楊毅，陳軍，劉堂紅，周細(xì)賽

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鐵路機車車輛防溜鐵鞋阻力試驗研究

楊毅1，陳軍1，劉堂紅2，周細(xì)賽2

(1. 中國鐵路烏魯木齊集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830011； 2. 中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

采用現(xiàn)場實車試驗的方法，研究平道和22‰坡道上不同放置方式鐵鞋阻力大小，得到鐵鞋摩擦因數(shù)值。研究結(jié)果表明：22‰坡道上列車靜止?？繒r車鉤力理論計算結(jié)果和現(xiàn)場試驗結(jié)果吻合較好，偏差僅為1.9%；平道16種工況測得的鐵鞋摩擦因數(shù)平均值為0.41；同種放置方式不同數(shù)量鐵鞋測得的摩擦因數(shù)差別不大，不同鐵鞋放置方式測得的摩擦因數(shù)差別較大：機次單側(cè)放置鐵鞋摩擦因數(shù)最大，平均值為0.58，尾部雙側(cè)放置鐵鞋摩擦因數(shù)最小，平均值為0.32；同一車輛不同車軸位置放置鐵鞋摩擦因數(shù)基本相等；22‰坡道上測得鐵鞋摩擦因數(shù)明顯大于平道測試結(jié)果，主要由于鋼軌生銹嚴(yán)重等條件所致。

貨物列車；防溜；鐵鞋摩擦因數(shù)；試驗研究

新疆鐵路大風(fēng)具有風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強和風(fēng)向相對穩(wěn)定等特點[1]。實測最大風(fēng)速超過64 m/s，主要風(fēng)區(qū)年大風(fēng)天數(shù)在120 d以上，每年冬春交替季節(jié)大風(fēng)最為集中，風(fēng)力也最強，易造成吹翻列車、車輛溜逸、積沙埋道、車窗玻璃破損、鐵路行車設(shè)施損毀、道床板結(jié)和鋼軌磨損增大等事故。因大風(fēng)導(dǎo)致的站停車輛溜逸是新疆鐵路風(fēng)災(zāi)的主要形式之一，天山和阿拉山口站都曾發(fā)生過車輛溜逸事故，給鐵路運輸帶來了重大損失[2]。風(fēng)區(qū)停留的車輛在大風(fēng)作用下，會受到沿車長方向較大的氣動縱向力。國內(nèi)外對大風(fēng)環(huán)境下列車受到的氣動縱向力進(jìn)行了大量研究[3?6]，為大風(fēng)環(huán)境下的車輛防溜分析提供了一定的基礎(chǔ)。除了車站長時間停留車輛外，由于列車及線路事故長時間停留在高坡地段的機車車輛，因列車自動制動機空氣泄漏，失去制動作用，通常采取擰緊手制動機、安放鐵鞋等防溜設(shè)備來防止車列溜逸[7?8]。在電氣化線路上有些手制動機手輪高，禁止使用，而且擰緊和松開全部手制動機費時間，執(zhí)行起來難度大。此時，鐵鞋便成了最適宜使用的防溜設(shè)備。李林貴[9]通過基于無線射頻通信技術(shù)改造鐵鞋，監(jiān)測鐵鞋的位移，實現(xiàn)在行車室可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控防溜鐵鞋動態(tài)，改變了目前人工現(xiàn)場檢查防溜鐵鞋工作狀態(tài)的傳統(tǒng)辦法，減輕了人工作業(yè)強度。蘇寶平[10]根據(jù)軌道車施工過程中的鐵鞋管理的要求，提出了一種新的軌道車防溜監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控鐵鞋的狀態(tài)，并能準(zhǔn)確定位每只鐵鞋的具體位置，判斷鐵鞋是否放置合理。萬祝生等[11]研發(fā)了一種能自動定位并檢測使用狀態(tài)的電子鐵鞋和電子手閘制動器，對停放在到發(fā)線上的列車或車輛予以可靠制動，并監(jiān)控其制動狀態(tài)和位置?？梢?，目前對于鐵鞋的研究主要集中在智能監(jiān)控管理方面，而究竟一只鐵鞋能產(chǎn)生多大的制動力，安放多少數(shù)量鐵鞋能夠有效防溜，目前很多都是根據(jù)現(xiàn)場運用經(jīng)驗確定。在相關(guān)現(xiàn)場試驗方面，烏魯木齊局在2010年開展了鐵鞋阻力測試[12]，但列車編組數(shù)量僅為3輛，與實際運用列車差別較大，且試驗工況非常少；而理論計算分析又因為輪軌的接觸狀態(tài)復(fù)雜，很難準(zhǔn)確得到鐵鞋產(chǎn)生的阻力?；诖耍疚牟捎矛F(xiàn)場試驗的方法，分別測試平道和22‰坡道上不同放置方式鐵鞋阻力大小，得到鐵鞋摩擦因數(shù)值，為制定停留車輛有效的防溜對策提供科學(xué)依據(jù)。

1 鐵鞋阻力現(xiàn)場測試試驗

1.1 試驗列車

目前鐵路實際運營貨物列車基本采用混編的方式，即1組列車由多種車型車輛進(jìn)行編組而成，且同時包含空車與重車?；诖耍敬卧囼灹熊囘x取重棚車、空棚車、重平車、空平車、重敞車、空敞車、重罐車和空罐車進(jìn)行編組，具體編組信息如表1所示。其中，編組位置1~16表示靠近機車端的第1節(jié)車輛至第16節(jié)車輛。

表1 貨物車輛編組信息

1.2 試驗線路

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(2014)[13]中規(guī)定：“車站應(yīng)設(shè)在線路平道、直線的寬闊處。車站必須設(shè)在坡道上時，其坡度不應(yīng)超過1‰；在地形特別困難的條件下，會讓站、越行站可設(shè)在不大于6‰的坡道上，且不應(yīng)連續(xù)設(shè)置，并能保證列車的起動”。在2000年版的《技規(guī)》中規(guī)定的是車站坡度“不得超過1.5‰”，可以看出，鐵路相關(guān)部門對于坡道上停留機車車輛的防溜安全問題越來越重視。但對于目前我國鐵路現(xiàn)狀而言，很多線路的坡度均超過1‰，而且改造難度大，對于在地形復(fù)雜的地區(qū)新建的線路，其坡度也很難控制在1‰以下。當(dāng)坡度較大時，即使在無風(fēng)情況下，同樣有可能發(fā)生列車溜逸事故。如果由于列車故障停留在區(qū)間線路，則遇到的坡度可能會更大。因此，本文分別選取新疆南疆線魚兒溝站內(nèi)平直的線路和魚焉線祖魯木臺站至喀爾干特站間22‰的坡道進(jìn)行鐵鞋阻力測試試驗。試驗線路現(xiàn)場圖片如圖1所示。

(a) 平道；(b) 22‰坡道

1.3 試驗方法

機車牽引力通過車鉤進(jìn)行傳遞，為了將機車、力傳感器和車輛三者進(jìn)行連接，需要設(shè)計車鉤工裝使三者能夠配合連接且不影響力的傳遞。本文采用自制車鉤將力傳感器兩端分別與機車和被測試車輛連接，車鉤呈閉鎖狀態(tài)保證了車鉤力的傳遞，同時連接好機車與車輛間的風(fēng)管，如圖2所示。鐵鞋阻力測試時，首先放置好鐵鞋，且列車處于全列緩解狀態(tài)，機車緩慢增加牽引力直到整列車起動，輸出終端將記錄列車起動過程車鉤力受力曲線圖，通過分析車鉤力變化曲線可得到當(dāng)次試驗的機車牽引力。

站停車輛在大風(fēng)作用下的沿車長方向的受力模型如圖3所示。圖中，z表示車輛溜逸阻力，包括車輛起動阻力、自動制動系統(tǒng)阻力、防溜鐵鞋阻力、人力制動機阻力；f表示大風(fēng)對車輛產(chǎn)生的縱向氣動力；p表示坡道引起的車重在縱向的分力，稱之為坡道附加力，當(dāng)風(fēng)向的縱向分量與下坡方向一致時，p為正，否則為負(fù)。車輛在大風(fēng)作用下如不發(fā)生溜逸，須保證z＞f+p，公式兩邊相等時車輛達(dá)到臨界溜逸狀態(tài)。本文在開展鐵鞋阻力測試試驗時，自動制動系統(tǒng)、人力制動機均未使用，其防溜阻力僅包含起動阻力和鐵鞋阻力；鐵鞋阻力主要取決于鐵鞋與鋼軌的摩擦因數(shù)和放置鐵鞋車輛的重量，而摩擦因數(shù)主要與鐵鞋和鋼軌的材料特性相關(guān)。為了準(zhǔn)確測得鐵鞋阻力值，避免環(huán)境風(fēng)的干擾，試驗選擇在無風(fēng)環(huán)境進(jìn)行，車輛縱向氣動力f為0。測試時，使車輛緩慢起動后達(dá)到平衡狀態(tài)，兩端受力相等，即測得的車鉤力大小在平地為列車起動阻力與鐵鞋阻力之和，在坡道上還包括坡道附加阻力。

圖2 車鉤測力裝置

圖3 大風(fēng)環(huán)境下站停車輛受力模型簡圖

1.4 試驗設(shè)備

本次試驗主要測試車鉤牽引力，由《列車牽引計算規(guī)程》[14]可知，DF4B型機車最大牽引力為324 kN，現(xiàn)場試驗時選用NS-WL2型力傳感器，量程為1 000 kN。傳感器將列車起動過程所受的力通過導(dǎo)線以電信號傳輸給放大器，經(jīng)放大器放大后通過采集系統(tǒng)信號處理即可從輸出終端顯示出力值。為了保證測試的準(zhǔn)確性，試驗前，對測力裝置進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，如圖4所示，通過吊掛不同重量的標(biāo)重鋼板，校驗測試裝置的準(zhǔn)確性，試驗發(fā)現(xiàn)誤差小于1%。

車鉤力測試采集系統(tǒng)由力傳感器、信號調(diào)理器、以太網(wǎng)采集器、連接器、計算機及相應(yīng)的分析軟件組成，如圖5所示。

圖4 車鉤測力裝置標(biāo)定

圖5 采集系統(tǒng)組成

該采集系統(tǒng)以計算機為中心，在軟件的支持下集成多種虛擬儀器的功能，能對多點、多種隨時間變化的參量進(jìn)行動態(tài)在線實時測量，并能快速進(jìn)行信號分析處理，有效排除噪聲干擾、消除偶然誤差、修正系統(tǒng)誤差，從而實現(xiàn)測量結(jié)果的高準(zhǔn)確度和具有對被測信號的高分辨能力。現(xiàn)場測試系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場測試系統(tǒng)

2 起動阻力測試結(jié)果及分析

由1.3節(jié)可知，測力裝置測得的力在平地包括起動阻力和鐵鞋阻力，在坡道上還包括坡道附加阻力，為了測得鐵鞋阻力大小，首先需要測試起動阻力。圖7為8節(jié)車輛編組列車起動阻力測試結(jié)果曲線。試驗時，列車處于全列緩解狀態(tài)，1時刻機車開始緩慢增加牽引力，由于車鉤間存在間隙，此時車鉤發(fā)生沖擊作用，因此車鉤力波動較大直到2時刻車鉤均處于拉伸狀態(tài)；3時刻列車剛起動，此時車鉤力達(dá)到峰值18.0 kN，該值即為列車的起動阻力值；當(dāng)列車起動后繼續(xù)向前移動一段距離，其所需的牽引力減小(圖中的3~4之間)；4之后試驗停止，由于慣性作用車鉤力發(fā)生較大的波動直到列車完全靜止，車鉤力降為0。

圖7 車鉤力隨時間變化曲線圖

表2為平道起動阻力測試結(jié)果。從表2可以看出，不同編組數(shù)量列車單位起動阻力有所差別，最大相差7.6%；平均單位起動阻力為4.05 N/kN左右，略大于《列車牽引計算規(guī)程》中的規(guī)定值3.5 N/kN，這與測試的樣本量、測試車型、車輛使用情況、線路條件等因素有關(guān)。測試結(jié)果與參考文獻(xiàn)[15]較 吻合。

表2 平道起動阻力測試工況

3 鐵鞋阻力測試結(jié)果及分析

3.1 平道鐵鞋阻力測試結(jié)果及分析

圖8為平道鐵鞋阻力測試現(xiàn)場圖片。圖8(a)表示試驗開始前，鐵鞋與車輪踏面保持分離狀態(tài)，試驗過程中列車往前移動直到車輪踏面完全壓上鐵鞋如圖8 (b)所示。

圖9為機次單側(cè)2只鐵鞋阻力測試結(jié)果曲線圖。試驗開始前，鐵鞋放置在車輪前方一小段距離處，1時刻機車開始緩慢增加牽引力，此時車鉤發(fā)生沖擊作用直到2時刻車輪完全軋在鐵鞋上；2~3之間車鉤力保持不變，3時刻機車?yán)^續(xù)增加牽引力，車鉤力逐漸增大；4時刻部分車輛開始起動，由于各節(jié)車輛并非同時起動，車鉤力發(fā)生波動直到5時刻整列車起動運行趨于平穩(wěn)，將此時的車鉤力減去列車的起動阻力即為該條件下鐵鞋所能產(chǎn)生的阻力；6時刻試驗停止，機車牽引力迅速下降。

表3為平道鐵鞋阻力測試結(jié)果，將車鉤力值減去列車起動阻力值便得到該條件下的鐵鞋阻力值。

(a) 試驗前；(b) 試驗過程

圖9 機次單側(cè)放置2只鐵鞋后車鉤力變化曲線

為了進(jìn)一步分析不同鐵鞋放置方式的防溜效果，將不同工況下的鐵鞋阻力值進(jìn)行無量綱化處理得到鐵鞋摩擦因數(shù)，其表達(dá)式為：

表3 平道鐵鞋阻力測試結(jié)果

圖10為16種不同工況下鐵鞋摩擦因數(shù)計算結(jié)果柱形圖。從圖中可以看出，不同工況下測得的鐵鞋摩擦因數(shù)均不同，16種工況測得的鐵鞋摩擦因數(shù)平均值為0.41；同種鐵鞋放置方式測得的摩擦因數(shù)差別不大，不同鐵鞋放置方式測得的摩擦因數(shù)差別較大；機次雙側(cè)放置鐵鞋摩擦因數(shù)平均值為0.36，而機次單側(cè)放置鐵鞋摩擦因數(shù)平均值為0.58，這是因為單側(cè)鐵鞋卡在軌道上，當(dāng)列車起動時，輪對左右兩側(cè)受力不均勻從而產(chǎn)生搖頭扭矩使鐵鞋側(cè)面與軌道接觸，增加了鐵鞋與軌道間的摩擦力，因此在進(jìn)行實際防溜設(shè)置時采用單側(cè)放置鐵鞋的方式更加合理；尾部雙側(cè)放置鐵鞋摩擦因數(shù)平均值為0.32，而尾部放置一只鐵鞋摩擦因數(shù)為0.52；機次+尾部組合放置鐵鞋摩擦因數(shù)平均值為0.34；可見，不同放置方式鐵鞋防溜效果：機次>機次+尾部組合>尾部；比較工況5和工況6可知，同一車輛不同車軸位置放置鐵鞋摩擦因數(shù)基本相等。

3.2 22‰坡道鐵鞋阻力測試結(jié)果及分析

圖11為22‰坡道鐵鞋阻力測試現(xiàn)場試驗照片，試驗過程與平道測試相同。

圖10 不同工況下鐵鞋摩擦因數(shù)測試結(jié)果

圖 12為機次單側(cè)放置4只鐵鞋情況下測得的車鉤力變化曲線。試驗開始前，列車通過制動作用靜止停靠在22‰坡道上。依據(jù)1.3節(jié)中停留列車溜逸受力模型，可知機車后方16節(jié)車輛受到的重力引起188 kN坡道附加力，根據(jù)表2中起動阻力測試結(jié)果，16車編組列車起動阻力為34.1 kN，因此，為防止車輛溜逸車鉤理論上需提供往上坡方向的推力153.9 kN。從圖12中可以看出，測力車鉤初始受到151 kN左右的擠壓力(1時刻前)，與理論推算值153.9 kN接近，僅相差1.9%。由此證明該試驗方法的可靠性。1時刻列車緩解，列車受重力下滑力作用向下坡移動；2時刻車輪完全軋在4只鐵鞋上并且列車處于靜止?fàn)顟B(tài)直到3時刻，機車開始緩慢增加牽引力，車鉤力發(fā)生較小的波動；4時刻列車開始平穩(wěn)起動，車鉤力基本不變，將此時的車鉤力減去列車的起動阻力即為該條件下鐵鞋所能產(chǎn)生的阻力；運行到5時刻時，試驗停止，機車牽引力減小。

(a) 試驗前；(b) 試驗過程

表4為坡道鐵鞋阻力測試結(jié)果。從表中可以看出，坡道鐵鞋阻力明顯大于平道鐵鞋阻力。這可能有2方面的原因，一是坡道阻力試驗線路實際運營較少，鋼軌表面生銹較嚴(yán)重，鐵鞋與鋼軌之間的摩擦因數(shù)本身就比正常運營線路要大；另一方面，也由于線路生銹、摩擦增大的原因，起動阻力比運營線路的平道要大，但在坡道上由于試驗條件限制未開展相關(guān)的起動阻力試驗，在計算坡道鐵鞋阻力時，使用的起動阻力為平道上測試值。22‰坡道上為了防止列車發(fā)生溜逸鐵鞋產(chǎn)生的阻力至少為153.9 kN，根據(jù)工況1和2測得的摩擦因數(shù)可以求出機次單側(cè)2只鐵鞋產(chǎn)生的阻力約196.1 kN，而試驗發(fā)現(xiàn)機次單側(cè)放置2只鐵鞋時列車發(fā)生溜動。這主要是因為試驗時車輪并未完全壓在鐵鞋上，列車全列緩解后開始向下溜動，由于慣性作用車輪與鐵鞋貼合后持續(xù)向下坡移動，考慮試驗的安全性，機車采取了制動作用，試驗停止。

圖12 機次單側(cè)放置4只鐵鞋后車鉤力變化曲線

通過比較平道和22‰坡道鐵鞋阻力測試結(jié)果可知，在實際防溜措施的研究中，采用平道鐵鞋阻力測試結(jié)果進(jìn)行不同坡度防溜計算分析，其結(jié)果是偏于安全的。

表4 坡道鐵鞋阻力測試結(jié)果

4 結(jié)論

1) 通過對2輛、4輛、直到16輛不同編組列車起動阻力進(jìn)行測試，不同編組數(shù)量列車單位起動阻力有所差別，最大相差7.6%，所有工況平均單位起動阻力為4.05 N/kN左右，略大于《列車牽引計算規(guī)程》中的規(guī)定值3.5 N/kN，這與測試的樣本量、測試車型、車輛使用情況、線路條件等因素有關(guān)。

2) 試驗過程中，對機次、尾部、機次+尾部組合不同位置放置不同數(shù)量鐵鞋共16種工況進(jìn)行平道鐵鞋阻力測試；不同工況下測得的鐵鞋摩擦因數(shù)均不同，平道16種工況測得的鐵鞋摩擦因數(shù)平均值為0.41；不同放置方式鐵鞋防溜效果：機次>機次+尾部組合>尾部；單側(cè)放置1只鐵鞋阻力僅略小于雙側(cè)放置2只鐵鞋阻力，但摩擦因數(shù)明顯增大，因此采用單側(cè)放置方式更為合理。

3) 對22‰坡道上機次放置不同數(shù)量鐵鞋阻力進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，坡道鐵鞋阻力明顯大于平道鐵鞋阻力，本次坡道試驗在廢棄的線路進(jìn)行，明顯大于平道鐵鞋阻力與鋼軌長時間未運營、生銹比較嚴(yán)重，摩擦因數(shù)增大有關(guān)；在制定坡道停留列車防溜對策時，采用平道鐵鞋阻力測試結(jié)果進(jìn)行計算分析，其結(jié)果偏于安全。

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(編輯 陽麗霞)

Experimental research on resistance of anti-running iron shoe

YANG Yi1, CHEN Jun1, LIU Tanghong2, ZHOU Xisai2

(1. China Railway Urumchi Bureau Group Company Limited, Urumchi 830011, China; 2. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on a field test, the friction coefficient of the iron shoe was obtained by studying the resistance of iron shoes on rail lines of flat and 22‰ slope. The result of theoretical calculation for the coupler force on the 22‰ slope shows a consistency with that of field test, and the deviation is only 1.9%. The average friction coefficient of the iron shoe is 0.41 among 16 kinds of working conditions on the flat line. Under the same measuring method, friction coefficients of iron shoes with different number are almost equal, but the friction coefficients under different placement vary a lot. The friction coefficient of iron shoes under one-sided placement is the largest, with an average of 0.58; the coefficient of that placed on both sides of train tail is the smallest, with an average of 0.32; that coefficient at different axle position under the same vehicle is basically the same; and the coefficient of iron shoes on the 22‰ slope is significantly greater than that on the flat line due to the different railway condition such as rust etc.

freight train; anti-running; friction coefficient of iron shoe; experimental research

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.10.025

U279

A

1672 ? 7029(2018)10 ? 2639 ? 08

2017?07?18

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2015J007-N，2017J0101-B)；國家自然科學(xué)基金資助項目(U1334205)

劉堂紅(1976?)，男，湖南新化人，教授，博士，從事列車空氣動力學(xué)研究；E?mail：lthjd@163.com