新疆鐵路風(fēng)區(qū)榛架膛上的榛架式戎馬路車運(yùn)行穩(wěn)定性分析

新疆鐵路風(fēng)區(qū)榛架膛上的榛架式戎馬路車運(yùn)行穩(wěn)定性分析

新疆鐵路主要風(fēng)區(qū)風(fēng)速高，風(fēng)周期長，季節(jié)性強(qiáng)，風(fēng)速變化快。在新疆線100公里的主風(fēng)區(qū)，最大風(fēng)速為64ms，在蘭深線100公里的主風(fēng)區(qū)，最大風(fēng)速為60ms。新疆鐵路風(fēng)區(qū)是世界鐵路內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)速最高、風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一。新疆鐵路自開通運(yùn)營以來,遭遇過多次大風(fēng)災(zāi)害。自1960年至今,新疆境內(nèi)因篷布被刮至線路上而導(dǎo)致的車輛脫軌事故有2起,共計12輛車,經(jīng)濟(jì)損失重大,嚴(yán)重影響了運(yùn)輸安全。本文從車輛整體抗傾覆能力和篷布抗風(fēng)能力2個方面對新疆鐵路風(fēng)區(qū)苫蓋篷布車輛的運(yùn)行安全性進(jìn)行分析,并提出改進(jìn)建議。1車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的計算方法本文采用建模數(shù)值計算篷布車輛在大風(fēng)環(huán)境下的抗傾覆能力。根據(jù)新疆典型風(fēng)區(qū)的線路條件和防風(fēng)設(shè)施,對每個風(fēng)區(qū)的每個行車區(qū)間進(jìn)行了車輛運(yùn)行穩(wěn)定性分析和計算。為了計算大風(fēng)環(huán)境下列車安全運(yùn)行的風(fēng)速和車速限值,需建立大風(fēng)環(huán)境下苫蓋篷布車輛運(yùn)行穩(wěn)定性計算模型,模型主要考慮了以下作用力的影響:(1)車輛通過曲線時的離心力;(2)車輛重力;(3)車輛側(cè)向振動慣性力;(4)輪軌作用力;(5)側(cè)風(fēng)作用在車輛上產(chǎn)生的側(cè)向氣動力(列車運(yùn)行時,由大風(fēng)引起車輛迎風(fēng)面和背風(fēng)面的車體表面分布壓力和黏性力經(jīng)積分合成得到);(6)車輛受到的氣動升力(列車運(yùn)行時,由大風(fēng)引起車輛頂部和底部車體表面分布壓力和黏性力經(jīng)積分合成得到)。車輛在大風(fēng)環(huán)境下的穩(wěn)定性計算主要考察2個力矩:一是在大風(fēng)環(huán)境和車輛運(yùn)行條件下的傾覆力矩(側(cè)滾力矩);另一個是車輛自身的穩(wěn)定力矩。傾覆系數(shù)取0.8后,二者達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)時的環(huán)境風(fēng)速稱為臨界傾覆風(fēng)速。車輛的外形、重量、運(yùn)行速度以及路況條件(曲線、路堤、路塹、橋梁、擋風(fēng)設(shè)施等)都會對臨界傾覆風(fēng)速產(chǎn)生不同程度的影響。研究采用的車輛運(yùn)行穩(wěn)定性計算模型如圖1所示。利用該模型針對新疆鐵路主要風(fēng)區(qū)的線路及防風(fēng)設(shè)施進(jìn)行了車輛運(yùn)行穩(wěn)定性計算,得到了不同路況條件、不同車速下的各型車輛臨界傾覆風(fēng)速。圖1中,在大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行車輛受到的各種力的合力作用點為A點,對A點取矩,得到:M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7+M8+M9+M10+M11=0式中:M1～M11——圖1中各個力產(chǎn)生的力矩。經(jīng)過穩(wěn)定性計算后,對蘭新線百里風(fēng)區(qū)有無苫蓋篷布車輛的臨界傾覆風(fēng)速進(jìn)行了對比(圖2)。可以看出,擋風(fēng)墻顯著提高了苫蓋篷布車輛的臨界傾覆風(fēng)速。在無擋風(fēng)墻條件下,苫蓋篷布敞車比未苫蓋篷布的敞車安全;而在有擋風(fēng)墻條件下,兩者相差較小,且臨界傾覆風(fēng)速均大于由起沙風(fēng)速確定的風(fēng)區(qū)安全行車最高風(fēng)速限值(42m/s),其他風(fēng)區(qū)計算結(jié)果同樣如此。因此,在有連續(xù)擋風(fēng)設(shè)施的蘭新線百里風(fēng)區(qū)和南疆線前百公里風(fēng)區(qū),苫蓋篷布車輛抗傾覆能力在目前風(fēng)區(qū)安全行車最高風(fēng)速限值內(nèi)是滿足要求的。2大風(fēng)環(huán)境對加強(qiáng)降壓技術(shù)的影響篷布本身的抗風(fēng)能力采用實車進(jìn)行試驗,試驗對大風(fēng)環(huán)境下貨車篷布、篷布繩索、網(wǎng)繩拉力進(jìn)行測量分析。2008年4月—2009年5月,烏魯木齊鐵路局會同中南大學(xué)分別在南疆線前百公里風(fēng)區(qū)和蘭新線百里風(fēng)區(qū)進(jìn)行了3次大風(fēng)環(huán)境下篷布車輛的運(yùn)行安全性實車試驗。試驗時風(fēng)力條件見表1。(1)從篷布應(yīng)力和繩索測試結(jié)果可知,當(dāng)環(huán)境最大平均風(fēng)速達(dá)到32m/s時,無論是D型、X型篷布還是篷布繩索、網(wǎng)繩均出現(xiàn)了不同程度的受損,主要表現(xiàn)有:①X型篷布撕裂情況較為嚴(yán)重,篷布搭接處兜風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重;②D型篷布因摩擦和應(yīng)力集中出現(xiàn)局部破損和撕裂現(xiàn)象,篷布眼圈有被拉脫的現(xiàn)象,篷布繩索由于摩擦出現(xiàn)拉毛;③篷布繩網(wǎng)均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的斷裂。當(dāng)環(huán)境最大平均風(fēng)速為29m/s時,D型篷布保持完好,極少的篷布繩索出現(xiàn)局部磨損現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)境最大平均風(fēng)速為22m/s時,各型篷布均完好無損。(2)大風(fēng)環(huán)境下D型篷布和X型篷布繩索所受最大拉力分別為2238N和2420N,遠(yuǎn)大于非大風(fēng)環(huán)境下篷布繩索受到的拉力,但均小于篷布維修規(guī)章中規(guī)定更換用的篷布繩索技術(shù)性能指標(biāo)(8400N)。(3)大風(fēng)環(huán)境下篷布繩網(wǎng)受到的最大拉力為720N,遠(yuǎn)大于非大風(fēng)環(huán)境下篷布繩索受到的拉力,但小于篷布用繩網(wǎng)抗拉技術(shù)性能指標(biāo)(1500N)。(4)擋風(fēng)墻能夠有效地降低篷布繩索受到的氣動力,擋風(fēng)墻區(qū)域篷布繩索受到的氣動力僅為無擋風(fēng)墻區(qū)域的45%～70%。(5)路況對篷布繩索、網(wǎng)繩拉力影響很大,繩索拉力在路堤上且無擋風(fēng)墻時最大,在路塹中最小。(6)篷布繩網(wǎng)在降低篷布繩索氣動力中發(fā)揮了重要作用,無繩網(wǎng)篷布繩索受到的氣動力比有繩網(wǎng)情況大30%～40%。(7)篷布上加防風(fēng)網(wǎng)后,篷布繩索拉力減小30%～40%。(8)大風(fēng)環(huán)境下,篷布晃動劇烈及磨損程度、篷布繩索和繩網(wǎng)拉力主要取決于環(huán)境風(fēng)速,與車速關(guān)系不大。隨著試驗風(fēng)速的增大,篷布兜風(fēng)與晃動情況越發(fā)顯著,繩索拉力迅速增大,繩索拉力近似與風(fēng)速的1.8次方成正比。(9)有網(wǎng)篷布的晃動幅度明顯小于無網(wǎng)篷布,其中無網(wǎng)X型篷布晃動劇烈,搭接口很容易被吹開,易造成事故。(10)大風(fēng)環(huán)境下,背風(fēng)面篷布晃動程度大于迎風(fēng)面,背風(fēng)面繩索拉力大于迎風(fēng)面繩索拉力。(11)篷布兜風(fēng)和晃動情況與擋風(fēng)墻類型無顯著聯(lián)系。因此,篷布抗風(fēng)安全性成為苫蓋篷布敞車安全運(yùn)行主要限制因素,也就是說,影響篷布車輛運(yùn)行安全性的主要因素集中在篷布及其繩索、繩網(wǎng)的抗風(fēng)能力上。3效力性能指標(biāo)的確定根據(jù)3次篷布試驗結(jié)果得出:擋風(fēng)墻和防風(fēng)網(wǎng)可以有效降低篷布繩索拉力,可以增強(qiáng)繩索的耐久性。但在歷次試驗中,篷布繩索拉力值均小于允許拉力值,即篷布繩索的抗拉能力不是影響篷布車輛安全性的主要因素,真正影響篷布車輛安全性的主要因素是篷布、篷布繩索、篷布繩網(wǎng)的耐磨性。因此,為滿足風(fēng)區(qū)苫蓋篷布