列车脱轨分析

列车脱轨分析北京交通大学范俊杰前言多年的运营实践表明，列车脱轨是危及行车安全的重要隐患，也是危害较大、经济损失较重的行车事故之一。事实表明，列车脱轨是各种影响脱轨的不利因素综合作用的结果。因此，对列车脱轨必须进行全面、系统的研究，客观地分析造成脱轨事故的原因、机理，才能采取正确的技术措施，减少甚至杜绝脱轨事故的发生。绝大多数列车脱轨事故均由车辆脱轨引起，因此，我们将主要研究车辆的受力状况、脱轨原因及应采取的预防措施。曲线脱轨分析曲线脱轨条件与脱轨系数1，曲线脱轨条件由图1可知，当车轮轮缘贴靠曲线钢轨且轮轨一点接触时（图1），车轮处于脱轨的临界状态，此时横向导向力Y与车轮荷载Q均作用在轮轨接触点上。车轮能否脱轨，要根据其受力情况而定。若使车轮沿图1中的AB线下滑就不会造成车辆脱轨，这时就必须满足下述条件：Qsinβ-Ycosβμ(Ysinβ+Qcosβ)得：Y/Q(tanβ-μ)/(1+μtanβ)图1式中，β——车轮轮缘倾角，我国机车车轮β=70º，车辆车轮β=65~68º；μ——轮轨间的摩擦系数。上式为曲线脱轨条件，满足此条件车辆则不会脱轨，否则就有脱轨危险。2，脱轨系数令：(tanβ-μ)/(1+μtanβ)=K则，Y/QK只要满足上述条件，车辆就不易脱轨。Y/Q就叫做脱轨系数，K为脱轨系数的临界值。轮对的脱轨条件与脱轨系数与单个车轮的一样。3，脱轨系数及临界值分析由上述分析可知，影响列车脱轨的因素主要有三个：Y、Q、K。对它们进行分析和研究，就能对脱轨的原因和机理有一个全面的了解，并可采取相应的技术防范措施，以保障行车安全。（1）影响Y值的因素：a，曲线半径越小，Y值越大；b，车辆“旁承压死”（车辆在任何情况下旁承间都应留有空隙，静态空隙不少于4mm,动态空隙允许为2~20mm)，Y值增大；c,横向风力越大，Y值越大。(2)影响Q值的因素：a,车辆货物偏载，使Q值变化。铁道部规定：车辆纵向偏载应小于10吨，横向偏载时其货物重心偏离车辆中心线距离要小于100mm。b,车体或转向架刚性过大，缺乏反弹力去减缓车辆的减载影响，使Q值变小。c，线路存在严重的高低和方向不平顺时，会加剧车辆的上下振动和横向摇晃，使车轮减载。d，在转向架驶出圆曲线进入缓和曲线时，转向架前轴外轮浮起，使Q值变小（图2）。e，司机操作及车辆编组不当，“前堵后拥”使Q值变小。外轨内轨图2（3）影响K值的因素由K值的计算公式可知，K值只与μ与β有关：a,不同μ与β时的K值：μ=0.50.250.20β=70ºK=0.951.481.64β=68ºK=0.881.371.52β=65ºK=0.791.231.36由此不难看出，车辆轮缘倾角较小，K值也较小，脱轨危险就较大。此外轮轨涂油，减小轮轨间摩擦系数μ，K值相应增大，也能减小车辆脱轨危险。b，由图3可以看出，当车轮浮起时，β角将减小，K值相应减小，增加了脱轨的危险性。车轮减载脱轨当车轮减载量ΔQ达到一定程度时，车轮也有脱轨危险。只有满足下式时，车轮才不易脱轨：ΔQ/QK´=（K-μ）/（K+μ）与脱轨系数一样，ΔQ/Q为减载系数，它只要满足上式车轮就不易脱轨。因此，减载系数限值K´足够大，车轮减载脱轨的危险性就小。而K´与K和μ有关，当然也与β和μ有关。β值大、μ值小，都可减少车轮减载脱轨的危险性。防止列车曲线脱轨的技术措施1，机辆方面应采取的防范措施（1）防止断轴等部件破损事故的发生，杜绝货车在正常装载情况下旁乘压死的现象。（2）安装机车涂油器，减少轮轨间摩擦系数。（3）淘汰“转6”型转向架，增加转向架结构的弹性。2，运输部门应采取的防范措施（1）杜绝货物严重偏心装载。（2）避免将小车、空车编组在列车中部。3，工务部门应采取的防范措施（1）正确设置缓和曲线超高顺坡，正常情况下其值不大于1‰，困难条件下也不大于2‰。尤其在YH点附近要尽量不大于2‰。（2）保持线路良好的几何状态。（3）小半径曲线钢轨进行涂油，减少轮轨间摩擦系数。4，机车司机应操作恰当，避免盲目刹车造成“前堵后拥”现象。直线脱轨分析列车直线脱轨的基本原理车辆在直线上运行时，由于车轮踏面类似锥形且轮缘与钢轨之间存在空隙，车轮以“蛇形运动”形式前进。其蛇形运动方程为：y=ymaxsin[λ/(ros)]½x其蛇形运动的波长和频率为：L=2π[(ros)/λ]½f=v/L=v/2π·[(λ/(ros)]½若车辆的自振频率f´与蛇形运动的频率f相同，将发生共振，严重时将导致列车在直线上脱轨。由上式可以看出，列车共振时的临界速度为：v=7.2π[(ros)/λ]½f´(km/h)式中，ro——车轮半径，我国货车ro=0.42m；s——线路钢轨中心间距之半,s=0.75m；λ——车轮踏面锥度或等效锥度；f´——轮对横向振动固有频率。目前关于f´的资料与数据极少，给直线脱轨事故的分析工作带来困难。直线线路列车脱轨分析如上所述，直线线路列车脱轨的主要原因是列车产生共振，即当f=f´时，列车产生共振导致列车直线脱轨。我们只要知道f和f´值就可对直线线路列车脱轨进行分析。1，车轮蛇形运动频率分析由于目前我国铁路车辆车轮已普遍采用磨耗型踏面且踏面不断磨损，很难精确确定踏面锥度进而求得f值。但我们可通过车轮蛇形运动所造成的直线钢轨的不均匀侧面磨耗（图4）来间接求算f值。L图4图4中L为钢轨不均匀侧面磨耗的主波长，它代表了车轮蛇形运动的主波长。由此可算出车轮蛇形运动频率f：f=v/L进而得：v=3.6Lf´只要知道f´值就可求得临界速度v(v的单位为km/h)。2，车辆自振频率分析目前我们并未掌握车辆自振频率的精确数据，只能按一个范围进行临界速度的分析：假设车轮横向自振频率f´=1.0~1.5Hz,则相应的临界速度为（L=18m）：f´=1.0v=64.8km/hf´=1.1v=71.3km/hf´=1.2v=77,8km/hf´=1.3v=84.2km/hf´=1.4v=90.7km/hf´=1.5v=97.2km/h如果我们能避开上述临界速度来运行列车，则列车就不易在直线上脱轨。直线桥梁列车脱轨分析列车在直线桥梁上脱轨的原因，主要是桥梁本身发生共振而造成列车脱轨。当桥梁横向振动加速度达到0.1g~0.2g时，桥上列车就有脱轨危险。研究表明，当运行列车横摆时施加于桥梁的横向荷载作用频率达到桥梁自振频率fo时，桥梁就会发生共振。桥梁产生横向共振的条件是：v=3.6Lfov——导致桥梁共振的临界速度（km/h）L——列车横向荷载作用波长，L=d/i,d为车辆定距；i为系数，=1，2，3，或4fo——为桥梁自振频率，可查表求得。以40长钢梁为例：中国，fo=2.5Hzv=78.3km/h日本，fo=2.65Hzv=83.0km/h欧洲，fo=2.655Hzv=83.2km/h若桥梁的横向联接不佳，刚度不大，列车过桥速度最好不大于上述算得的临界速度，以确保行车安全。防止列车直线脱轨的技术措施1，机辆部门应使机车车辆处于良好状态，并尽量提供车辆的自振频率。2，工务部门应使线路处于良好状态，保持线路顺直及轨面清洁。3，运输部门在安排运行图时应使列车运行速度避开车辆的临界共振速度。4，司机应避免在危险速度下刹车，以免造成“前堵后拥”现象。