杨毅，陈军，刘堂红，周细赛



铁路机车车辆防溜铁鞋阻力试验研究

杨毅1，陈军1，刘堂红2，周细赛2

(1. 中国铁路乌鲁木齐集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011； 2. 中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

采用现场实车试验的方法，研究平道和22‰坡道上不同放置方式铁鞋阻力大小，得到铁鞋摩擦因数值。研究结果表明：22‰坡道上列车静止停靠时车钩力理论计算结果和现场试验结果吻合较好，偏差仅为1.9%；平道16种工况测得的铁鞋摩擦因数平均值为0.41；同种放置方式不同数量铁鞋测得的摩擦因数差别不大，不同铁鞋放置方式测得的摩擦因数差别较大：机次单侧放置铁鞋摩擦因数最大，平均值为0.58，尾部双侧放置铁鞋摩擦因数最小，平均值为0.32；同一车辆不同车轴位置放置铁鞋摩擦因数基本相等；22‰坡道上测得铁鞋摩擦因数明显大于平道测试结果，主要由于钢轨生锈严重等条件所致。

货物列车；防溜；铁鞋摩擦因数；试验研究

新疆铁路大风具有风速高、风期长、季节性强和风向相对稳定等特点[1]。实测最大风速超过64 m/s，主要风区年大风天数在120 d以上，每年冬春交替季节大风最为集中，风力也最强，易造成吹翻列车、车辆溜逸、积沙埋道、车窗玻璃破损、铁路行车设施损毁、道床板结和钢轨磨损增大等事故。因大风导致的站停车辆溜逸是新疆铁路风灾的主要形式之一，天山和阿拉山口站都曾发生过车辆溜逸事故，给铁路运输带来了重大损失[2]。风区停留的车辆在大风作用下，会受到沿车长方向较大的气动纵向力。国内外对大风环境下列车受到的气动纵向力进行了大量研究[3−6]，为大风环境下的车辆防溜分析提供了一定的基础。除了车站长时间停留车辆外，由于列车及线路事故长时间停留在高坡地段的机车车辆，因列车自动制动机空气泄漏，失去制动作用，通常采取拧紧手制动机、安放铁鞋等防溜设备来防止车列溜逸[7−8]。在电气化线路上有些手制动机手轮高，禁止使用，而且拧紧和松开全部手制动机费时间，执行起来难度大。此时，铁鞋便成了最适宜使用的防溜设备。李林贵[9]通过基于无线射频通信技术改造铁鞋，监测铁鞋的位移，实现在行车室可视化的远程监控防溜铁鞋动态，改变了目前人工现场检查防溜铁鞋工作状态的传统办法，减轻了人工作业强度。苏宝平[10]根据轨道车施工过程中的铁鞋管理的要求，提出了一种新的轨道车防溜监控系统，可以实时监控铁鞋的状态，并能准确定位每只铁鞋的具体位置，判断铁鞋是否放置合理。万祝生等[11]研发了一种能自动定位并检测使用状态的电子铁鞋和电子手闸制动器，对停放在到发线上的列车或车辆予以可靠制动，并监控其制动状态和位置。可见，目前对于铁鞋的研究主要集中在智能监控管理方面，而究竟一只铁鞋能产生多大的制动力，安放多少数量铁鞋能够有效防溜，目前很多都是根据现场运用经验确定。在相关现场试验方面，乌鲁木齐局在2010年开展了铁鞋阻力测试[12]，但列车编组数量仅为3辆，与实际运用列车差别较大，且试验工况非常少；而理论计算分析又因为轮轨的接触状态复杂，很难准确得到铁鞋产生的阻力。基于此，本文采用现场试验的方法，分别测试平道和22‰坡道上不同放置方式铁鞋阻力大小，得到铁鞋摩擦因数值，为制定停留车辆有效的防溜对策提供科学依据。

1 铁鞋阻力现场测试试验

1.1 试验列车

目前铁路实际运营货物列车基本采用混编的方式，即1组列车由多种车型车辆进行编组而成，且同时包含空车与重车。基于此，本次试验列车选取重棚车、空棚车、重平车、空平车、重敞车、空敞车、重罐车和空罐车进行编组，具体编组信息如表1所示。其中，编组位置1~16表示靠近机车端的第1节车辆至第16节车辆。

表1 货物车辆编组信息

1.2 试验线路

《铁路技术管理规程》(2014)[13]中规定：“车站应设在线路平道、直线的宽阔处。车站必须设在坡道上时，其坡度不应超过1‰；在地形特别困难的条件下，会让站、越行站可设在不大于6‰的坡道上，且不应连续设置，并能保证列车的起动”。在2000年版的《技规》中规定的是车站坡度“不得超过1.5‰”，可以看出，铁路相关部门对于坡道上停留机车车辆的防溜安全问题越来越重视。但对于目前我国铁路现状而言，很多线路的坡度均超过1‰，而且改造难度大，对于在地形复杂的地区新建的线路，其坡度也很难控制在1‰以下。当坡度较大时，即使在无风情况下，同样有可能发生列车溜逸事故。如果由于列车故障停留在区间线路，则遇到的坡度可能会更大。因此，本文分别选取新疆南疆线鱼儿沟站内平直的线路和鱼焉线祖鲁木台站至喀尔干特站间22‰的坡道进行铁鞋阻力测试试验。试验线路现场图片如图1所示。

(a) 平道；(b) 22‰坡道

1.3 试验方法

机车牵引力通过车钩进行传递，为了将机车、力传感器和车辆三者进行连接，需要设计车钩工装使三者能够配合连接且不影响力的传递。本文采用自制车钩将力传感器两端分别与机车和被测试车辆连接，车钩呈闭锁状态保证了车钩力的传递，同时连接好机车与车辆间的风管，如图2所示。铁鞋阻力测试时，首先放置好铁鞋，且列车处于全列缓解状态，机车缓慢增加牵引力直到整列车起动，输出终端将记录列车起动过程车钩力受力曲线图，通过分析车钩力变化曲线可得到当次试验的机车牵引力。

站停车辆在大风作用下的沿车长方向的受力模型如图3所示。图中，z表示车辆溜逸阻力，包括车辆起动阻力、自动制动系统阻力、防溜铁鞋阻力、人力制动机阻力；f表示大风对车辆产生的纵向气动力；p表示坡道引起的车重在纵向的分力，称之为坡道附加力，当风向的纵向分量与下坡方向一致时，p为正，否则为负。车辆在大风作用下如不发生溜逸，须保证z＞f+p，公式两边相等时车辆达到临界溜逸状态。本文在开展铁鞋阻力测试试验时，自动制动系统、人力制动机均未使用，其防溜阻力仅包含起动阻力和铁鞋阻力；铁鞋阻力主要取决于铁鞋与钢轨的摩擦因数和放置铁鞋车辆的重量，而摩擦因数主要与铁鞋和钢轨的材料特性相关。为了准确测得铁鞋阻力值，避免环境风的干扰，试验选择在无风环境进行，车辆纵向气动力f为0。测试时，使车辆缓慢起动后达到平衡状态，两端受力相等，即测得的车钩力大小在平地为列车起动阻力与铁鞋阻力之和，在坡道上还包括坡道附加阻力。

图2 车钩测力装置

图3 大风环境下站停车辆受力模型简图

1.4 试验设备

本次试验主要测试车钩牵引力，由《列车牵引计算规程》[14]可知，DF4B型机车最大牵引力为324 kN，现场试验时选用NS-WL2型力传感器，量程为1 000 kN。传感器将列车起动过程所受的力通过导线以电信号传输给放大器，经放大器放大后通过采集系统信号处理即可从输出终端显示出力值。为了保证测试的准确性，试验前，对测力装置进行静态标定，如图4所示，通过吊挂不同重量的标重钢板，校验测试装置的准确性，试验发现误差小于1%。

车钩力测试采集系统由力传感器、信号调理器、以太网采集器、连接器、计算机及相应的分析软件组成，如图5所示。

图4 车钩测力装置标定

图5 采集系统组成

该采集系统以计算机为中心，在软件的支持下集成多种虚拟仪器的功能，能对多点、多种随时间变化的参量进行动态在线实时测量，并能快速进行信号分析处理，有效排除噪声干扰、消除偶然误差、修正系统误差，从而实现测量结果的高准确度和具有对被测信号的高分辨能力。现场测试系统如图6所示。

图6 现场测试系统

2 起动阻力测试结果及分析

由1.3节可知，测力装置测得的力在平地包括起动阻力和铁鞋阻力，在坡道上还包括坡道附加阻力，为了测得铁鞋阻力大小，首先需要测试起动阻力。图7为8节车辆编组列车起动阻力测试结果曲线。试验时，列车处于全列缓解状态，1时刻机车开始缓慢增加牵引力，由于车钩间存在间隙，此时车钩发生冲击作用，因此车钩力波动较大直到2时刻车钩均处于拉伸状态；3时刻列车刚起动，此时车钩力达到峰值18.0 kN，该值即为列车的起动阻力值；当列车起动后继续向前移动一段距离，其所需的牵引力减小(图中的3~4之间)；4之后试验停止，由于惯性作用车钩力发生较大的波动直到列车完全静止，车钩力降为0。

图7 车钩力随时间变化曲线图

表2为平道起动阻力测试结果。从表2可以看出，不同编组数量列车单位起动阻力有所差别，最大相差7.6%；平均单位起动阻力为4.05 N/kN左右，略大于《列车牵引计算规程》中的规定值3.5 N/kN，这与测试的样本量、测试车型、车辆使用情况、线路条件等因素有关。测试结果与参考文献[15]较 吻合。

表2 平道起动阻力测试工况

3 铁鞋阻力测试结果及分析

3.1 平道铁鞋阻力测试结果及分析

图8为平道铁鞋阻力测试现场图片。图8(a)表示试验开始前，铁鞋与车轮踏面保持分离状态，试验过程中列车往前移动直到车轮踏面完全压上铁鞋如图8 (b)所示。

图9为机次单侧2只铁鞋阻力测试结果曲线图。试验开始前，铁鞋放置在车轮前方一小段距离处，1时刻机车开始缓慢增加牵引力，此时车钩发生冲击作用直到2时刻车轮完全轧在铁鞋上；2~3之间车钩力保持不变，3时刻机车继续增加牵引力，车钩力逐渐增大；4时刻部分车辆开始起动，由于各节车辆并非同时起动，车钩力发生波动直到5时刻整列车起动运行趋于平稳，将此时的车钩力减去列车的起动阻力即为该条件下铁鞋所能产生的阻力；6时刻试验停止，机车牵引力迅速下降。

表3为平道铁鞋阻力测试结果，将车钩力值减去列车起动阻力值便得到该条件下的铁鞋阻力值。

(a) 试验前；(b) 试验过程

图9 机次单侧放置2只铁鞋后车钩力变化曲线

为了进一步分析不同铁鞋放置方式的防溜效果，将不同工况下的铁鞋阻力值进行无量纲化处理得到铁鞋摩擦因数，其表达式为：

表3 平道铁鞋阻力测试结果

图10为16种不同工况下铁鞋摩擦因数计算结果柱形图。从图中可以看出，不同工况下测得的铁鞋摩擦因数均不同，16种工况测得的铁鞋摩擦因数平均值为0.41；同种铁鞋放置方式测得的摩擦因数差别不大，不同铁鞋放置方式测得的摩擦因数差别较大；机次双侧放置铁鞋摩擦因数平均值为0.36，而机次单侧放置铁鞋摩擦因数平均值为0.58，这是因为单侧铁鞋卡在轨道上，当列车起动时，轮对左右两侧受力不均匀从而产生摇头扭矩使铁鞋侧面与轨道接触，增加了铁鞋与轨道间的摩擦力，因此在进行实际防溜设置时采用单侧放置铁鞋的方式更加合理；尾部双侧放置铁鞋摩擦因数平均值为0.32，而尾部放置一只铁鞋摩擦因数为0.52；机次+尾部组合放置铁鞋摩擦因数平均值为0.34；可见，不同放置方式铁鞋防溜效果：机次>机次+尾部组合>尾部；比较工况5和工况6可知，同一车辆不同车轴位置放置铁鞋摩擦因数基本相等。

3.2 22‰坡道铁鞋阻力测试结果及分析

图11为22‰坡道铁鞋阻力测试现场试验照片，试验过程与平道测试相同。

图10 不同工况下铁鞋摩擦因数测试结果

图 12为机次单侧放置4只铁鞋情况下测得的车钩力变化曲线。试验开始前，列车通过制动作用静止停靠在22‰坡道上。依据1.3节中停留列车溜逸受力模型，可知机车后方16节车辆受到的重力引起188 kN坡道附加力，根据表2中起动阻力测试结果，16车编组列车起动阻力为34.1 kN，因此，为防止车辆溜逸车钩理论上需提供往上坡方向的推力153.9 kN。从图12中可以看出，测力车钩初始受到151 kN左右的挤压力(1时刻前)，与理论推算值153.9 kN接近，仅相差1.9%。由此证明该试验方法的可靠性。1时刻列车缓解，列车受重力下滑力作用向下坡移动；2时刻车轮完全轧在4只铁鞋上并且列车处于静止状态直到3时刻，机车开始缓慢增加牵引力，车钩力发生较小的波动；4时刻列车开始平稳起动，车钩力基本不变，将此时的车钩力减去列车的起动阻力即为该条件下铁鞋所能产生的阻力；运行到5时刻时，试验停止，机车牵引力减小。

(a) 试验前；(b) 试验过程

表4为坡道铁鞋阻力测试结果。从表中可以看出，坡道铁鞋阻力明显大于平道铁鞋阻力。这可能有2方面的原因，一是坡道阻力试验线路实际运营较少，钢轨表面生锈较严重，铁鞋与钢轨之间的摩擦因数本身就比正常运营线路要大；另一方面，也由于线路生锈、摩擦增大的原因，起动阻力比运营线路的平道要大，但在坡道上由于试验条件限制未开展相关的起动阻力试验，在计算坡道铁鞋阻力时，使用的起动阻力为平道上测试值。22‰坡道上为了防止列车发生溜逸铁鞋产生的阻力至少为153.9 kN，根据工况1和2测得的摩擦因数可以求出机次单侧2只铁鞋产生的阻力约196.1 kN，而试验发现机次单侧放置2只铁鞋时列车发生溜动。这主要是因为试验时车轮并未完全压在铁鞋上，列车全列缓解后开始向下溜动，由于惯性作用车轮与铁鞋贴合后持续向下坡移动，考虑试验的安全性，机车采取了制动作用，试验停止。

图12 机次单侧放置4只铁鞋后车钩力变化曲线

通过比较平道和22‰坡道铁鞋阻力测试结果可知，在实际防溜措施的研究中，采用平道铁鞋阻力测试结果进行不同坡度防溜计算分析，其结果是偏于安全的。

表4 坡道铁鞋阻力测试结果

4 结论

1) 通过对2辆、4辆、直到16辆不同编组列车起动阻力进行测试，不同编组数量列车单位起动阻力有所差别，最大相差7.6%，所有工况平均单位起动阻力为4.05 N/kN左右，略大于《列车牵引计算规程》中的规定值3.5 N/kN，这与测试的样本量、测试车型、车辆使用情况、线路条件等因素有关。

2) 试验过程中，对机次、尾部、机次+尾部组合不同位置放置不同数量铁鞋共16种工况进行平道铁鞋阻力测试；不同工况下测得的铁鞋摩擦因数均不同，平道16种工况测得的铁鞋摩擦因数平均值为0.41；不同放置方式铁鞋防溜效果：机次>机次+尾部组合>尾部；单侧放置1只铁鞋阻力仅略小于双侧放置2只铁鞋阻力，但摩擦因数明显增大，因此采用单侧放置方式更为合理。

3) 对22‰坡道上机次放置不同数量铁鞋阻力进行测试发现，坡道铁鞋阻力明显大于平道铁鞋阻力，本次坡道试验在废弃的线路进行，明显大于平道铁鞋阻力与钢轨长时间未运营、生锈比较严重，摩擦因数增大有关；在制定坡道停留列车防溜对策时，采用平道铁鞋阻力测试结果进行计算分析，其结果偏于安全。

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(编辑 阳丽霞)

Experimental research on resistance of anti-running iron shoe

YANG Yi1, CHEN Jun1, LIU Tanghong2, ZHOU Xisai2

(1. China Railway Urumchi Bureau Group Company Limited, Urumchi 830011, China; 2. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on a field test, the friction coefficient of the iron shoe was obtained by studying the resistance of iron shoes on rail lines of flat and 22‰ slope. The result of theoretical calculation for the coupler force on the 22‰ slope shows a consistency with that of field test, and the deviation is only 1.9%. The average friction coefficient of the iron shoe is 0.41 among 16 kinds of working conditions on the flat line. Under the same measuring method, friction coefficients of iron shoes with different number are almost equal, but the friction coefficients under different placement vary a lot. The friction coefficient of iron shoes under one-sided placement is the largest, with an average of 0.58; the coefficient of that placed on both sides of train tail is the smallest, with an average of 0.32; that coefficient at different axle position under the same vehicle is basically the same; and the coefficient of iron shoes on the 22‰ slope is significantly greater than that on the flat line due to the different railway condition such as rust etc.

freight train; anti-running; friction coefficient of iron shoe; experimental research

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.10.025

U279

A

1672 − 7029(2018)10 − 2639 − 08

2017−07−18

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2015J007-N，2017J0101-B)；国家自然科学基金资助项目(U1334205)

刘堂红(1976−)，男，湖南新化人，教授，博士，从事列车空气动力学研究；E−mail：lthjd@163.com