蔣建政，陳再剛，羅天祺，翟婉明，王家鑫

(1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063000)

根據(jù)原中國鐵路總公司2019年度統(tǒng)計(jì)公報(bào)[1]，2019年度全國鐵路貨運(yùn)總發(fā)送量完成43.89億t，比上年增長7.2%，全國鐵路貨運(yùn)集裝箱、商品汽車發(fā)送量比上年分別增長30.4%、12.3%。這表明我國鐵路貨運(yùn)面臨的壓力日趨增加，而將高速鐵路用于鐵路貨運(yùn)能夠增加鐵路運(yùn)能和效率，鐵路貨運(yùn)高速化已然是鐵路貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢。

國外對高速鐵路貨運(yùn)研究起步較早，法國在20世紀(jì)80年代就開行了最高時速為270 km的TGV郵政專列。文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)研究了高速鐵路貨運(yùn)方式，其研究報(bào)告不僅詳細(xì)介紹了國外高速鐵路貨運(yùn)市場情況、高速鐵路貨運(yùn)前景、高速鐵路貨運(yùn)貨物裝載形式、鐵路站場設(shè)計(jì)、鐵路車輛、列車運(yùn)營模式；還詳細(xì)介紹了瑞典、丹麥、法國、英國、德國的鐵路交通系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]提出了一種在交通規(guī)劃中利用高速鐵路技術(shù)解決貨物運(yùn)輸難題的建模方法，還根據(jù)美國現(xiàn)有的高速公路網(wǎng)和貨物運(yùn)輸時間，研究發(fā)展美國高速鐵路網(wǎng)用于貨物運(yùn)輸?shù)目赡苄?。文獻(xiàn)[4]研究了國內(nèi)外快速重載鐵路貨運(yùn)的發(fā)展歷程，從基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)行模式的角度分析了快速重載鐵路貨運(yùn)技術(shù)的可行性；從運(yùn)輸效率、時間消耗方面分析了快速重載鐵路貨運(yùn)的經(jīng)濟(jì)可行性。文獻(xiàn)[5]根據(jù)出版的科技文獻(xiàn)、工廠報(bào)告，認(rèn)為歐洲由于物流約束和有限的鐵路運(yùn)能限制了高速鐵路貨運(yùn)的發(fā)展?jié)摿?。文獻(xiàn)[6]使用Adams/rail模塊研究了貨物質(zhì)心相對于車體質(zhì)心存在偏移情況下C80貨車在曲線線路上的行車安全性，并得出了質(zhì)心偏移量的安全限值。

國內(nèi)對高速鐵路貨運(yùn)的研究起步較晚，中國于1999年成功研制出了最高運(yùn)行速度為120 km/h的構(gòu)架式快速貨車轉(zhuǎn)向架，并于2000年開始對140～160 km/h的快速貨車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行研究[7]。文獻(xiàn)[8]針對轉(zhuǎn)向架和制動系統(tǒng)等高速貨車關(guān)鍵技術(shù)，介紹了國外高速貨車轉(zhuǎn)向架及制動系統(tǒng)的發(fā)展過程和結(jié)構(gòu)特征。然而，我國高速鐵路發(fā)展迅速，后來居上，自2008年京滬高速鐵路建成通車以來，高速鐵路營業(yè)里程已達(dá)到3.6萬km，超過全球高速鐵路營業(yè)里程的60%。日趨完善的高速鐵路網(wǎng)為高附加值貨物的快速運(yùn)輸提供了良好的基礎(chǔ)條件。因此，基于現(xiàn)有的高速鐵路網(wǎng)，研究發(fā)展高速鐵路貨運(yùn)成為了熱點(diǎn)，針對此，國內(nèi)學(xué)者也作了許多研究工作。文獻(xiàn)[9]從載貨種類、最大載重量、載貨區(qū)域選擇以及最大載貨容積等方面，研究了利用CRH3C型高速動車組載貨的可行性。文獻(xiàn)[10]以時速350 km客運(yùn)動車組CHR380BL技術(shù)平臺為基礎(chǔ)，針對貨運(yùn)動車組一體化運(yùn)輸、快速裝卸、貨物安全等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和探討。文獻(xiàn)[11]的研究表明國外高速鐵路貨運(yùn)產(chǎn)品主要以快件、包裹、生鮮為主，并分析了我國高鐵貨運(yùn)產(chǎn)品的需求形式。中車唐山機(jī)車車輛有限公司以時速350 km動車組平臺為基礎(chǔ)，開發(fā)研制符合我國國情的時速350 km速度等級貨運(yùn)動車組[12]?？紤]到裝載貨物后貨物質(zhì)心偏移對車輛行車安全的影響，文獻(xiàn)[13]采用靜力學(xué)方法，基于脫軌系數(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)研究了C64K敞車在最不利裝載工況下脫軌系數(shù)與重車重心高度的關(guān)系。文獻(xiàn)[14]采用靜力學(xué)方法研究了C64K敞車在最不利裝載工況和運(yùn)行工況組合下的貨物重心橫向容許偏移量。文獻(xiàn)[15]以C64K敞車為例，使用動力學(xué)方法研究了重車重心高、貨物重心橫向和縱向偏移量與貨車通過小半徑曲線時的垂向平穩(wěn)性關(guān)系。現(xiàn)有的《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》[16]針對普速貨運(yùn)列車貨物裝載方式做出了要求，尚無關(guān)于高速貨運(yùn)動車組貨物裝載方式的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，盡管我國開展了對高速貨運(yùn)列車的研制工作[10-12]以及高速貨運(yùn)列車運(yùn)營模式的研究[9-11]，然而，較少文獻(xiàn)研究貨物質(zhì)心偏移對貨運(yùn)列車動力學(xué)性能影響[13-15]，鮮有文獻(xiàn)研究高速貨運(yùn)列車中貨物質(zhì)心偏移對車輛行車安全性的影響，同時《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》[16]也難以適用于高速鐵路貨運(yùn)。鑒于此，本文以中車研制的某型最高運(yùn)營時速350 km的高速貨運(yùn)動車組為研究對象，基于輪重減載率和脫軌系數(shù)兩個安全性指標(biāo)，研究貨物質(zhì)心偏移對高速貨運(yùn)動車組行車安全性的影響。研究結(jié)果對鐵路貨物運(yùn)輸過程中高速貨運(yùn)動車組的貨物裝載方式具有一定的指導(dǎo)意義。

1 高速貨運(yùn)動車組動力學(xué)模型

高速鐵路貨運(yùn)相對于航空運(yùn)輸和公路運(yùn)輸具有速度快、準(zhǔn)點(diǎn)率高、安全經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。本文以中車公司研制的某型高速貨運(yùn)動車組為研究對象，基于多剛體動力學(xué)理論，建立該型高速動車組的多體動力學(xué)模型，其中，車輛系統(tǒng)由1個車體、2個轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、4個輪對構(gòu)成；輪對與構(gòu)架之間采用一系懸掛連接，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體之間采用二系懸掛連接；整個車輛系統(tǒng)共有35個自由度。動力學(xué)模型中充分考慮了車輛系統(tǒng)中存在的輪軌接觸非線性、一系垂向阻尼非線性、二系橫向阻尼非線性、抗蛇行減振器阻尼非線性以及空氣彈簧非線性。車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，主要懸掛參數(shù)見表2，建立的多體動力學(xué)模型如圖1所示。此外，存在于輪軌接觸界面的軌道隨機(jī)不平順激勵也會直接影響輪軌間的動力相互作用。因此，有必要考慮軌道隨機(jī)不平順激勵對車輛動力學(xué)性能的影響。車輛仿真計(jì)算的行車速度取350 km/h，采用我國高速鐵路無砟軌道譜作為軌道隨機(jī)不平順激勵。

表1 空車質(zhì)量參數(shù)

表2 主要懸掛參數(shù)

圖1 高速貨運(yùn)動車組動力學(xué)模型

2 貨物質(zhì)心偏移的工況設(shè)置

高速貨運(yùn)動車組運(yùn)輸貨物時，可以用集裝器或物流箱作為裝載單元包裝零散貨物，將裝載單元固定在車廂內(nèi)部。高速貨運(yùn)動車組車廂內(nèi)部設(shè)置了用于固定集裝器的凹槽。由“復(fù)興號”列車拆除了座椅并采用物流箱作為裝載單元包裝貨物[17]。貨物質(zhì)心可能會由于初始裝載時每個裝載單元的質(zhì)量差異以及高速貨運(yùn)動車組在中間站進(jìn)行貨物裝卸作業(yè)導(dǎo)致貨物重心不位于車體縱、橫中心線交叉點(diǎn)上，產(chǎn)生貨物重心相對于車體質(zhì)心偏移的現(xiàn)象，并最終影響高速貨運(yùn)動車組行車安全。

貨物裝載后，貨物質(zhì)心相對于車體質(zhì)心偏移的示意圖見圖2。為了更加清晰地?cái)⑹鲐浳锊煌b載工況，圖2將車輛內(nèi)部空間以轉(zhuǎn)向架中心線所在的豎直平面為界分成了3個區(qū)域，即區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3。

圖2 貨物質(zhì)心相對于車體質(zhì)心偏移示意圖

根據(jù)表1計(jì)算得到的車輛靜軸重為12.27 t，高速鐵路線路中要求車輛最大靜軸重不超過17 t，該型高速貨運(yùn)動車組單節(jié)車輛的最大載重為19 t。但是，如果貨物質(zhì)心相對于車體質(zhì)心存在縱向偏移，即兩個轉(zhuǎn)向架之間存在載重差，單節(jié)車輛載重將小于19 t。此外，由于車輛靜軸重和設(shè)計(jì)軸重的原因，本文涉及的車輛兩個轉(zhuǎn)向架載重差最大為9.4 t。鑒于此，針對直線線路，參考《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》[16]以及貨物可能的裝載順序設(shè)置了不利于高速貨運(yùn)動車組行車的貨物裝載工況?？紤]貨物質(zhì)心位于兩轉(zhuǎn)向架中心線所在的豎直平面之間，即圖2所示的區(qū)域2，設(shè)置了裝載工況1，見表3，此時兩轉(zhuǎn)向架之間的載重差不大于9.4 t，且貨物質(zhì)心存在橫向偏移，載重較大的轉(zhuǎn)向架對應(yīng)的靜軸重已經(jīng)達(dá)到17 t。

表3 裝載工況1

考慮貨物質(zhì)心位于車體端部，即圖2所示的區(qū)域1、區(qū)域3，以及綜合考慮轉(zhuǎn)向架的極限承載能力，設(shè)置了裝載工況2，見表4，此時車輛一端轉(zhuǎn)向架對應(yīng)的靜軸重已經(jīng)達(dá)到17 t。為了考慮惡劣的極限裝載工況，列舉了高速貨運(yùn)動車組實(shí)際運(yùn)營中不大可能發(fā)生的貨物裝載情況，如表3、表4中貨物質(zhì)心相對于車體質(zhì)心沿Y方向的最大偏移量達(dá)到0.75 m以及整車貨物僅裝載于車體的一端。此外，在沒有考慮橫風(fēng)、道岔等橫向激擾的理想仿真工況下，貨物質(zhì)心相對于車體質(zhì)心僅沿Z方向偏移對高速貨運(yùn)動車組在直線線路上行車的動力學(xué)響應(yīng)影響不明顯，因此本文不考慮貨物質(zhì)心相對于車體質(zhì)心沿Z方向偏移的情況。

表4 裝載工況2

3 貨物質(zhì)心偏移對行車安全性的影響

表3中工況12對應(yīng)的輪對輪重減載率和脫軌系數(shù)時域響應(yīng)結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，該工況下，輪重減載率和脫軌系數(shù)響應(yīng)均在安全限值內(nèi)。圖3為四位輪對輪重減載率的時域響應(yīng)結(jié)果，從圖3可以發(fā)現(xiàn)輪重減載率的時域響應(yīng)值有正有負(fù)，輪重減載率為負(fù)值時表明此時該輪對處于增載?？偟膩砜?，圖3中每一位輪對的右側(cè)輪增載、左側(cè)輪減載。此外，第3、4位輪對左側(cè)輪的輪重減載現(xiàn)象較第1、2位輪對左側(cè)輪的輪重減載現(xiàn)象更為明顯，這是貨物偏載導(dǎo)致輪重分配不均引起的。圖4為四位輪對脫軌系數(shù)的時域響應(yīng)，從圖4可以發(fā)現(xiàn)貨物質(zhì)心偏移對脫軌系數(shù)的影響不明顯。

在表3所示裝載工況下，計(jì)算得到的各位輪對輪重減載率、脫軌系數(shù)的最大值統(tǒng)計(jì)情況如圖5、圖6所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)輪重減載率、脫軌系數(shù)的最大值均在安全限值內(nèi)[18]。從圖5(a)、圖5(b)可知，第1、2位輪對左側(cè)輪的輪重減載率最大值隨著橫向偏移量的增大呈現(xiàn)增加的趨勢，隨著轉(zhuǎn)向架載重差的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，而右側(cè)輪重減載率最大值的變化趨勢與之相反，輪重減載率甚至變?yōu)樨?fù)值，這意味著輪對出現(xiàn)增載。從圖5(c)、圖5(d)可知，第3、4位輪對左側(cè)輪的輪重減載率最大值隨著橫向偏移量和轉(zhuǎn)向架載重差的增大呈現(xiàn)增加的趨勢，而右側(cè)輪的輪重減載率最大值隨著橫向偏移量的增加呈現(xiàn)減小的趨勢甚至出現(xiàn)增載、隨著轉(zhuǎn)向架載重差的增大呈現(xiàn)增加的趨勢。值得提出的是，各對應(yīng)工況下第3、4位輪對輪重減載率最大值大于第1、2位輪對輪重減載率最大值；四位輪對左側(cè)輪的輪重減載率最大值普遍大于右側(cè)輪的輪重減載率最大值。此外，當(dāng)貨物質(zhì)心相對車體質(zhì)心橫向偏移0.75 m且轉(zhuǎn)向架載重差達(dá)到9.4 t，第3、4位輪對左側(cè)輪的輪重減載率最大值接近安全限值0.6。

從圖6可知，當(dāng)高速貨運(yùn)動車組存在貨物質(zhì)心橫向偏移和轉(zhuǎn)向架載重差時，各位輪對的脫軌系數(shù)最大值均在安全限值內(nèi)，第3、4位輪對脫軌系數(shù)最大值大于第1、2位輪對脫軌系數(shù)最大值。從圖6(a)、圖6(b)可知，第1、2位輪對左右兩側(cè)輪的脫軌系數(shù)最大值基本相同，輪對右側(cè)輪的脫軌系數(shù)最大值略大于左側(cè)。從圖6(c)、圖6(d)可知，第3、4位輪對右側(cè)輪的脫軌系數(shù)最大值略大于左側(cè)脫軌系數(shù)最大值。高速貨運(yùn)動車組存在貨物質(zhì)心橫向偏移和轉(zhuǎn)向架載重差情況時對脫軌系數(shù)的影響不明顯。

圖6 表3所示工況對應(yīng)的脫軌系數(shù)

在表4所示裝載工況下，計(jì)算獲得各位輪對輪重減載率、脫軌系數(shù)的最大值統(tǒng)計(jì)情況如圖7、圖8所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)輪重減載率、脫軌系數(shù)最大值均在安全限值內(nèi)。從圖7(a)、圖7(b)可知，轉(zhuǎn)向架載重差對第1、2位輪對的輪重減載率最大值影響不明顯；第1、2位輪對左側(cè)輪的輪重減載率最大值隨著貨物質(zhì)心橫向偏移量的增大呈現(xiàn)增加的趨勢；而右側(cè)輪的輪重減載率最大值變化趨勢則與之相反，輪重減載率甚至變?yōu)樨?fù)值，這意味著輪對出現(xiàn)增載。從圖7(c)、圖7(d)可知第3、4位輪對左側(cè)輪的輪重減載率最大值隨著貨物質(zhì)心橫向偏移量的增大和轉(zhuǎn)向架載重差的增大呈現(xiàn)增加趨勢；而輪對右側(cè)輪的輪重減載率最大值隨著橫向偏移量的增加呈現(xiàn)減小的趨勢、隨著轉(zhuǎn)向架載重差的增大呈現(xiàn)增加的趨勢甚至出現(xiàn)增載。值得提出的是，各對應(yīng)工況下第3、4位的輪重減載率最大值大于第1、2位輪對的輪重減載率最大值；四位輪對的左側(cè)輪重減載率最大值普遍大于右側(cè)輪重減載率最大值；當(dāng)貨物質(zhì)心相對車體質(zhì)心橫向偏移0.75 m且轉(zhuǎn)向架載重差達(dá)到9.4 t時，第3、4位輪對的左側(cè)輪重減載率最大值接近安全限值0.6。

從圖8可知，高速貨運(yùn)動車組存在貨物質(zhì)心橫向偏移和轉(zhuǎn)向架載重差時，第3、4位輪對的脫軌系數(shù)最大值大于第1、2位輪對脫軌系數(shù)最大值。從圖8(a)、圖8(b)可知，第1、2位輪對左右兩側(cè)的脫軌系數(shù)最大值基本相同，然而，輪對右側(cè)脫軌系數(shù)最大值略大于左側(cè)。從圖8(c)、圖8(d)可知，第3、4位輪對右側(cè)輪的脫軌系數(shù)最大值大于左側(cè)輪的脫軌系數(shù)最大值。此外，貨物質(zhì)心橫向偏移和轉(zhuǎn)向架載重差對脫軌系數(shù)的影響不明顯。

圖8 表4所示工況對應(yīng)的脫軌系數(shù)

4 結(jié)論

(1) 貨物質(zhì)心相對車體質(zhì)心的橫向偏移量不超過0.75 m、前后轉(zhuǎn)向架載重差不超過9.4 t時，該型高速貨運(yùn)動車組以時速350 km在直線線路上運(yùn)行時，各輪對的輪重減載率和脫軌系數(shù)均在安全限值內(nèi)。

(2) 貨物重心在兩轉(zhuǎn)向架中心之間時，高速貨運(yùn)動車組存在轉(zhuǎn)向架載重差和貨物質(zhì)心橫向偏移對脫軌系數(shù)的影響不明顯，然而會增加減載側(cè)車輪的輪重減載率，增大安全行車風(fēng)險(xiǎn)；貨物重心在轉(zhuǎn)向架中心與車輛端部之間時，轉(zhuǎn)向架載重差和貨物質(zhì)心橫向偏移會明顯增加車輛另一端輪對的脫軌系數(shù)。

(3) 高速貨運(yùn)動車組存在轉(zhuǎn)向架載重差和貨物質(zhì)心橫向偏移時，位于減載側(cè)轉(zhuǎn)向架的輪對輪重減載率和脫軌系數(shù)最大值大于增載側(cè)。