张治贵

（山西汾西矿业集团水峪煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）

引言

窄轨列车作为煤矿运输的主要设备，其应用广泛且具有较好的运输能力。窄轨列车可采用机车、绞车、人力以及自溜滑行等驱动装置，这些驱动装置若想发挥其性能均需掌握轨道车辆的运行阻力系数。基于对煤矿窄轨列车运行阻力的研究不仅可提高设备的运输效率，而且在一定程度上还能够达到节能的效果[1]。此外，精准掌握窄轨列车的运行阻力还能够估算出其所需的牵引力，因此，重点对煤矿窄轨列车的运行阻力进行研究，具体阐述如下：

1 煤矿窄轨列车运行阻力产生机理研究

矿用轨道列车在实际运行过程中不可避免地会受到阻力的影响，而且阻力随与列车的工作环境变化而变化，主要可以分为基本阻力和附加阻力。其中，基本阻力伴随着列车运行的整个过程，而附加阻力只有在列车在曲线、坡道或在启动时才会存在[2]。本文将重点对列车的基本阻力进行研究。一般情况下，列车运行阻力产生主要与下述因素相关：

1）列车车轮与轨道之间的滚动摩擦系数、滑动摩擦系数。其中，滑动摩擦还分为纵向滑动摩擦和横向滑动摩擦。

2）列车本身结构车轴与轴颈之间的滑动摩擦；一般情况，该项摩擦系数可通过采用滚动轴承减小。

3）在实际运行中列车本身会与轨道之间发生碰撞冲击产生的动能转化为运行阻力。

4）在正常运行过程中，列车会受到一定的空气阻力。但是，列车运行速度小于10 m/s，该项因素可忽略不计。

因此，在实际生产中窄轨列车的基本阻力主要为列车车轮与轨道之间的滑动摩擦、滚动摩擦等组成。而且，当窄轨列车在低速运行状态时运行阻力主要以车轴与轴颈之间的摩擦力为主；随着窄轨列车运行速度的提高，运行阻力主要表现为车轮与轨道之间的滑动阻力和相互碰撞时产生损失动力而产生的振动阻力[3]。

本文将通过数值模拟对不同信号窄轨列车的运行阻力系数进行对比研究。

2 窄轨列车数值模拟模型的建立

本文将基于UG 建立不同型号窄轨列车的三维模型，并将所搭建的模型导入ADAMS 软件中对不同型号窄轨列车的运行阻力系数进行数值模拟研究。本文所研究窄轨列车的型号及对应参数如表1 所示：

表1 窄轨列车型号及参数

结合表1 所述的模型基于UG 软件分别对窄轨列车的车箱、车架、车轮对以及缓冲器和连接器分别进行建模。

1）对于车轮建模按照表1 参数搭建即可。

2）在实际工程中与车轮所配套的轨道规格为30 kg/m，对应轨道的高度为152 mm，轨道头部宽度为70 mm。

在实际建模过程中严格按照工程应用的实际尺寸进行建模；同时，基于自底向上的原则对各个部件进行装配，在装配过程中应保证同心、接触对齐、平行以及镜像装配的命令完成。将所建立的模型导入ADAMS 软件中，并对其中参数进行设置：

1）车体、车轮以及车轨的材料参数应该按照钢进行设置；

2）根据窄轨列车的运行工况完成对模型添加相应的约束、接触力、摩擦力等。

3 窄轨列车运行阻力研究

3.1 窄轨列车运行阻力的试验研究

结合上述所搭建的数值模拟模型，对窄轨列车在平直线路上运行工况下的运行阻力系数进行测定，包括在水平运行和滑坡运行两种状态，并搭建如图1 所示的试验平台：

图1 运行阻力试验平台

如图1 所示，将不同型号的窄轨列车置于高度为h的坡道上，并对车体在重车和空车两种工况下的运行阻力进行测定。具体操作方法：列车从高度为h的坡道上在自身重力的情况下滑行，在运行阻力的作用下其在某个位置停止[4]。根据停止的位置换算出不同型号窄轨列车在重车和空车工况下的运行阻力系数，对应的换算公式如式（1）所示，结果如表2 所示：

表2 不同型号窄轨列车运行阻力系数试验研究

式中：w 为阻力系数；h 为坡道的高度；L 为阻力作用行程。

3.2 窄轨列车运行阻力仿真分析

结合上述所搭建的模型并对不同型号窄轨列车模型的参数进行设置，对其重车和空车工况下的运行阻力系数进行仿真分析。

3.2.1 MGC1.1-6型窄轨列车

根据实际工况，设定车轨间的间距为600 mm，该型列车在重车时的质量为1.61 t，模型中对应坡道的高度为0.78 m。经仿真分析得出如下结论：该型列车在高度为0.78 m的高度靠自身重力可行走总行程为103.56 m，经换算得出该型列车的运行阻力系数为0.007 531，其对应的基本运行阻力为121.25 N。

同理，该型列车在空车时的质量为0.61 t，模型中对应坡道的高度为0.78 m。经仿真分析得出如下结论：该型列车在高度为0.78 m的高度靠自身重力可行走总行程为82.15 m，经换算得出该型列车的运行阻力系数为0.009 495，其对应的基本运行阻力为57.91 N。

3.2.2 MGC1.7-6型窄轨列车

根据实际工况，设定车轨间的间距为600 mm，该型列车在重车时的质量为2 t，模型中对应坡道的高度为0.78 m。经仿真分析得出如下结论：该型列车在高度为0.78 m的高度靠自身重力可行走总行程为119.96 m，经换算得出该型列车的运行阻力系数为0.006 502，其对应的基本运行阻力为215.87。

同理，该型列车在空车时的质量为1 t，模型中对应坡道的高度为0.78 m。经仿真分析得出如下结论：该型列车在高度为0.78 m的高度靠自身重力可行走总行程为91.83 m，经换算得出该型列车的运行阻力系数为0.008 494，其对应的基本运行阻力为112.12 N。

3.2.3 MPC3.3-6型窄轨列车

根据实际工况，设定车轨间的间距为600 mm，该型列车在重车时的质量为3 t，模型中对应坡道的高度为0.78 m。经仿真分析得出如下结论：该型列车在高度为0.78 m的高度靠自身重力可行走总行程为141.28 m，经换算得出该型列车的运行阻力系数为0.005 521，其对应的基本运行阻力为259.44 N。

同理，该型列车在空车时的质量为2 t，模型中对应坡道的高度为0.78 m。经仿真分析得出如下结论：该型列车在高度为0.78 m的高度靠自身重力可行走总行程为105.51 m，经换算得出该型列车的运行阻力系数为0.007 435，其对应的基本运行阻力为128.1 N。

3.2.4 MLC1.5-6型窄轨列车

根据实际工况，设定车轨间的间距为600 mm，该型列车在重车时的质量为5 t，模型中对应坡道的高度为0.78 m。经仿真分析得出如下结论：该型列车在高度为0.78 m的高度靠自身重力可行走总行程为155.81 m，经换算得出该型列车的运行阻力系数为0.005 006，其对应的基本运行阻力为400.48 N。

同理，该型列车在空车时的质量为4 t，模型中对应坡道的高度为0.78 m。经仿真分析得出如下结论：该型列车在高度为0.78 m的高度靠自身重力可行走总行程为133.96 m，经换算得出该型列车的运行阻力系数为0.005 823，其对应的基本运行阻力为174.69 N。

4 结语

1）对于同一型号列车，随着列车数量的增加对应的运行阻力系数增大，其增量为0.000 3/辆；

2）对于不同型号列车，随着矿车载重量的增加对应的运行阻力系数降低，但是其对应的阻力较大，因为重量增加惯性增大，其对应的阻力系数较小；但是，重量增加对轨道的正压力较大，导致摩擦力较大，对应的阻力较大。