段明民

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

重載鐵路技術(shù)以其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低而受到世界各國的廣泛重視，貨運(yùn)重載化也成為鐵路貨運(yùn)發(fā)展的趨勢。對于鐵路貨運(yùn)，開行大軸重、長大編組列車是重載鐵路的主要運(yùn)輸方式。

長大重載列車的制動技術(shù)是重載運(yùn)輸發(fā)展的關(guān)鍵問題之一[1]。傳統(tǒng)的列車受到空氣制動系統(tǒng)的固有特性制約，列車制動、緩解時延較長，導(dǎo)致列車各車輛間的縱向作用力大，給列車運(yùn)行安全帶來隱患。國外的ECP系統(tǒng)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-3]，而我國尚缺乏相應(yīng)的成套技術(shù)。近年來我國針對重載列車采用ECP系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[4-6]針對重載列車的ECP模式和系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行了探討，文獻(xiàn)[7-8]建立了ECP系統(tǒng)的仿真模型，對各種制動工況的性能其進(jìn)行了計算仿真；文獻(xiàn)[9-10]利用制動試驗臺對ECP系統(tǒng)的相關(guān)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。本試驗以瓦日線30 t軸重線路和機(jī)車車輛技術(shù)平臺為基礎(chǔ)，對自主化重載列車電控空氣制動系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)驗證和試驗研究。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試驗線路區(qū)間

列車制動系統(tǒng)對列車運(yùn)行安全的重要性主要體現(xiàn)在列車調(diào)速和停車等操縱上，而其中以長大下坡道的制動調(diào)速尤為關(guān)鍵。因此需要選擇典型的線路區(qū)段進(jìn)行試驗。

瓦日線瓦塘～湯陰東區(qū)段限制坡度為6/13‰(重車上坡/下坡)，湯陰東～日照南區(qū)段限制坡度為6‰，速度目標(biāo)值為120 km/h，設(shè)計牽引質(zhì)量為10 000 t，部分區(qū)段為5 000 t，到發(fā)線有效長1 700 m，部分區(qū)段為1 050 m，自動閉塞。綜合瓦日線各方面情況，選擇壺關(guān)至平順區(qū)間為主要試驗線路區(qū)間。區(qū)間線路縱斷面條件如圖1所示。

圖1 瓦日線壺關(guān)至平順試驗區(qū)間線路情況

1.2 試驗機(jī)車車輛

試驗采用HXD1F型和HXD2F型八軸交流傳動貨運(yùn)電力機(jī)車，機(jī)車軸重30 t，軸式B0-B0。最高運(yùn)用速度100 km/h，機(jī)車單軸功率1 200 kW，整車牽引輪周功率為9 600 kW，持續(xù)速度為50 km/h，起動牽引力為910 kN，機(jī)車持續(xù)牽引力為691 kN，最大再生制動力510 kN。

試驗貨車為30 t軸重的C96和C96H型專用敞車，自重24 t，載重96 t，采用DZ4/DZ5型轉(zhuǎn)向架。鉤緩裝置為16號、17號車鉤和RFC型牽引桿，HM-1型緩沖器。制動機(jī)采用120-1車輛控制閥，加裝電控制動裝置，基礎(chǔ)制動分別為DAB-1型和BAB-1型集成制動裝置，915D型高摩合成閘瓦。

1.3 自主化電控空氣制動系統(tǒng)

國產(chǎn)的自主化電控空氣制動系統(tǒng)基于既有的120型(120-1型)車輛控制閥，通過在120閥的中間體加裝電空制動控制模塊，與車輛控制模塊相連，再通過連接電纜和車間連接器實現(xiàn)車與車之間的連接，形成電控空氣制動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。對于120型(120-1型)控制閥，管路接口和安裝尺寸均無需任何變化。同時，當(dāng)ECP系統(tǒng)發(fā)生故障，只需將ECP系統(tǒng)斷電，列車制動系統(tǒng)則轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的空氣制動系統(tǒng)工作方式。在與未安裝ECP系統(tǒng)的車輛編組時，也可采取斷電措施實施聯(lián)掛。因此，自主化ECP系統(tǒng)實現(xiàn)了與現(xiàn)有車輛制動系統(tǒng)的最大程度兼容。

1.4 試驗工況設(shè)計

為研究30 t軸重重載機(jī)車和貨車制動系統(tǒng)的性能及其匹配關(guān)系，對比分析不同編組列車情況下空氣制動與ECP系統(tǒng)的制動性能差異，根據(jù)重載列車的操縱特點(diǎn)，結(jié)合試驗線路條件，設(shè)計重載列車的制動試驗方案：①不同編組條件下的列車靜置試驗；②在不同線路工況 (平直道和最大坡度為-11‰的下坡道)下的制動停車試驗；③長大下坡道條件下的列車操縱和制動調(diào)速試驗。

試驗列車編組分別為HXD2F/HXD1F牽引66輛C96貨車(8 000 t)，HXD1F牽引84輛C96貨車(10 000 t)，HXD2F和HXD1F重聯(lián)牽引100輛C96貨車(12 000 t)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 ECP技術(shù)特性研究

與傳統(tǒng)的空氣制動系統(tǒng)相比，自主化ECP電控制動系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)原理、作用方式的不同，在制動/緩解同步性、再充風(fēng)特性、制動缸壓力、緩解模式等方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

2.1.1制動/緩解同步性

(1)出閘時間和開緩時間

傳統(tǒng)空氣制動采用列車管減壓傳遞制動指令，而列車管的排風(fēng)在常用制動時主要依賴機(jī)車制動機(jī)的中繼閥和車輛制動機(jī)的局減作用，制動/緩解波速受到列車管空氣壓力波的傳播速度限制，目前120-1型空氣制動閥的常用制動波速約為210 m/s，緊急制動波速約為250 m/s。而ECP電控制動系統(tǒng)通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳遞制動指令，同步性僅受到網(wǎng)絡(luò)的時延影響。

考慮列車在運(yùn)行過程中的調(diào)速以較小級別的常用制動為主，選取空氣制動的減壓70 kPa和ECP系統(tǒng)的15%常用制動來進(jìn)行對比。HXD2F機(jī)車牽引12 000 t列車編組時各個位置的車輛制動缸出閘時間和開緩時間如圖2和圖3所示。

圖2 空氣制動與ECP系統(tǒng)制動缸出閘時間

圖3 空氣制動與ECP系統(tǒng)制動缸開始緩解時間

從圖2和圖3看出：采用空氣制動，制動時各測試斷面車輛制動缸依據(jù)其在機(jī)后位置的遠(yuǎn)近依次出閘和緩解，機(jī)后第1位先動作，列車后部車輛后動作，制動出閘時間的間隔取決于車輛制動控制閥的制動波速和靈敏度。而ECP制動系統(tǒng)采用電纜貫穿全部的機(jī)車和車輛，并利用該電纜進(jìn)行電力和數(shù)據(jù)的傳輸，可實現(xiàn)機(jī)車和車輛之間進(jìn)行制動指令傳輸和雙向數(shù)據(jù)交換。由于采用電指令傳輸，各車輛的制動和緩解指令傳輸快，制動動作同步性很好。所有的ECP系統(tǒng)測試結(jié)果均保持了極好的一致性，而空氣制動時各車制動出閘時間最大相差8 s，緩解時間最大相差20 s。

(2)制動升壓時間

ECP制動實施時，各車的車輛制動控制裝置能控制各車制動缸基本以同一速率升壓，而空氣制動受120-1閥的特性決定，其升壓時間較長，升壓速率較慢。10 000 t 列車編組空氣制動和ECP系統(tǒng)緊急制動升壓曲線如圖4所示。

使用空氣制動和ECP系統(tǒng)的不同噸位列車編組常用全制動升壓時間對比見圖5。

從試驗數(shù)據(jù)對比來看，使用ECP系統(tǒng)制動時的常用全制動和緊急制動升壓時間比空氣制動時顯著縮短，列車制動力建立較迅速。各列車編組使用ECP系統(tǒng)，常用全制動升壓時間為11.6～12.8 s，緊急制動的升壓時間為8.8～10.7 s，制動缸升壓較快，且速率基本一致，可縮短列車制動空走時間和空走距離。

圖4 緊急制動升壓曲線

圖5 不同位置貨車常用全制動升壓時間對比

2.1.2制動缸最高壓力

傳統(tǒng)空氣制動受副風(fēng)缸和制動缸容積比例限制，列車管定壓500 kPa時，車輛制動缸最高壓力為360 kPa。ECP制動系統(tǒng)通過緊急制動按鈕施加緊急制動。在緊急制動時，ECP不會排空列車管壓力，并且在制動過程中仍然不斷給副風(fēng)缸供風(fēng)。因此，在列車管定壓500 kPa實施緊急制動時，制動缸壓力快速上升至約360 kPa后，由于車輛副風(fēng)缸受到列車管持續(xù)充風(fēng)，副風(fēng)缸壓力不斷升高，制動缸最高壓力也可達(dá)到420 kPa。

圖6 ECP系統(tǒng)緊急時的制動缸壓力

2.1.3再充風(fēng)特性

在ECP制動系統(tǒng)中不再依賴列車管減壓傳遞制動指令，列車管作為供風(fēng)管實時為車輛副風(fēng)缸充風(fēng)。ECP系統(tǒng)實施制動時由于副風(fēng)缸直接往制動缸充風(fēng)，副風(fēng)缸壓力也會有所降低，ECP制動系統(tǒng)從制動開始實施時就對車輛副風(fēng)缸進(jìn)行再充風(fēng)，而傳統(tǒng)空氣制動系統(tǒng)需要在列車緩解后才開始對車輛副風(fēng)缸充風(fēng)，再充風(fēng)特性存在明顯差異。

對于ECP制動系統(tǒng)，再充風(fēng)時間為從制動開始至尾部副風(fēng)缸壓力充至定壓的時間，而空氣制動的再充風(fēng)時間為列車開始緩解至尾部副風(fēng)缸壓力充至定壓的時間。以列車制動力(制動缸壓力)為橫坐標(biāo)，列車再充風(fēng)時間為縱坐標(biāo)，HXD2F牽引8 000 t列車編組定壓500 kPa時的再充風(fēng)性能對比如圖7所示。

圖7 制動缸壓力-再充風(fēng)時間曲線

從圖7看出，由于ECP制動時列車管本身不減壓，減少了壓力空氣的消耗量，因此對于同樣的列車制動力需求，ECP制動的再充風(fēng)時間小于空氣制動，當(dāng)制動缸壓力越高時，其時間差異越顯著。

2.1.4緩解模式

相比空氣制動的階段制動、一次緩解模式，ECP制動系統(tǒng)可實現(xiàn)階段制動和階段緩解(重車狀態(tài))。HXD2F機(jī)車牽引8 000 t列車編組分別采用空氣制動和ECP系統(tǒng)時的階段制動和階段緩解曲線如圖8所示。

在長大下坡道進(jìn)行循環(huán)制動調(diào)速時，現(xiàn)有的車輛空氣制動機(jī)采用一次緩解模式，制動后緩解才能再充風(fēng)，實施制動時如果列車管減壓量偏小會控制不住列車速度的增加，而減壓量偏大時會造成列車速度快速下降，同時還會使制動后的緩解再充風(fēng)時間更長，從而大大降低列車的緩解速度。因此，空氣制動對司機(jī)的要求更高，在操縱時實施列車管減壓和緩解時列車的緩解速度要求相對準(zhǔn)確。ECP制動系統(tǒng)可實現(xiàn)階段緩解，使司機(jī)在操縱上更加靈活方便，可通過階段制動和階段緩解來調(diào)節(jié)列車制動力，使列車在長大下坡道上的降速過程相對平穩(wěn)和緩慢，對司機(jī)在長大下坡道的操縱要求相應(yīng)降低，提高了重載列車在通過長大坡道時的安全性。

圖8 階段制動和緩解時壓力曲線

2.2 ECP運(yùn)行性能研究

由于ECP制動系統(tǒng)的上述技術(shù)特性，使得裝備ECP制動系統(tǒng)的30 t軸重重載列車在運(yùn)行性能的各項指標(biāo)也得到明顯提高和改善。

2.2.1縱向動力學(xué)性能

采用空氣制動時列車前后部車輛制動和緩解動作的不一致導(dǎo)致列車縱向動力學(xué)性能變差，列車容易產(chǎn)生較大的車鉤力和劇烈的縱向沖動，嚴(yán)重時甚至?xí)斐闪熊嚁嚆^和脫軌事故。當(dāng)重載列車編組越長時，列車縱向沖動的現(xiàn)象越明顯。而ECP制動系統(tǒng)的制動/緩解同步性好，車輛與車輛間的相互作用力小，可明顯改善列車的縱向動力學(xué)性能，車鉤力顯著減小，縱向沖動明顯減小。

不同編組列車在全部制動運(yùn)行試驗工況(循環(huán)制動調(diào)速、常用制動和緊急制動停車等)下測得的壓鉤力和縱向加速度最大值如圖9所示。

圖9 列車縱向動力學(xué)性能指標(biāo)對比

從圖9看出，ECP制動系統(tǒng)的各項縱向動力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于空氣制動。當(dāng)編組列車長度越長時，縱向動力學(xué)性能改善作用越明顯。12 000 t編組時最大壓鉤力減小53%，最大縱向加速度減小68%?？諝庵苿訒r，各指標(biāo)最大值基本都出現(xiàn)在緊急制動工況；ECP制動時各工況出現(xiàn)最大值的機(jī)率較為平均，更容易受到試驗時的具體操縱影響。使用ECP制動系統(tǒng)的重載列車表現(xiàn)出明顯較好的縱向動力學(xué)性能。

2.2.2制動距離

空氣制動的制動波速相對較慢，而且制動缸升壓過程也相對較慢，而ECP制動能夠迅速響應(yīng)司機(jī)的制動/緩解操縱。同時，在定壓500 kPa時，ECP系統(tǒng)的緊急制動壓力不受副風(fēng)缸和制動缸容積比較的限制，可達(dá)到420 kPa。采用ECP制動系統(tǒng)的重載列車制動空走時間較短，縮短了制動空走距離，使列車制動停車距離較空氣制動時有較大幅度的縮短。定壓600 kPa時各列車編組初速80 km/h平直道緊急制動距離對比如圖10所示。

圖10 初速80 km/h平直道緊急制動距離對比

試驗結(jié)果表明，無論常用制動或緊急制動，使用ECP制動系統(tǒng)均可顯著縮短列車制動距離。與使用自動空氣制動系統(tǒng)相比，其制動距離縮短幅度為8%～14%。

2.2.3長大下坡道通過能力

由于ECP系統(tǒng)的再充風(fēng)特性使得列車管實時為車輛副風(fēng)缸充風(fēng)，列車制動受副風(fēng)缸再充風(fēng)時間的限制基本消除，同時裝用ECP制動系統(tǒng)的重載列車具有階段緩解功能，為司機(jī)操縱提供了更多的靈活性和便利性，重載列車在長大下坡道的運(yùn)行安全性得到提高，同時列車的平均運(yùn)行速度也大幅提高。

8 000 t列車編組使用空氣制動和ECP制動在長大下坡道進(jìn)行限速80 km/h循環(huán)制動調(diào)速試驗的試驗結(jié)果對比見表1。

表1 長大下坡道平均運(yùn)行速度對比(8 000 t編組，限速80 km/h)

3 結(jié) 論

(1)試驗結(jié)果表明：電控空氣制動系統(tǒng)采用電信號傳遞制動指令，傳輸時間短，與空氣制動相比，在制動/緩解同步性、制動缸最高壓力、再充風(fēng)特性及緩解模式等方面具有明顯的優(yōu)勢。ECP系統(tǒng)的制動/緩解同步性好，列車管作為供風(fēng)管實時為車輛副風(fēng)缸充風(fēng)，制動后再充風(fēng)時間短，列車再制動能力得到增強(qiáng)，同時具有階段緩解功能，使重載列車操縱更加靈活。

(2)30 t軸重重載列車采用自主化電控空氣制動系統(tǒng)，可減小重載列車的車輛間由于制動和緩解不同步帶來的縱向力，緊急制動和常用制動調(diào)速過程中車鉤力和列車沖動減小，可顯著改善列車縱向動力學(xué)性能；列車的制動能力進(jìn)一步增強(qiáng)，制動距離縮短；重載列車在長大下坡道的運(yùn)行安全性得到提高，同時列車的平均運(yùn)行速度也大幅提高。

(3)本次試驗以瓦日線30 t軸重線路和機(jī)車車輛技術(shù)平臺為基礎(chǔ)，對自主化重載列車電控空氣制動系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)驗證和試驗研究。研究成果對今后重載列車裝備電控空氣制動系統(tǒng)及瓦日線開行30 t軸重載列車具有指導(dǎo)意義。