1、大准铁路老牛湾站列车脱轨原因分析和防范措施研究 【摘 要】根据大准铁路老牛湾站列车脱轨事故发生的线路条件、车辆状态、操纵方法等因素开展计算机仿真分析，并根据仿真结果进行必要的现场试验研究，从而得出造成列车脱轨的原因，有效掌握风险事故产生的机理和规律，对风险事故的应对提供科学的理论依据支持，从而进一步有针对性地制定具体的防范措施。 下载 【 Abstract】 According to the computer simulation analysis of train derailment accident occurred in Dazhun railway Laoniuwan station
2、 line， we analyze the vehicle condition， operation method and other factors， and do necessary field tests according to the simulation results， so that we can find the cause of the train derailment， and effectively grasp the mechanism and law of risk accident to provide a theoretical basis for the re
3、sponse to risk accident， thus further targeted to develop specific preventive measu 键词】动力制动；轮对横向位移；车轮抬升量；轮轨横向力；脱轨系数 【 Keywords】 dynamic braking； wheelset lateral displacement； wheel lift； wheel rail vertical force； derailment coefficient 【中图分类号】 U21 【文献标志码】 A 【文章编号】 1673-1069（ 2017）11-0190-05 1 引言 2
4、017 年 5 月 19 日，大准铁路老牛湾站发生一起列车脱轨事故，双 SS4G机车以 2+0牵引方式牵引 105辆 C80空车，在大准线由清水河车站向老牛湾车站运行，接近老牛湾站车机联控 1道正线停车，司机实施电阻制动调速，列车在经过 15#时发生脱轨事故，致使机后 3、 4、 5、 6、 7 位车辆脱轨。 2 现场调研 现场了解到线路为 2.8-1.4 的持续下坡道。勘查了轮对脱轨起点、脱轨轨迹、道岔状态、钢轨状态等。发现密贴侧尖轨上有明显的车轮轮缘爬升痕迹，并且钢轨顶部有蛇行运动痕迹，另一侧尖轨与基本轨密贴侧有明显的擦伤痕迹，可以判断此次脱轨属于车轮爬轨脱轨。调查表明机后第五辆前端台车轮
5、对在通过老牛湾站 15#道岔尖轨尖端后 285mm（ K231+646m）时爬上基本轨，沿轨面运行 3.9m 后落入基本轨左侧，触发车辆自动制动装置动作，引发列车起非常。第五辆车辆沿 3道道床拖行，又导 致 3、 4位和 6、7位车辆脱轨。此外，尖轨前端 2m处存在钢轨接头，且该接头存在 1mm左右的横向错位量，尖轨及基本轨形貌状态正常、尖轨转换工作状态正常。 现场勘察脱轨车辆为 C80 型三联单元车组。勘查脱轨车辆转向架状态，重点考察了轮对踏面外形的状态及损伤情况。发现了车轮表面（踏面、轮缘根部、轮缘）呈现沟壑状，粗糙度明显偏大，其中第五辆前台转向架轮对一侧车轮轮缘顶部有损伤，另一侧轮背内侧
6、有擦伤，证实此次脱轨为车轮爬轨脱轨。测量轮对轮缘厚度介于 29.3-32mm，轮对内侧距在 1353mm 左右，同一轮对轮径差 在 1mm范围内，转向架前后轮对轮径差最大是机后 4位前台转向架约为 4mm，轮对检测数据均在规定限度范围之内。 现场向机车乘务员了解了当时的操纵机车情况，并详细分析列车运行监控装置（ LKJ）运行数据。发现司机在 K228+726m 处列车运行速度 73km/h 时使用电阻制动调速，制动电流为 500A，随着列车速度变化制动电流在相应调整，总体趋于平稳过渡。列车发生脱轨时，速度为 36km/h，制动电流为350A（该速度下，最大制动电流为 660A 左右，制动力为
7、382kN），单台机车制动力约为 200kN，符合原有规定 的操纵要求。 3 列车脱轨的计算机仿真模拟分析 3.1 车辆模型 根据 C80 货车的具体结构，基于机械系统动力学理论，建立了 C80 货车的动力分析模型，研究了制动条件下，列车在纵向冲动作用下通过事故发生所处道岔时的运行安全性。所采用的仿真模型为三节 C80刚性连接的三维货车动力学仿真模型，按照脱轨车辆编组和位置，将脱轨车辆 4、 5、 6位一组作为研究对象，将最大车钩力施加于列车两端部车钩处进行仿真计算。 3.2 列车脱轨的计算机仿真模拟分析 还原事故列车的参数和线路条 件，仿真过程中，列车以 36km/h的速度通过事故地段， 4
8、 位货车前端和 6 位货车后端的车钩力为 320kN（通过列车纵向动力计算得出），经过仿真计算发现， 5 位货车最先发生脱轨。为了分析该工况下列车的运行安全性，选取事故车辆及其前后连挂车辆（ 4、 5 和 6位货车），并对其各项安全性指标进行分析，各项安全性指标如图 1 所示。 由图 1（ a）（ f）可知，从 10s 开始，随着车钩力的增加，轮对横向位移、轮轨垂向力、轮轨横向力及脱轨系数逐渐增加。从图 1（ d）可以看出，当列车运行时间为 14s左右，列车受到冲击，三连挂车辆的 轮对产生很大的横向轮轨力，由图 1（ b）可知， 5 位货车的车轮抬升量急剧增加，超出了安全限值，而 4 位货车和
9、 6 位货车的车轮抬升量均在安全范围之内。 4 脱轨事故现场的参数影响分析 实际运行中，影响车辆脱轨性能的原因很多也很复杂，有线路方面的原因（如线路质量下降和轨道的不平顺等），有车辆方面的原因（如车辆结构参数改变、性能变差、装载等），也有机车操纵方面的原因，但归根到底列车的脱轨通常是多种不利因素共同作用的结果。结合现场调研情况，分析各参数对列车运行安全性的影响。 4.1 线路因素 线路为 2.8-1.4 的下坡道，线路坡道助涨了列车前行动力，增加了制动工况下列车纵向冲动力和车辆垂向抬升力。 依据目前道岔结构设计和运用要求，转辙区前端尖轨与基本轨密贴，其顶高逐步抬升、顶宽逐步加宽。如果车轮运行到
10、尖轨前端时且轮缘紧贴尖轨侧面（轮轨间已无间隙），车轮和尖轨之间将产生向上的爬升力，轮缘极可能随尖轨轨顶升高而逐步爬上尖轨轨顶。车轮轮缘一旦爬上轨顶并在轨顶继续前行时，将受到转向架运动状态和另一侧车轮轮轨间约束的影响，该车轮极可能从钢轨轨顶掉落（即发生脱轨）或者再恢复到正常状态（不发生脱轨）。如果另一侧车轮轮背与尖轨之间有合理的约束作用，车轮可能恢复到正常状态，但正常状态下，另一侧尖轨与基本轨之间的间隙不能为轮对提供这种约束，一旦车轮爬上轨顶，发生掉道脱轨的可能性大。并且列车经过岔区或在外界因素激励作用下（如尖轨前端 2m 处存在钢轨接头，且该接头存在约 1mm 左右的横向错位量），蛇形运动必然
11、加剧，作用于轮轨间横向力加大，导致轮轨间有较大的爬升力，因此道岔区发生脱轨的可能性较大。 4.2 车辆因素 4.2.1 车辆状态 脱轨列车为空车，轮轨垂向力较重车小得多，脱 轨系数（轮轨的横向力与垂向力之比，常用 Q/P 表示）比较大。另外，列车在制动工况下，在纵向力作用下，空车轮对发生的横向位移和车轮抬升量较重车大，因此，空车较重车脱轨概率大。 4.2.2 连接方式 该型车采用三节车为一组的连接方式，三节车间没有车钩，采用牵引杆硬连接方式，在运行过程中中间车辆受两段车辆约束，横向运动自由度受到限制，导致中间车辆较两端车辆受到的轮轨横向力有所增大，容易引起该车辆轮对贴靠轮缘的概率增加。 4.2
12、.3 车轮表面粗糙度 车轮爬上钢轨的必要条件是有足 够大的爬升力。爬升力由作用于钢轨的正压力（轮轨法向力）与轮轨摩擦系数的乘积确定。通常情况下轮轨正压力在正常范围内变动，那么摩擦系数越大，车轮爬升力越大。一般情况下，轮轨摩擦系数约为 0.25-0.35，事故车辆的车轮表面（踏面、轮缘根部、轮缘）呈现沟壑状，粗糙度明显偏大。针对车轮表面粗糙度这一参数，在车钩力 320kN，速度 36km/h，在制动工况下，以三联单元车组中间车为例，进行仿真试验并计算不同车轮表面粗糙度对运行安全性的影响，得到车辆各项安全性指标形成下表 1： 轮轨摩擦系数大于正常值，轮轨之间产 生较大的爬升力，当轮轨摩擦系数超过
13、0.5时，较大的爬升力使得车轮逐渐爬上钢轨，最终导致脱轨事故的发生。 4.3 电阻制动操纵因素 电阻制动是指将机车的牵引电动机改作发电机运行，利用电磁力引起钢轨对动轮的外力，从而达到使列车降速或调速的目的。基于此，分析了制动电流、给流时间、制动初速等电阻制动操纵模式对事故时实际编组列车（ SS4 机车双机重联 +105 辆 C80 货车空车）纵向冲动的影响，以期为降低列车电阻制动时的纵向冲动提供理论指导和参考。 4.3.1 制动电流影响 制动时列 车始终处在 2.8 的下坡道，初始速度为 73km/h，制动电流以制动档位 1、 3、 5、 7、 9档位代替，制动档位越高，制动电流越大。手柄从0
14、 档位提升至上述不同 ?n 位用时为 15s，之后保持上述不同制动档位运行直至列车停止。 图 2 给出了不同电阻制动手柄档位条件下，列车运行速度随运行时间的变化。从图中可以看出，制动档位越高，列车运行速度下降越快，如在制动后 50s 时，当制动手柄档位为 1 时，列车的速度为 70.0 km/h，而制动手柄档位为 9 时列车速度为 35.0m/h，减小了 50.0%。 通过仿真试验可 知，最大车钩力均出现在货车前端与机车相连接位置，随着车位的增加最大车钩力呈现出先增大后减小的趋势；随制动电流的降低呈现出减小趋势，如当制动档位为 9 时列车最大车钩力为 794.5kN，制动档位为 1 时列车最大
15、车钩力为 226.6kN，减小了 71.5%。可见，电阻制动手柄档位对列车最大车钩力的影响显著。 4.3.2 给流时间的影响 制动时列车始终处在 2.8 的下坡道，初始速度为 73km/h，电阻制动手柄从 0 档位提升至 4 档用时分别为 5s、 10s、 15s、 20s，之后保持 4 档位运行直至列车停止。 图 3 给出了不同给流时间列车运行速度随运行时间的变化。从图中可以看出，给流时间越短，则列车制动性能越优，如在制动后 80s时，给流时间20s的列车速度为 39.5km/h，而给流时间为 5s时，列车的速度为 35.5 km/h，降低了 10.1%。 列车最大车钩力随给流时间的增大而略
16、微减小，给流时间为 5s时列车最大压钩力为 339.6kN，当给流时间为 20s 时列车最大压钩力为 335.5kN，减小了 1.2%。 4.3.3 制动初速的影响 制动时列车始终处在 2.8 的下坡道，电阻制动手柄从 0 档位提升至 4档用时为 15s，列车制动初始速度分别为 40km/h、 50km/h、 60km/h、 70km/h和 80km/h，之后保持 4 档位运行直至列车停止。 图 4 给出了列车以不同初速度制动时每节车的最大车钩力（压钩力）。由图可知，随着制动初速的增加，列车最大车钩力有减小的趋势，当初速度从 40km/h 增大至 80km/h 时，列车最大车钩力从 344.9
17、kN 减小到 335.9kN，减小了 2.6%。 4.3.4 小结 通过仿真计算，研究了制动电流、给流时间、制动初速等电阻制动操纵模式对事故时 实际编组列车（ SS4 机车双机重联 +105 辆 C80 货车空车）纵向冲动的影响，得到以下结论： 电阻电流对列车最大车钩力的影响显著。制动电流越小，列车最大车钩力越小，同时列车制动性能也越差。 给流时间对列车最大车钩力的影响有限。列车最大车钩力随制动力上升时间的增加而略微减小，列车的制动性能也随之变差。 制动初速对列车最大车钩力的影响较小。其影响规律是，制动初速越高，列车最大车钩力越小。 5 脱轨原因 大准铁路 5.19 脱轨主要原因是： C80
18、万吨列车三联刚性连接车组 在连续下坡道情况下，实施电阻制动通过道岔时，在第 4和第 6位货车前后车钩处产生了较大的纵向车钩力（ 320kN），在车钩力作用下，将产生较大的横向分力；同时受到道岔冲击，轮对产生很大的横向轮轨力；再加三联单元车组中间车车轮型面粗糙、轮轨摩擦系数大，车轮抬升量增加，车轮产生了爬轨行为。综上因素叠加导致中间车最先出现脱轨。 6 防范措施 为了吸取老牛湾车站 “5?19” 列车脱轨事故教训，防止类似事故再次发生，针对造成此次事故的可能因素，制定以下列车脱轨防范措施： 6.1 线路方面 加强对线路的检查和整治，要确保线路两股钢轨顶面在直线地段保持同一水平。 加强对钢轨的日常
19、保养，定期进行修理性打磨，避免因钢轨状态不良而加剧列车蛇形运行。 精细化全项目检查道岔，要求各项检测数据必须符合标准。 6.2 车辆方面 重点针对车轮表面粗糙度偏大，轮轨摩擦系数偏大的问题，提高车辆检修质量。 加强日常运用车辆维修质量，确保车辆运用状态良好。 6.3 列车操纵方面 按照铁路机车操作规则，结合大秦铁路公司列车操纵指导办 法，及时修改大准铁路公司万吨列车操纵细则，并遵循下列原则： 操纵列车时，给流要平缓，杜绝突变。 SS4 型机车每次给退流不宜超过 100A， HXD1 型机车每次给退流不宜超过 50kN。 双 SS4 机车采用 2+0 方式牵引重车施行动力制动时，制动电流不超过额
20、定电流的 80%；牵引空车施行动力制动时，制动电流不超过额定电流的50%。 HXD1 机车牵引重车施行动力制动时，制动力不得超过 368kN；牵引空车施行动力制动时，制动力不得超过 230kN。 进站调速时，应站外将列车速度控制在理想速 度以下，避免列车在制动工况下通过岔区。必须在岔区地段施行制动时，要适量减小制动电流，必要时采用空电联合制动，做到平稳操纵。 7 结语 脱轨研究是铁路运输系统中典型而复杂的动力学问题，具有很高的研究难度。深入开展列车脱轨安全性研究，对于制定脱轨安全标准以及防止车辆脱轨具有重要的理论、经济和社会价值。本文针对大准铁路发生的一起脱轨事故，对可能造成事故发生的因素通过理论分析、仿真计算等方式进行研究，希望能为脱轨研究人员提供参考。 【参考文献】 【 1】 ? 舴桑 ?王开云，张大伟 .牵引及制动操纵对重载机车轮轨动力作用的影响 J.中国铁道科学， 2017， 38（ 02）： 96-104. 【 2】赵泽平，姚建伟，张可新 .基于可靠性理论制定动车组子系统最佳预防维修周期的方法研究 J.铁道机车车辆， 2014， 34（ 04）： 85-89. 【 3】潘永琛，姚建伟，李昌烽 .高速列车近尾流区湍流涡旋的数值计算及动力学讨论 J.力学季刊， 2017， 38（ 02）： 351-358.
