（交通运输工程专业论文）关于防止货车空车脱轨的研究.pdf

摘要 在当前铁路运输安全工作中，由货车空车脱轨引起的事故造成的直接 和间接损失是巨大的，因此必须对货车空车脱轨的原因进行深入细致的调 查分析，研究货车空车脱轨的机理拽出规律性的问题，提出防范的对策 和建设性的意见，以便结合实际，采取相应的措施，集中力量加以整治 最大限度地减少货车空车脱轨事故的发生。论文首先分析了大量的脱轨事 故案例，其次从理论上对货车空车脱轨的影响因素进行了分析主要是从 脱轨系数、轮重减载率两指标及其之间的关系进行了分析。接着从车辆的 结构特点、空重车静态尺寸的差异、车辆的检修状况、货车空车在直线线 路上的动态性能、线路质量、列车编组、环境温度等方面进行分析，指出 _ 厂影n 向货车空车脱轨的主要原因，并提出了防止货车宅车月兑轨的具体措施 及相关建议。 关键词：车辆；脱轨：转向架：磨耗 a b s t r a c t i nt h ep r e s e n tr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns a f e t yw o r k t h ed i r e c ta n di n d i r e c t l o s sc a u s e db yd e r a i la c c i d e n to fe m p t yf r e i g h tc a ri se n o r m o u s ，s oi t sn e c e s s a v t or e s e a r c ht h er e a s o na b o u tp r o b l e mo f e m p t yf r e i g h tc a r 、f i n do u ld i s c i p l i n a r i a n a n dp u tf o r w a r dc o r r e l a t i v ec o u n t e r m e a s u r et h ep a p e rf i r s t l ys t u d i e sag r e a tl o t o fd e r a i lp h e n o m e n ao fe m p t yf r e i g h tc a r s e c o n d l y , i ta n a l y z e st h ei n f l u e n c i n g f a c l o r so fe m p t yf r e i g h tc a rd e r a i l i n gi nt h e o r yf r o mt h ei n d e xo fd e r a i l i n g c o e f f i c i e n t 、w h e e lw e i g h tl o a dr e d u c i n gr a t ea n di t sr e l a t i o n t h e nt h ep a p e r l o o k sa f t e rt h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro f f r e i g h tc a r 、s t a t i cd i m e n s i o nd i f f e r e n c eo f e m p t y c a r sa n dl o a d e dc a r s 、c a rr e p a i r i n gs t a t u s 、d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f e m p t y f r e i g h t c a ro ns t r a i g h tr a i l w a yl i n e 、r a i l w a yl i n e sq u a l i t y 、t r a i nf o r m a t i o n 、 e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e a n dp o i n to u tt h em a j o rf a c t o r st h a ta f f e c t e m p t 5 f r e i g h t c a r d e r a i l i n g t h e r e f o r e i tp u t s f o r w a r dt h em e a s u r e sa n da d v i c e s p r e v e n t i n gt h ee m p t yf r e i g h tc a rf r o m d e r a i l k e yw o r d s ：c a r ；d e r a i l ：b o d g e ；w e a r 关于防止货车空车脱轨的研究 第一章绪 论 第一节问题的提出 近几年来，在京秦、大秦、胶济、南津浦及郑州局的东陇海、北京广 等线路连续发生了货车空车脱轨事故。以1 9 9 7 年5 月9 日到2 0 0 0 年6 月 3 0 日发生于郑州局陇海线、京广线、及新菏线的九次货车空车脱轨事故为 例，见表1 。事故在地域上的广度及时间上的密度都是空前的，事故造成 的直接和间接损失都是巨大的。 对以安全为前提的铁路运输生产来说，货车空车脱轨问题已经成为了 亟待解决的事关重大的问题。因此，必须对货车空车脱轨原因进行深入细 致的调查分析，研究货车空车脱轨的机理，找出规律性的问题，提出防范 的对策和建设性意见，以便结合实际，采取相应的措施，集中力量加以整 治，最大限度地减少货车空车脱轨事故的发生。 饼 搴l 萋 桀 窭 馨 冉 苯 霉 救 _ 关于防止货车空车脱轨的研究 粒 囊 4 一 l 盘 隶 拄 。 雅 _ 一 暑i 茎 耍 嚣 芝 瓤 蓄 嚣 * 8 嚣 一 乓 _ 鲻 是=登 拳 j 一 出 一 馁 t 纂 卜 基 剥 涮 磊 目 婷 七 c 暑 。 f 、 瓣 斟呈 ! ， 帮 器 忑 掣。 磊 _ h 矗垡 茬 l =鼎 豁 孚 叁 8 _ 一 牵 建 稼 霞 导 螓 t 、 豫 零 喜 一 ，皑 h 搿 太 4 h 哗 “ 矧 奄 掰 i c _ i 霉 舞： 奎 塞 2 j l ；= 井 j 程 墨譬 赵 点 e1 i !“ 七氅 一 嚣 高竹 童 翥卞攫 舞 捌 葛 海 高 毒 星 弘 ， 辩贷圭 t袋 曼 _ 。 置， 皤 莩 姜童 c 州 一 型 竹 g 剁 盎 ；! 叶 苎 瓠 舛 七 竹 狂 尊 “ i 。 o 毒： 贷 苷装 翔蛙一_ _ 潼 k 糍戳磋 蜃 强 电i 掣剿 - - 导 舔瞎- 莲 翟蟮瓷 _ _- - * hn t _ _- nnj _ “ 匿 群 k 惫 崔 焱 l 娶 o 羞葛 瞪 茗 娑 善 毫 磊 辱o 捌 _ _ 述 4是罄 嫠釜 竹 裂 下 j l ；= 鼍 n盎| 赛 剜 擘 寄 监 童 * 竺 冀 器 茁一 螺圭 e 点 囊 釜 靶 博 叠 掣o 蝴 霉 舞 一 _ n 赶 蓉o注 妊 如 十 8 蛆i ? 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仅仅是因为重车的载重使q p 的脱轨系数更趋于安全 吗? 在黄河铁路桥做涂油对车辆运行性能的影响试验中发现，重车车辆在 1 0 关于防止货车空车脱轨的研究 更高的速度下在桥梁上造成的横向振动却较小。铁科院在徐州分局黄村站 外区间装设地面轨道应力检测点进行试验，检测发现了部分空车速度6 5 7 5 l ( r r l l l 间轮对横向作用力高达4 吨，而相应的重车其横向力普遍在2 吨左 右。我们是否可以认为该速度下空车已处于蛇行失稳的状态而重车并未失 稳? 重车车辆是否有较空车车辆更高的蛇行失稳临界速度? 排除掉重车车 辆的各项静态几何指标都较好的可能性。可以认为：比较空车与重车的静 态尺寸的差异，以及其在动态性能上造成的差异是一项很有意义的工作。 重量的差异是空重车最根本的差异。而其对车辆最直接的影响是造成 摇枕下弹簧的静挠度的差异。由于转8 a 转向架结构的原因又极大地影响 到斜楔式摩擦减振器。我们的分析从转8 a 转向架采用的摩擦力与荷重成 正比的斜楔式摩擦减振器入手。 如图l 所示：转8 a 转向架的斜楔式摩擦减振器由楔块、弹簧、摇枕、 磨耗板等组成。斜楔如图2 所示：其主摩擦面角度p = 2 5 。( 主摩擦面与 垂直面的夹角) ，副摩擦面角度o = 4 5 。( 副摩擦面与水平面的夹角) 。 图1 转8 a 斜楔式减振器 1 一摇枕：2 一斜楔：3 一侧架立柱磨耗板；4 一减振弹簧( 枕簧兼) 斜楔减振的作用原理： 当载荷传至斜楔后，在斜楔主、副面上形成正压力。当有振动时主 面与立柱间、副面与摇枕间产生相对位移，此间产生的摩擦阻力衰减振动。 把振动能量转化为了摩擦能量热耗。为了使转向架在空车状态下具有定 关于防止货车空车脱轨的研究 的摩擦力，楔块的下平面略低于摇枕下平面，以使楔块下弹簧的初压缩量 略大于其它5 组弹簧的初压缩量。 掣囟 图2 斜楔 弹簧的各参数：弹簧高度：h = 2 2 0 m m ；内簧直径：o1 6 ；内簧剐度： k ，= 2 0 1 6 k g m m ：外簧直径：q b 2 7 ；外簧刚度：k 2 = 5 6 6 4 k g m m 。 我国货物车辆中p 、n 、c 、g 等型的自重在1 6 2 3 吨之间。簧上重 量在1 0 1 7 吨之间。我们假定同一辆车辆在空车状态簧上重量为1 6 吨； 而重车状态为载重6 0 吨，即簧上重量为7 6 吨。分别计算其弹簧静挠度为： f 空l = g 叶( k l + k 2 ) 2 8 】_ 1 6 ，0 0 0 + ( 2 0 1 6 + 5 6 6 4 ) x 2 8 2 7 4 4 m m f 空2 = g 噼l + k 2 ) x 2 0 卜1 6 ，0 0 0 + ( 2 0 1 6 + 5 6 6 4 ) x 2 0 2 1 0 4 2 r a m f 重= ( 【( k 1 + k 2 ) x 2 8 1 = 7 6 ，0 0 0 + ( 2 0 1 6 + 5 6 6 4 ) x 2 8 。3 5 3 4 r a m f 空。空车7 组簧承载时的静挠度； f 。，空车5 组簧承载时的静挠度。 f 。重车7 组簧承载时的静挠度； 由于在载重时各摩擦部件产生磨耗量，斜楔将上移，我们 假定：1 、摇枕在原位置不动；2 、各摩擦件的磨耗量为等值 来计算斜楔的上移量。( 如图3 ) h 上移量；x 横 移量。 1 2 关于防止货车空车脱轨的研究 计算公式如下 五 图3 磨耗后斜楔位移示意图 b ( 1 + c o s 4 5 。+ 1 c o s 2 5 。) s i n 4 5 。c o s 2 5 0 s i n 4 7 5 。2 x = 1 c o s 2 5 。一( 1 + c o s 4 5 。+ 1 c o s 2 5 。) x si n 4 5 。si n 2 5 。 当= l m m 时a h = 4 6 3 r a m ，a x = 1 8 m m 当a = 2 m m 时h = 9 2 6 r r m l ，a x ：3 6 m m 当= 3 m m 时h = 1 3 8 9 r a m ，x = 5 4 m m 车辆的载重状态使减振器各摩擦面的磨耗量逐渐增大，即值不断 增大。在斜楔下弹簧力的作用下，斜楔有一个向上的移动量h ，h 值也 随之不断增大。此时斜楔下弹簧力f 弹簧女将随之不断减小。计算公式： f 弹镕力= ( k ，+ k 2 ) ( f 一h ) ，f 为各摩擦面无磨耗时的弹簧静挠度。 f 弹簧力的减小使正、副摩擦面的正压力减小，摩擦力随之减小，也就 使摩擦减振器的减振作用逐渐减小。 根据以上公式，可以得出： 1 3 关于防止货车空车脱轨的研究 1 、车辆在载重状态时，即使摩擦减振器的各摩擦面磨耗量逐渐增加 而使斜楔上移量h 增大，由于弹簧挠度f 远远大于斜楔上移量h ，斜楔 下弹簧仍能够提供足够的弹簧力f 弹簧力，使摩擦减振器起到正常的减振作 用。 2 、在空车状态下，如果摩擦减振器的各摩擦面磨耗量逐渐增加，斜 楔上移量h 将逐渐接近空车时5 组簧承载对的静挠度f 轻：。在这一过程 中，斜楔下弹簧弹力f 弹簧力逐渐减小。因此各摩擦面的摩擦力逐渐减小。 此时，摩擦减振器也就逐渐失去了横向及垂向的减振作用。而斜楔由于磨 耗及弹簧力的减弱，其横向定位的作用也将逐渐减弱。 总之，空重车辆载重的不同，造成弹簧挠度的差异，而由于转8 a 转 向架选用的斜楔式减振器结构上的原因，在各摩擦面磨耗量逐渐增大的过 程中，空车车辆的摩擦减振器逐渐减弱其横向和垂向的减振作用以及横向 的定位作用。重车车辆在这一过程中受影响较小。由于以上原因，就造成 了同一车辆在空车和重载时运行性能的不同，即：同一车况较差的车辆在 空车状态下蛇行失稳的临界速度低，在重车状态下蛇行失稳的临界速度 高。 由此，可以较完善地解释“重车不脱空车脱”这一现象，也可以解 释更高速度的重车在桥梁上造成的横向振动比低速度的空车要小这一现 象。 当然，空重车的差异不仅仅是这一点，本文只是定性地分析空重车弹 簧挠度上的差异对动态性能造成的影响。而全面、系统地定量分析这一影 响，对研究货车空车脱轨的机理，对车辆转8 a 转向架的改造甚至对全路 的安全生产都具有较大的现实意义。 第二节 我国货车车辆的检修修程及检修情况 、车辆检修修程 各个环节的检修质量决定着车辆的整体状况。我国现采用的定期检修 1 4 关于防止货车空车脱轨的研究 的修程分为：厂修、段修、辅修和轴检四级修程。其检修周期如表2 。 表2 ：货车定期检修周期表 轴检( 月) 有轴无轴 厂修段修辅修 【车种 滑动 箱滑箱滑 ( 年)( 年)( 月) 轴承 动轴动轴 承承 保温车、酸碱类罐车、 液化石油气罐车、液氧 4 罐车 棚车、敝车、平车、煤 车、矿石车、罐车、砂 1 石车、家畜车、通风车、 5 6361 2 粮食车、水泥车、活鱼 车、守车、载重6 0 吨 的凹型车 不常用的专用车、载重 82 9 0 吨及以上的货车 根据检修修程，对车辆转向架、上下心盘的检修主要是在厂修、段修 修程中进行。而厂修的周期长达四或五年，因此，车辆在较长一段时间内 状态的好坏是由段修的质量来控制的。 二、静态检查及分解检测情况分析 在郑州北车辆段和新乡车辆段对9 辆货车进行静态检查和分解检测， 共采集各种数据近1 9 0 0 个。重点对与车辆摆动有直接关系的几个因素进 行了分析比较，调查情况如下。 ( 1 ) 扣车情况 见表3 ( 2 ) 静态检测情况 关于防止货车空车脱轨的研究 静态检测情况如下： a 、同一转向架左右旁承游间之和超过运用限度( 2 2 0m m ) 的有三 辆车( 含一辆非晃动车) 。 a 、c 6 44 8 2 0 6 1 4 转向架左右旁承游间之和一位2 7 m m 二位 2 3 m m ； b 、n 1 65 0 2 2 0 4 5 转向架左右旁承游间之和一位2 5 m m二位 2 3 m m ； c 、n 1 7 g5 0 5 0 6 1 9 转向架左右旁承游间之和一位2 7 m m二位 2 3 m m ( 非晃动车) 。 b 、心盘螺栓松动的有七辆车( 含两辆非晃动车) 。 a 、c 6 2 a4 5 5 5 2 3 0 一位下心盘螺栓松动4 条，二位松动4 条；( 装 木垫板，防松螺栓) ； b 、n 1 6 5 0 2 2 0 4 5 位下心盘螺栓松动6 条，二位松动7 条；( 装木 垫板，非防松螺栓) ： c 、c 6 2 b 4 6 1 9 0 5 0 二位下心盘螺栓松动4 条：( 装竹垫板，防松螺 栓) ： d 、c 6 2 b 4 6 1 7 8 8 9 一、二位下心盘螺栓全部松动；( 一、二位分别 装铁、竹垫板，非防松螺栓) ； e 、c 6 2 4 6 6 6 4 7 5 一、二位下心盘螺栓全部松动：( 装竹垫板，非防 松螺栓) ： 1 6 关于防止货车空车脱轨的研究 f 、n 1 7 g5 0 5 0 6 1 9 一位下心盘螺栓松动2 条，二位松动3 条；( 非晃 动车，装木垫板，防松螺栓) ； 1 8 关于防止货车空车脱轨的研究 。纂备窨鼯潞冀始磐式精巢：餐爨辱：。幕抖窭粤莨薜譬蒸鞲甙惜粥：罨爱：=l|5 一 是 l挝 甚 甓 苫 霉 誊 ，3 ：i ： 1 ，l ； 蠢 口 踩一 oo 嚣 f d f ao ?r - “， t 目 l 划 蜷 世 崽 “ 毽 匿 露 一 愤 翻 ， 赛 警 舌； 窭 _ 善 n ， 8 藿 譬 蕊 椒基 墨 拦 8 翟 嚣 - “ 一 躐 篙誊 小 蠹 萎 垂 牮 嚣萎 誊 嚣 卜一 萼 暖 转 列 皇 g u ! 蓦 ：竣 西 萋蠢 翻 脚 慧 凄 罄 磊 器 p 量 目 罨 o 若 o 塔 d g 甲 小 高 一 hl l - 藿 器 善l 毯 1 董餐最 叠 卜 g 酴 2 g 0甘 gg 十 警l 霉 2 2 - 摧籀 赛 毯 害 季 登 掣 一 昌 n 昧n o n 蕾 荨 峨 “ 喜 一 口 一 咛 = l谆 萋8善 捌 踺j l l 显 n n 誉 e痞 譬 n 嫁 a鲁 l芒 娆 一 塔 最嚣 s 呈 | 謇 g 一 =一 眯 。 - t 一 g i n 盆 豢鞋 警 蒜 暮 苎 器 搿 基* 蕞 -# 、，c ， b 一 毯 曼 譬 韬 媾o i枣 硭 关了：防止货车空车脱轨的研究 g 、c 6 4 4 8 1 2 2 1 3 一位下心盘螺栓松动5 条，二位松动3 条：( 非晃 动车，装木垫板，防松螺栓) ； ( 3 ) 解体检测情况 详见表4 a 、8 辆车( 含2 辆非晃动车) 有不同程度的心盘直径磨耗过限： b 、7 辆车( 含1 辆非晃动车) 均有不同程度的摇枕八字面磨耗板磨 耗过限或脱落： c 、5 辆车( 含1 辆非晃动车) 均有不同程度的侧架立柱磨耗板磨耗 过限或产生贯通间隙； d 、6 辆车( 含3 辆非晃动车) 承载鞍与导框间隙过限 e 、1 辆车斜楔斜面、立面磨耗过限； f 、9 辆车的摇枕弹簧同一组高度差及同一套弹簧内外圈高度差在自 由高状态下均有不同程度的超限。 g 、被检测车辆的轮对几何尺寸除两个轮对轮径差过限外，其它均符 合要求。 通过对9 辆空车( 其中有3 辆非晃动车) 静态检查和分解检测，可以 得出以下结论： a 、心盘直径磨耗较大的车辆摆动比较严重： b 、摇枕八字面磨耗板和侧架立柱磨耗板磨耗较大或有贯通间隙的车 辆摆动比较严重； c 、承载鞍与导框间隙是否超限与车辆摆动严重程度关系不大； d 、斜楔由于硬度的提高，其磨耗不是很严重。 e 、个别检修车辆段的检修质量低下。 1 9 关于防止货车空车脱轨的研究 量 薹 至 叶 掣 叮 i ： 一。 蕾 霪 一 t 寸蕊 c 一。 毯 蔓乏 - 菇 一 一l一 皇：o ? 鼍蠢 叶o 耋翟囊避 二挂 1 藿 羹 o j 她i 1 c 、 掣。蓉 曼巴一t o 霎萋媳 姜薹霉 零落 篷划 剁矧 一十 。 霎罂 一口 一，：一一：蓁：；：墨 ：窝 ：j 二垂鬟 ； i j 美；兰素二毫霎 李 枣誊兰 趔一 。趣鬟 竺苫兰等等三姜 、 c “ h 季 蘧 乎 _ ， 盎i 一 o 吏 杠 、i 7 u ，一 酬删 等 芸 ， 舔 霎 7 上 卜一。 霎喜j 。 嚣i 螽皇 之 圣墨 o 一 崩 2 0 僻驭，邕靶磊趔鲨冬蒈|葺曲霉恹，殂至每详 寻 崇 豁 关于防j e 货车空车脱轨的研究 一 | ；量萎童专主 三 蓍薹三二! ：三二j 善 支 一，? o 一j f 一 夏 毒盘 ： = - n 一 童 三 一 点 兰 莓篆要荤专誊 兰 妻 ；二嚣嚣硭三：= - i ， 蓍 1 = 一 ：互 当 ： 蚕l n卜 - ： 重 譬 一 笠 擘 s ，o#0 慧 一 。 _ 。_ 羹鐾娄 芝 墓 芎 萋霉 关于防止货车空车脱轨的研究 第三节货车空车在直线线路上的动态。陛能 由于车轮踏面的锥度，轮对在直线轨道滚动必然产生一种特有的自激 振动一一面横向移动，一面又绕通过其重心的铅垂轴转动，这就是轮对的 蛇形运动。又由于该运动必定引起转向架和车体在横向平面内的振动，故 又称为转向架蛇形运动和车体蛇形运动。 车辆在理想的平直道上，在特定的条件下，以某一速度运行，这时所 产生的蛇形运动的振幅是随时间的延续而衰减的。这就是稳定的蛇形运 动。而当车辆的运行速度超过某一临界数值时，车辆的振幅随着时间的延 续不断扩大，使轮对左右摇摆直到轮缘碰撞钢轨，转向架或车体出现大振 幅的剧烈振动。这种现象称为失稳，该运动称为不稳定或失稳的蛇形运动。 该速度值即为临界速度。 实际上，车辆沿直线轨道运行时，一直存在着蛇行运动。由于车辆走 行部分的状态及线路的横向不平顺所引起的随机激扰，使车辆不断地产生 蛇行运动，同时又由于轮轨间存在着蠕滑及车辆结构中的各项阻尼，又使 这种运动的振幅不断地衰减，所以这时候的运动还是稳定的。只有当车辆 的运行速度超过其临界速度时，蠕滑及各种阻尼所产生的作用不足以衰减 不断地增长着的振幅时，车辆才开始失稳，于是就出现了不稳定的蛇行运 动。 很多有关脱轨的研究表明，车辆的蛇行运动的失稳是造成脱轨的一个 重要原因，提高车辆的蛇行失稳的f 瞄界速度对车辆的安全运行是极为关键 的。 影响转向架蛇行运动的临界速度的主要因素有 l 、轮对的定位刚度 轮对的纵向定位刚度和横向定位刚度对转向架蛇行运动的临界速度起 着决定性的影响。 2 、车轮踏面斜率 荚于防止货车空乍脱轨的研究 车轮踏面斜率对临界速度有着重要影响。临界速度与踏面斜率的平方 根近似成反 e 。日本为提高临界速度，将踏面斜率从l ：2 0 改为1 ：4 0 。 但由于磨耗的原因，不得不增加镟修踏面的工作量。 3 、蠕滑系数 蠕滑系数对临界速度的影响较小，蠕滑系数增加，临界速度略有下降。 蠕滑系数的理论值取决于车轮直径及轴重，还随着气侯条件变化。 4 、簧下重量 减轻轮对及轴箱等簧下重量，对提高转向架蛇行运动的临界速度是有 利的。 总之，车辆转向架的蛇行失稳临界速度受各项因素的影响，但最重要 的因素是车轮的横、纵向定位刚度。 货车车辆转向架由于结构上的原因，其蛇行失稳临界速度低于客车的 临界速度。但在新出厂及厂修后其蛇行失稳临界速度还是较高的。只是在 运行中当各部位出现磨损时，其蛇行失稳临界速度迅速下降，这是与客车 不同的，其结构上的缺陷也正在于此。如何使货车车辆转向架有一个较高 且稳定的蛇行失稳临界速度是转向架设计和改造中应着重考虑的。 第四节脱轨事故的其他因素及分析 、脱轨事故多种现象及分析 有关货车空车脱轨事故的理论研究是一门正在发展中的学科。但不论 从那个角度来研究脱轨事故，都要能够合理地解释脱轨事故中的各种现 象。以下试图对在多起脱轨事故中总结出的各种现象作一个台理的分析。 l 、客车很少脱轨、货车较多脱轨。 客车由于结构上的优势如框架式转向架、较好的两系弹簧减振装置、 较高的弹簧静挠度及较稳定的减振性能等因素，使其具有较高的蛇行失稳 2 3 临界速度。因此，客车脱轨较货车要少。 2 、直线脱轨事故多，曲线脱轨事故少。 关于防止货车空车脱轨的研究 过去货车普遍在较低速的工况下运行车辆的状态较差时，其蛇行失 稳的临界速度仍高于其实际运行速度，因此很少在直线线路上发生脱轨事 故，而较多的是重车在曲线上由于超高不足等原因造成脱轨。其实过去也 有货车空车在高速工况下直线脱轨事故的发生，但由于现象个别，并未引 起高度重视。 现在货车普遍在较高的速度下运行，车辆的状态较差时，货车空车的 临界速度低于实际运行速度，空车车辆发生的横向剧烈振动在直线运行上 得不到抑制，最终造成脱轨事故。而曲线对车辆的蛇行失稳有一定的抑制 作用，因此，直线脱轨较曲线多。 3 、货车空车脱轨事故较重车多 由前面的分析，我们认为：一是在车辆减振装置的各摩擦面的磨耗量 增大时，货车空车的蛇行失稳的临界速度较重车低。二是在侧向力增大的 情况下，空车由于较轻的自重，使脱轨系数q p 比重车大，因此空车更易 发生脱轨事故。 4 、新铺钢轨脱轨多 1 9 9 7 年在济南局南津浦线的多件脱轨事故都是在新铺钢轨后发生 的。该现象的解释为：新钢轨由于锈蚀，摩擦系数提高，根据脱轨系数公 式：摩擦系数的增大，降低了脱轨系数的临界值，因此，使新铺钢轨较易 发生脱轨事故。 其实，在新钢轨经过磨合期后，摩擦系数自然趋于平稳，又由于新轨 与车轮踏面有较好的接触，新轨比旧轨有更好的抗脱轨性能。 5 、脱轨事故多发于5 月至l o 月间 a 、5 月到1 0 月间，气温较高，空气干燥，在不同程度上增大t - 轮j l 2 4 关于防止货车空车脱轨的研究 间的摩擦系数，相应降低了脱轨系数的临界值。 b 、无缝线路锁定轨温较低时，环境温度的升高使钢轨内部的温度力 过大，使线路出现碎弯，线路的稳定性减弱。 c 、夏季的多雨造成路基松软，若路基不均匀下沉，造成线路高低不 良，加居0 歹0 车尉6 动。 以上原因都使5 月至1 0 月间发生脱轨事故的可能性增大。 6 、机车后2 0 位以后脱轨事故多 车辆的不良状念决定了车辆较低的蛇行失稳临界速度。而该车辆编组 在后部时，在列车加速或列车制动减速的过程中，前后列车不同步而出现 “涌挤”现象，进而加剧车辆的轮重偏载，使本已蛇行失稳的车辆运行状 态进一步恶化，从而使车辆脱轨的概率增大。 二、线路质量对货车空车脱轨的影响 l 、高温下轮轨间的摩擦系数u 较大，导致脱轨的可能性增加 轮轨间的摩擦系数u 的大小与气温高低、环境干燥程度、轮轨接触面 的粗糙程度有关，气温越高，气候越干燥，接触面越粗糙，u 越大。一般 情况下，u 在0 2 o 3 之间，但在高温干燥条件下，新换表面粗糙的钢轨， u 可高达0 5 。假设轮缘角为6 8 。，u 为0 2 5 时，脱轨系数的临界值为i 7 8 ； u 为o 5 时，脱轨系数的临界值为1 3 1 7 ，降低2 6 ，这是夏季易发生脱 轨的原因之一。 2 、线路稳定性降低，是造成车辆脱轨的重要原因 线路稳定性降低，列车通过时，钢轨产生激振作用，导致车辆横向力 大幅增加，此时如果有其它来自车辆、线路的不利因索耦合，就可能导致 脱轨事故。 关于防止货车空车脱轨的研究 线路稳定性降低的原因有：( 1 ) 在高温季节或气候由冷向暖转变时 期，无缝线路区段t 特别是锁定轨温偏低区段) 的钢轨在内部过大的温度 力的作用下，使线路出现碎弯，线路的稳定性减弱。( 2 ) 多雨季节易造成 路基松软，若路基不均匀下沉，造成线路高低不良，加剧列车跳动。另外， 道床捣固质量不高，道碴不足等方面的原因，都会造成道床的横向阻力降 低，列车通过时易产生较大的几何变形，静态时又不易测量到。( 3 ) 列车 通过时，轨道原有不平顺在轮重、车辆横向力和钢轨温度力的共同作用下， 急速发展并和原有不平顺叠加。 3 、线路不平顺使作用于轮对的横向力过大，易造成车辆脱轨 调查表明，发生车辆脱轨事故的区段，线路几何尺寸大多在工务规则 的误差范围内，在列车运行速度较低时，不会使车辆产生过大的横向力和 轮对减载，但列车提速以后，如果几种不平顺同时出现( 特别是轨向、高 低和水平误差造成线路扭曲时) ，并且呈一定的变化规律，沿线路变化的 波长又与某一车辆的失稳主频率相耦合发生“共振”时，即使线路不平顺 的幅值不大，也容易产生越来越大的横向力，最终导致车辆脱轨。 根据转8 a 转向架的结构特点，其一阶失稳主频为2 5 2 6 h z ，在以 6 0 7 5 k m h 的速度运行时，线路同车辆发生“共振”的不平顺波长是6 5 8 5 m ，因此应特别关注该波长的线路不平顺。转向架的减振器磨耗越严重， 相对摩擦系数就越小，失稳主频也就越低，越容易同线路不平顺发生“共 振”现象。 三、列车编组对货车空车脱轨的影响 在列车编组空重车混编时，特别是“重+ 空+ 重”的编组形式是最不 利的。由于载重的原因，重车的车钩比空车的车钩要低。在列车变化操纵 的非稳态工况下( 如制动、缓解、调速等) ，前后重车很容易对中间空车 造成“前阻后涌”的情况。使空车产生压屈上浮( 减载) ，进而造成脱轨。 从理论上讲：处于车体摇头蛇形失稳的空车，其两端重车车钩的纵向冲撞 压力方向很容易与空车车体中心线产生较大偏斜。方面，水平面的歪斜 将使前后转向架产生过大附加横向力。这些横向力传往轮对，增大轮轨横 关于防止货车空左脱轨的研究 向作用力( q ) 。另一方面，在垂直面内，由于重车车钩中一心线低于空车， 这种倾斜，将使空车受到向上的作用力。这种“压屈”作用直接减少空车 心盘处的垂直载荷，导致车轮减载。所有这些因素明显增大了脱轨系数q p 值。也即增大了脱轨的可能性。广铁集团在1 9 9 3 年1 0 月至1 9 9 5 年7 月发 生的四次空罐车脱轨事故都与车辆的这种编组有关。 四、货车空车脱轨的其他原因 1 9 9 7 年5 月9f 1 和2 0 0 0 年6 月3 0f = 1 在京广线黄河桥发生的两次货车 空车脱轨事故，除了有以上分析的车辆、线路的原因外，还有其特殊的原 因。 1 、两次脱轨事故的脱轨点都在黄河桥上。郑州黄河铁路大桥在结构 上有一定缺陷。在1 9 9 7 年8 月铁路局组织的郑州黄河桥横向振动超限论 证会上，与会专家组认为：主梁宽跨比为1 ：2 0 的钢梁横向刚度难以适应高 速行车增大的横向激振力，特别是当车辆以6 5 - - 7 5 k m h 速度运行，其蛇 行激振频率与钢梁的有载自振频率成倍频关系时，激发的共振加剧了主粱 的振幅，使列车通过时存在着脱轨的潜在危险。1 9 9 3 年以来对桥梁的多次 检测中，均发现钢梁的横向振辐多处( 次) 超过规范允许值( 4 r a m ) 。本 次的黄河桥涂油试验中也是这样：当高边空车通过时，加固后的桥孔比未 加固的桥孔的横向振幅有明显减小，但其幅值( 均值在8 5 2 m m 一1 0 0 2 m m 之间) 仍然超限。 2 、两次脱轨事故中机车处于加载提速状态。列车速度曲线的变化 对车辆产生定的冲击力，在车辆蛇行失稳运动中的某一瞬间横向力急剧 增大。 以上两点是黄河桥上两次脱轨事故较其它脱轨事故特殊的原因。 第五节结论 通过以上对货车空车脱轨原因的分析，得到以下结论 ( 1 ) 货车空车车辆脱轨事故是在蛇行失稳的运动中与线路各种非正 2 7