邓兴贵，梁习锋，鲁寨军，李靖南

(1.中南大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410075;2.湖南工学院，湖南 衡阳 421002)

1 研究背景及国内研究现状

1.1 研究背景

车辆溜逸是指机车、车辆(包括车列和车组)，在自身重力或外力的作用下发生无目的溜动，或未按规定采取防溜措施，使车辆在失控状态下所造成的行车事故［1］。车辆溜逸是行车惯性事故，在行车事故中占的比重较大，危害性大。

原本静止的车辆之所以溜逸，其根本原因在于有一种大于车辆基本阻力的外力施加于车辆上，使车辆发生连续位移。这个外力有可能是风力，坡道上车辆自重产生的下滑力，也可能是相邻铁道线通过列车或机车的震动、调车作业中的冲撞、人为的推动或动物的扰动等等。

曾是古丝绸之路的新疆，如今又迎来了铁路大发展的黄金时期，其“三山夹两盆”［2］的特殊地理位置和特殊气候条件，以致频频刮起风力强劲的大风。因大风导致的新疆风区站停车辆溜逸是新疆风灾的形式之一，历史上分别在天山和阿拉山口站发生过车辆溜逸事故，给铁路运输带来了较大的损失［3］。

我国正在进行的铁路电气化全面改造，禁止使用那些直接攀爬到车辆上去操作的(高闸位)传统的手制动器，要求在不对原制动机拆卸改造情况下，采用新型的手制动器，直接加挂在车上使用。

大风灾害和铁路的电气化改造这两个主要原因，使风区车站停留车辆的防溜问题，成为亟待解决问题，引起了新疆铁路局领导和相关专家学者的注意，越来越多的研究与实验开始在新疆铁路强风地区开展，本课题就在这样的背景下产生的。

为了保证铁道车辆的运行安全，乌鲁木齐铁路局建立了大风自动监测系统［4］。本文就是利用发展的信息技术，在风区车站获得大风等级预报信息后，根据车辆所受到的纵向推力，作了详细的分析和计算，制定了有针对性的防溜对策。预期能有效提高行车调度指挥水平，提高大风恶劣天气条件下列车安全运输能力。

1.2 国内外研究现状

为防止大风来时停站车辆不发生溜逸，必须首先要知道车辆发生溜逸的主要作用力——风力。为此我国铁路相关部门和科研院所，开展了大风天气列车运输安全的研究，进行了大量的风区车辆受力的试验和车辆气动性能研究与模拟计算，企求解决车辆的溜逸问题。

日本铁路相关部门通过分析大风条件下车辆的受力情况建立计算模型，获得了颠覆临界风速的方法，广泛采用防风栅作为运行管制多发区间的有效防风对策，从而起到防止列车事故发生的效果。而法国国营铁路公司也对侧风在高速铁路运行中造成的影响进行了研究。该公司通过硬体列车模型及风洞试验，根据不同的参数(风的形式、高速列车的类型、动力学系数等)而进行的动力计算绘制出列线图，并据此得出可接受的最大风速以确定线路上的最危险区域。

2 风区站停车辆的受力分析

大风环境下站停车辆防溜受力模型简图如图1所示。图中，Ff表示车辆在大风作用下的沿车长方向所受的纵向气动力［5］;Fqd表示车辆起动阻力;Fp表示坡道引起坡道附加力，当风力的纵向分量与下坡方向一致时，Fp为正，否则为负;Fzd表示拧紧手制动机产生的制动力;FT表示铁鞋及其止动器所产生的阻挡力。

车辆起动阻力Fqd，坡道附加力Fp，拧紧手制动机产生的制动力Fzd及铁鞋及其止动器所产生的阻挡力FT这四者之和，即为车辆溜逸阻力。

式(1)中，顺坡风防溜时取负号，逆坡风防溜时取正号。

对车辆安放铁鞋及拧紧若干个手制动机产生的阻力，能使车辆在大风作用下不发生溜逸，须保证:

图1 大风环境下站停车辆防溜受力模型简图Fig.1 Anti－ slip mechanics model of strain under strong wind

基于空气动力学用流体软件建立模型，计算车辆所受的纵向力。结果表明不同风向角及不同车型，车辆所受的纵向力不一样。风向角为30°时，车辆所受的纵向力最大，在不同车型中，空敞车所受的纵向力又为最大［5］。

表1 各级风速下空敞列车(50辆)车所受的最大纵向力表Table 1 Extreme longitude force of empire gondala(50)under different wind band

3 车辆防溜设备设计

3.1 防止车辆溜逸的常用措施

现有几种防溜技术设备主要有:手制动机(手闸)、铁鞋、停车器(止轮器)、防溜器、停车顶等。其中使用最多的是手制动机和铁鞋。特别是新疆风区大风来袭时，可能会断电，所以在这地区最适宜使用的是铁鞋和手制动机这2种最原始的防溜的技术设备。

铁鞋一般比较重，工人携带铁鞋不便，在使用铁鞋时可能还会带来车轮擦伤，钢轨面磨耗加快和钢轨串动等弊病。

而使用手制动机有2个缺点:一是由于操作手制动机的制动员的手力各有差异，若拧紧力度不够，必然存在车辆溜逸的隐患;二是不适宜电气化铁道。为保障人身安全，电气化铁路未停电情况下，棚车、敞车禁止使用老式置于车顶的人工手制动机。

综合考虑铁鞋与手制动机的优缺点，在吸收其优点基础上，对铁鞋及手制动机进行了改进设计，使铁鞋能承受较大的力，而所设计的手制动机在保证其能达到足够的拉力的前提下，能快速拧紧，携带方便，防盗性能好。

3.2 防溜设备改进设计

从公式(1)可以看出，车辆的溜逸阻力由4部分组成。其中车辆起动阻力Fqd与车辆本身自重有关，而坡道附加力Fp与铁道线路的坡度有关，这个阻力两都无法改变，拧紧单个手制动机产生的制动力Fzd及也是一定的，因为手制动机拉紧是制动链条，制动链条带动闸瓦产生制动力。唯一能改变的是铁鞋所产生的溜滑阻力和手制动机的数量。

由于新疆风力大，最大的风力高达几十上百吨，最为理想的方式是只使用单个铁鞋防溜设备就能承受所有的风力。但要想设计这样一个铁鞋势必结构尺寸庞大，重量重，且携带不便，难以操作。所以本课题组对传统的铁鞋进行改进设计，通过对铁鞋的初步设计计算，单个铁鞋能承受9 t的力，但这9 t的力不能靠在铁鞋上安装摩擦系数大的橡胶来承受，车轮会推着铁鞋滑动。因此就设计了与之配对使用的止动器。止动器固定在轨道上，是以不破坏轨道为原则的。这样9 t的力通过与其接触的止动器传到铁轨上，也不会破坏轨道。这样对于10级以上强大的风力，优先采用这配对使用铁鞋及其止动器来防溜，就可大大减少拧手制动机数量，提高工作效率。

对于强大的风力，除了车辆起动阻力、坡道附加力和铁鞋及其止动器3部分所承受的力外，余下的就要靠增加手制动机的数量来承受了。究竟要拧紧多少手制动机才能保证车辆不发生溜滑，是确保风区行车停站车辆安全的主要问题。

铁鞋、止动器及手制动机都是按以下的步骤来设计计算的:先对传统的结构分析比较，分析其优缺点，确定好类型后，进行改进设计，随后进行受力分析，选择材料后进行手工强度计算，在满足强度后用pro/E建几何模型，再进行有限元模型建立(网格划分)，施加约束和载荷后，最后进行ansys强度计算［6］，并判断其是否满足强度要求。

3.2.1 铁鞋及其止动器设计及强度计算

为了使铁鞋及其止动器在满足强度及使用性能前提下，又尽可能轻巧，便于携带。作者用Pro/E建立了实体模型(见图2)，利用ansys有限元软件进行强度分析计算［6］，依据强度的富裕程度，反过来对相关的零件进行优化改进。

图2 铁鞋及止动器几何模型图Fig.2 Geometry of the steel block and brake

图3 有风载荷下铁鞋及止动器接触穿透图Fig.3 Contact partration contour of steel block and brake under side wind

由图3可知，在有风条件下，最大接触压力为443 MPa，各部件无黏附现象，各部件穿透量为0.0092，接触正常。通过强度计算说明铁鞋及止动器力学性能良好，应力水平很低，部分位置应力较大，但低于材料的屈服强度，符合设计要求。

3.2.2 手制动机的结构设计及强度计算

对古今中外所使用的手制动机，进行了分析比较。吸取它们的优点，剔除其缺点，综合设计了左右螺母式手制动机［7］。

图4 手制动机几何模型图Fig.4 Geometry of hand brake

如图4所示的左右螺母式手制动机，操作工人两手把握手制动机，先用左钩子钩住制动闸瓦链条，适当拉紧后用右端的卡板灵活地卡在原手制动机安装板上，用五方扳手套进丝杆的右端，旋转扳手即可使连着钩子左端螺母拉紧制动链往右端移动，从而达到拉紧制动闸瓦的作用。这种手制动机具有快速拧紧和质量轻的特点。

图5是手制动机的ansys有限元强度分析计算，可以看出手制动机最大应力为610 MPa，小于材料30 Mn的屈服强度715MPa，最大位移不到1 mm，位移很小，结果表明，手制动机符合设计要求。

图5 手制动机应力云图Fig.5 Stress contour of hand brake

4 风区车站停留车辆的防溜决策

通过计算各级大风时的防溜阻力需求，可以制定相应的防溜决策。

由于文章篇幅的限制，防溜对策以一列挂有50辆且每辆自重23 t的空载货物列车为研究对象，进行分析与计算。

图6 停站车辆防溜决策流程图Fig.6 Flow chart of the anti－ slid strategy for the standing vehicles

如计算13级大风的防溜阻力需求过程是:对照表1可查得13级大风所受的纵向力最大为341 kN。使用带橡胶铁鞋及其止动器所能承受的最大力为176.4 kN，减去列车的起动阻力40 kN，余下124.6 kN的力就必须要由8个手制动机来承受。

通过对不同等级大风的溜滑阻力计算，可得出挂有50辆且每辆自重23 t的空载货物列车防溜决策是:7至9级风可分别用2－4个手制动机来防溜;10至11级风时，可在与风向相反的头车车轮下用配对的铁鞋及其止动器再加拧个2手制动机来防溜;12至17级风时，除安放一对铁鞋及其止动器外，还需要分别加拧 4，8，12，18，24，31 个手制动机来防溜;顺坡(坡度不超过1‰)风防溜时，须多加拧一个手制动机;而逆坡风防溜时，则可少拧一个手制动机。

风区停站车辆的防溜决策流程如图6所示。

5 结论

(1)本课题所改进设计的铁鞋及其止动器，结构合理，能承受较大的力(单个铁鞋及止动器能承受9 t的力)。对于风速为60 m/s条件下的一列50辆的货物空车防溜，没采用这改进的铁鞋及止动器时，要拧紧所有车辆的手制动机。而采用本课题所设计的铁鞋及止动器后，只要拧紧31个手制动机，减少拧紧手制动机的数量为2/5，大大提高了工作效率。

(2)本课题所设计的左右螺母式手制动机，拧紧所花时间仅为原来的一半，大大提高了工作效率。

(3)本文研究工作尽管是针对新疆铁路大风情况开展的，但研究结果对高原、沿海等风区铁路同样具有参考价值。所制定的风区车站防溜决策，只要根据铁道气象预报的最高大风等级信息，按照防溜决策进行防溜设备安放，就能有效地防止站停车辆的溜逸。

(4)本课题所设计的左右螺母式手制动机，在不改造车辆原来手制动机的情况下，能直接钩挂在车辆的下端使用，提高了风区电气化线路作业的安全性。

本课题中所依据的车辆的受到的纵向推力，是考虑最不利的车型(重23 t货车空敝车)与最不利的风向角(30°)的情况下计算出来的。在给车辆设置防溜设施时，考虑在大风来袭时实际受力情况与计算假设的不同，应根据具体情况进行适当调整。

［1］周 杨.强风条件下停站车辆防溜安全问题研究［D］.成都:西南交通大学，2010.ZHOU Yang.Study on the anti－ slip safe problems for stopped vehicle under strong wind conditions［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2010.

［2］贾国裕.兰新铁路大风灾害及其对策［J］.路基工程，2008，4(2):195 －197.JIA Guo-yu.Wind disasters and their countermeasures of lanxin railway［J］.Subgrade Engineering.2008，4(2):195－197.

［3］唐士晟.风区车站停留车辆防溜研究［J］.中国铁路，2011，31(1):113 －116.TANG Shi-shen.Study on the anti－ slip for stopped vehicles in the wind area［J］.Chinese Railways，2011，31(1):113－116.

［4］葛盛昌.新疆铁路风区大风天气列车安全运行办法研究［J］.铁道运输与经济.2009，31(8):31－34.GE Sheng-chang.Study on the safe operation method of vehicles in the wind area in Xinjiang Railway for windy weather［J］.Railway Economic Research，2009，31(8):31－34.

［5］中南大学“轨道交通安全”教育部重点实验室，强风条件下停站车辆防溜安全问题研究报告［R］.长沙:中南大学，2010.Key Laboratory of Traffic Safety on the Track Central South University Ministry of Education.Report of Study on the Anti－ slip for Stopped Vehicles in the Wind Area［R］.Changsha:Central South University，2010.

［6］吴永红.旋挖钻机钻桅有限元强度分析及结构参数优化［D］.长沙:中南大学，2010.WU Yong-hong.Finite element strength analysis and structure optimization of the rotary drilling rig mast［D］.Changsha:Central South University，2010.

［7］李根亮，李存仁.SLF－15型铁道车辆手制动防溜紧固器［J］.铁道车辆，2004，42(7):14－15.LI Gen-liang，LI Cun-ren.Anti－ slip fasteners of the hand brakes for the SLF －15 －type railway vehicle［J］.Rolling Stock，2004，42(7):14 －15.