魏 偉，張益銘

（大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧大連116028）

重載運(yùn)輸在世界貨運(yùn)鐵路中占有重要地位，在世界各地發(fā)展方興未艾。重載運(yùn)輸在我國(guó)鐵路運(yùn)輸中發(fā)揮了重要作用。大秦和朔黃鐵路圓滿完成大運(yùn)量運(yùn)輸任務(wù)，得益于2萬t列車的開行，2萬t列車在繁忙的大秦線和朔黃線發(fā)揮了重要作用。

2萬t列車由于列車長(zhǎng)、質(zhì)量大、線路情況復(fù)雜，操縱十分困難，主要特點(diǎn)是車鉤力大，列車運(yùn)行安全性差，特別是中部機(jī)車脫軌和跳鉤事故，使人們更加關(guān)注2萬t列車操縱問題。很多重載鐵路，2萬t列車操縱指導(dǎo)書均是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)司機(jī)的直觀感覺制訂，并參考了部分試驗(yàn)結(jié)果，以縱向動(dòng)力學(xué)為主的理論還有很大空間應(yīng)用到重載列車操縱優(yōu)化中。

列車操縱優(yōu)化一直是鐵路貨運(yùn)的研究熱點(diǎn)，張波［1］基于仿真和試驗(yàn)研究結(jié)果，完成了大秦線2萬t重載組合列車操縱方法的完善和優(yōu)化工作。溫軍剛［2］認(rèn)為改變緩解地點(diǎn)、采取長(zhǎng)波浪制動(dòng)以及在較為緩和的線路縱斷面緩解，可使重載列車操縱平穩(wěn)。耿志修等人［3］證明重載列車在長(zhǎng)大下坡道行駛，須在使用動(dòng)力制動(dòng)的同時(shí)仍必須多次施行空氣減壓的循環(huán)制動(dòng)。董克毓等人［4］認(rèn)為適當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)車的電制動(dòng)力并增加空氣制動(dòng)時(shí)間，能減少列車通過長(zhǎng)大下坡道的制動(dòng)次數(shù)。林軒等人［5］研究了貨運(yùn)列車在長(zhǎng)大下坡道上的最優(yōu)操縱策略和站間各子區(qū)間運(yùn)行時(shí)間分配，提出長(zhǎng)大下坡道及其相鄰區(qū)間列車運(yùn)行最優(yōu)控制的數(shù)值求解算法，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。葛學(xué)超等人［6］主要以貨運(yùn)列車節(jié)能觀點(diǎn)出發(fā)研究列車操縱問題，將專家系統(tǒng)和節(jié)能運(yùn)行最佳工況切換點(diǎn)判定準(zhǔn)則相結(jié)合，設(shè)計(jì)了列車節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化操縱算法。荀徑等人［7］對(duì)以節(jié)能為目的的操縱優(yōu)化方法進(jìn)行了綜述，指出解析方法能得到理論上最優(yōu)解，計(jì)算速度快，但是需要對(duì)模型簡(jiǎn)化處理；仿真方法模型不需要簡(jiǎn)化，接近真實(shí)結(jié)果，是一種實(shí)用性較強(qiáng)的離線尋優(yōu)方法。柏赟［8］經(jīng)過仿真方法得出合理的控制列車區(qū)間運(yùn)行速度上下限，可以節(jié)約行車能耗，從節(jié)能角度出發(fā)指出調(diào)速制動(dòng)的關(guān)鍵是合理地選擇制動(dòng)初始點(diǎn)和緩解點(diǎn)。

目前貨物列車操縱優(yōu)化研究多數(shù)以節(jié)能為研究目的，平穩(wěn)操縱研究較少，特別是以重載列車非常關(guān)注的車鉤力為目標(biāo)的優(yōu)化工作開展較少，文中以某重載線路某長(zhǎng)大坡道區(qū)段為例，研究2萬t列車在此區(qū)段的操縱優(yōu)化方法，并就操縱優(yōu)化后可能存在的問題對(duì)機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)機(jī)減壓量顯示準(zhǔn)確度問題、制動(dòng)減壓量準(zhǔn)確度問題、機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)問題和最小列車管減壓量提出要求，為重載運(yùn)輸優(yōu)化操縱提供借鑒。

1 列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)原理

在研究列車縱向動(dòng)力學(xué)時(shí)，將列車抽象為一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)。只考慮列車的縱向自由度。取某單一車輛（機(jī)車）為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行受力分析，如圖1所示。

圖1 單個(gè)車輛受力圖

每個(gè)車輛（機(jī)車）力平衡方程為式（1）、式（2）：

式中：n為列車中包含的機(jī)車車輛總數(shù)；mix?i為第i節(jié)車的慣性力；FGi、FGi+1分別為第i節(jié)車前、后鉤的車鉤力；FAi為第i節(jié)車運(yùn)行阻力；FBi為第i節(jié)車空氣制動(dòng)力；FLi為牽引力或動(dòng)力制動(dòng)力；FWi為第i節(jié)車所受的坡道阻力；FCi為第i節(jié)車所受的曲線阻力。

因?yàn)榱熊嚲幗M的差異性以及制動(dòng)系統(tǒng)減壓種類的多樣性，列車制動(dòng)系統(tǒng)特性千差萬別，而列車制動(dòng)系統(tǒng)特性對(duì)列車縱向沖動(dòng)起決定性作用，特別是緩解前和制動(dòng)前制動(dòng)系統(tǒng)的壓力分布，將直接影響后續(xù)緩解動(dòng)作的傳遞過程和非首次制動(dòng)的制動(dòng)能力。因此為了獲取這種隨制動(dòng)減壓量、時(shí)間和漏泄等多種因素影響的制動(dòng)系統(tǒng)特性，研究制動(dòng)系統(tǒng)特性的獲取采用基于氣體流動(dòng)理論的列車空氣制動(dòng)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［9］。該仿真系統(tǒng)根據(jù)氣體流動(dòng)理論計(jì)算瞬態(tài)氣體壓強(qiáng)，再根據(jù)分配閥原理計(jì)算每一個(gè)分配閥的動(dòng)作過程以及瞬時(shí)氣體通路，具備連續(xù)模擬制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作過程的能力。影響車鉤力的另一重要因素是緩沖器模型，該仿真系統(tǒng)中緩沖器模型采用基于列車運(yùn)行試驗(yàn)方法獲得的緩沖器輪廓線模型。

2 列車空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)

文中使用基于氣體流動(dòng)理論的空氣制動(dòng)仿真系統(tǒng)和基于多體動(dòng)力學(xué)的列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)具有空氣制動(dòng)和縱向動(dòng)力學(xué)同步仿真功能，在仿真計(jì)算過程中可以實(shí)時(shí)顯示車鉤力、制動(dòng)系統(tǒng)壓強(qiáng)、加速度沿車長(zhǎng)分布，直觀了解車鉤力產(chǎn)生過程。該仿真系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是可以隨時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算制動(dòng)系統(tǒng)壓強(qiáng)，因此能準(zhǔn)確表述制動(dòng)力變化以及緩解過程中不同時(shí)刻充風(fēng)狀態(tài)的變化，保證了仿真系統(tǒng)中制動(dòng)系統(tǒng)壓強(qiáng)變化與真實(shí)列車制動(dòng)系統(tǒng)壓強(qiáng)變化一致，能夠更真實(shí)地反映不同時(shí)刻制動(dòng)和緩解時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)真實(shí)的壓強(qiáng)分布規(guī)律，以及這種壓強(qiáng)分布對(duì)制動(dòng)和緩解的影響［10-12］。該仿真系統(tǒng)參加了國(guó)際縱向動(dòng)力學(xué)評(píng)測(cè)，在計(jì)算精度和計(jì)算速度上獲得優(yōu)異成績(jī)［13］。

3 操縱仿真及優(yōu)化結(jié)果

某重載鐵路，全長(zhǎng)594 km，全線海拔高度差1527 m，受坡道多、曲線多、分相點(diǎn)和地形復(fù)雜等多種因素影響，2萬t列車操縱難度較大。該段線路起始地點(diǎn)為K20+400，終止地點(diǎn)為K34+881，下坡道坡度分別為10.2‰、10.8‰、12.0‰、10.7‰、12.0‰。目前的操作方法是配合電制動(dòng)的4次循環(huán)空氣制動(dòng)，主要問題是C地點(diǎn)和D地點(diǎn)所在的位置是長(zhǎng)度為12800 m，下坡道坡度為10.2‰的隧道，在這2處地點(diǎn)緩解時(shí)車鉤力較大，某次2萬t列車（編組為1HXD1+108C80+1HXD1+108C80+可控列尾）實(shí)際操縱指令（包含空氣制動(dòng)、電制動(dòng)指令）及對(duì)應(yīng)的速度曲線如圖2所示，A-E分別為列車制動(dòng)或者緩解時(shí)易產(chǎn)生較大車鉤力的困難地點(diǎn)，最下方相對(duì)海拔高度線上每一個(gè)小豎線代表一個(gè)變坡點(diǎn)。

圖2 列車操縱指令和速度圖

初始時(shí)列車位于K5+000處，初速度約為40 km/h，在下坡作用下，列車速度不斷增加，在約69 km/h時(shí)越過A地點(diǎn)，此時(shí)開始減壓50 kPa制動(dòng)，并施加340 kN的電制動(dòng)力，列車速度開始下降，在速度約63 km/h時(shí)開始緩解，緩解后速度最低降到56 km/h；在坡道的作用下列車速度再次上升，當(dāng)速度達(dá)到約65 km/h時(shí)施加減壓50 kPa制動(dòng)，電制動(dòng)力為340 kN，速度降低到57 km/h時(shí)緩解，此時(shí)經(jīng)過B地點(diǎn)，緩解后列車速度還在降低，速度最低達(dá)到51 km/h；其后因?yàn)槠碌涝蛄熊囁俣仍俅紊仙?，?dāng)速度達(dá)到64 km/h時(shí)第3次施加空氣制動(dòng)，當(dāng)速度降低到36 km/h時(shí)開始緩解，此時(shí)列車運(yùn)行在C地點(diǎn)；速度上升到65 km/h施加第4次空氣制動(dòng)，當(dāng)速度降低為36 km/h時(shí)再次緩解，到達(dá)D地點(diǎn)。從A地點(diǎn)到D地點(diǎn)共有4次制動(dòng)緩解過程，即“四把閘”。該列車通過困難區(qū)段最大車鉤力曲線如圖3所示，其中最大拉鉤力發(fā)生在109車位（包含機(jī)車的序號(hào)），即中部機(jī)車前鉤位，最大拉鉤力值為995 kN；最大壓鉤力發(fā)生在125車位，位于中部機(jī)車后部的車輛中，最大壓鉤力值為1077 kN。中部機(jī)車前后鉤車鉤力時(shí)域圖如圖4所示，由圖4可知，列車通過C地點(diǎn)和D地點(diǎn)緩解會(huì)產(chǎn)生較大的車鉤力，其中在C地點(diǎn)緩解產(chǎn)生的拉鉤力是列車通過此區(qū)段產(chǎn)生的最大拉鉤力。

圖3 列車通過困難區(qū)段最大車鉤力分布曲線

圖4 中部機(jī)車通過C地點(diǎn)和D地點(diǎn)車鉤力曲線

在列車操縱過程中，列車管減壓量通過機(jī)車制動(dòng)裝置顯示儀表顯示，該顯示的跳動(dòng)量為10 kPa，幾次初減壓量制動(dòng)機(jī)車顯示的制動(dòng)減壓量均為50 kPa，而根據(jù)機(jī)車BCU采集的數(shù)據(jù)，真實(shí)的列車管減壓量均為59 kPa，仿真時(shí)根據(jù)機(jī)車BCU數(shù)據(jù)施加制動(dòng)指令。

為了避免C地點(diǎn)和D地點(diǎn)制動(dòng)及緩解過程中較大車鉤力產(chǎn)生，對(duì)整個(gè)列車操縱過程進(jìn)行了優(yōu)化，其基本原則是盡量減少空氣制動(dòng)循環(huán)次數(shù)，特別是避免C地點(diǎn)后空氣制動(dòng)的施加。為此，在A地點(diǎn)處施加的空氣制動(dòng)增加制動(dòng)時(shí)間，以保證第一次制動(dòng)后具有較低的列車速度，根據(jù)反復(fù)仿真操縱，確定當(dāng)A地點(diǎn)處制動(dòng)時(shí)，待速度降低到58 km/h時(shí)才開始緩解，相對(duì)于原操作，緩解速度更低，大約低5 km/h，此速度下緩解的同時(shí)施加較大的電制動(dòng)力，使列車速度緩慢增長(zhǎng)，可以保證列車在B地點(diǎn)前不再制動(dòng)，此時(shí)施加的最大電制動(dòng)力約為380 kN。越過B地點(diǎn)后在約K20+000處，速度上升到約64 km/h，低于限速的70 km/h，此時(shí)施加減壓50 kPa的空氣制動(dòng)，同時(shí)在此區(qū)間盡量使電制動(dòng)小一些，這一把閘基本上能保證列車速度緩慢上升，直到K32+070時(shí)速度達(dá)到68 km/h略微增加電制動(dòng)，使速度逐漸下降，安全越過E地點(diǎn)（分相）。此種操作方法使原來四把閘空氣制動(dòng)減少為兩把閘空氣制動(dòng)，特別是避免了C地點(diǎn)和D地點(diǎn)的緩解過大車鉤力的產(chǎn)生。制動(dòng)指令和列車速度變化圖如圖5所示，為了便于比較，原來操縱方法的速度圖也一并畫出。

圖5 優(yōu)化后指令和速度

上述操縱方法的特點(diǎn)是在C地點(diǎn)和D地點(diǎn)間實(shí)施一把閘操縱，即使用一次長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)，確保列車速度上升很慢，僅在E地點(diǎn)通過以后施加緩解，因此避免了C地點(diǎn)和D地點(diǎn)的2次制動(dòng)，進(jìn)而避免了C地點(diǎn)和D地點(diǎn)緩解產(chǎn)生過大的車鉤力。按上述操縱方法通過此區(qū)段最大車鉤力分布如圖6所示，最大拉鉤力和壓鉤力值分別為676 kN和954 kN，較優(yōu)化前分別減小32.1%和11.4%。優(yōu)化后最大車鉤力產(chǎn)生的位置在A地點(diǎn)制動(dòng)緩解后，中部機(jī)車前后鉤車鉤力值如圖7所示。

圖6 優(yōu)化前后列車通過困難區(qū)段最大車鉤力分布曲線

圖7 中部機(jī)車通過A地點(diǎn)車鉤力曲線

上述操縱方法的難點(diǎn)在于K20至K32+070的速度緩慢上升，其核心是具有較小的制動(dòng)力，即小的空氣制動(dòng)力和電制動(dòng)力。目前制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電制動(dòng)優(yōu)先，因此在空氣制動(dòng)時(shí)一定具有電制動(dòng)力，這時(shí)的電制動(dòng)力可以調(diào)整到機(jī)車可施加的最小電制動(dòng)力48 kN。在這個(gè)制動(dòng)過程中空氣制動(dòng)力占制動(dòng)力的主要部分，因此空氣制動(dòng)力在保障上述操縱方法中具有決定性作用，即空氣制動(dòng)必須準(zhǔn)確減壓，并且能夠保證空氣制動(dòng)減壓量不大于50 kPa。

上述操縱方法經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)司機(jī)交流，少量列車能夠完全按照此方法操縱，大部分列車因?yàn)橹苿?dòng)力過強(qiáng)的原因，無法實(shí)現(xiàn)在K20至K32+070區(qū)段的速度緩慢上升，制動(dòng)力強(qiáng)的主要原因是制動(dòng)減壓量不準(zhǔn)以及減壓量顯示不準(zhǔn)。

目前列車空氣制動(dòng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)按最小減壓量40 kPa設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)HXD系列機(jī)車電控自動(dòng)制動(dòng)機(jī)最小減壓量是50 kPa，但是根據(jù)目前機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)機(jī)的檢測(cè)指標(biāo)，僅對(duì)均衡風(fēng)缸減壓速度和減壓量有要求，而自動(dòng)制動(dòng)機(jī)最終控制的列車管減壓量沒有明確要求，因此常常出現(xiàn)機(jī)車均衡風(fēng)缸減壓準(zhǔn)確，但是列車管減壓不準(zhǔn)確，并且列車管減壓量偏大的問題。現(xiàn)場(chǎng)中有些機(jī)車很難實(shí)現(xiàn)減壓50 kPa空氣制動(dòng)，一般情況是實(shí)際減壓量明顯大于50 kPa。假設(shè)此列車在K20處減壓50 kPa空氣制動(dòng)而實(shí)際減壓量為53 kPa時(shí)，電制動(dòng)力調(diào)整到最小48 kN，根據(jù)仿真結(jié)果，列車速度明顯降低，將在K32+500處停車，無法到達(dá)E地點(diǎn)，速度對(duì)比如圖8所示。如要避免停車，列車只能按照原來的操縱方法，當(dāng)速度降低到35 km/h時(shí)開始緩解，此時(shí)的緩解位置與C地點(diǎn)和D地點(diǎn)均在同一坡道上，依然會(huì)產(chǎn)生較大車鉤力，因此上述操縱方式在機(jī)車減壓量過大和減壓量不準(zhǔn)的情況下很難實(shí)現(xiàn)。

圖8 減壓量改變后列車速度比較

4 有關(guān)操縱的難點(diǎn)分析

4.1 制動(dòng)減壓量顯示精度問題

現(xiàn)有重載列車機(jī)車制動(dòng)減壓量顯示精度為10 kPa，例如初減壓時(shí)顯示值是50 kPa，實(shí)際上最大列車管減壓量可能為59 kPa，如上面真實(shí)列車的運(yùn)行算例，而不同的機(jī)車減壓量可能也有所不同，在初減壓時(shí)可能最小的減壓量小于50 kPa，也就是說機(jī)車上顯示的減壓量和真實(shí)減壓量有較大差異。同樣的顯示減壓量，因?yàn)閷?shí)際減壓量不同，列車的制動(dòng)能力存在明顯差異，在司機(jī)不清楚真實(shí)減壓量情況下，僅憑司機(jī)的感受操控列車難度可想而知，因此提高機(jī)車減壓量顯示精度是優(yōu)化操縱的前提。

4.2 制動(dòng)減壓量控制精度問題

制動(dòng)減壓量直接影響到列車制動(dòng)能力，進(jìn)而影響到列車的控制能力。相同減壓量手柄位置，每次實(shí)際減壓量都有所不同，這是目前重載列車中普遍存在的問題，同一制動(dòng)手柄位置，列車管減壓量差異最大可能達(dá)到9 kPa，這加大了重載列車操控難度，對(duì)于初制動(dòng)，相當(dāng)于減壓量偏差近18%，這么大減壓量差異的情況下，制訂出的操縱方法可塑性空間很小，幾乎沒有操縱優(yōu)化余地，因此需要提高減壓量精度，增加操縱可行區(qū)間。

4.3 機(jī)車減壓量控制目標(biāo)問題

列車制動(dòng)能力是以列車管減壓量為衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此說列車自動(dòng)制動(dòng)機(jī)最終的控制量應(yīng)該是列車管的最終減壓量。目前機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)機(jī)檢查標(biāo)準(zhǔn)中僅要求控制均衡風(fēng)缸的減壓速度和減壓量，而均衡風(fēng)缸僅是自動(dòng)制動(dòng)機(jī)的中間環(huán)節(jié)，對(duì)于最終控制目標(biāo)，即列車管減壓量和減壓速度沒有明確標(biāo)準(zhǔn)，僅有列車管壓強(qiáng)跟隨均衡風(fēng)缸壓強(qiáng)變化的粗略要求，因此會(huì)出現(xiàn)均衡風(fēng)缸減壓速度和精度完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是最終的列車管減壓量和減壓速度千差萬別，對(duì)于短編組列車，因?yàn)榱熊嚥倏v方法可塑性較大，減壓量偏差不會(huì)帶來什么問題，但是對(duì)于重載列車，操縱可用區(qū)間很小，因此需要精確控制。建議重載列車用機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)機(jī)增加對(duì)列車管減壓速度和減壓量的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

經(jīng)過仿真系統(tǒng)計(jì)算和重載列車運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)大重載列車有優(yōu)化操縱空間，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)操縱優(yōu)化時(shí)需要對(duì)機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)機(jī)提出要求。

（1）重載列車在長(zhǎng)大坡道可以通過仿真方法進(jìn)一步優(yōu)化操縱過程，以某重載鐵路某區(qū)段為例，循環(huán)制動(dòng)可以由4次減少為2次。易產(chǎn)生較大車鉤力的地點(diǎn)可避開，最大拉鉤力和壓鉤力分別可減小32.1%和11.4%。

（2）重載列車操縱優(yōu)化的前提是列車必須能夠?qū)崿F(xiàn)空氣制動(dòng)的精準(zhǔn)控制，因此建議提高機(jī)車減壓量顯示裝置的精度；提高機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)機(jī)減壓量準(zhǔn)確度；機(jī)車減壓量應(yīng)該以真實(shí)的列車管減壓量為控制目標(biāo)，而不應(yīng)該以均衡風(fēng)缸減壓量為控制目標(biāo)，機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)機(jī)需要實(shí)現(xiàn)列車管最小減壓量50 kPa的目標(biāo)。