張淵，魏偉，趙旭寶，張軍

(1.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學 軟件學院，遼寧 大連 116028)*

制動系統(tǒng)作為快捷貨車重要組成部分，其性能影響列車的行車安全與縱向沖動.文獻[1]介紹了我國快捷貨車制動技術(shù)現(xiàn)狀，并提出了制動技術(shù)發(fā)展遇到的問題，從標準體系、制動特性、縱向沖動等方面討論了我國快捷貨車制動技術(shù)發(fā)展方向.文獻[2]指出快捷貨車制動系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)為適應短編組和混編需要，制動缸充氣時間應在5～7s.文獻[3]對快捷貨車制動機選型進行討論，分析了120閥與104閥的適用性，根據(jù)快速貨車制動機特點確定采用KZ1閥.文獻[4]介紹了國外快捷貨車制動系統(tǒng)，制動缸充氣時間應在3～5s，并以P160D快捷貨車為例進行了制動能力核算.由于制動系統(tǒng)的復雜性，以及計算機能力的提升，實驗的耗時、費用高、風險性大，促使人們轉(zhuǎn)向模擬研究制動系統(tǒng)性能與列車縱向沖動之間影響.文獻[5-6]將列車空氣制動仿真系統(tǒng)與縱向動力學仿真系統(tǒng)進行融合，同步計算制動系統(tǒng)特性和列車縱向沖動，大大地提高了系統(tǒng)的廣泛適用性與準確性.文獻[7]采用仿真方法模擬并研究了制動缸充氣特性對貨運列車性能的影響.文獻[8]根據(jù)列車縱向動力學理論和模型，采用MATLAB軟件編寫縱向動力學程序，對列車的起動、緊急制動兩種工況進行計算.本文采用列車空氣制動與縱向動力學聯(lián)合仿真系統(tǒng)，對20輛快捷貨車P160D編組列車進行緊急制動工況仿真計算，并詳細比較分析了不同制動缸充氣時間對列車在縱向動力學性能上的差異.

1 快捷列車縱向動力學仿真模型

根據(jù)列車縱向動力學分析理論，將列車中每個機車車輛模型化為一個集中質(zhì)量，僅考慮每個質(zhì)量塊的縱向自由度，各質(zhì)量塊間由彈簧阻尼器連接，每個車輛的運動方程式為：

(i=1，2,…，n)

(1)

通過求解方程(1)，獲得列車中每個車輛的加速度，再通過加速度與速度、位移之間的關(guān)系，計算出列車在發(fā)生縱向沖動時車輛的相關(guān)運動參數(shù).

本文快捷貨車采用P160D車型，制動系統(tǒng)采用空氣制動.制動仿真包括氣體流動的計算和閥內(nèi)移動部件位置計算兩部分內(nèi)容.氣體流動的計算根據(jù)氣體動力學原理，利用計算機技術(shù)，通過求解列車制動系統(tǒng)內(nèi)氣體流動瞬態(tài)方程獲得列車制動系統(tǒng)在制動與緩解過程中氣體流動狀態(tài)的動態(tài)過程[6].

(2)

式中，u為流體速度，ρ為流體密度，p為流體壓力，F(xiàn)為管路截面積，a為聲速，f為管內(nèi)壁摩擦系數(shù)，q為單位時間內(nèi)氣體與外界交換的熱量，k為比熱比，D為流體水力直徑，t為時間，x為距離.

快捷貨車采用KZ1車輛閥物理模型，通過分配閥機理編制了各種分配閥動作邏輯程序，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛閥復雜氣動部件的各種功能.每個車輛制動系統(tǒng)系統(tǒng)模型如圖1所示[9].

第三，古村古鎮(zhèn)群的個性特征是差異化發(fā)展的基礎(chǔ)。小尺度空間上文化景觀形態(tài)相似的旅游景區(qū)的聚集，必須發(fā)現(xiàn)各自的顯著差異，為差異化共生關(guān)系的構(gòu)建打好基礎(chǔ)。懷化市中部的古村古鎮(zhèn)群的實際情況及其分析依據(jù)實現(xiàn)了差異的個性化識別，事實上，“中國南方喀斯特世界自然遺產(chǎn)”“中國丹霞世界自然遺產(chǎn)”等也可以依法推演。

圖1 單車制動系統(tǒng)模型

緩沖器特性對列車的縱向沖動有著極大的影響，本文快捷貨車緩沖器采用JN30型膠泥緩沖器.緩沖器動力學模型方程可表示為：

F=F0+Fk+Fd

(3)

其中：F0為緩沖器的初壓；Fk為彈性元件的彈性力，彈性力包括環(huán)簧組的彈性力和缸體內(nèi)膠泥的彈性回復力；Fd為阻尼元件的阻尼力；F為緩沖器總的阻抗力.

2 快捷列車縱向沖動仿真分析

鑒于快捷運輸采用快捷貨車整編運營的方式，本文以一輛SS9型機與20輛P160D敞車組成的快捷列車為例[2]，分析其在160 km/h制動初速度下，緊急制動工況時列車縱向沖動.通過調(diào)整程序副風缸與制動缸充氣空面積來改變制動缸充氣速度，實現(xiàn)快捷貨車制動缸充氣時間在3～7 s之間變動.

圖2(a)是滿載快捷貨車制動缸充氣過程，由于制動缸活塞背后存在緩解彈簧的彈力，故制動缸壓力曲線在上升到約40 kPa時出現(xiàn)一個小的平臺，待制動缸活塞伸出后制動缸壓強繼續(xù)上升，最終穩(wěn)定在442 kPa；制動缸充氣時間在5～7 s時，制動缸升壓先快后慢特性明顯.由于快捷貨車空重車調(diào)整裝置采用截流設計，制動缸壓力隨時間變化過

(a) 滿載

(b) 空載

程如圖2(b)，在制動缸鉤貝伸出后制動缸壓力基本呈直線上升，最終穩(wěn)定在162 kPa，空載快捷貨車制動缸充氣時間分別是1.1～1.7 s.表1列出了不同制動缸充滿時間快捷列車緊急制動距離，隨著制動缸充滿時間從3 s增加到7 s，滿載快捷列車制動距離從1 012 m增加到1 070 m，空載快捷列車的制動距離從1 202 m增加到1 222 m.

表1 制動缸不同充氣時間快捷列車緊急制動距離 m

車輛運行中過大車鉤力會造成車輛損傷，而縱向加速度會影響車輛運行平穩(wěn)性.圖3為滿載快捷列車在平直道進行緊急制動時，車輛間最大車鉤力與車輛最大加速度列車分布情況.從圖3(a)中可以看出，列車中車鉤力以壓鉤力為主，最大壓鉤力出現(xiàn)在列車中部，最大拉鉤力出現(xiàn)在列車前部.制動缸充滿時間對快捷列車車鉤力分布總體趨勢沒有影響，但隨著制動缸充滿時間的增加，列車最大壓鉤力從-260 kN減小到-171 kN，最大拉鉤力從123 kN減小到66 kN.

(a) 最大車鉤力

(b)最大加速度

在圖3(b)加速度分布圖中，制動過程中列車最大瞬時加速度主要以減速度為主，但是由于車輛間緩沖器反彈作用也出現(xiàn)了正向加速度，但是數(shù)值略小，隨著制動缸充氣速度的增大，車輛最大瞬時減速度從-3.6 m/s2減小到-2.9 m/s2.

圖4是當快捷貨車分別為滿載和空載兩種狀態(tài)下，制動缸充氣時間對列車間最大車鉤力與車輛最大加速度之間的影響.從圖中可以看出隨著制動缸充氣時間延長，滿載的快捷列車最大車鉤力與加速度均有所減小；而空載快捷貨車由于空重車調(diào)整裝置，制動缸充滿時間變化不足1 s，空載列車最大車鉤力與加速度基本沒有變化.由于快捷列車主要運送貴重物品為主，在列車車鉤力較小的情況下，需要控制車輛的最大振動加速度，防止貨物損壞.

圖4 制動缸充氣時間對列車車鉤力與加速度的影響

3 空重混編情況快捷列車縱向沖動

由于快捷列車空載車輛制動缸先于滿載車輛制動缸充滿，而空載車輛制動能力又低于滿載車輛，故當快捷列車存在空重混編時列車縱向沖動更為復雜.為了分析不同制動缸充氣性能對混編列車縱向沖動的影響，快捷混編列車由15輛滿載車輛+5輛空載車輛編組而成.

快捷混編列車以160 km/h速度運行實施緊急制動時，各車輛制動缸充滿時間隨車輛位置的變化情況如圖5所示.從圖中可以看出，前15輛滿載車輛制動缸充滿時間隨著車輛編組位置呈線性增長趨勢，這是制動作用沿車長向后傳遞以及制動缸充氣過程共同作用的結(jié)果；但在第16車以后是空載快捷貨車，制動缸充滿時間遠遠低于前面滿載快捷貨車，故制動開始初期，位于尾部的空載快捷貨車先于前部車輛達到穩(wěn)定，列車后部以較大制動力進行制動.

圖5 混編快捷列車制動缸充滿時刻隨車位分布

圖6是緊急制過程中混編列車中最大車鉤力和車輛最大加速度分布.從圖6(a)中可以看到混編列車在進行緊急制動時，車輛最大車鉤力總體上隨著車輛編組位置逐步增大，但最大壓鉤力在空載車輛和滿載車輛的連接位置快速降低，這主要是位于尾部的空載車輛制動缸較快充滿，制動初期制動力較大減弱了車輛前涌帶來的沖擊.而隨著制動缸充氣時間的增加，快捷混編列車最大車鉤力從-151 kN 降低到-134 kN，下降了11.3%.圖6(b)中可以看出混編列車中空載車輛的縱向加速度遠遠大于滿載車輛.隨著制動缸充氣時間的從7 s縮短到3 s，混編列車中，滿載車輛最大加速度變化不大，在-2.2 m/s2左右，空載車輛從-3.9 m/s2減少到-2.5 m/s2.

(a) 最大車鉤力

(b)最大加速度

表2列出了20輛快捷列車編組中，5輛空載車輛置于不同位置進行緊急制動時，制動缸采用不同的充氣時間，混編列車最大車鉤力與最大加速度數(shù)值.從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著快捷貨車制動缸充氣時間延長，混編列車制動距離增大，但均在1 400 m緊急制動距離內(nèi)，列車間最大車鉤力和滿載車輛最大加速度有所降低， 最大車鉤力都發(fā)生在列車中部，且小于250 kN，滿載車輛最大加速度達到2.5 m/s2，均是空載和滿載車輛銜接附近車輛；而空載快捷貨車在列車中編組位置也會影響車輛間縱向沖動，在車輛制動缸充氣性能確定后，5輛空載快捷貨車編組位置從列車首部移動到后部過程中，全列車制動缸充滿時間有所減少，最大車鉤力有所降低，但是滿載車輛最大加速度卻先減小后增大.

表2 空車編組位置不同的空重混編列車縱向沖動比較

4 結(jié)論

本文利用列車空氣制動與縱向動力學聯(lián)合仿真系統(tǒng)，建立快捷列車模型，研究了列車在平直道緊急制動工況下，不同制動缸充氣時間對滿載和空載狀態(tài)快捷列車、空重混編快捷列車縱向沖動的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)制動缸充氣時間影響快捷列車制動距離.滿載快捷貨車制動缸充氣時間從3 s增長到7 s，快捷滿載列車制動距離延長58 m；對應空載狀態(tài)下快捷貨車充氣時間則從1.1s增長到1.7 s，空載快捷空載列車制動距離延長了20 m；5輛空車和15輛重車組成的混編快捷列車制動距離延長了55 m；

(2)快捷貨車制動缸充氣時間對快捷列車縱向沖動的影響與快捷列車載重狀態(tài)有關(guān).制動缸充氣時間從3 s增長到7 s，快捷滿載列車最大壓鉤力從260 kN減小到171 kN，降低了34.6%；最大瞬時加速度從-3.6 m/s2減小到-2.9 m/s2下降了19.4%.空載快捷列車最大車鉤力與最大加速度基本不變，分別為-192 kN和-3.3 m/s2；

(3)5輛空車和15輛重車組成的空重混編快捷列車緊急制動下，空載車輛先于滿載車輛制動缸充滿，混編列車最大車鉤力低于250 kN，滿載快捷車輛最大加速度低于2.5 m/s2.制動缸充氣時間從3s增長到7s，混編列車最大車鉤力降幅最大為21%，混編列車中滿載車輛最大加速度降幅最大為26%.