龔凱，向俊，毛建紅, 2，余翠英

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洪澇災(zāi)害引起的貨物列車脫軌全過程分析

龔凱1，向俊1，毛建紅1, 2，余翠英1

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，4100752. 華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌，330009)

基于列車?軌道系統(tǒng)空間振動分析理論，考慮洪澇災(zāi)害的影響，建立洪澇災(zāi)害條件下列車?軌道系統(tǒng)空間振動分析模型。根據(jù)彈性系統(tǒng)動力學(xué)總勢能不變值原理及形成系統(tǒng)矩陣的“對號入座”法則，建立此系統(tǒng)空間振動矩陣方程。運(yùn)用列車脫軌能量隨機(jī)分析理論，提出洪澇災(zāi)害條件下列車脫軌全過程計算方法，分別對該條件下直線和曲線路段列車脫軌全過程進(jìn)行計算和分析。研究結(jié)果表明：洪澇災(zāi)害引起的貨物列車在直線和曲線路段脫軌時轉(zhuǎn)向架搖頭角分別為0.20°和0.27°，轉(zhuǎn)向架與鋼軌之間的橫向相對位移分別為52.8 mm和48.1 mm, 相比直線路段，列車在曲線路段更易脫軌。這些研究結(jié)果可為研發(fā)機(jī)械式的列車脫軌報警器提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而確保該報警器能在列車脫軌時立即發(fā)出報警，使列車及時停車。

鐵道工程；脫軌全過程；洪澇災(zāi)害；貨物列車；脫軌能量隨機(jī)分析理論

列車脫軌全過程計算是再現(xiàn)列車脫軌全過程，進(jìn)一步認(rèn)識列車脫軌本質(zhì)、揭示列車脫軌機(jī)理，尋求有效預(yù)防列車脫軌措施的基礎(chǔ)性工作。列車脫軌原因多種多樣，但不外原因明確的脫軌和不明原因的脫軌兩種。對于不明原因下的列車脫軌全過程計算，作者所在課題組已經(jīng)取得了一些突破性的進(jìn)展及實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用成果[1?6]，并為后續(xù)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。對于原因明確的脫軌，如：洪澇災(zāi)害、山體滑坡、地震、大風(fēng)等引起的脫軌。其中，洪澇災(zāi)害對鐵路的影響常常表現(xiàn)為軌下基礎(chǔ)被洪澇沖毀，即部分軌枕處于懸空狀態(tài)，因軌枕懸空而導(dǎo)致的列車脫軌事故國內(nèi)外時有報道[7?8]。目前，肖新標(biāo)等[9?11]在該方面進(jìn)行了初步的探討，但他們是在不考慮軌道不平順作用的前提下，對軌道結(jié)構(gòu)失效狀態(tài)下的高速列車脫軌機(jī)理進(jìn)行研究；朱劍月等[12?14]運(yùn)用列車?軌道動力學(xué)理論，較為全面地針對軌下扣件支承失效和軌枕吊空對軌道結(jié)構(gòu)動力性能的影響進(jìn)行研究，但其未對軌道結(jié)構(gòu)失效狀態(tài)下的列車脫軌機(jī)理進(jìn)行研究。而國外學(xué)者對洪澇災(zāi)害下列車動態(tài)脫軌機(jī)理的研究鮮見報道。為此，本文作者以列車?軌道系統(tǒng)空間振動分析理論為基礎(chǔ)，較為全面地考慮實(shí)際線路情況，建立洪澇災(zāi)害條件下列車?軌道系統(tǒng)空間振動分析模型。采用彈性系統(tǒng)動力學(xué)總勢能不變值原理及形成系統(tǒng)矩陣的“對號入座”法則，建立列車?軌道系統(tǒng)空間振動矩陣方程。運(yùn)用列車脫軌能量隨機(jī)分析理論，分別對洪澇災(zāi)害條件下直線路段和曲線路段上貨物列車脫軌全過程進(jìn)行計算，分析列車脫軌時的輪軌接觸狀態(tài)、輪軌相對位置和尺寸關(guān)系等，揭示洪澇災(zāi)害條件下列車的脫軌規(guī)律，進(jìn)一步理解洪澇災(zāi)害條件下列車的脫軌機(jī)理，為研發(fā)機(jī)械式的列車脫軌報警器提供理論依據(jù)和可靠的技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而確保這樣的報警器能在列車脫軌的瞬間報警，及時停車。

1 洪澇災(zāi)害條件下列車?軌道系統(tǒng)空間振動分析模型

1.1 列車空間振動分析模型

基于列車?軌道系統(tǒng)振動分析理論，以貨物列車為例，將列車中的機(jī)車和車輛離散為具有二系懸掛的多剛體系統(tǒng)，并進(jìn)行如下假定：

1) 輪對、轉(zhuǎn)向架和車體沿線路方向作勻速運(yùn)動；

2) 車輛模型中所有彈簧均認(rèn)為是線性的，所有阻尼均按黏性阻尼計算；

3) 車體和轉(zhuǎn)向架前后對稱。

車體及轉(zhuǎn)向架均考慮伸縮、橫擺、浮沉、側(cè)滾、點(diǎn)頭和搖頭共計6個自由度，4個輪對僅考慮浮沉和橫擺2個自由度。因此，每輛車共有26個自由度。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)每一輛車的空間振動勢能，進(jìn)一步得出列車振動總勢能V，具體推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)[15]。

1.2 軌道結(jié)構(gòu)空間振動分析模型

針對軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分成2層，不考慮道床的振動。在該模型中，軌枕置于彈性道床上；鋼軌視為連續(xù)彈性基礎(chǔ)Euler梁；鋼軌與軌枕之間的扣件模擬為線性彈簧及粘滯阻尼器；軌枕視為彈性變形體，但不計其軸向變形及扭轉(zhuǎn)變形；將有限長的軌道系統(tǒng)劃分為若干個軌段單元，每個軌段單元離散為34個自由度的有限元模型。

以該模型為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出每個軌段單元的空間振動勢能，然后將所有軌段單元組裝在一起，進(jìn)而推導(dǎo)出軌道振動總勢能T，具體推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)[15]。

1.3 洪澇災(zāi)害模擬

考慮到洪澇災(zāi)害對列車?軌道系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，在軌道結(jié)構(gòu)空間振動分析模型中取消部分軌下基礎(chǔ)支承來模擬該軌道基礎(chǔ)被洪水沖毀的現(xiàn)象，即軌下基礎(chǔ)剛度及阻尼1，2，3，1，2和3均為0。同時，假定被洪澇沖毀的軌道基礎(chǔ)路段設(shè)置在線路中間部分，并且連續(xù)10根軌枕支撐失效。做出該假定是因?yàn)楸疚牡闹髦际菫榱嗽佻F(xiàn)洪澇條件下列車脫軌全過程，研究列車的脫軌軌跡和明確列車的脫軌機(jī)理，為列車脫軌報警裝置提供理論依據(jù)和合理的技術(shù)參數(shù)，而研發(fā)這樣的報警器是為了列車在脫軌的第一時間報警，并通過機(jī)械方式使列車在脫軌的瞬間及時剎車。因此，假定連續(xù)10根軌枕支撐失效的情況下列車會發(fā)生脫軌。當(dāng)然，軌枕連續(xù)懸空的范圍有大有小，對于列車發(fā)生脫軌時軌枕連續(xù)懸空的臨界根數(shù)，本文不予考慮。

洪澇災(zāi)害條件下軌道結(jié)構(gòu)空間振動分析模型如圖1所示。

(a) 三視圖；(b) 端視圖；(c) 側(cè)視圖

1.4 系統(tǒng)空間振動方程建立與求解

設(shè)在時刻時, 軌道上運(yùn)行了輛車，則列車振動總勢能V如下式所示：

通過疊加列車振動總勢能和軌道振動總勢能即可得到洪澇災(zāi)害條件下列車?軌道系統(tǒng)空間振動總勢能如下式所示：

同時，計算列車脫軌全過程，必須考慮輪軌位移銜接條件：

1)W=T+irr+ΔWT；

2)W=T+irr+ΔWT；

3) 還應(yīng)考慮輪軌“游間”的影響。

式中：W和W分別為車輪的橫向、豎向位移；T和T分別為鋼軌的橫向、豎向位移；irr和irr分別為鋼軌的橫向、豎向不平順；ΔWT和ΔWT分別為輪軌橫向、豎向相對位移。

根據(jù)彈性系統(tǒng)動力學(xué)總勢能不變值原理[4, 16]及形成系統(tǒng)矩陣的“對號入座”法則[17]，即可形成系統(tǒng)在任意時刻的總體剛度矩陣、總體質(zhì)量矩陣、總體阻尼矩陣及總體荷載列陣，進(jìn)而得出列車?軌道系統(tǒng)在任意時刻的空間振動矩陣方程，如下式所示：

本文以軌道豎向幾何不平順作為此系統(tǒng)豎向振動激振源，以構(gòu)架人工蛇形波作為此系統(tǒng)橫向振動激振源。采用wilson-法求解式(3)，其中時間步長Δ=0.01 s，=1.4，并以Fortran PowerStation 4.0平臺為基礎(chǔ)，采用Fortran語言進(jìn)行編程。

2 洪澇災(zāi)害條件下列車脫軌全過程計算方法

列車是否脫軌的前提是列車?軌道系統(tǒng)(以下稱為“此系統(tǒng)”)的橫向振動是否喪失穩(wěn)定，而判斷其穩(wěn)定狀態(tài)的標(biāo)志是能否經(jīng)得起干擾。當(dāng)此系統(tǒng)的橫向振動狀態(tài)經(jīng)不起干擾時，其橫向穩(wěn)定性被破壞，擾動位移不斷增長，車輪懸浮量不斷增大，當(dāng)車輪輪緣頂端爬至鋼軌頂部中點(diǎn)時，鋼軌橫向約束失效，列車迅速脫軌。

此系統(tǒng)橫向振動具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性，從而導(dǎo)致列車脫軌同樣具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。此系統(tǒng)橫向振動隨機(jī)性主要由系統(tǒng)各參數(shù)的隨機(jī)性和系統(tǒng)激振源的隨機(jī)性組成，前者的隨機(jī)性非常復(fù)雜，國內(nèi)均不考慮，只考慮后者的隨機(jī)性。因此，曾慶元等[16?17]驗(yàn)證了機(jī)車車輛構(gòu)架蛇形波是列車?軌道系統(tǒng)橫向振動的激振源，它反映了引起此系統(tǒng)橫向振動的所有干擾的影響，且車輛構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差p是該系統(tǒng)橫向振動的輸入能量。根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換原理可知：輸入能量與系統(tǒng)振動響應(yīng)是相互對應(yīng)的，即輸入系統(tǒng)的能量越大，系統(tǒng)振動響應(yīng)則越大；反之，輸入系統(tǒng)的能量越小，系統(tǒng)振動響應(yīng)越小。由此，可將系統(tǒng)橫向振動響應(yīng)的隨機(jī)性及列車脫軌隨機(jī)性均視為列車?軌道系統(tǒng)橫向振動輸入能量的隨機(jī)性，進(jìn)一步將多因素的振動響應(yīng)及列車脫軌隨機(jī)分析轉(zhuǎn)化為單因素的列車?軌道系統(tǒng)橫向振動輸入能量的隨機(jī)分析。

為了對列車?軌道系統(tǒng)橫向振動進(jìn)行隨機(jī)分析，本文作者進(jìn)行了以下幾項(xiàng)研究：

1) 在多條鐵路干線上對機(jī)車、客車和貨車構(gòu)架在不同車速下的蛇形波進(jìn)行了大量實(shí)測。

2) 以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，截取每公里長度范圍內(nèi)的蛇形波數(shù)據(jù)為一個樣本。這樣就有多個樣本，計算各樣本的標(biāo)準(zhǔn)差并繪制不同車速下機(jī)車、客車、貨車構(gòu)架蛇形波的頻率直方圖，然后采用工程概率分析方法擬合，求出各車速下具有99%概率的標(biāo)準(zhǔn)差p，得出標(biāo)準(zhǔn)差p與車速的關(guān)系曲線。

3) 根據(jù)p?曲線確定各車速下機(jī)車、客車、貨車構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差p，然后采用Monte-Carlo方法隨機(jī)模擬出各車速下機(jī)車、客車、貨車的構(gòu)架蛇形波，稱為構(gòu)架人工蛇形波。

4) 以模擬出的構(gòu)架人工蛇形波作為此系統(tǒng)的橫向振動激勵源，即可算出此系統(tǒng)橫向振動響應(yīng)。

但上述構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差p是從列車正常運(yùn)行情況下的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)中統(tǒng)計出來的。那么，列車發(fā)生脫軌時的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)該如何確定呢？事實(shí)上，實(shí)際列車脫軌時的構(gòu)架蛇形波是測不出來的，其標(biāo)準(zhǔn)差也不知道。但根據(jù)列車脫軌能量隨機(jī)分析理論，可采用車輪脫軌幾何準(zhǔn)則和試算法，算出列車脫軌時的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差c。

因此，根據(jù)列車脫軌能量隨機(jī)分析理論的基本思想，洪澇災(zāi)害條件下列車脫軌全過程計算可按上述方法實(shí)施。具體計算方法如下：

1) 在軌道模型中取消部分軌下基礎(chǔ)支承來模擬洪澇災(zāi)害對線路的影響。

2) 假定一個比正常行車時更大的構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差p，隨機(jī)模擬出一條構(gòu)架人工蛇形波作為此系統(tǒng)的橫向振動激振源(其豎向振動激振源為軌道豎向幾何不平順)。

3) 計算列車?軌道系統(tǒng)空間振動響應(yīng)，檢查車輪最大懸浮量和輪軌橫向相對位移最大值是否達(dá)到車輪脫軌幾何準(zhǔn)則要求的數(shù)值。若達(dá)到，則判定列車脫軌；若沒有達(dá)到，則假定更大的構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差p。

4) 重復(fù)步驟2)~3)，直至車輪最大懸浮量和輪軌橫向相對位移最大值達(dá)到車輪脫軌幾何準(zhǔn)則要求的數(shù)值為止。

此時，列車車輪輪緣頂端已爬至鋼軌頂部中點(diǎn)，鋼軌對車輪的橫向約束失效，洪澇災(zāi)害條件下列車脫軌全過程計算完成。計算所得的此系統(tǒng)空間振動響應(yīng)反映了該條件下列車脫軌全過程，對應(yīng)的構(gòu)架人工蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差p就是洪澇災(zāi)害條件下列車發(fā)生脫軌時的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差c。

3 計算實(shí)例與分析

3.1 洪澇災(zāi)害引起的直線路段列車脫軌全過程計算

鑒于我國鐵路空載貨車脫軌幾率最大，本文采用的列車編組為1輛DF4型機(jī)車+12輛C62型空載貨車，列車運(yùn)行速度為60 km/h。直線軌道計算長度為500 m，軌道結(jié)構(gòu)為普通60 kg/m型鋼軌，Ⅱ型混凝土軌枕，軌枕間距為0.543 5 m，普通碎石道砟，軌枕支承失效起始位置距離列車運(yùn)行起點(diǎn)247.5 m。計算時以軌道豎向幾何不平順作為此系統(tǒng)豎向振動激振源。根據(jù)前述的洪澇災(zāi)害條件下列車脫軌全過程計算方法，可計算出列車脫軌時的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差c=116 cm/s2, 隨機(jī)模擬出車輛構(gòu)架人工蛇形波，并作為列車?軌道系統(tǒng)橫向振動激振源，得出脫軌時列車?軌道系統(tǒng)振動響應(yīng)時程曲線如圖2~6所示。

圖2 第5車第1軸左側(cè)車輪懸浮量時程曲線

圖3 第5車第1軸左側(cè)車輪脫軌系數(shù)時程曲線

圖4 第5車第1軸左側(cè)車輪輪重減載率時程曲線

圖5 第5車前轉(zhuǎn)向架搖頭角時程曲線

圖6 第5車前轉(zhuǎn)向架與左側(cè)鋼軌橫向相對位移時程曲線

圖2所示為第5車第1軸左側(cè)車輪懸浮量時程曲線。由圖2可知：車輪懸浮量為25 mm，已達(dá)到脫軌幾何準(zhǔn)則所要求的數(shù)值。此時，車輪輪緣頂端爬至鋼軌頂部中點(diǎn)之間，即列車發(fā)生了脫軌。

圖3和4所示分別為第5車第1軸左側(cè)車輪脫軌系數(shù)和第5車第1軸左側(cè)車輪輪重減載率時程曲線。由圖3和4可知：脫軌系數(shù)最大值為3.0，輪重減載率最大值為0.77。在列車脫軌的瞬間，脫軌系數(shù)為0.64，輪重減載率為0.29。

圖5和6所示分別為第5車前轉(zhuǎn)向架搖頭角和第5車前轉(zhuǎn)向架與左側(cè)鋼軌橫向相對位移時程曲線。由圖5和6可知：第5車脫軌時，前轉(zhuǎn)向架搖頭角為0.20°，前轉(zhuǎn)向架與左側(cè)鋼軌橫向相對位移為52.8 mm。

3.2 洪澇災(zāi)害引起的曲線路段列車脫軌全過程計算

為更加全面地再現(xiàn)洪澇條件下列車脫軌全過程，本文再以某一曲線路段為例，列車編組及列車運(yùn)行速度與直線路段相同。曲線軌道計算長度為500 m，其中直線部分長80 m，緩和曲線部分長120 m，圓曲線部分長300 m。曲線半徑為400 m，外軌超高為0.07 m。軌道結(jié)構(gòu)為普通60 kg/m型鋼軌，II型混凝土軌枕，軌枕間距為0.543 5 m, 普通碎石道砟，軌枕支承失效起始位置在圓曲線上，距離列車運(yùn)行起點(diǎn)247.5 m。計算時以軌道豎向幾何不平順作為此系統(tǒng)豎向振動激振源。根據(jù)前述的洪澇災(zāi)害條件下列車脫軌全過程計算方法，可計算出列車脫軌時的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差c=110 cm/s2, 隨機(jī)模擬出車輛構(gòu)架人工蛇形波，并作為此系統(tǒng)橫向振動激振源，得出脫軌時列車?軌道系統(tǒng)振動響應(yīng)時程曲線如圖7~11所示。

圖7 第9車第1軸左側(cè)車輪懸浮量時程曲線

圖8 第9車第1軸左側(cè)車輪脫軌系數(shù)時程曲線

圖9 第9車第1軸左側(cè)車輪輪重減載率時程曲線

圖10 第9車前轉(zhuǎn)向架搖頭角時程曲線

圖11 第9車前轉(zhuǎn)向架與左側(cè)鋼軌橫向相對位移時程曲線

圖7所示為第9車第1軸左側(cè)車輪懸浮量時程曲線。由圖7可知：車輪懸浮量為25 mm，已達(dá)到脫軌幾何準(zhǔn)則所要求的數(shù)值。此時，車輪輪緣頂端爬至鋼軌頂部中點(diǎn)之間，即列車發(fā)生了脫軌。

圖8和9所示分別為第9車第1軸左側(cè)車輪脫軌系數(shù)和第9車第1軸左側(cè)車輪輪重減載率時程曲線。由圖8和9可知：脫軌系數(shù)最大值為1.92，輪重減載率最大值為0.66。在列車脫軌的瞬間，脫軌系數(shù)為0.12，輪重減載率為0.28。

圖10和11所示分別為第9車前轉(zhuǎn)向架搖頭角和第9車前轉(zhuǎn)向架與左側(cè)鋼軌橫向相對位移時程曲線。由圖10和11可知：第9車脫軌時，前轉(zhuǎn)向架搖頭角為0.27°，前轉(zhuǎn)向架與左側(cè)鋼軌橫向相對位移為48.1 mm。

3.3 結(jié)果分析

通過對貨物列車在直線路段和曲線路段上的脫軌全過程計算結(jié)果進(jìn)行分析可得：

1) 貨物列車均在洪澇災(zāi)害引起的軌枕懸空路段均會發(fā)生脫軌。

2) 脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值均超過規(guī)范[18]規(guī)定的脫軌系數(shù)和輪重減載率安全標(biāo)準(zhǔn)值，但該最大值并沒有出現(xiàn)在列車脫軌掉道的瞬間。在列車脫軌掉道的瞬間，脫軌系數(shù)和輪重減載率反而均未超限，并且數(shù)值較小?？梢姡喼販p載率和脫軌系數(shù)等指標(biāo)對列車的運(yùn)行安全性缺乏控制作用。

3) 列車脫軌時的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差c標(biāo)志著列車脫軌時輸入此系統(tǒng)橫向振動的能量最大，比c更大的輸入能量是不可能發(fā)生的，因?yàn)榱熊囕斎肽芰康扔赾時列車已經(jīng)發(fā)生了脫軌。因此，從此系統(tǒng)橫向振動抵抗脫軌的抗力作用來看，c是此系統(tǒng)所能發(fā)揮的最大抗力做功，故稱為極限抗力做功。對比直線路段和曲線路段上列車脫軌時的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差c可知：列車在曲線上實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差c小于直線上的c。這說明列車在曲線路段上運(yùn)行時抵抗脫軌的能力更小，更容易脫軌。

4) 在上述計算結(jié)果中，初步得到了列車脫軌掉道時的車輪懸浮量、轉(zhuǎn)向架搖頭角以及轉(zhuǎn)向架與鋼軌之間的橫向相對位移。有了這些輪軌相對位置及尺寸關(guān)系不僅可為研發(fā)機(jī)械式的列車脫軌報警器提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)，而且有助于進(jìn)一步確保這樣的報警器能在列車脫軌時迅速報警，使列車及時停車。

4 結(jié)論

1) 基于列車?軌道系統(tǒng)空間振動分析理論，建立了洪澇災(zāi)害條件下列車?軌道系統(tǒng)空間振動分析模型。根據(jù)彈性系統(tǒng)動力學(xué)總勢能不變值原理及形成系統(tǒng)矩陣的“對號入座”法則，推導(dǎo)了此系統(tǒng)空間振動矩陣方程。運(yùn)用列車脫軌能量隨機(jī)分析理論，提出了洪澇災(zāi)害條件下列車脫軌全過程計算方法。采用此方法，實(shí)現(xiàn)了該條件下直線路段和曲線路段上貨物列車脫軌全過程計算。

2) 列車在曲線路段和直線路段脫軌時的脫軌系數(shù)和輪重減載率均較小，在列車脫軌的瞬間，輪重減載率和脫軌系數(shù)并不是最大值。因此，輪重減載率和脫軌系數(shù)對列車的運(yùn)行安全性缺乏控制作用。

3) 列車在直線路段和在曲線路段脫軌時轉(zhuǎn)向架搖頭角分別為0.20°和0.27°，轉(zhuǎn)向架與鋼軌之間的橫向相對位移分別為52.8 mm和48.1 mm，列車在曲線路段上運(yùn)行更易脫軌。這些研究結(jié)果可為研發(fā)機(jī)械式的列車脫軌報警器提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而確保該報警器能在列車脫軌時立即報警，使列車及時停車，避免列車脫軌事故的進(jìn)一步惡化，將洪澇災(zāi)害等引起的原因明確的脫軌損失降到最低。

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Analysis of derailment course of freight train in floods

GONG Kai1, XIANG Jun1, MAO Jianhong1, 2, YU Cuiying1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Considering the influence of floods, train-track system spatial vibration model based on the train-track system spatial vibration analysis theory was established, and the system spatial vibration matrix equation was proposed according to the principle of total potential energy with stationary value in elastic system dynamics and the “set-in-right-position” rule for formulating system matrixes. Adopting the theory of energy random analysis for train derailment, calculation method for the whole train derailment course in floods was proposed to calculate and analyze the whole train derailment course in and curve respectively. The results show thatwhen the freight train derailed by floods in straight line and curve, the bogie yaw angle is 0.20°and 0.27°, and the lateral corresponding displacement between the bogie and track is 52.8 mm and 48.1mmrespectively.Meanwhile, it is more likely to derail in curve than in straight line.The results provide a theory basis and technical parameters for the invention of mechanical train derailment alarm, which ensure that the train is stopped timely when it derails.

railway engineering; derailmentcourse; floods; freight train; derailment energy random analysis theory

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.052

U213.2

A

1672?7207(2015)10?3954?07

2015?01?06；

2015?03?24

國家自然科學(xué)基金委員會與神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1261113)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20100162110022)；牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(TPL0901，TPL1214)；江西省青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20142BAB216003) (Project (U1261113) supported by the National Natural Science Foundation Committed of China and Shenhua Group Corporation Limited; Project (20100162110022) supported by Special Fund for Doctor Programs in Institutions of Higher Learning of China; Projects (TPL0901, TPL1214) supported by the Open Program of the Traction Power State Key Laboratory;Project (20142BAB216003)supported by Jiangxi Province Science Foundation for Youths)

向俊，教授，從事列車脫軌控制、列車?軌道(橋梁)系統(tǒng)空間振動及鐵路軌道結(jié)構(gòu)等研究；E-mail：jxiang@csu.edu.cn

(編輯 陳愛華)