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试验研究 铁道车辆 第５Ｏ卷第５期２０１２年５月

文章编号：１００２—７６０２（２０１２）０５—０００８—０４

利用ＧＭ／ＲＴ ２ １ ４２标准评价大风环境下

机车车辆的抗倾覆能力

勾洪浩，罗 赘

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都６１００３１）

摘要：介绍了英国标准ＧＭ／ＲＴ ２１４２－－２００９｛大风环境下机车车辆抗倾覆能力》中临界倾覆风速的计算方法及评

价抗倾覆能力的大致流程，并利用该标准评价了某出口机车大风环境下的抗倾覆能力。

关键词：ＧＭ／ＲＴ ２１４２－－２００９；大风环境；机车车辆；抗倾覆能力

中图分类号：Ｕ２７０．１ １ 文献标识码：Ａ

为了保证大风环境下列车的安全运行，英国制定

了ＧＭ／ＲＴ ２１４２－－２００９｛大风环境下机车车辆的抗倾

覆能力》＿１］，要求所有机车车辆的临界倾覆风速均要超

过一个最低限值。该标准规定的临界倾覆风速为机车

车辆以最高速度在直线上运行时的临界倾覆风速，最

低限值为选取的基准车辆以同样方法计算得到的临界

倾覆风速，这样通过比较评价车辆与基准车辆的临界

倾覆风速大小，即可判断评价车辆是否有足够的抗倾

覆能力，从而避免了在评价时考虑轨道不平顺、曲线上

未平衡离心力、桥梁及是否有挡风墙等线路状况因素

的影响。同时，在对一系列机车车辆进行风洞试验的

基础上，得到按顶部轮廓进行分类的气动倾覆力矩系

数计算公式，可节省计算时间及计算成本。我国在大

风环境下列车的安全运行方面也进行了很多研究ｌ＿２ ］，

为保证新疆风区列车的安全运行制定了《大风天气列

车安全运行办法》 ］，但还没有建立类似的评价大

收稿日期：２０１１＿０７—０１；修订日期；２０１２－Ｏ１—２０

基金项目：国家自然科学基金资助（５１０７５３３９）

作者简介：勾洪浩（１９８９一），男，硕士研究生。

风环境下机车车辆抗倾覆能力的标准。

本文首先介绍ＧＭ／ＲＴ ２１４２－－２００９中临界倾覆

风速的计算方法、计算临界倾覆风速时用到的气动倾

覆力矩系数及评价抗倾覆能力的流程，然后应用此标

准对某出口机车进行评价。

１临界倾覆风速的计算

ＧＭ／ＲＴ ２１４２－－２００９中的临界倾覆风速是指机

车车辆以最高运行速度在直线上运行时，使其迎风侧

车轮刚好减载１００％的风速。此时由侧风产生的气动

倾覆力矩Ｍ 与车辆的恢复力矩ＭＲ相平衡，即临界倾

覆风速是满足ＭＡ—ＭＲ的风速。

首先定义参数如下：

ｂ ：左右轮轨接触点间距之半，ｍ；

ｇ：重力加速度，取ｇ一９．８１ ｍ／ｓ。；

Ｍｏ：部件质心相对轨道中心的横向位移产生的倾

覆力矩，Ｎ・ｍ；

ｍ：车辆总质量，ｋｇ；

ｍ。：簧下质量，ｋｇ；

。： 。相对轨道中心的横向位移，ｍ；

版社，２０１０：３．

３ 结论 ［２］姚曙光，田红旗，许平．重载敞车车体结构轻量化设计［Ｊ］．交通

重载发达国家通过轻量化技术的研究和应 ［３３ 主 路重载货车上的 Ｊ］．

用，为铁路运输带来了良好的经济效益。我国近几年 铁道机车车辆

，２ｏｏ８，（１２）：９１－－９４．

轻量化技术也发展迅速，在降低车辆自重系数、延长车 ［４］李创．国外重载货物列车电空制动系统的发展与应用Ｉ－Ｊ］．中国

辆使用寿命、优化整车运行品质、提高车辆系统的经济 铁路，２００５，（４）：６１—６４．

效益方面取得了显著成绩。 Ｅｓ］任玉玺，汪明栋－集成制动技术在ｃｓ。ｓ型专用运煤敞车上的应用

［Ｊ］．铁道机车车辆，２０１１，（４）：６１—６４．

参考文献： （编辑：郭 晖）

［１］王春山，陈雷．铁路重载提速货车技术［Ｍ］．北京：中国铁道出

・Ｒ・

利用ＧＭ／ＲＴ ２１４２标准评价大风环境下机车车辆的抗倾覆能力 勾洪浩，罗 赘

ｍ ：一系与二系簧间质量，ｋｇ；

ｙ ： 相对轨道中心的横向位移，ｍ；

ｍ２：二系簧上质量，ｋｇ；

ｙ。： 相对轨道中心的横向位移，ｍ；

ＭＲ：车辆的恢复力矩，Ｎ・ｍ；

ＭＡ：侧风产生的相对背风侧钢轨的气动倾覆力

矩，Ｎ・ｍ；

Ｐ：空气密度，取ｐ一１’２２５ ｋｇ／ｍ。；

Ａ：参考侧面积，ｍ。；

Ｈ：参考高度，ｍ；

ＣＭｘ，ｌｅｅｆｌ：相对背风侧钢轨的气动倾覆力矩系数；

：环境风速，ｍ／ｓ；

ｔｒ：车速，ｍ／Ｓ；

：相对风速，ｍ／ｓ；

≯：风向角，ｏ）；

：侧偏角，（。）。

风速及角度的定义如图１所示。

图１风速及角度的定义

（１）车辆的恢复力矩ＭＲ：

ＭＲ＝＝＝ ・ｇ・ｂＡ—Ｍｏ （１）

一优。十ｍｌ＋ ２ （２）

Ｍ０一ｇ・（ ｏ・Ｙ０＋ １・Ｙｌ＋ｍ２・Ｙ２） （３）

部件质心的横向偏移量Ｙ。、Ｙ 、Ｙｚ由部件相对轨道

中心的质量分布不对称及部件横向位移和侧滚所引起。

（２）相对背风侧钢轨的气动倾覆力矩ＭＡ：

１ ＭＡ一寺・Ｐ・ 。・Ａ・Ｈ・ＣＭ ｘ．１ 卢 （４）

代入ＭＡ—ＭＲ，式（４）改写为：

ＭＲ

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．—— 、３ ・Ｐ・Ａ・Ｈ・ＣＭｘ，ｌｅｅ

（３）风向角 ：

・ｓｉｎＩ９一 ・ｓｉｎｅ

ｗ・ｃｏｓ ：７２ａ・ｃｏｓＪ９一 ”

￣ｔａｎ－Ｉ（ ）

（４）临界倾覆风速 ：

一：

： Ｕ

ｗ ｓｉｎｅ

（５）

（６）

（７）

（８）

（９）

２气动倾覆力矩系数

上述计算过程中，为计算气动倾覆力矩，需知道不

同侧偏角下机车车辆相对背风侧钢轨的气动倾覆力矩

系数。为此英国在低紊流风洞中对一系列按比例缩小

的机车车辆模型进行试验，测得所受的气动横向力、升

力和倾覆力矩，合成为相对背风侧钢轨的气动倾覆力

矩，从而获得无量纲的气动倾覆力矩系数，并将试验结

果拟合为计算公式，见表１和表２。其中，ｚ一 １００，ｐ

为相对风速与机车车辆前进方向的夹角。同样条件下

头车和拖车所受的气动倾覆力矩有很大不同，另外顶

部轮廓的形状对气动倾覆力矩也有很大的影响。因

此，标准中分别给出了头车和拖车的倾覆力矩系数，并

把这些机车车辆按顶部轮廓分为流线型、非流线型、中

间型（介于流线型和非流线型之间）、货车型（只有拖

车）。在评价时可应用这些倾覆力矩系数，避免再单独

进行风洞试验或数值计算以得到评价车辆的气动倾覆

力矩系数，可节省大量的计算时间及计算成本。

标准中规定，当运行速度不超过２２５ ｋｍ／ｈ（１４０

ｍｉｌｅ／ｈ）且在通过曲线时未平衡离心加速度不超过常

规值的机车车辆，可以采用这些公式计算倾覆力矩系

数；而对速度不超过２２５ ｋｍ／ｈ但在通过曲线时未平

衡离心加速度超过常规值的机车车辆（如摆式列车），

要求进行风洞试验以获得更加准确的倾覆力矩系数，

再依据此标准进行评价。风洞试验的方法详见ＧＭ／

ＲＣ ２５４２－－２００９￣７２

表１头车倾覆力矩系数

顶部轮廓 头车倾覆力矩系数

流线型 ＣＭ…Ｉ 口一～１．６８８ ３ｘ。＋１．５６７ ｌｘ ＋０．６７０ ５ｘ

中间型 ＣＭ…１ 口＝～０．８３９ ｌｘ。一０．１１０ ６ｘ。＋１．４８８ ０ｘ

非流线型

当 ≤Ｏ・６：ｃＭｘ，ｌｅｅ卢。一５・１４１ ８‘ｚ。＋３・４４８ ８ 。＋

１．１４１ ０ｘ；当ｚ＞０．６：ＣＭ ．Ｉｅ 口：０．８１６

流线型 当 ≤Ｏ・５：ｃＭｘ，ｌｅｅ卢一Ｏ・７２８ ５ ＋Ｏ・４２２ ９ ；

当ｘ＞Ｏ．５：ＣＭ １ 口＝０．４

中间型 ｃＭｘ，ｌ吡卢一Ｏ・５２２ ３ｚ ＋３・２８９ ５ ～８・３１１ １ｚ。＋

５．１６０ ４ ＋０．０３３ ８ｘ

非流线型 当 ≤Ｏ・６： ，ｌｅｅ卢一０・７５（一５＿１４１ ８ 。＋３＿４４８ ８ 。＋

１．１４１ Ｏｘ）；当 ＞Ｏ．６：Ｃｈ…１口一Ｏ．６１２

货车型 当 ≤ｏ．５：ＣＭ…１ 卢一２ｘ；当ｘ＞Ｏ．５：ｃＭ ｘ．】 卢一１．０

・ ９ ・

铁道车辆 第５Ｏ卷第５期２０１２年５月

３评价流程

应用ＧＭ／ＲＴ ２１４２－－２００９评价机车车辆抗倾覆能力

的流程见图２。标准中规定所有机车车辆的临界倾覆风

速均要超过一个虽低限值，客车为３６．５ ｎ ｓ，货车为３０．８

ｍ／ｓ。此限值为基准车辆通过同样的计算方法得到的临

界倾覆风速。所谓基准车辆是指选取的单位侧面积质量

较小且在英国暴露路段可以安全运行的机车车辆。

评价时首先通过前面介绍的方法计算临界倾覆风

速，然后与最低限值进行比较，若不能达到要求可视情

况降低最低限值，如果仍不能达到要求就要修改评价

车辆的设计以满足要求。因此，若评价车辆的临界倾

覆风速比基准车辆大，则可保证评价车辆具有足够的

抗倾覆能力。这样避免了在评价时考虑轨道不平顺、

曲线上未平衡离心力、桥梁及是否有挡风墙等线路状

况因素的影响。

图２ ＧＭ／ＲＴ ２１４２抗倾覆能力评价流程

４应用ＧＭ／ＲＴ ２１４２－－２００９对某机车进行评价

针对某最高运行速度为１２７ ｋｍ／ｈ的出口机车，

根据其外形选择头车非流线型倾覆力矩系数，计算参

数见表３，其临界倾覆风速的计算结果见图３。该机车

在直线上以最高速度运行时，最低的临界倾覆风速为

６４ ｍ／ｓ，出现在风向角 一６８．１９。时。该值比标准中规

定的最低限值３Ｏ．８ ｍ／ｓ大出很多，说明该机车在大风

环境下具有很好的抗倾覆能力。

表３计算参数

・ 】０ ・

基准车辆

客车：ａ翻－ｌ衄ＤＭＵ。弛 ３客车

货车：带有空集装箱的集装箱平车

地 ３客车

ＣｌⅢ１ＯＳ删Ｕ

０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０

风向角咖，（。）

图３直线上以最高速度运行时的临界倾覆风速

５结束语

本文介绍的ＧＭ／ＲＴ ２１４２－－２００９给出了不同类

型机车车辆的气动倾覆力矩系数计算公式，而国内尚

未建立类似的标准。应用该标准可以快速有效地评价

机车车辆的抗倾覆能力。

∞ ∞ ∞ 加 ∞ ∞

＾ ？目。、 艘鹾 鼙昧

试验研究 铁道车辆 第５Ｏ卷第５期２０１２年５月

文章编号：１００２－７６０２（２０１２）０５—００１１－０５

无中梁铁路罐车罐体稳定性分析研究

何远新，侯 军，韩志坚，郭小锋

（西安轨道交通装备有限责任公司技术中心，陕西西安７１００８６）

摘 要：分析了ＧＮ 。型无中梁铁路罐车罐体外压和纵向栽荷作用下的稳定性问题，给出了线性和非线性稳定性仿

真分析的计算结果。

关键词：罐车；稳定性；外压；纵向；非线性

中图分类号：Ｕ２７２．４ 文献标识码：Ｂ

随着铁路货车重载技术的不断发展，车辆进一步

大型化，列车编组长度进一步增加，纵向稳定性问题对

铁道车辆研制的意义受到关注。由于铁路罐车罐体结

构在外压稳定性方面还具有特殊性，因此，系统研究铁

路罐车的外压及纵向载荷作用下的稳定性，对于铁路

罐车的运用安全、轻量化设计、安全阀开启压力的确定

等均具有十分重要的意义。

１外压载荷稳定性分析

外压失稳是一种刚度失效，是由外压引起的压缩

薄膜应力导致的。图１是１辆外压失稳的铁路罐车，

图１铁路罐车外压失稳

收稿日期：２０１１－０９—３０

作者简介：何远新（１９８３一），男，工程师。

其罐体上部中心出现内凹现象，呈中间宽、两侧窄的不

规则形，人孔、安全阀均向一侧倾斜。

本文将以７０ ｔ级ＧＮ 。型黏油罐车为例进行具体

分析，其罐体主要技术参数见表ｌ。

表１ ＧＮ，。型黏油罐车罐体主要技术参数

简体上板厚度／ｍｍ

简体下板厚度／ｒａｍ

封头厚度／ｒａｍ

外径／ｒａｍ

罐体长度／ｒａｍ

筒体材料

封头材料

８

１０

１０

３ ００Ｏ

１１ ０００

Ｑ３４５Ａ

Ｑ２９５Ａ

１．１理论计算

筒体外压失稳现象的产生主要取决于简体的几

何特性和材料的机械性能。几何特性主要包括圆筒

的外径与有效厚度的比值和圆筒的长度与外径的比

值，材料的机械性能主要包括弹性模量、泊松比、屈

服强度、断裂强度。

根据ＧＮ 。型黏油罐车的结构参数，可以判定其罐

体属于短圆筒，封头对筒体的支撑作用较为显著，利用

给出的拉姆公式（公式（１））分别按筒体上板厚８ ｍｍ

和筒体下板厚１０ ｍｍ计算了罐体外压失稳临界压力

Ｐ 计算结果见表２。

ｌ＇●，●●ｌｌ●ｌｌ●，Ｉ●＇ｌｌ’ｌＩ’，ｌ’Ｉｌ＇Ｉｌ●ｌｍ，ｌ，＇ｌ＇ｌｌ＇’，ｌ’●，’，ｌ’ｌｌ’ｌ＇，，＇ｌ＇＇ｌ●，，，’●●’，，，，●’＇ｌ＇，ｌ，●， ，’ｌ，，ｌ’＇，●＇Ｉ’

［４］刘庆宽。强风环境下列车运行安全保障体系的初步研究［】］．工

参考文献： 程力学

，２０１０，２７（Ｓ１）：３０５－－３１ｏ．

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研究ＥＪ］．铁道学报，２００６，２８（６）：４６—５Ｏ．

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铁道车辆，２００３，４１（６）：２２—２４．

Ｅ６］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

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ｒ７］ＧＭ／ＲＣ ２５４２－－２００９。Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｅｒ—

ｏｄｙｎａｍｉｃ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｍｏｍｅｎｔ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｉｓｓｕｅ ＯｎｅＥＳ］．

（编辑：颜 纯）

・ １ Ｉ ・