脱轨美国一运有化学品列车脱轨起火

第26卷第2期2004年4月铁道JOURNALOFTHE学报CHINARAILWAYS0CIETYVo1.
16No.
:April2004文章编号:1001—8360(2004)020097—08桥上列车脱轨的力学机理、能量随机分析理论及其应用向俊,曾庆元,周智辉(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)摘要:总结了国内外现有桥上列车脱轨研究中的主要问题.
基于物理概念,提出了桥上列车脱轨的力学机理,进一步提出了桥上列车脱轨能量随机分析理论,其主要内容包括:列车脱轨几何准则;能反映轮轨接触状态及相对位移的列车桥梁时变系统空间振动方程组的建立;此系统横向振动激振源的确定;此系统随机横向振动的计算方法;评判列车是否脱轨的能量增量准则.
计算了6个桥上列车是否脱轨实例,计算结果均与实际符合,证明这个理论有一定正确性.
关键词:桥上列车脱轨;力学机理;能量随机分析理论;应用中圈分类号:U447文献标识码:AMechanicalMechanismandRandomEnergyAnalysisTheoryofTrainDerailmentontheBridgeandItsApplicationXIANGJun,(SchoolofCivilandArchitecturalZENGQing—yuan,Engineering,CentralSouthZHOUZhi—huiUniversity,Changsha410075.
China)Abstract:Majorproblemsexistinginthecurrentresearchoftrainderailmentonthebridgeathomeandabroardaresummarized.
Mechanicalmechanismoftrainderailmentonthebridgeispresentedonthebasisofthephysi—calconcept.
Therandomenergyanalysistheoryoftrainderailmentonthebridgeismorepresented.
anditsma—jorcontentsincludeasfollows:Geometricrulesoftrainderailment;establishmentofthespatialvibrationequa—tionsetofthetrain—·bridgetime—·variantsystemreflectingcontactstatuesandrelativedisplacementbetweenrailandwheel;makingcertaintheexcitingsourceoftransversevibrationofthesystem;methodofcalculatingran—doratransversevibrationofthesystem;standardrulesofenergyincrementforjudgingtrainderailment.
Sixca—seswhethertrainsrunningonthebridgederailornotarecalculated.
Theconclusionmatcheswiththeactualcase,whichshowsthistheoryiscorrect.
Keywords:trainderailmentonthebridge;mechanicalmechanism;randomenergyanalysistheory;application桥上列车脱轨问题,研究了一百多年,取得了不少成果,但仍未满意解决.
目前,国内外在列车一桥梁时变系统(以下简称此系统)空间振动计算中,仍然是假定轮轨密贴.
假定轮轨密贴,显然不是系统实际工作状态.
本文总结了国内外现有桥上列车脱轨研究中的主要问题.
从基本的物理概念出发,提出了桥上列车脱轨的力学机理,进一步提出了桥上列车脱轨能量随机分析理论.
运用这一理论,计算了6个桥上列车是收稿日期:2003-09—22;修回日期:2003—11-03基金项目:国家自然科学基金项目(50078006);高等学校博士点科研基金项目(20010533004);铁道部科技研究开发计划项目(2OOLGO29.
2003G043)作者{畸介:向俊(1968一),男,湖南沅陵人,副教授.
博士研究生.
E-mail:jxiang@mail.
CSU.
edu.
cn否脱轨实例,计算结果说明这个理论有一定的正确性和可行性.
国内外桥上列车脱轨研究中的主要问题(1)现行规范的限值问题现行规范的脱轨系数Q/P及轮重减载率AP/P.
限值不能反映实际可能产生的最大Q/P与&P/P.
.
实测和计算都证明,实际最大的Q/P及AP/P.
比规范限值大得多~].
原因在于现行国内外预防脱轨的标准都是根据单轮对在假定横向力作用下的试验和计算结果制定的,同时缺乏统计规律性.
实际列车车轮开始悬浮时,Q/P和AP/P.
的测试和计算很困http://www.
paper.
edu.
cn中国科技论文在线98铁道学报第26卷难,要得出其统计规律性更困难.
因此现行标准不能保证不脱轨.
若可能产生的最大Q/P及AP/P.
不超过规范限值,则可保证不脱轨.
(2)国内外列车一桥梁时变系统振动响应计算理论存在3个根本问题①现有此系统计算模型不能反映轮轨接触及其相对运动状态.
国内外研究都是假定轮轨密贴,分别建立车辆、桥梁(轨道)振动方程组,用迭代法求解,这就必须般定轮轨在竖向、横向都是密贴,否则迭代计算不收敛.
既然假定轮轨密贴,当然算不出脱轨.
实际上,这种轮轨竖、横向密贴的假定背离了此系统实际工作状态,因而得不出合理解.
②国内外仅以轨道横向不平顺为此系统横向振动的激振源,而其根本激振源应是轮轨接触状态,这是通过分析图1、图2【]、表1、表2及表3的实际振动速度/(km·h)图l48m桁梁在单个机车作用下上弦跨中实测最大横向振幅与车速关系速度/(kin·h)图2松花江桥最大横向振幅与车速关系响应得出来的概念.
例如图1,表示同一机车在同一车速通过桥梁时,各次测试的最大振幅可以相差1倍甚至2倍,除各次行车的轮轨接触状态不同外,各次行车的其他振动条件都相同(机车、桥梁、轨道横向不平顺、车速等都不变),如果轨道横向不平顺是引起此系统横向振动的主要原因,则各次行车的桥梁实测最大振幅应接近(考虑仪器测试误差).
实际上不是接近而是相差很多,其原因只能归之于各次行车的轮轨接触状态不同,似无其他解释.
事实是车轮轮缘与钢轨之间有缝隙(一般称为游间),轮缘在两根钢轨之间蛇行前进,各次行车的轮轨接触状态不同是客观存在的.
图1、图2、表1、表2及表3中同一车速各次行车的实测振动响应都相差很多,这就说明各次行车的轮轨接触状态不同所引起.
轮轨接触状态无法用测试和计算资料表出,直接以轮轨接触状态为激振源是行不通的,本文以实测构架蛇行波及其标准差的统计解决了这个问题,见后面3.
3节.
表l机车通过测点时钢轨及轨枕的横向振动加速度单位:g8O4.
2~10.
57.
52.
4~10.
85.
7直线1106.
3~15.
29.
83.
5~9.
55.
81604.
8~11.
67.
64.
0~9.
66.
8803.
5~9.
66.
32.
4~13.
38.
1曲线1103.
5~17.
69.
24.
8~10.
27.
01606.
8~11.
08.
25.
0~10.
78.
8注:表中车速8O~110kin/h为普通机车及车辆通过.
160kin/h为准高速机车及车辆通过.
下同.
表2车辆通过测点时钢轨及轨枕的横向振动加速度单位:g测试部位线路速度钢轨轨枕状态/2(km·h_.
)最大值平均值最大值平均值直线曲线表3直线上轨枕的实测横向位移从物理概念来分析,引起此系统横向振动的因素000005432lgⅢ/馨鞲雹蜒蜡第2期桥上列车脱轨的力学机理、能量随机分析理论及其应用很多,轨道横向不平顺、轮轨缺陷及其制造误差、车轮踏面锥度、车辆载重及其载重的偏心等都引起此系统横向振动,仅以轨道横向不平顺为此系统横向振动的激振源,显然丢掉了其他很多因素的作用.
③不能算出此系统可能产生的最大振动响应;因为此系统为时变系统,其随机振动分析理论尚未建立.
国内外都以轨道不平顺随机样本为激振源,按时不变系统随机振动分析理论,计算车、轨和车、桥随机振动,丢掉了其他很多随机因素作用,且未考虑时变特性影响.
2列车脱轨的力学机理2.
1列车脱轨是此系统横向振动状态丧失稳定的结果如果车轮轮缘始终在两根钢轨之间蛇行运动前进,轮缘在横向始终被钢轨约束在一定的"游间"内横向运动,轮缘始终不爬上(或冲上)钢轨顶部,车轮不会脱轨,即列车不脱轨,轮缘这种蛇行运动状态是稳定的,对此系统来说,即此系统的横向振动是稳定的(因为车轮与车体是通过转向架连接,车轮运动与桥梁或轨道振动密切相关).
若车轮轮缘一旦爬上(或冲上)钢轨顶部,则车轮横向运动失去钢轨约束,迅速冲至轨外而脱轨掉道,这就是轮缘在两根钢轨之间横向运动状态丧失稳定的结果,即是此系统横向振动状态丧失稳定的结果.
例如自行车车轮始终在铅垂平面内运动的状态是稳定的,车轮一旦侧倾.
即表明车轮在铅垂平面的滚动状态丧失稳定.
由物理概念知,稳定的系统状态经得起干扰,不稳定的系统状态经不起干扰.
稳定的系统状态经得起干扰的原因,在于干扰后系统产生抗力增量,它超过或平衡因干扰而产生的荷载增量,以保持原来的系统状态.
不稳定的系统状态受干扰后,系统抗力增量小于荷载增量,使系统原状态被破坏.
研究系统状态的稳定性就从考察其受干扰后的抗力增量与荷载增量开始.
干扰是客观存在的,不可避免的,要使系统状态不破坏,关键在于系统具有稳定本能.
这样,得出列车脱轨的力学机理是:脱轨是此系统横向振动丧失稳定的结果,要使列车不脱轨,系统横向振动状态必须是稳定的.
系统运动状态稳定性的概念来源于最简单的运动状态——静止(可视为周期无穷大的运动)状态的稳定性.
图3(a)木板平放于水中,受到干扰,变成图3(b)位形,木板重力与浮力形成反时针转向力矩,为抗力增量,它使木板回到图3(a)的平衡状态,故木板平放状态是稳定的.
(a)木板稳定平衡状态(b)木板受干扰后的抗力增量(力矩)为,荷载增量为零(C)木板不稳定平衡状态(d)木板受干扰后的抗力增量(力矩)为零,荷载增量为一图3水中木板平衡状态稳定性分析简图图4为压杆平衡状态稳定性分析简图'冈0性直杆底端铰接于地基,顶端受水平弹簧支撑.
设弹簧刚度常数为,图4(b)表示,受干扰后.
压杆顶点B沿水平向偏移了az,压力P偏移了口z,对A点产生了力矩Pal,此为压杆平衡状态受干扰后产生的荷载增量(广义的).
同时,弹簧拉力z对A点的力矩z:为其抗力增量(广义的).
刚性PP(a)未受干扰的压杆平衡状态(b)受干扰后的压杆位形图4压杆平衡状态稳定性分析简图若>Pal(1)即抗力增量大于荷载增量,干扰后,弹簧将压杆拉回至原来的平衡状态图4(a),故压杆的平衡状态图4(a)是稳定的.
若荷载增量平衡状态稳定抗力增量1/2·Pla(3)1/2·(a).
输入能量增量平衡状态稳定(5)抗力作功增量I))'、、一￡—E一'(,—7一,,',,,I1、、,、、-一-:,、.
7>厂7(,=_=ttf!
(、,(,,无AaAa所有有实际行车是否脱轨的算例运营结果都与计算结果符合.
第2期桥上列车脱轨的力学机理、能量随机分析理论及其应用1O3表4桥上货物列车是否脱轨实例计算结果5结论(1)依靠物理概念,提出了列车脱轨的力学机理与分析理论,认识了现有防止脱轨标准不能预防列车脱轨的根本原因在于不能控制实际可能产生的脱轨系数及轮重减载率不超过规范限值,在于缺乏控制此系统横向振动不丧失稳定的物理概念.
本文提出的评判列车是否脱轨的能量增量准则可以控制此系统横向振动不丧失稳定,因而可以预防脱轨,这是预防列车脱轨最根本的物理概念.
(2)按本文列车脱轨分析理论分析6个桥上列车是否脱轨实例的计算结果,都与实际符合,证明这个理论有一定正确性.
(3)本文算例,烟囱沟24*31.
7m混凝土T型简支梁桥在车速44.
6km/h货车通过时实测横向水平振幅为8.
465mm,远远超过即将颁布的新桥梁检定规范规定的限值L/9000—31700/9000—3.
522mm,这座桥按规范要求是不能安全、舒适与平稳行车的,但按本104铁道学报第26卷文的计算结果.
不但不会脱轨,而且有良好的舒适性与平稳性.
本文算例,南京长江铁路大桥128m简支双线钢桁梁通过车速70km/h货车时实测最大横向水平振幅9mm多,晃动较大.
担i2,脱轨,桥梁检规对此种跨度梁的振幅限值没有规定,按本文脱轨分析理论得出的计算结果为80km/h以下货车通过时,均不会脱轨,但舒适性稍差,70km/h以下货车通过时,能保证行车的舒适性与平稳性,这样,本文脱轨分析理论有一定的经济价值.
(4)采用本文提出的桥上列车脱轨能量随机分析理论,对京通线烟囱沟桥及东沟桥上货物列车走行安全性、舒适性及平稳性进行了计算与分析,提出烟囱沟桥上货物列车宜限速50km/h运行、东沟桥上货物列车宜限速60km/h运行等建议,此建议已被沈阳铁路局采纳并应用.
参考文献:[1]铁道科学研究院,济南铁路局,徐州分局.
津浦线货物列车脱轨试验报告[R].
北京:铁道科学研究院,1997.
[2]铁道科学研究院,北京铁路局.
大秦线C.
货物列车脱轨试验报告JR].
北京:铁道科学研究院,1997,[3]俞展猷,李富达,李谷.
车轮脱轨及其评价[J].
铁道学报,1999,21(3):33—38.
[43铁道科学研究院机辆所.
铁路行车安全译文集——脱轨研究专辑It].
北京:铁道科学研究院,1998.
[53曾庆元.
列车桥梁时变系统振动分析理论与应用[M:.
北京:中国铁道出版社,1999.
[63长沙铁道学院.
广深准高速无缝线路轨道动力测试报告JR].
长沙:中南大学土建学院,1995.
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