劉宏波,王自力

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610031)

發(fā)展重載運(yùn)輸,大幅度地提高列車質(zhì)量是鐵路擴(kuò)能提效的一種有效途徑,是我國(guó)鐵路貨運(yùn)的發(fā)展方向,也是我國(guó)國(guó)情路況的必然產(chǎn)物。目前,我國(guó)在大秦線已開(kāi)行了2萬(wàn)t重載列車,對(duì)2萬(wàn)t重載列車進(jìn)行詳細(xì)和系統(tǒng)地研究,有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

由于列車質(zhì)量增大,長(zhǎng)度增加,運(yùn)行中的牽引力將加大,車鉤力、列車的加速度以及縱向沖動(dòng)將增大。本文通過(guò)2萬(wàn)t重載列車牽引起動(dòng)過(guò)程中列車縱向性能,對(duì)不同編組的2萬(wàn)t重載列車(未使用牽引桿)牽引工況縱向性能進(jìn)行對(duì)比,從而得出較合理列車編組;并對(duì)不同提手柄到最大牽引力的時(shí)間對(duì)重載列車縱向沖動(dòng)的影響進(jìn)行對(duì)比,得出相應(yīng)結(jié)論。

1 牽引特性控制曲線(25 t軸重)

HXD3型交流大功率電力機(jī)車牽引電機(jī)采用PWM矢量控制變頻技術(shù)等最新技術(shù)的同時(shí),盡量考慮環(huán)境保護(hù),減少維修工作量。另外,考慮能夠在中國(guó)全境范圍內(nèi)運(yùn)行為前提,在滿足環(huán)境溫度在-40℃～ +40℃,海拔高度在2 500 m以下條件的同時(shí),考慮最大到4臺(tái)機(jī)車重聯(lián)控制運(yùn)行。

為求出牽引工況下最大車鉤拉壓力以及加速度和縱向沖動(dòng),取25 t軸重機(jī)車牽引特性牽引力的最大值。牽引特性曲線分3段(如圖1):第1段是列車運(yùn)行速度為0～10 km/h,機(jī)車最大牽引力為570 kN;第2段是列車運(yùn)行速度為10～65 km/h,由直線擬合牽引力最大值,擬合公式為F=600.909 09-3.090 91×v;第3段是列車運(yùn)行速度高于65 km/h,由二次函數(shù)擬合曲線得出牽引力最大值,擬合公式為:F=952.928 65-11.379 98×v+0.043 92×v2(v為列車運(yùn)行速度,單位為km/h)。

圖1 HXD3機(jī)車牽引力曲線

2 平直道牽引工況不同編組形式列車縱向動(dòng)力學(xué)性能比較

利用VC編制的重載列車動(dòng)力學(xué)仿真軟件,研究3種不同編組方案的列車在最大牽引力作用下?tīng)恳饎?dòng)過(guò)程中最大的車鉤拉壓力、最大正負(fù)加速度以及縱向沖動(dòng)的計(jì)算結(jié)果。列車編組方案分別為:(1)HXD3×4臺(tái)+新C80×204輛;(2)HXD3×2臺(tái)+新 C80×102輛+HXD3×2臺(tái)+新C80×102輛;(3)HXD3×1臺(tái)+新C80×102輛+HXD3×2臺(tái)+新C80×102輛+HXD3×1臺(tái)。在進(jìn)行仿真計(jì)算過(guò)程中,為避免列車起動(dòng)的阻力過(guò)大而造成機(jī)車輪對(duì)空轉(zhuǎn)采取壓鉤起動(dòng)的方式,如果采用組合列車編組方式主從控機(jī)車的延遲時(shí)間為2 s,牽引提手柄到最大牽引力的時(shí)間為60 s。

圖2～圖4表示由4臺(tái)HXD3電力機(jī)車牽引2萬(wàn)t重載列車,3組不同編組方式下瞬時(shí)列車車鉤力曲線。

圖2 編組方案1列車車鉤力沿車輛數(shù)變化曲線

圖3 編組方案2列車車鉤力沿車輛數(shù)變化曲線

圖4 編組方案3列車車鉤力沿車輛數(shù)變化曲線

起動(dòng)初始車鉤狀態(tài)為壓鉤狀態(tài),起動(dòng)時(shí)牽引力緩慢平穩(wěn)上升,由圖2可以看出2萬(wàn)t單編列車縱向力沿車長(zhǎng)自前至后逐漸減小,由圖3和圖4可以看出2萬(wàn)t組合列車縱向力變化,由于中部或尾部機(jī)車施加牽引力的作用,使縱向力沿車長(zhǎng)的分布呈雙峰狀。

表1是由VC仿真軟件計(jì)算出來(lái)的3種不同編組最大車鉤拉壓力、最大正負(fù)加速度以及縱向沖動(dòng)。表中3組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出方案(3)的最大車鉤拉壓力、最大正負(fù)加速度以及縱向沖動(dòng)最小,HXD3×1臺(tái)+新C80×102輛+HXD3×2臺(tái)+新 C80×102輛+HXD3×1臺(tái)編組情況較為合理,而方案(1)的縱向性能最差,容易產(chǎn)生斷鉤脫軌,不能使列車安全起動(dòng)。由于2萬(wàn)t重載列車的質(zhì)量大,起動(dòng)時(shí)阻力很大,而機(jī)車的牽引力是有一定限制的,所以利用壓鉤起動(dòng)方式,從而大大減小起動(dòng)時(shí)的阻力,保證起動(dòng)的成功。

表1 牽引工況下不同編組列車的縱向動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比

3 平直道牽引工況不同提手柄時(shí)間對(duì)列車縱向動(dòng)力學(xué)性能影響

通過(guò)利用VC編制的重載列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真軟件,計(jì)算編組HXD3×1臺(tái)+新C80×102輛+HXD3×2臺(tái)+新C80×102輛+HXD3×1臺(tái)的列車在不同提手柄到最大牽引力所用的時(shí)間對(duì)列車縱向性能的影響。計(jì)算過(guò)程中,牽引提手柄的時(shí)間分別為15、30、60 s和120 s。在進(jìn)行仿真計(jì)算過(guò)程中,主從控機(jī)車的延遲時(shí)間為2 s。

表2是由VC仿真軟件計(jì)算出來(lái)的相同編組不同提手柄時(shí)間的列車最大車鉤拉壓力、最大正負(fù)加速度以及縱向沖動(dòng)。由表中計(jì)算所得數(shù)值可以看出,隨著提手柄的時(shí)間的增大,列車最大車鉤拉壓力、最大正負(fù)加速度以及縱向沖動(dòng)都隨之減小,并且提手柄時(shí)間越增加,相對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果的變化越小。列車起動(dòng)時(shí),如果提手柄過(guò)快,起動(dòng)加速過(guò)猛,往往造成車鉤疲勞損傷和列車縱向沖動(dòng)較大,而且造成列車起動(dòng)不平穩(wěn)。所以平直道上常規(guī)起車方法在滿足列車起動(dòng)條件下提手柄的時(shí)間越長(zhǎng),縱向沖動(dòng)越低;在特殊困難地段,提手柄的快慢應(yīng)首先考慮其起動(dòng)阻力的影響。

表2 牽引工況下不同提手柄時(shí)間列車的縱向動(dòng)力學(xué)性能對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了在平直道上2萬(wàn) t重載列車起動(dòng)時(shí)列車縱向動(dòng)力學(xué)的性能,著重考慮了列車編組和起動(dòng)提手柄時(shí)間對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響。通過(guò)對(duì)不同編組列車運(yùn)行車鉤力的曲線和計(jì)算數(shù)值的比較,得出 HXD3×1臺(tái)+新C80×102輛+HXD3×2臺(tái)+新 C80×102輛+HXD3×1臺(tái)形式的編組較為合理;通過(guò)對(duì)相同編組不同牽引提手柄時(shí)間計(jì)算數(shù)值的比較,得出在滿足列車起動(dòng)條件下提手柄的時(shí)間越長(zhǎng),縱向沖動(dòng)越低,起動(dòng)越平穩(wěn),對(duì)車鉤的疲勞損傷越低。

[1] 嚴(yán)雋耄,翟婉明,陳 清,等.重載列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2003.

[2] 范佩鑫.重載列車牽引、調(diào)速及緊急制動(dòng)的縱向力[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,29(1):57-64.

[3] 王福天.車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1981.

[4] 吳乃陵,況迎輝.C++程序設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5] 常崇義,王成國(guó),馬大煒,等.2萬(wàn)t組合列車縱向力計(jì)算研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2006,28(2):89-94.

[6] 錢立新.關(guān)于重載列車牽引功率的確定問(wèn)題[J].內(nèi)燃機(jī)車,1994(9):6-10.