在擋風(fēng)墻與車輛之間產(chǎn)生渦流,降低了風(fēng)速。沿車長方向氣動力與風(fēng)速的平方成正比,由于擋風(fēng)墻后風(fēng)速較無擋風(fēng)墻風(fēng)速小,故風(fēng)向角一定時,擋風(fēng)墻后車輛所受氣動力小于無擋風(fēng)墻遮蔽的車輛,相對安全。另外,根據(jù)試驗結(jié)果,針對不同類型的擋風(fēng)墻,對拉式擋風(fēng)墻后車輛所受氣動力小于土堆式擋風(fēng)墻后車輛所受氣動力,防護效果較優(yōu),見表1。

表1 不同類型擋風(fēng)墻后車輛所受縱向氣動力比較(以中間車為例) kN

(2)風(fēng)向角對沿車長方向氣動力的影響

風(fēng)向角對車輛所受縱向氣動力影響較大,根據(jù)試驗結(jié)果,當(dāng)風(fēng)向角為 30°時,沿車長方向氣動力最大,見表2。

表2 不同風(fēng)向角車輛所受縱向氣動力比較(以無擋風(fēng)墻條件下的中間車為例) kN

(3)車型和編組位置對沿車長方向氣動力的影響

相對不同車型,敞車受到的沿車長方向氣動力最大,棚車次之,單層客車最小;相對車輛位置,頭車較大,尾車、中間車較小。見圖1無擋風(fēng)墻區(qū)段沿車長方向氣動力同車型、風(fēng)向角、車輛編組位置的關(guān)系。

1.2 車輛起動阻力

根據(jù)TB/T 1407-1998《列車牽引計算規(guī)程》對裝有滾動軸承貨車起動單位基本阻力取3.5 N/kN,則起動阻力為3.5×(車輛自重+載重)。

圖1 無擋風(fēng)墻區(qū)段車輛縱向氣動力與車型、風(fēng)向角、車輛編組位置的關(guān)系

1.3 閘瓦制動力

長時間停留在風(fēng)區(qū)的車輛,由于管路風(fēng)壓已全部泄漏,自動制動機失去作用,其制動力為零。這時車輛制動力主要由手制動機產(chǎn)生。根據(jù)TB/T 1407-1998,貨車每輛換算閘瓦壓力40 kN,客車每輛換算閘瓦壓力80 kN。對于中磷閘瓦,當(dāng)車速為零時,換算摩擦系數(shù)為0.433。所以,貨車每輛手制動機產(chǎn)生的制動力為17.32 kN,客車每輛手制動機產(chǎn)生的制動力為34.64 kN。

1.4 坡道下滑力

坡道下滑力由車輛重力產(chǎn)生,根據(jù) TB/T 1407-1998車輛單位坡道下滑力等于坡道的千分?jǐn)?shù),則坡道下滑力為i×(車輛自重+載重),i為坡道千分?jǐn)?shù)。在順坡風(fēng)作用時,車輛重力產(chǎn)生的也是造成車輛向坡下溜逸的因素之一,屬于溜逸動力;在逆坡風(fēng)作用時,坡道下滑力阻止車輛向坡上溜逸,屬于溜逸阻力。

1.5 鐵鞋制動阻力

鐵鞋制動的原理就是變滾動摩擦為滑動摩擦,增大摩擦力,使溜行車輛盡快減速停車,從而達(dá)到制動目的。對于停留在風(fēng)區(qū)的車輛,受到風(fēng)力和車鉤力往復(fù)作用,原本和車輪踏面貼實的鐵鞋逐漸松脫,最終失去保護作用。另外,以自重200 kN的貨車為例,鐵鞋與鋼軌摩擦系數(shù)為0.15,單個鐵鞋制動力不超過15 kN,與氣動力相比很小,可以忽略。故鐵鞋制動阻力在溜逸分析時不予考慮。

2 臨界溜逸狀態(tài)計算模型

2.1 順坡風(fēng)作用下(圖2)

溜逸動力=風(fēng)作用車輛氣動力+坡道下滑力

溜逸阻力=車輛起動阻力+閘瓦制動力

當(dāng)動力等于阻力時,車輛處于臨界溜逸狀態(tài)。根據(jù)等式,可以求出順坡風(fēng)作用下不發(fā)生溜逸所需最少手制動車輛數(shù)。

圖2 順坡風(fēng)作用下車輛受力簡圖

2.2 逆坡風(fēng)作用下(圖3)

溜逸動力=風(fēng)作用車輛氣動力

溜逸阻力=車輛起動阻力+閘瓦制動力+坡道下滑力

當(dāng)動力等于阻力時,車輛處于臨界溜逸狀態(tài)。根據(jù)等式,可以求出逆坡風(fēng)作用下不發(fā)生溜逸所需最少手制動車輛數(shù)。

圖3 逆坡風(fēng)作用下車輛受力簡圖

2.3 順、逆坡風(fēng)的確定

根據(jù)風(fēng)區(qū)車站線路走向和車站附近測風(fēng)站多年12級及以上大風(fēng)風(fēng)向統(tǒng)計規(guī)律確定風(fēng)向角分布范圍,確定最不利風(fēng)向角(30°時氣動推力最大),再結(jié)合車站坡度方向確定順、逆坡風(fēng)。

3 車輛載重量及順、逆坡風(fēng)對溜逸的影響

由臨界溜逸狀態(tài)計算模型分析,逆坡風(fēng)作用下,溜逸動力隨車輛載重的增大而保持不變,溜逸阻力隨車輛載重的增大而增大,此時空車發(fā)生溜逸的可能性較大。

順坡風(fēng)作用下,溜逸動力中包含的坡道下滑力隨車輛載重的增大而增大,同時溜逸阻力中包含的車輛起動阻力也相應(yīng)增大,二者數(shù)值之差為(i-3.5)×車輛總重,當(dāng)i＜3.5時,坡道下滑力小于車輛起動阻力,二者差值隨車輛載重增大而增大,所以相比較而言,空車溜逸的可能性高于重車。

4 風(fēng)區(qū)車站停留車輛不發(fā)生溜逸所需最少手制動車輛數(shù)的計算過程

以煙墩風(fēng)區(qū)思甜站為例,根據(jù)2004—2009年大風(fēng)統(tǒng)計數(shù)據(jù),得到最大年極值風(fēng)速(瞬時風(fēng)速)為42.3 m/s,根據(jù)十六風(fēng)向統(tǒng)計玫瑰圖得到該站12級及以上主盛行風(fēng)向為ENE(東東北風(fēng)),頻率為38%,次盛行風(fēng)向為PPN(北風(fēng))、ESE(東東南風(fēng))、PSE(東南風(fēng))、SSE(南東南風(fēng))、SSW(南西南風(fēng)),出現(xiàn)頻率各13%。思甜站坡度為2.7‰,坡向為下行下坡。

根據(jù)思甜站線路走向和坡道走向,確定不利風(fēng)向為SSE(南東南風(fēng)),風(fēng)向角為27.5°,屬于順坡風(fēng)。假定停留貨車輛數(shù)50輛,客車30輛,利用臨界溜逸狀態(tài)計算模型計算,得到表3。由表3可知,在思甜站停留車輛在順坡風(fēng)作用下,空車發(fā)生溜逸的可能性比重車大。相同條件下,空敞車發(fā)生溜逸的可能性大于空棚車、客車。

同時,風(fēng)向PPN(北風(fēng))也應(yīng)該考慮,其風(fēng)向角為50°,屬于逆坡風(fēng)。假定停留貨車輛數(shù)50輛,客車30輛,利用臨界溜逸狀態(tài)計算模型計算,得到表4。由表4可知,在思甜站停留車輛在逆坡風(fēng)作用下,空車發(fā)生溜逸的可能性比重車大。相同條件下,空敞車發(fā)生溜逸的可能性大于空棚車、客車。

由此可見,思甜站最不利風(fēng)向為SSE(南東南風(fēng))。順、逆坡風(fēng)條件下,空車發(fā)生溜逸的可能性均大于重車,空敞車發(fā)生溜逸的可能性大于空棚車、客車。因此,在以后確定停留車輛不發(fā)生溜逸所需最少手制動輛數(shù)時均以空車參數(shù)為計算依據(jù)。

表3 思甜站各車型在順坡風(fēng)作用下臨界溜逸狀態(tài)計算表

表4 思甜站各車型在逆坡鳳作用下臨界溜逸狀態(tài)計算表

5 各主要風(fēng)區(qū)車站停留車輛最少手制動輛數(shù)計算結(jié)果

5.1 煙墩風(fēng)區(qū)(無擋風(fēng)墻區(qū)段,表5)

表5 煙墩風(fēng)區(qū)車站停留車輛最少手制動輛數(shù)計算公式

5.2 0.5 km風(fēng)區(qū)(對拉式擋風(fēng)墻區(qū)段,表6)

表6 0.5 km風(fēng)區(qū)車站停留車輛最少手制動輛數(shù)計算公式

5.3 0.015km風(fēng)區(qū)(土堆式擋風(fēng)墻,表7)

根據(jù)計算結(jié)果,極端大風(fēng)條件下,天山站應(yīng)禁止單輛空棚車或空敞車停留,此時僅靠手制動力不能保證制動安全,車輛有溜逸危險。

表7 0.015 km風(fēng)區(qū)車站停留車輛最少手制動輛數(shù)計算公式

5.4 南疆線前100 km風(fēng)區(qū)(鐵泉、珍珠泉、紅山渠處于對拉式擋風(fēng)墻區(qū)段,其余為無擋風(fēng)墻區(qū)段,表8)

6 增設(shè)輔助防溜措施

根據(jù)計算結(jié)果,當(dāng)車站停留車輛在20輛以上時,極端大風(fēng)條件下,思甜、天山、鹽湖、阿拉山口、東湖溝、托克遜、小埡、布爾加依、八盤磨站停留車輛最少手制動車輛比例接近或超過40%,其中天山、托克遜、小埡超過50%。從發(fā)生溜逸可能性的大小分析,從大到小排序為第一天山站,第二托克遜、小埡站,第三思甜、鹽湖、東湖溝站,第四阿拉山口、布爾加依、八盤磨站。如僅從安全角度考慮,上述車站在極端大風(fēng)條件下不宜停留車輛。

當(dāng)運輸生產(chǎn)和避風(fēng)防災(zāi)應(yīng)急需要確需上述車站停留車輛時,為保證行車安全,則需要考慮在上述風(fēng)區(qū)車站增加輔助防溜設(shè)施。對目前所使用的各種輔助防溜設(shè)施進(jìn)行比較分析,靜態(tài)液壓防溜器不失為一個好的選擇。根據(jù)資料介紹,每組靜態(tài)液壓防溜器對每條輪對的制動力30～70 kN,一般可夾 4～6條輪對,每組最少制動合力120 kN。每增加一組液壓防溜器后,對于貨車,最少相當(dāng)于增加6.9輛(120/17.32)手制動車輛,對于客車最少相當(dāng)于增加3.5輛(120/34.64)手制動車輛。各個車站實際所需液壓防溜器組數(shù),可根據(jù)各風(fēng)區(qū)車站停留車輛最少手制動輛數(shù)計算結(jié)果和車站到發(fā)線線路條件具體確定。靜態(tài)液壓防溜器的使用在提高安全保障的同時將大大縮短作業(yè)時間,減輕作業(yè)人員勞動強度。

表8 南疆線前100 km風(fēng)區(qū)車站停留車輛最少手制動輛數(shù)計算公式

[1] TB/T1407-1998列車牽引計算規(guī)程[S].

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