董克毓，魏偉

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

?

萬(wàn)噸重載列車在神朔段長(zhǎng)大下坡道循環(huán)制動(dòng)優(yōu)化

董克毓，魏偉

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

對(duì)萬(wàn)噸重載列車在神朔段長(zhǎng)大下坡道的實(shí)際操作情況進(jìn)行分析，利用縱向動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)對(duì)司機(jī)的操作進(jìn)行了優(yōu)化處理.分析結(jié)果表明，通過(guò)改變列車開始制動(dòng)時(shí)的速度、機(jī)車制動(dòng)電流以及空氣制動(dòng)時(shí)間，可以減少重載列車在長(zhǎng)大下坡道行駛時(shí)的循環(huán)制動(dòng)次數(shù).

萬(wàn)噸重載列車；長(zhǎng)大下坡道；循環(huán)制動(dòng)次數(shù)

0 引言

隨著鐵路技術(shù)的不斷進(jìn)步，列車的貨運(yùn)運(yùn)輸正向著高速、重載方向發(fā)展.但是伴隨著重載列車的開行，列車牽引總重的不斷增加，縱向沖動(dòng)也越來(lái)越大，過(guò)大的縱向沖動(dòng)會(huì)引起車鉤斷裂、列車脫軌、零部件磨損嚴(yán)重等一系列問(wèn)題，尤其是重載列車在長(zhǎng)大下坡道工況下行駛時(shí)，列車所需的行駛操縱能力問(wèn)題尤為關(guān)鍵.

如何讓重載列車安全平穩(wěn)的通過(guò)長(zhǎng)大下坡道越來(lái)越引起人們的重視.重載列車在長(zhǎng)大下坡道上以較高速度運(yùn)行時(shí)，單用動(dòng)力制動(dòng)往往不足以控制列車速度.為了不超過(guò)規(guī)定速度,需要用循環(huán)制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速，即制動(dòng)、緩解、再制動(dòng)、再緩解……，直至駛出長(zhǎng)大下坡道[1].其中，循環(huán)制動(dòng)的周期受到最高限制速度和最低緩解速度這兩種因素的限制.而循環(huán)制動(dòng)開始緩解時(shí)，速度會(huì)逐漸增大，當(dāng)速度增到一定程度時(shí)就要進(jìn)行制動(dòng)，從上一次的緩解到下一次的制動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間，還要滿足副風(fēng)缸的充風(fēng)需求，即再充氣的時(shí)間，這樣在下次的循環(huán)制動(dòng)時(shí)能有良好的制動(dòng)效果[2- 4].司機(jī)在駕駛列車時(shí)，往往希望盡量使用動(dòng)力制動(dòng)來(lái)控制列車的運(yùn)行速度，當(dāng)動(dòng)力制動(dòng)無(wú)法滿足制動(dòng)要求時(shí)，就要采取空氣制動(dòng)，如何在保證副風(fēng)缸充氣效果良好的情況下，司機(jī)能用簡(jiǎn)單的操作讓列車以較快的速度安全平穩(wěn)通過(guò)長(zhǎng)大下坡道，成為本文研究的內(nèi)容.

本文通過(guò)對(duì)神華鐵路萬(wàn)噸重載列車采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，并結(jié)合大連交通大學(xué)開發(fā)的空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)[5- 6]，優(yōu)化重載列車在神朔段長(zhǎng)大下坡道的操縱方案.

1 神朔段長(zhǎng)大下坡道循環(huán)制動(dòng)的操縱方式

試驗(yàn)采用2*HXD1+58*C80+HXD1+58*C80無(wú)列尾裝置的 1萬(wàn)噸級(jí)重載列車，即機(jī)輛總數(shù)為119輛，測(cè)試選取的斷面分別為04車位、28車位、40車位、58車位、62車位、72車位、84車位、96車位和116車位.圖1表示的是每個(gè)測(cè)試斷面空氣制動(dòng)系統(tǒng)的列車管開始減壓時(shí)刻的曲線圖.從圖1可以看出，從首車列車管開始減壓到尾車列車管開始減壓共耗時(shí)約6 s，而且第58車位和第62車位的列車管開始減壓時(shí)間明顯要比第40車位的提前且和第28車位的時(shí)間基本一致，但是要比第04車位的列車管開始減壓時(shí)間滯后，這是因?yàn)樵诘?8車位和第62車位之間有一輛從控機(jī)車，在開始進(jìn)行空氣制動(dòng)時(shí)該機(jī)車也同時(shí)在排氣，但是該中間機(jī)車相比較頭兩輛機(jī)車有滯后時(shí)間，通過(guò)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，中間的補(bǔ)貨機(jī)車相比較本貨機(jī)車有1.9 s的滯后時(shí)間，這就是為什么會(huì)有中間的第58車位和第62車位的列車管開始減壓時(shí)間要比第40車位的列車管開始減壓時(shí)間提前，但是要比第04車位列車管開始減壓時(shí)間滯后.由此可見，該編組方式能夠加快中后部列車的列車管排氣速度，有效的提升了列車空氣制動(dòng)的同步性.

圖1 列車管開始減壓時(shí)間對(duì)比

圖2為神朔段(57～93 km)長(zhǎng)大下坡道6次循環(huán)制動(dòng)的首車和尾車副風(fēng)缸壓力曲線.每次制動(dòng)前，首車和尾車的副風(fēng)缸壓力均為600 kPa左右，循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中，首車和尾車的副風(fēng)缸壓力降低均為55 kPa左右，而且，6次循環(huán)制動(dòng)中從開始緩解到尾車副風(fēng)缸充滿(認(rèn)為副風(fēng)缸壓力到580 kPa)用時(shí)分別約為76、71、69、74、70、68 s.

圖2 循環(huán)制動(dòng)首、尾車副風(fēng)缸壓力曲線

圖3 列車在神朔段長(zhǎng)大下坡道的操縱方法及效果

為了清楚地表達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中6次循環(huán)制動(dòng)的操縱方法和效果，把列車行駛速度、路段限速、首車列車管壓力變化曲線以及機(jī)車的制動(dòng)電流繪制在一圖中，如圖3所示.從圖3可以看出，列車通過(guò)該路段時(shí)最高速度為75 km/h，最低速度為20 km/h，通過(guò)該路段的平均速度為54.75 km/h.

圖4 神朔段長(zhǎng)大下坡道的海拔高度及其坡度

結(jié)合圖4來(lái)看，發(fā)現(xiàn)操縱方法上有不足之處.如圖3所示，該長(zhǎng)大下坡道57.13～94.118 km中除了77.919～80.959 km最低限速為60 km/h以及93.189～93.317 km最低限速為75 km/h之外，其余路段限速均為81 km/h.列車進(jìn)入長(zhǎng)大下坡道的起始速度為57 km/h，當(dāng)列車的本貨機(jī)車位于57.5 km時(shí)開始采取第一次循環(huán)制動(dòng)，而此時(shí)的列車運(yùn)行速度為59 km/h，且機(jī)車的制動(dòng)電流為50 A，通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn)該長(zhǎng)大下坡道的平均坡度為-9‰，第一次循環(huán)制動(dòng)所處位置的坡度為-8‰，低于平均坡度，發(fā)現(xiàn)列車開始第一次循環(huán)制動(dòng)時(shí)的運(yùn)行速度偏低.當(dāng)?shù)谝淮窝h(huán)制動(dòng)進(jìn)入緩解階段時(shí)，列車的運(yùn)行速度下降到47 km/h，機(jī)車的制動(dòng)電流增加到120 A，到61.103 km位置時(shí)制動(dòng)電流增加到160 A，然后到61.274 km時(shí)制動(dòng)電流立刻降到0 A，從圖3可以發(fā)現(xiàn)這一過(guò)程中列車的速度上升的比較緩慢.從62.042 km到第二次循環(huán)制動(dòng)電流由0 A增加到60 A，發(fā)現(xiàn)機(jī)車的制動(dòng)電流減到0 A到第二次開始循環(huán)制動(dòng)，列車的速度上升明顯加快，不足之處在緩解階段如果減小機(jī)車的制動(dòng)電流甚至不施加制動(dòng)電流，列車的速度增加的比較快.第二次循環(huán)制動(dòng)時(shí)列車的速度為68 km/h，速度達(dá)到73 km/h時(shí)才開始降速，比較此處的限速81 km/h還有一定的提升空間.當(dāng)?shù)诙伍_始緩解機(jī)車制動(dòng)電流維持在180 A時(shí)，出現(xiàn)了一段勻速期，結(jié)合圖4來(lái)看該勻速期列車正好處在坡度較小的路段，當(dāng)列車駛過(guò)該小坡道路段時(shí)機(jī)車的制動(dòng)電流減到0 A，這時(shí)發(fā)現(xiàn)列車的速度同第一次緩解之后制動(dòng)電流減小時(shí)的速度變化出現(xiàn)了相同的不足之處，即均明顯增加，而且第三次開始循環(huán)制動(dòng)時(shí)的速度也同樣有提升的空間.第三次緩解時(shí)列車位于71.126 km，機(jī)車的制動(dòng)電流為280 A，從圖3可以看出速度增加的比較緩慢，原因在于受到前文提到的兩處特殊路段的限速所限制，直到76.483 km列車開始第四次循環(huán)制動(dòng)，速度由第三次緩解時(shí)的60 km/h增加到69 km/h，不足之處在于速度上升的比較慢，完全可以加快速率，在列車到達(dá)到76.483 km之前就開始第四次循環(huán)制動(dòng).而且第四次循環(huán)制動(dòng)是速度降到37 km/h時(shí)才開始緩解，制動(dòng)過(guò)程中機(jī)車的制動(dòng)電流為130 A.結(jié)合圖4，為了能夠讓列車在駛?cè)?0～82 km這段坡度較小的路段時(shí)開始緩解，而不是如圖3中讓速度快速下降，沒(méi)到小坡道路段時(shí)就開始緩解，要對(duì)機(jī)車的制動(dòng)電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整.列車進(jìn)行第四次緩解之后，制動(dòng)電流由310 A持續(xù)一段時(shí)間之后迅速減小到0 A，再次出現(xiàn)了速度上升比較快的不足現(xiàn)象.圖3中第五次開始循環(huán)制動(dòng)時(shí)速度為70 km/h，直到75 km/h時(shí)才開始降速，速度降到65 km/h開始緩解，結(jié)合圖4，86～87 km出現(xiàn)小坡道，圖3中該路段緩解時(shí)制動(dòng)電流又比較大，最大達(dá)到400 A，所以速度在一直的減小，直到90.657 km速度減小到53 km/h時(shí)才開始上升，這時(shí)的制動(dòng)電流已經(jīng)減小到200 A，當(dāng)速度升到55 km/h時(shí)開始第六次循環(huán)制動(dòng).針對(duì)最后兩次循環(huán)制動(dòng)，完全可以改變第五次循環(huán)制動(dòng)的制動(dòng)時(shí)間以及對(duì)機(jī)車的制動(dòng)電流做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，再結(jié)合圖4所示的小坡道，可以省去第六次循環(huán)制動(dòng).針對(duì)以上所述的不足之處，設(shè)計(jì)出以下操縱方案進(jìn)行優(yōu)化處理.

2 長(zhǎng)大下坡道列車操縱方法的優(yōu)化處理

2.1 仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證

因?yàn)榇硕纹碌垒^長(zhǎng)，僅取該長(zhǎng)大下坡道57.13～70.021 km的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真處理.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)際操作，運(yùn)用到仿真處理中，得到如圖5 所示的試驗(yàn)與仿真的速度對(duì)比.如圖5所示，在57.5 km處，列車開始空氣制動(dòng)，試驗(yàn)和仿真幾乎是在57.65 km處速度達(dá)到60 km/h時(shí)開始降速，在58.517 km開始緩解，試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)幾乎是在58.6 km處速度達(dá)到45 km/h時(shí)開始升速，當(dāng)列車行駛到62.195 km時(shí)，開始第二次空氣制動(dòng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)大約在62.6 km處速度達(dá)到73 km/h時(shí)開始降速，仿真大約是在62.5 km處速度達(dá)到70 km/h時(shí)開始降速度，列車在64.644 km位置開始緩解，試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)幾乎是在65.4 km處速度達(dá)到54 km/h時(shí)開始升速，當(dāng)列車到達(dá)68.836 km時(shí)，開始第三次空氣制動(dòng)，試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)幾乎是在69.3 km處速度達(dá)到72 km/h時(shí)開始降速.通過(guò)以上對(duì)比可以看出，試驗(yàn)與仿真的速度曲線趨勢(shì)基本一致，所以可以基于此大連交通大學(xué)開發(fā)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)與縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)聯(lián)合仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化.

圖5 試驗(yàn)與仿真速度對(duì)比

2.2 優(yōu)化處理改進(jìn)操縱方法

如前文所述，列車在進(jìn)入長(zhǎng)大下坡道時(shí)共進(jìn)行了6次循環(huán)制動(dòng)，從圖3中可以看出每次開始制動(dòng)時(shí)的速度分別為為59、70、68、68、70、55 km/h，制動(dòng)后速度分別增加到61、73、73、69、75、57 km/h才開始降速.剛開始循環(huán)制動(dòng)時(shí)之所以沒(méi)有立即減速是因?yàn)榱熊囬_始實(shí)施空氣制動(dòng)時(shí)，列車管降壓，副風(fēng)缸向制動(dòng)缸充氣推動(dòng)活塞，這時(shí)列車并不會(huì)減速，當(dāng)活塞推動(dòng)勾貝使得閘瓦與輪緣觸碰時(shí)才會(huì)施加制動(dòng)，而這一過(guò)程也需要時(shí)間，此時(shí)速度才會(huì)逐漸減小.從圖3可以發(fā)現(xiàn)，6次循環(huán)制動(dòng)循環(huán)制動(dòng)時(shí)均是在限速為81 km/h條件下進(jìn)行的，所以第一個(gè)對(duì)列車行駛進(jìn)行操作改進(jìn)就是提高列車開始制動(dòng)時(shí)的速度，由于列車速度不能在開始空氣制動(dòng)時(shí)立即減速，考慮到限速問(wèn)題，將列車開始制動(dòng)時(shí)的速度在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提高到73 km/h.第二點(diǎn)操縱方法的改進(jìn)就是機(jī)車的制動(dòng)電流.除了在駛?cè)?7.919～80.959 km這一路段之前的最后一次緩解時(shí)要適當(dāng)?shù)臏p小機(jī)車的制動(dòng)電流之外，其他幾次空氣制動(dòng)開始緩解時(shí)均要增加制動(dòng)電流，保證列車速度能夠比較緩慢的增加，可以延長(zhǎng)列車由緩解速度增加到下次開始制動(dòng)時(shí)的速度所用的時(shí)間.但是不能盲目的增大制動(dòng)電流，因?yàn)榱熊囋谶M(jìn)行動(dòng)力制動(dòng)的時(shí)候，僅施加給機(jī)車，而后面的車輛在沒(méi)有空氣制動(dòng)的時(shí)候會(huì)沿著坡道自由下滑，這會(huì)使這列車向前涌從而使列車前端出現(xiàn)較大的壓鉤力，不利于列車安全行駛.本文研究的試驗(yàn)列車所采用的是HXD1機(jī)車，調(diào)速手柄給定動(dòng)力制動(dòng)時(shí)待調(diào)速手柄離“0”位后稍作停留，再逐漸增加制動(dòng)力，動(dòng)力制動(dòng)力的調(diào)節(jié)控制要均勻不可過(guò)猛，防止突升突降造成列車沖動(dòng)，機(jī)車滑行擦傷輪對(duì)[7].而駛?cè)?7.919～80.959 km這一路段之前的最后一次緩解時(shí)要減小機(jī)車的制動(dòng)電流是為了列車能夠從緩解速度在短時(shí)間內(nèi)上升到73 km/h并開始制動(dòng)，同時(shí)還要有足夠的制動(dòng)距離保證列車駛?cè)?7.919～80.959 km這一路段時(shí)不超速.第三點(diǎn)改進(jìn)之處是在列車駛?cè)?7.919～80.959 km這一路段之前進(jìn)行空氣制動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)整機(jī)車的制動(dòng)電流，在不超速的情況下，保證列

(a)制動(dòng)次數(shù)對(duì)比

(b)速度對(duì)比

車能駛?cè)?0～82 km這段坡度較小的路段時(shí)開始緩解.第四點(diǎn)改進(jìn)之處就是延長(zhǎng)列車在80.959 km之后的空氣制動(dòng)時(shí)間，適當(dāng)?shù)脑黾訖C(jī)車的制動(dòng)電流，爭(zhēng)取一次空氣制動(dòng)就能通過(guò)該長(zhǎng)大下坡道剩下的路段.對(duì)試驗(yàn)中的操作不足及改進(jìn)的優(yōu)化處理產(chǎn)生的具體效果如圖6所示.通過(guò)增加機(jī)車緩解時(shí)的制動(dòng)電流，列車由試驗(yàn)中的6次循環(huán)制動(dòng)減小到4次.并且結(jié)合圖6(b)來(lái)分析，速度較原來(lái)有一定程度的提升，仿真數(shù)據(jù)的最小速度為43.82 km/h，最高速度為77.61 km/h，平均速度63.13 km/h.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)大下坡道列車操縱方法的優(yōu)化處理，達(dá)到了如下的目的：

(1)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得的列車通過(guò)神朔段長(zhǎng)大下坡道的平均速度為54.75 km/h，而優(yōu)化處理之后的平均速度為63.13 km/h，比試驗(yàn)數(shù)據(jù)提高了15.3%，而且優(yōu)化處理的最高速度為77.61 km/h，沒(méi)有超過(guò)該長(zhǎng)大下坡道的限速要求，安全運(yùn)行的同時(shí)減少了時(shí)間成本；

(2)通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)機(jī)車的制動(dòng)電流以及適當(dāng)?shù)脑黾涌諝庵苿?dòng)時(shí)間，減少了列車通過(guò)該長(zhǎng)大下坡道的制動(dòng)次數(shù)，由原來(lái)的6次循環(huán)制動(dòng)減少到4次，為司機(jī)的操縱帶來(lái)了方便.

[1]安中正.“和諧號(hào)”機(jī)車牽引2萬(wàn)噸重載列車的制動(dòng)操縱技術(shù)探討[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2010(1):70- 72.

[2]付昌友，丁學(xué)鋒.山西中南部鐵路壺關(guān)至紅旗渠段長(zhǎng)大坡道緩坡設(shè)置研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015(1)：11- 16.

[3]耿志修.大秦鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2009.

[4]耿志修，李學(xué)峰，張波.大秦線重載列車運(yùn)行仿真計(jì)算研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2008(2)：88- 93.

[5]魏偉，趙連剛.兩萬(wàn)噸列車縱向動(dòng)力學(xué)性能預(yù)測(cè)[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(2):39- 43.

[6]魏偉.兩萬(wàn)噸組合列車制動(dòng)特性[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2007(6):12- 16.

[7]嬴勇，蘆擁軍.和諧系列電力機(jī)車操縱辦法[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2015.

Optimizing of Cycle Braking of 1 000t Train on Long Heavy Down Grade of Shenshuo

DONG Keyu,WEI Wei

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The actual situation of operation of 1 000t train on the long heavy grade of Shenshuo is analyzed,and the operation of the driver is optimized by using the longitudinal dynamics simulation system.The analysis shows that the number of cycle braking is reduced by changing the speed of braking,the current of braking and the time of air braking.

1 000t train;long heavy down grade;the number of cycle braking

2016- 01- 21

董克毓(1990-)，男，碩士研究生；魏偉(1963-),男，教授,博士，主要從事系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究

E-mail:dongkeyu@163.com.

A