張治貴

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

引言

窄軌列車作為煤礦運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，其應(yīng)用廣泛且具有較好的運(yùn)輸能力。窄軌列車可采用機(jī)車、絞車、人力以及自溜滑行等驅(qū)動(dòng)裝置，這些驅(qū)動(dòng)裝置若想發(fā)揮其性能均需掌握軌道車輛的運(yùn)行阻力系數(shù)。基于對(duì)煤礦窄軌列車運(yùn)行阻力的研究不僅可提高設(shè)備的運(yùn)輸效率，而且在一定程度上還能夠達(dá)到節(jié)能的效果[1]。此外，精準(zhǔn)掌握窄軌列車的運(yùn)行阻力還能夠估算出其所需的牽引力，因此，重點(diǎn)對(duì)煤礦窄軌列車的運(yùn)行阻力進(jìn)行研究，具體闡述如下：

1 煤礦窄軌列車運(yùn)行阻力產(chǎn)生機(jī)理研究

礦用軌道列車在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)受到阻力的影響，而且阻力隨與列車的工作環(huán)境變化而變化，主要可以分為基本阻力和附加阻力。其中，基本阻力伴隨著列車運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程，而附加阻力只有在列車在曲線、坡道或在啟動(dòng)時(shí)才會(huì)存在[2]。本文將重點(diǎn)對(duì)列車的基本阻力進(jìn)行研究。一般情況下，列車運(yùn)行阻力產(chǎn)生主要與下述因素相關(guān)：

1）列車車輪與軌道之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)、滑動(dòng)摩擦系數(shù)。其中，滑動(dòng)摩擦還分為縱向滑動(dòng)摩擦和橫向滑動(dòng)摩擦。

2）列車本身結(jié)構(gòu)車軸與軸頸之間的滑動(dòng)摩擦；一般情況，該項(xiàng)摩擦系數(shù)可通過(guò)采用滾動(dòng)軸承減小。

3）在實(shí)際運(yùn)行中列車本身會(huì)與軌道之間發(fā)生碰撞沖擊產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為運(yùn)行阻力。

4）在正常運(yùn)行過(guò)程中，列車會(huì)受到一定的空氣阻力。但是，列車運(yùn)行速度小于10 m/s，該項(xiàng)因素可忽略不計(jì)。

因此，在實(shí)際生產(chǎn)中窄軌列車的基本阻力主要為列車車輪與軌道之間的滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦等組成。而且，當(dāng)窄軌列車在低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)運(yùn)行阻力主要以車軸與軸頸之間的摩擦力為主；隨著窄軌列車運(yùn)行速度的提高，運(yùn)行阻力主要表現(xiàn)為車輪與軌道之間的滑動(dòng)阻力和相互碰撞時(shí)產(chǎn)生損失動(dòng)力而產(chǎn)生的振動(dòng)阻力[3]。

本文將通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同信號(hào)窄軌列車的運(yùn)行阻力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。

2 窄軌列車數(shù)值模擬模型的建立

本文將基于UG 建立不同型號(hào)窄軌列車的三維模型，并將所搭建的模型導(dǎo)入ADAMS 軟件中對(duì)不同型號(hào)窄軌列車的運(yùn)行阻力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。本文所研究窄軌列車的型號(hào)及對(duì)應(yīng)參數(shù)如表1 所示：

表1 窄軌列車型號(hào)及參數(shù)

結(jié)合表1 所述的模型基于UG 軟件分別對(duì)窄軌列車的車箱、車架、車輪對(duì)以及緩沖器和連接器分別進(jìn)行建模。

1）對(duì)于車輪建模按照表1 參數(shù)搭建即可。

2）在實(shí)際工程中與車輪所配套的軌道規(guī)格為30 kg/m，對(duì)應(yīng)軌道的高度為152 mm，軌道頭部寬度為70 mm。

在實(shí)際建模過(guò)程中嚴(yán)格按照工程應(yīng)用的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模；同時(shí)，基于自底向上的原則對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行裝配，在裝配過(guò)程中應(yīng)保證同心、接觸對(duì)齊、平行以及鏡像裝配的命令完成。將所建立的模型導(dǎo)入ADAMS 軟件中，并對(duì)其中參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

1）車體、車輪以及車軌的材料參數(shù)應(yīng)該按照鋼進(jìn)行設(shè)置；

2）根據(jù)窄軌列車的運(yùn)行工況完成對(duì)模型添加相應(yīng)的約束、接觸力、摩擦力等。

3 窄軌列車運(yùn)行阻力研究

3.1 窄軌列車運(yùn)行阻力的試驗(yàn)研究

結(jié)合上述所搭建的數(shù)值模擬模型，對(duì)窄軌列車在平直線路上運(yùn)行工況下的運(yùn)行阻力系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，包括在水平運(yùn)行和滑坡運(yùn)行兩種狀態(tài)，并搭建如圖1 所示的試驗(yàn)平臺(tái)：

圖1 運(yùn)行阻力試驗(yàn)平臺(tái)

如圖1 所示，將不同型號(hào)的窄軌列車置于高度為h的坡道上，并對(duì)車體在重車和空車兩種工況下的運(yùn)行阻力進(jìn)行測(cè)定。具體操作方法：列車從高度為h的坡道上在自身重力的情況下滑行，在運(yùn)行阻力的作用下其在某個(gè)位置停止[4]。根據(jù)停止的位置換算出不同型號(hào)窄軌列車在重車和空車工況下的運(yùn)行阻力系數(shù)，對(duì)應(yīng)的換算公式如式（1）所示，結(jié)果如表2 所示：

表2 不同型號(hào)窄軌列車運(yùn)行阻力系數(shù)試驗(yàn)研究

式中：w 為阻力系數(shù)；h 為坡道的高度；L 為阻力作用行程。

3.2 窄軌列車運(yùn)行阻力仿真分析

結(jié)合上述所搭建的模型并對(duì)不同型號(hào)窄軌列車模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)其重車和空車工況下的運(yùn)行阻力系數(shù)進(jìn)行仿真分析。

3.2.1 MGC1.1-6型窄軌列車

根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)定車軌間的間距為600 mm，該型列車在重車時(shí)的質(zhì)量為1.61 t，模型中對(duì)應(yīng)坡道的高度為0.78 m。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為103.56 m，經(jīng)換算得出該型列車的運(yùn)行阻力系數(shù)為0.007 531，其對(duì)應(yīng)的基本運(yùn)行阻力為121.25 N。

同理，該型列車在空車時(shí)的質(zhì)量為0.61 t，模型中對(duì)應(yīng)坡道的高度為0.78 m。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為82.15 m，經(jīng)換算得出該型列車的運(yùn)行阻力系數(shù)為0.009 495，其對(duì)應(yīng)的基本運(yùn)行阻力為57.91 N。

3.2.2 MGC1.7-6型窄軌列車

根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)定車軌間的間距為600 mm，該型列車在重車時(shí)的質(zhì)量為2 t，模型中對(duì)應(yīng)坡道的高度為0.78 m。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為119.96 m，經(jīng)換算得出該型列車的運(yùn)行阻力系數(shù)為0.006 502，其對(duì)應(yīng)的基本運(yùn)行阻力為215.87。

同理，該型列車在空車時(shí)的質(zhì)量為1 t，模型中對(duì)應(yīng)坡道的高度為0.78 m。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為91.83 m，經(jīng)換算得出該型列車的運(yùn)行阻力系數(shù)為0.008 494，其對(duì)應(yīng)的基本運(yùn)行阻力為112.12 N。

3.2.3 MPC3.3-6型窄軌列車

根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)定車軌間的間距為600 mm，該型列車在重車時(shí)的質(zhì)量為3 t，模型中對(duì)應(yīng)坡道的高度為0.78 m。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為141.28 m，經(jīng)換算得出該型列車的運(yùn)行阻力系數(shù)為0.005 521，其對(duì)應(yīng)的基本運(yùn)行阻力為259.44 N。

同理，該型列車在空車時(shí)的質(zhì)量為2 t，模型中對(duì)應(yīng)坡道的高度為0.78 m。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為105.51 m，經(jīng)換算得出該型列車的運(yùn)行阻力系數(shù)為0.007 435，其對(duì)應(yīng)的基本運(yùn)行阻力為128.1 N。

3.2.4 MLC1.5-6型窄軌列車

根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)定車軌間的間距為600 mm，該型列車在重車時(shí)的質(zhì)量為5 t，模型中對(duì)應(yīng)坡道的高度為0.78 m。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為155.81 m，經(jīng)換算得出該型列車的運(yùn)行阻力系數(shù)為0.005 006，其對(duì)應(yīng)的基本運(yùn)行阻力為400.48 N。

同理，該型列車在空車時(shí)的質(zhì)量為4 t，模型中對(duì)應(yīng)坡道的高度為0.78 m。經(jīng)仿真分析得出如下結(jié)論：該型列車在高度為0.78 m的高度靠自身重力可行走總行程為133.96 m，經(jīng)換算得出該型列車的運(yùn)行阻力系數(shù)為0.005 823，其對(duì)應(yīng)的基本運(yùn)行阻力為174.69 N。

4 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)于同一型號(hào)列車，隨著列車數(shù)量的增加對(duì)應(yīng)的運(yùn)行阻力系數(shù)增大，其增量為0.000 3/輛；

2）對(duì)于不同型號(hào)列車，隨著礦車載重量的增加對(duì)應(yīng)的運(yùn)行阻力系數(shù)降低，但是其對(duì)應(yīng)的阻力較大，因?yàn)橹亓吭黾討T性增大，其對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)較??；但是，重量增加對(duì)軌道的正壓力較大，導(dǎo)致摩擦力較大，對(duì)應(yīng)的阻力較大。