曲線上貨物列車超速引起的脫軌過(guò)程分析

龔 凱 向 俊 余翠英 毛建紅,2

(1中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410075)(2華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院, 南昌 330013)

曲線上貨物列車超速引起的脫軌過(guò)程分析

龔 凱1向 俊1余翠英1毛建紅1,2

(1中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410075)(2華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院, 南昌 330013)

針對(duì)貨物列車在曲線上因超速引起的脫軌問(wèn)題,根據(jù)列車-軌道系統(tǒng)空間振動(dòng)計(jì)算模型及列車脫軌能量隨機(jī)分析理論,采用輪軌位移銜接條件并考慮輪軌“游間”的影響,提出了貨物列車超速條件下的脫軌過(guò)程計(jì)算方法．根據(jù)該方法,對(duì)不同曲線軌道形位等工況下的貨物列車脫軌過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算,分析了列車脫軌過(guò)程中的輪軌接觸狀態(tài)、輪軌相對(duì)位置及幾何尺寸．研究結(jié)果表明，隨著曲線半徑的增大,在列車脫軌瞬間,轉(zhuǎn)向架搖頭角及轉(zhuǎn)向架與鋼軌橫向相對(duì)位移逐漸減小,最大值分別為5.82°和78.1 mm.該結(jié)果可為研發(fā)機(jī)械式的列車脫軌檢測(cè)裝置提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),進(jìn)而確保該檢測(cè)裝置能在列車脫軌掉道的第一時(shí)間檢測(cè)到位,及時(shí)停車．

鐵路軌道;列車超速;脫軌力學(xué)機(jī)理;能量隨機(jī)分析理論

近年來(lái),隨著鐵路高速化和重載化的迅猛發(fā)展,列車軸重日益增大,編組輛數(shù)不斷增加,行車速度也在逐漸提高,安全問(wèn)題已成為頭等大問(wèn)題,而影響列車安全性的最大隱患是列車脫軌．引起列車脫軌的原因很多,可分為不明原因的脫軌和原因明確的脫軌2種．對(duì)于不明原因引起的列車脫軌,文獻(xiàn)[1-6]通過(guò)深入研究取得了實(shí)質(zhì)性研究成果.而原因明確的脫軌,如列車緊急制動(dòng)、列車超速、無(wú)縫線路脹軌跑道、地震、大風(fēng)及山體滑坡等引起的脫軌,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外時(shí)有發(fā)生[7-11],其中列車在曲線上超速引起的脫軌事故詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11]．對(duì)于這類列車脫軌事故,希望在列車脫軌的第一時(shí)間能通知司機(jī),從而及時(shí)停車．但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,列車脫軌后,駕駛員通常不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),仍然前行,導(dǎo)致事故擴(kuò)大化．為了減少損失,研發(fā)列車脫軌檢測(cè)裝置十分必要．

列車脫軌檢測(cè)裝置研發(fā)的關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確地判定列車是否脫軌．然而,處理這一關(guān)鍵問(wèn)題需要對(duì)列車脫軌過(guò)程及脫軌機(jī)理進(jìn)行研究,以及分析列車脫軌時(shí)的輪軌相對(duì)位置和尺寸關(guān)系．但是,由于受到各種實(shí)際條件的限制,有限次行車脫軌試驗(yàn)難以做出列車脫軌,必須進(jìn)行多次試驗(yàn)才有可能做出列車脫軌,而這樣做是不現(xiàn)實(shí)的．因此對(duì)列車脫軌過(guò)程進(jìn)行理論計(jì)算不失為一種好的方法．目前,肖新標(biāo)等[12-14]針對(duì)軌道結(jié)構(gòu)失效、軌道鼓脹、強(qiáng)風(fēng)及地震條件下的高速列車脫軌機(jī)理進(jìn)行了研究，而關(guān)于列車在超速條件下的列車脫軌機(jī)理及列車脫軌過(guò)程研究迄今為止國(guó)內(nèi)外鮮見(jiàn)報(bào)道．

為此,本文以列車-軌道系統(tǒng)(以下稱為“此系統(tǒng)”)空間振動(dòng)計(jì)算模型及列車脫軌能量隨機(jī)分析理論為基礎(chǔ),提出列車超速條件下的脫軌過(guò)程計(jì)算方法;采用該方法對(duì)貨物列車脫軌過(guò)程進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)列車脫軌過(guò)程中及脫軌瞬間的輪軌接觸狀態(tài)、相對(duì)位置及尺寸關(guān)系等進(jìn)行分析,揭示該條件下列車的脫軌規(guī)律,為進(jìn)一步研發(fā)機(jī)械式的列車脫軌檢測(cè)裝置提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

1 列車超速條件下脫軌過(guò)程計(jì)算方法

采用能量原理的思想,將列車和軌道視為一個(gè)整體系統(tǒng)．機(jī)車車輛均離散為具有26個(gè)自由度的多剛體計(jì)算模型,其中,車體及轉(zhuǎn)向架均考慮伸縮、橫擺、浮沉、側(cè)滾、點(diǎn)頭及搖頭共6個(gè)自由度,每個(gè)輪對(duì)僅考慮浮沉及橫擺2個(gè)自由度．同時(shí),針對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),將其離散為n個(gè)軌段單元集合,每個(gè)軌段單元均考慮為具有34個(gè)自由度計(jì)算模型．當(dāng)列車在時(shí)刻t時(shí),有m輛車運(yùn)行在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的軌道結(jié)構(gòu)上,則第i輛車的空間振動(dòng)勢(shì)能為ΠVi,經(jīng)疊加可得列車空間振動(dòng)總勢(shì)能[15]為

(1)

在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的軌道結(jié)構(gòu)中,第j個(gè)軌段單元的空間振動(dòng)勢(shì)能為ΠTj,經(jīng)過(guò)疊加n個(gè)軌段單元空間振動(dòng)勢(shì)能,即可推導(dǎo)出軌道結(jié)構(gòu)空間振動(dòng)總勢(shì)能[15]為

(2)

要將列車系統(tǒng)振動(dòng)方程和軌道系統(tǒng)振動(dòng)方程聯(lián)系起來(lái)必須考慮輪軌銜接條件.輪軌銜接條件分為輪軌相互作用力銜接條件和輪軌位移銜接條件．采用輪軌相互作用力銜接條件,可通過(guò)迭代法求解,但是考慮到輪軌“游間”的影響,無(wú)法表達(dá)車輪與鋼軌之間的橫向作用力銜接條件,使得迭代法求出的解不具有唯一性,得出的橫向振動(dòng)響應(yīng)也不是此系統(tǒng)實(shí)際的橫向振動(dòng)響應(yīng)．為了解決這一難題,本文采用列車脫軌能量隨機(jī)分析理論中提出的輪軌位移銜接條件,即輪軌橫向相對(duì)位移=車輪橫向位移-鋼軌橫向位移-軌道橫向幾何不平順，輪軌豎向相對(duì)位移=車輪豎向位移-鋼軌豎向位移-軌道豎向幾何不平順，并考慮了輪軌“游間”的影響，則在時(shí)刻t,此系統(tǒng)空間振動(dòng)總勢(shì)能為

Π=ΠV+ΠT

(3)

按照上述輪軌位移銜接條件,根據(jù)彈性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總勢(shì)能不變值原理[16]及形成系統(tǒng)矩陣的“對(duì)號(hào)入座”法則[17],建立此系統(tǒng)空間振動(dòng)矩陣方程,即

(4)

荷載列陣P主要由列車自重和軌道幾何不平順組成,經(jīng)計(jì)算只能解出此系統(tǒng)由列車自重及軌道不平順引起的豎向振動(dòng)響應(yīng),而無(wú)法求出此系統(tǒng)的橫向振動(dòng)響應(yīng)．為此,文獻(xiàn)[16]指出車輛構(gòu)架實(shí)測(cè)蛇形波或車輛構(gòu)架人工蛇形波分別可作為此系統(tǒng)橫向振動(dòng)隨機(jī)分析和確定性分析的激振源,并將構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差σp作為此系統(tǒng)橫向振動(dòng)的輸入能量．這樣,可將車輛構(gòu)架蛇形波、列車自重及軌道幾何不平順同時(shí)代入式(4)中,此時(shí),在此系統(tǒng)空間振動(dòng)矩陣方程中分別有s個(gè)已知位移δs和w個(gè)未知速度δw.將式(4)中的矩陣進(jìn)行分塊,可得

(5)

將式(5)展開(kāi),可得

(6)

(7)

式(6)右邊各項(xiàng)均已知,經(jīng)計(jì)算可得出此系統(tǒng)空間振動(dòng)響應(yīng);式(7)為非獨(dú)立方程．在計(jì)算中,采用Wilson-θ法對(duì)式(6)進(jìn)行求解,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.01 s,θ為1.4．同時(shí),以Fortran PowerStation 4.0平臺(tái)為基礎(chǔ),編制了相應(yīng)的計(jì)算程序．

構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差σp可作為此系統(tǒng)橫向振動(dòng)的輸入能量,構(gòu)架實(shí)測(cè)(人工)蛇形波可以作為此系統(tǒng)橫向振動(dòng)隨機(jī)分析的激振源．為了進(jìn)一步分析此系統(tǒng)的橫向振動(dòng),課題組在多條鐵路干線上實(shí)測(cè)大量各時(shí)速下貨物列車的構(gòu)架蛇形波,并采用工程概率法得到了各車速下具有99%概率的標(biāo)準(zhǔn)差σp,繪制了車速V與標(biāo)準(zhǔn)差σp的關(guān)系曲線(σp-V)．根據(jù)該曲線可以查出對(duì)應(yīng)車速下的標(biāo)準(zhǔn)差σp,進(jìn)而采用Monte-Carlo法隨機(jī)模擬出一條構(gòu)架人工蛇形波,將其輸入此系統(tǒng),即可求出相應(yīng)的空間振動(dòng)響應(yīng)．但是,上述標(biāo)準(zhǔn)差σp是在列車正常運(yùn)行情況下通過(guò)實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)得到的,而列車脫軌時(shí)的實(shí)際構(gòu)架蛇形波是無(wú)法測(cè)出的,相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差也難以統(tǒng)計(jì)．但從系統(tǒng)能量的思想出發(fā),根據(jù)能量守恒原理,此系統(tǒng)輸入能量越大,其振動(dòng)響應(yīng)越大,反之則越小.振動(dòng)響應(yīng)是在此系統(tǒng)自身約束邊界范圍內(nèi)產(chǎn)生的.例如:一根受到外力壓縮的彈簧系統(tǒng),當(dāng)該彈簧系統(tǒng)沒(méi)有約束邊界且只在彈簧一端施加外力時(shí),其振動(dòng)響應(yīng)無(wú)法產(chǎn)生,外力對(duì)其不產(chǎn)生作用,外力產(chǎn)生的能量也未輸入彈簧系統(tǒng);而如果將彈簧的一端固定,另一端施加外力,隨著外力的持續(xù)作用,彈簧將被壓縮一定距離.此時(shí),外力產(chǎn)生的能量輸入彈簧系統(tǒng),當(dāng)外力產(chǎn)生的能量大于彈簧系統(tǒng)本身能夠抵抗的能量時(shí),彈簧系統(tǒng)失穩(wěn),表現(xiàn)為彈簧被壓斷,而這個(gè)彈簧系統(tǒng)本身能夠抵抗的最大輸入能量即為彈簧系統(tǒng)本身的極限抗力所做的功．根據(jù)這一思想,可通過(guò)計(jì)算得出列車脫軌時(shí)的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差．在此系統(tǒng)中,其空間振動(dòng)響應(yīng)是有輪軌相互作用引起的,輪軌之間之所以能夠產(chǎn)生相互作用是因?yàn)檩嗆壷g的相互約束影響.相對(duì)車輪而言,2根鋼軌就是車輪的約束邊界,當(dāng)車輪的運(yùn)動(dòng)超出了鋼軌約束邊界時(shí),列車就發(fā)生了脫軌．而此系統(tǒng)橫向振動(dòng)輸入能量采用構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示,那么,當(dāng)輸入能量足以使得車輪處于鋼軌約束邊界的臨界狀態(tài)時(shí),其相應(yīng)的輸入能量即為此系統(tǒng)本身能夠抵抗的最大能量,即此系統(tǒng)的極限抗力做功(用σc表示).σc就是列車脫軌時(shí)的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差．為此,按照車輪脫軌幾何準(zhǔn)則,采用試算法,可以算得列車脫軌時(shí)的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差σc．具體過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[5]．

基于車輪脫軌幾何準(zhǔn)則及試算法,可以實(shí)現(xiàn)列車超速引起的脫軌計(jì)算．列車超速即為列車行車速度超過(guò)軌道線路要求的最高速度,從而致使列車發(fā)生脫軌,列車超速引起的脫軌事故大多發(fā)生在曲線線路上．根據(jù)文獻(xiàn)[18]中的曲線軌道上超高限速計(jì)算方法,可以得出曲線軌道超高限速Vmax, 其計(jì)算式為

(8)

式中,hQY為未被平衡的容許欠超高,一般取75 mm[18];R為曲線半徑;h為曲線外軌實(shí)設(shè)超高．

由式(8)可以看出,曲線半徑R、曲線外軌實(shí)設(shè)超高h(yuǎn)與超高限速Vmax成正比例關(guān)系,是影響Vmax大小的關(guān)鍵因素．因此,本文中的計(jì)算工況主要通過(guò)變化曲線軌道的幾何形位進(jìn)行設(shè)置．

在實(shí)現(xiàn)列車脫軌過(guò)程計(jì)算中,首先將曲線軌道超高限速Vmax作為列車運(yùn)行速度的下限,然后,根據(jù)σp-V曲線,查出相應(yīng)車速的構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差σp,隨機(jī)模擬出一條構(gòu)架人工蛇形波,并以此作為此系統(tǒng)的橫向振動(dòng)激振源，計(jì)算每一時(shí)間步長(zhǎng)下的車輪懸浮量,檢查懸浮量是否達(dá)到車輪脫軌幾何準(zhǔn)則中要求的數(shù)值(25 mm),若未達(dá)到,繼續(xù)下一步計(jì)算,直至計(jì)算完成;若仍未達(dá)到,則假定更大的列車行車速度,重復(fù)上述過(guò)程,直至車輪懸浮量達(dá)到車輪脫軌幾何準(zhǔn)則為止．此時(shí),鋼軌橫向約束失效,車輪輪緣爬至鋼軌頂面中點(diǎn),列車超速引起的脫軌過(guò)程計(jì)算完畢.此系統(tǒng)各部件相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)即為列車脫軌時(shí)的振動(dòng)響應(yīng),計(jì)算采用的構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差σp即為列車超速條件下脫軌時(shí)的實(shí)際構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差σc．

2 計(jì)算實(shí)例與分析

鑒于我國(guó)鐵路自提速以來(lái)空載貨車脫軌事故率相對(duì)較大[19]，計(jì)算中采用的列車編組為1輛DF4型機(jī)車+12輛C62型空載貨車．曲線軌道結(jié)構(gòu)為:60 kg/m型鋼軌，混凝土軌枕，軌枕間距為0.543 5 m，普通碎石道砟,曲線軌道幾何形位參數(shù)如表1所示．

表1 曲線軌道幾何形位參數(shù) m

將表1中的曲線半徑和外軌超高代入式(8)中,可求出各工況下的超高限速Vmax,以該速度作為列車行車速度的下限,并在σp-V曲線中查找相應(yīng)速度下的構(gòu)架蛇形波標(biāo)準(zhǔn)差σp,隨機(jī)模擬出一條構(gòu)架蛇形波作為此系統(tǒng)的橫向振動(dòng)激振源．同時(shí),此系統(tǒng)豎向振動(dòng)激振源采用軌道幾何不平順．按照前述計(jì)算方法,計(jì)算各工況下列車超速引起的脫軌過(guò)程,計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 列車超速引起的脫軌過(guò)程計(jì)算結(jié)果

表2中,Vderail為列車脫軌時(shí)的行車速度;各車軸左輪運(yùn)行在曲線外側(cè)軌道上,右輪運(yùn)行在曲線內(nèi)側(cè)軌道上;脫軌系數(shù)和輪重減載率括號(hào)外為列車車輪脫軌瞬間對(duì)應(yīng)的數(shù)值,括號(hào)內(nèi)為列車車輪脫軌過(guò)程中的最大值.

表2表明,列車發(fā)生脫軌時(shí)均是左側(cè)車輪脫軌掉道,即曲線軌道外側(cè)鋼軌對(duì)應(yīng)的車輪發(fā)生了脫軌,這可能與曲線未被平衡的超高有關(guān);同時(shí),各工況在列車脫軌瞬間的車輪懸浮量均達(dá)到了車輪脫軌幾何準(zhǔn)則要求的數(shù)值．工況1對(duì)應(yīng)車輪懸浮量時(shí)程如圖1所示．

由表2還可以看出,在列車脫軌過(guò)程中,各工況脫軌系數(shù)最大值分別為1.97,2.02,3.28和4.71,均超過(guò)了GB/T 5599—85[20]中脫軌系數(shù)要求的限值,其中最大值幾乎達(dá)到了規(guī)范限值的4倍,但是列車并沒(méi)有發(fā)生脫軌;而在列車脫軌瞬間,列車脫軌系數(shù)均小于限值要求,其中大部分脫規(guī)系數(shù)與規(guī)范限值相差較遠(yuǎn),此時(shí)列車發(fā)生了脫軌．圖2為工況1脫軌系數(shù)時(shí)程曲線．

圖1 第9車第3軸左側(cè)車輪懸浮量時(shí)程(工況1)

圖2 第9車第3軸左側(cè)車輪脫軌系數(shù)時(shí)程(工況1)

輪重減載率是評(píng)判列車運(yùn)行是否安全的重要指標(biāo),但至今還未能通過(guò)實(shí)測(cè)得到輪重減載率,特別是列車脫軌瞬間的輪重減載率實(shí)測(cè)值.同時(shí),理論計(jì)算的列車脫軌瞬間輪重減載率也較少．從表2可以看出,在列車脫軌瞬間,各工況輪重減載率計(jì)算值均較小,車輪未出現(xiàn)嚴(yán)重減載,但是列車發(fā)生了脫軌;而在列車脫軌過(guò)程中,輪重減載率最大值有的沒(méi)有超過(guò)規(guī)范限值要求,有的超過(guò)了,其中超過(guò)規(guī)范限值的最大值高達(dá)0.83,車輪出現(xiàn)嚴(yán)重減載,但列車仍未發(fā)生脫軌．圖3為工況1中的輪重減載率時(shí)程曲線．

圖3 第9車第3軸左側(cè)車輪輪重減載率時(shí)程(工況1)

最后,通過(guò)對(duì)比表2中轉(zhuǎn)向架搖頭角、轉(zhuǎn)向架與鋼軌橫向相對(duì)位移可知,隨著曲線半徑的增大,其數(shù)值逐漸減小．由此說(shuō)明,曲線半徑對(duì)列車脫軌時(shí)轉(zhuǎn)向架的相對(duì)位置有一定的影響,并且半徑越小,轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)越劇烈,振動(dòng)響應(yīng)越大．為更加直觀地理解整個(gè)脫軌過(guò)程中轉(zhuǎn)向架搖頭角、轉(zhuǎn)向架與鋼軌橫向相對(duì)位移的時(shí)程變化,圖4和圖5給出了與工況1相應(yīng)指標(biāo)的時(shí)程曲線．

圖5 第9車轉(zhuǎn)向架與鋼軌橫向相對(duì)位移(工況1)

3 結(jié)論

1) 基于列車-軌道系統(tǒng)空間振動(dòng)計(jì)算模型及列車脫軌能量隨機(jī)分析理論,采用輪軌位移銜接條件并考慮輪軌“游間”的影響,提出了超速條件下列車脫軌過(guò)程計(jì)算方法;根據(jù)此法,按照彈性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總勢(shì)能不變值原理及形成系統(tǒng)矩陣的“對(duì)號(hào)入座”法則,建立了此系統(tǒng)空間振動(dòng)矩陣方程,采用Wilson-θ法對(duì)矩陣方程進(jìn)行了求解,并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序,對(duì)貨物列車超速脫軌過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析．

2) 脫軌系數(shù)和輪重減載率是評(píng)定列車運(yùn)行是否安全的重要指標(biāo),但從對(duì)列車脫軌過(guò)程分析中可知,在列車脫軌瞬間,脫軌系數(shù)不一定超過(guò)規(guī)范限值,如工況1中第9車第3軸左側(cè)車輪脫軌系數(shù)為0.18；而在脫軌過(guò)程中,脫軌系數(shù)最大值有的則遠(yuǎn)大于限值要求，如工況4中第11車第3軸左側(cè)車輪脫軌系數(shù)為4.71,幾乎達(dá)到規(guī)范限值的4倍,但列車此時(shí)沒(méi)有發(fā)生脫軌．同時(shí),在列車脫軌瞬間,輪重減載率均小于限值要求,列車發(fā)生了脫軌;而在列車脫軌過(guò)程中,工況4中的輪重減載率最大值高達(dá)0.83,車輪出現(xiàn)嚴(yán)重減載,列車卻未出現(xiàn)脫軌．

3) 列車脫軌瞬間轉(zhuǎn)向架搖頭角、轉(zhuǎn)向架與鋼軌橫向位移隨著曲線軌道半徑的增大逐漸減小,在曲線軌道半徑為300 m的小半徑曲線軌道上轉(zhuǎn)向架搖頭角及轉(zhuǎn)向架與鋼軌橫向相對(duì)位移最大,分別為5.82°和78.1 mm．由此說(shuō)明,計(jì)算小半徑曲線軌道上的列車脫軌全過(guò)程有助于尋找轉(zhuǎn)向架搖頭角、轉(zhuǎn)向架與鋼軌橫向位移的最大值,這些結(jié)果可為研發(fā)機(jī)械式列車脫軌檢測(cè)裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為進(jìn)一步增強(qiáng)該裝置的通用性提供理論依據(jù)．而研發(fā)該裝置的目的是為了確保其能在列車脫軌的第一時(shí)間檢測(cè)到位,使列車及時(shí)停車,避免二次脫軌事故的發(fā)生,將損失降到最低．

References)

[1]向俊,曾慶元. 直線貨物列車脫軌過(guò)程計(jì)算[J]. 鐵道學(xué)報(bào),2002, 24(2):104-108. Xiang Jun, Zeng Qingyuan. Simulation of the derailment courses of freight train on tangent track[J].JournaloftheChinaRailwaySociety, 2002, 24(2): 104-108. (in Chinese)

[2]向俊,赫丹,左一舟,等. 京山線灤河老橋上貨物列車脫軌分析[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2004, 4(3):16-19. Xiang Jun, He Dan, Zuo Yizhou, et al. Derailment analysis of freight train on old Luanhe bridge on Jingshan line in China[J].JournalofTrafficandTransportationEngineering, 2004, 4(3): 16-19. (in Chinese)

[3]向俊,楊軍祥,赫丹,等. 焦柳線酉水大橋上貨物列車脫軌分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 37(1):169-175. Xiang Jun, Yang Junxiang, He Dan, et al. Derailment analysis of freight train on Youshui Bridge on Jiaoliu line[J].JournalofCentralSouthUniversity, 2006, 37(1): 169-175. (in Chinese)

[4]向俊,周志輝,曾慶元. 列車脫軌研究最新進(jìn)展[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005, 2(5):1-8. Xiang Jun, Zhou Zhihui, Zeng Qingyuan. Recent developments in train derailment research[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2005, 2(5): 1-8. (in Chinese)

[5]曾慶元,向俊,周志輝,等. 列車脫軌分析理論與應(yīng)用[M]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社, 2006: 204-276.

[6]向俊,曾慶元. 鐵路鋼板梁橋上貨物列車脫軌全過(guò)程仿真[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007, 4(3):1-4. Xiang Jun, Zeng Qingyuan. Simulation of entire derailment courses of freight trains on railway steel plate beam bridges[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2007, 4(3): 1-4. (in Chinese)

[7]陳良軍，周文峰. 廣州往重慶脫軌事故[J]. 廣東交通,2008(4):37. Chen Liangjun, Zhou Wenfeng. The derailment accident from Guangzhou to Chongqin[J].GuangdonTraffic, 2008(4): 37. (in Chinese)

[8]Gawthrope R G. Wind effects on ground transportation[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics, 1994, 52(1): 73-92.

[9]Earthquake Engineering Research Institute. Special earthquake report-preliminary observation on the Niigata Ken Chuetsu[R]. Japan: Kyoto University, 2005.

[10]Brabie D. On the influence of rail vehicle parameters on the derailment process and its consequence[EB/OL]. (2005)[2014-07]. http://www.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A8040&dswid=7024.

[11]楊駿. 西班牙列車何以“死亡狂奔”[N]. 新華每日電訊,2013-7-26(3).

[12]肖新標(biāo). 復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下高速列車脫軌機(jī)理研究[D]. 成都:西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,2013.

[13]Deng Yongquan, Xiao Xinbiao. Effect of cross-wind on high-speed vehicle dynamic derailment[C]//Proceedingsofthe8thInternationalConferenceofChineseLogisticsandTransportationProfessionals-Logistics:theEmergingFrontiersofTransportationandDevelopmentinChina. Chengdu, China, 2008: 2287-2293.

[14]Xiao Xinbiao, Ling Liang, Jin Xuesong. A study of the derailment mechanism of a high speed train due to an earthquake[J].VehicleSystemDynamic, 2012, 50(3): 449-470.

[15]李德建. 列車-軌道時(shí)變系統(tǒng)空間振動(dòng)分析[D]. 長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院土木建筑學(xué)院,1996.

[16]曾慶元,郭向榮. 列車橋梁時(shí)變系統(tǒng)振動(dòng)分析理論與應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 1999: 21-29.

[17]曾慶元,楊平. 形成系統(tǒng)矩陣的“對(duì)號(hào)入座”法則與桁梁空間分析的桁段有限元法[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 1986, 8(2):48-59. Zeng Qingyuan, Yang Ping. The “set-in-right-position” rule for forming structural matrices and the finite truss element method for space analysis of truss bridge[J].JournaloftheChinaRailwaySociety, 1986, 8(2): 48-59. (in Chinese)

[18]陳秀方. 軌道工程[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2004: 97-102.

[19]周世越, 任珠芳, 張輝. 貨車直線區(qū)段脫軌機(jī)理與防范措施的探討[J].上海鐵道大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 20(6): 38-42. Zhou Shiyue, Ren Zhufang, Zhang Hui. A discussion on the theory and precaution measurement of freight car derailment [J].JournalofShanghaiTiedaoUniversity, 1999, 20(6): 38-42. (in Chinese)

[20]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 5599—1985鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)鐵道出版社,1985.

Analysis on freight train derailment course induced by overspeed in curve

Gong Kai1Xiang Jun1Yu Cuiying1Mao Jianhong1,2

(1School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China) (2School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

For the freight train derailment problem in curve induced by overspeed, using the wheel-rail conjunction condition and considering the influence of clearance between wheel flange and gage line, the freight train derailment course calculation method is presented based on the spatial vibration calculation model of the train-track system and the energy random analysis theory of train derailment. According to this method, freight train derailment course is calculated under different curve track geometry conditions. Meanwhile, the contact status, the relative position and the geometric size of wheel-rail in the derailment course are also analyzed. Study results show that, at the moment when the train derailed, the bogie yaw angle and the lateral relative displacement between bogie and rail decreases with the increase of curve radius, the maximum values being 5.82° and 78.1 mm respectively. The results can provide theoretical basis and data for the development of mechanical train derailment detection device, and make it possible to detect the risk before derailment and stop the train timely.

railway track; train overspeed; mechanical mechanism of derailment; random energy analysis theory

2014-07-10. 作者簡(jiǎn)介: 龔凱(1986—), 男，博士生； 向俊(聯(lián)系人), 男, 博士, 教授，博士生導(dǎo)師，jxiang@mail.csu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1261113)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20100162110022)、牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(TPL0901,TPL1214).

龔凱,向俊,余翠英，等.曲線上貨物列車超速引起的脫軌過(guò)程分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(1):172-177.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.01.030

U213.2

A

1001-0505(2015)01-0172-06