魏 偉，張益銘

（大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧大連116028）

重載運輸在世界貨運鐵路中占有重要地位，在世界各地發(fā)展方興未艾。重載運輸在我國鐵路運輸中發(fā)揮了重要作用。大秦和朔黃鐵路圓滿完成大運量運輸任務，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、質(zhì)量大、線路情況復雜，操縱十分困難，主要特點是車鉤力大，列車運行安全性差，特別是中部機車脫軌和跳鉤事故，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列車操縱指導書均是根據(jù)有經(jīng)驗司機的直觀感覺制訂，并參考了部分試驗結(jié)果，以縱向動力學為主的理論還有很大空間應用到重載列車操縱優(yōu)化中。

列車操縱優(yōu)化一直是鐵路貨運的研究熱點，張波［1］基于仿真和試驗研究結(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］認為改變緩解地點、采取長波浪制動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］證明重載列車在長大下坡道行駛，須在使用動力制動的同時仍必須多次施行空氣減壓的循環(huán)制動。董克毓等人［4］認為適當調(diào)節(jié)機車的電制動力并增加空氣制動時間，能減少列車通過長大下坡道的制動次數(shù)。林軒等人［5］研究了貨運列車在長大下坡道上的最優(yōu)操縱策略和站間各子區(qū)間運行時間分配，提出長大下坡道及其相鄰區(qū)間列車運行最優(yōu)控制的數(shù)值求解算法，實現(xiàn)節(jié)能效果。葛學超等人［6］主要以貨運列車節(jié)能觀點出發(fā)研究列車操縱問題，將專家系統(tǒng)和節(jié)能運行最佳工況切換點判定準則相結(jié)合，設計了列車節(jié)能運行優(yōu)化操縱算法。荀徑等人［7］對以節(jié)能為目的的操縱優(yōu)化方法進行了綜述，指出解析方法能得到理論上最優(yōu)解，計算速度快，但是需要對模型簡化處理；仿真方法模型不需要簡化，接近真實結(jié)果，是一種實用性較強的離線尋優(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)速制動的關(guān)鍵是合理地選擇制動初始點和緩解點。

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)注的車鉤力為目標的優(yōu)化工作開展較少，文中以某重載線路某長大坡道區(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機車自動制動機減壓量顯示準確度問題、制動減壓量準確度問題、機車自動制動機評價指標問題和最小列車管減壓量提出要求，為重載運輸優(yōu)化操縱提供借鑒。

1 列車縱向動力學仿真系統(tǒng)原理

在研究列車縱向動力學時，將列車抽象為一個多質(zhì)點的質(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（機車）為研究對象對其進行受力分析，如圖1所示。

圖1 單個車輛受力圖

每個車輛（機車）力平衡方程為式（1）、式（2）：

式中：n為列車中包含的機車車輛總數(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)車運行阻力；FBi為第i節(jié)車空氣制動力；FLi為牽引力或動力制動力；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。

因為列車編組的差異性以及制動系統(tǒng)減壓種類的多樣性，列車制動系統(tǒng)特性千差萬別，而列車制動系統(tǒng)特性對列車縱向沖動起決定性作用，特別是緩解前和制動前制動系統(tǒng)的壓力分布，將直接影響后續(xù)緩解動作的傳遞過程和非首次制動的制動能力。因此為了獲取這種隨制動減壓量、時間和漏泄等多種因素影響的制動系統(tǒng)特性，研究制動系統(tǒng)特性的獲取采用基于氣體流動理論的列車空氣制動仿真系統(tǒng)實現(xiàn)［9］。該仿真系統(tǒng)根據(jù)氣體流動理論計算瞬態(tài)氣體壓強，再根據(jù)分配閥原理計算每一個分配閥的動作過程以及瞬時氣體通路，具備連續(xù)模擬制動系統(tǒng)動作過程的能力。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行試驗方法獲得的緩沖器輪廓線模型。

2 列車空氣制動與縱向動力學聯(lián)合仿真系統(tǒng)

文中使用基于氣體流動理論的空氣制動仿真系統(tǒng)和基于多體動力學的列車縱向動力學仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)具有空氣制動和縱向動力學同步仿真功能，在仿真計算過程中可以實時顯示車鉤力、制動系統(tǒng)壓強、加速度沿車長分布，直觀了解車鉤力產(chǎn)生過程。該仿真系統(tǒng)的最大特點是可以隨時動態(tài)計算制動系統(tǒng)壓強，因此能準確表述制動力變化以及緩解過程中不同時刻充風狀態(tài)的變化，保證了仿真系統(tǒng)中制動系統(tǒng)壓強變化與真實列車制動系統(tǒng)壓強變化一致，能夠更真實地反映不同時刻制動和緩解時制動系統(tǒng)內(nèi)真實的壓強分布規(guī)律，以及這種壓強分布對制動和緩解的影響［10-12］。該仿真系統(tǒng)參加了國際縱向動力學評測，在計算精度和計算速度上獲得優(yōu)異成績［13］。

3 操縱仿真及優(yōu)化結(jié)果

某重載鐵路，全長594 km，全線海拔高度差1527 m，受坡道多、曲線多、分相點和地形復雜等多種因素影響，2萬t列車操縱難度較大。該段線路起始地點為K20+400，終止地點為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的4次循環(huán)空氣制動，主要問題是C地點和D地點所在的位置是長度為12800 m，下坡道坡度為10.2‰的隧道，在這2處地點緩解時車鉤力較大，某次2萬t列車（編組為1HXD1+108C80+1HXD1+108C80+可控列尾）實際操縱指令（包含空氣制動、電制動指令）及對應的速度曲線如圖2所示，A-E分別為列車制動或者緩解時易產(chǎn)生較大車鉤力的困難地點，最下方相對海拔高度線上每一個小豎線代表一個變坡點。

圖2 列車操縱指令和速度圖

初始時列車位于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時越過A地點，此時開始減壓50 kPa制動，并施加340 kN的電制動力，列車速度開始下降，在速度約63 km/h時開始緩解，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，當速度達到約65 km/h時施加減壓50 kPa制動，電制動力為340 kN，速度降低到57 km/h時緩解，此時經(jīng)過B地點，緩解后列車速度還在降低，速度最低達到51 km/h；其后因為坡道原因列車速度再次上升，當速度達到64 km/h時第3次施加空氣制動，當速度降低到36 km/h時開始緩解，此時列車運行在C地點；速度上升到65 km/h施加第4次空氣制動，當速度降低為36 km/h時再次緩解，到達D地點。從A地點到D地點共有4次制動緩解過程，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（包含機車的序號），即中部機車前鉤位，最大拉鉤力值為995 kN；最大壓鉤力發(fā)生在125車位，位于中部機車后部的車輛中，最大壓鉤力值為1077 kN。中部機車前后鉤車鉤力時域圖如圖4所示，由圖4可知，列車通過C地點和D地點緩解會產(chǎn)生較大的車鉤力，其中在C地點緩解產(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 中部機車通過C地點和D地點車鉤力曲線

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

為了避免C地點和D地點制動及緩解過程中較大車鉤力產(chǎn)生，對整個列車操縱過程進行了優(yōu)化，其基本原則是盡量減少空氣制動循環(huán)次數(shù)，特別是避免C地點后空氣制動的施加。為此，在A地點處施加的空氣制動增加制動時間，以保證第一次制動后具有較低的列車速度，根據(jù)反復仿真操縱，確定當A地點處制動時，待速度降低到58 km/h時才開始緩解，相對于原操作，緩解速度更低，大約低5 km/h，此速度下緩解的同時施加較大的電制動力，使列車速度緩慢增長，可以保證列車在B地點前不再制動，此時施加的最大電制動力約為380 kN。越過B地點后在約K20+000處，速度上升到約64 km/h，低于限速的70 km/h，此時施加減壓50 kPa的空氣制動，同時在此區(qū)間盡量使電制動小一些，這一把閘基本上能保證列車速度緩慢上升，直到K32+070時速度達到68 km/h略微增加電制動，使速度逐漸下降，安全越過E地點（分相）。此種操作方法使原來四把閘空氣制動減少為兩把閘空氣制動，特別是避免了C地點和D地點的緩解過大車鉤力的產(chǎn)生。制動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是在C地點和D地點間實施一把閘操縱，即使用一次長時間制動，確保列車速度上升很慢，僅在E地點通過以后施加緩解，因此避免了C地點和D地點的2次制動，進而避免了C地點和D地點緩解產(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地點制動緩解后，中部機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 中部機車通過A地點車鉤力曲線

上述操縱方法的難點在于K20至K32+070的速度緩慢上升，其核心是具有較小的制動力，即小的空氣制動力和電制動力。目前制動系統(tǒng)設計是電制動優(yōu)先，因此在空氣制動時一定具有電制動力，這時的電制動力可以調(diào)整到機車可施加的最小電制動力48 kN。在這個制動過程中空氣制動力占制動力的主要部分，因此空氣制動力在保障上述操縱方法中具有決定性作用，即空氣制動必須準確減壓，并且能夠保證空氣制動減壓量不大于50 kPa。

上述操縱方法經(jīng)與現(xiàn)場有經(jīng)驗司機交流，少量列車能夠完全按照此方法操縱，大部分列車因為制動力過強的原因，無法實現(xiàn)在K20至K32+070區(qū)段的速度緩慢上升，制動力強的主要原因是制動減壓量不準以及減壓量顯示不準。

目前列車空氣制動仿真系統(tǒng)設計按最小減壓量40 kPa設計，新設計HXD系列機車電控自動制動機最小減壓量是50 kPa，但是根據(jù)目前機車自動制動機的檢測指標，僅對均衡風缸減壓速度和減壓量有要求，而自動制動機最終控制的列車管減壓量沒有明確要求，因此常常出現(xiàn)機車均衡風缸減壓準確，但是列車管減壓不準確，并且列車管減壓量偏大的問題?，F(xiàn)場中有些機車很難實現(xiàn)減壓50 kPa空氣制動，一般情況是實際減壓量明顯大于50 kPa。假設此列車在K20處減壓50 kPa空氣制動而實際減壓量為53 kPa時，電制動力調(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E地點，速度對比如圖8所示。如要避免停車，列車只能按照原來的操縱方法，當速度降低到35 km/h時開始緩解，此時的緩解位置與C地點和D地點均在同一坡道上，依然會產(chǎn)生較大車鉤力，因此上述操縱方式在機車減壓量過大和減壓量不準的情況下很難實現(xiàn)。

圖8 減壓量改變后列車速度比較

4 有關(guān)操縱的難點分析

4.1 制動減壓量顯示精度問題

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

4.2 制動減壓量控制精度問題

制動減壓量直接影響到列車制動能力，進而影響到列車的控制能力。相同減壓量手柄位置，每次實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，同一制動手柄位置，列車管減壓量差異最大可能達到9 kPa，這加大了重載列車操控難度，對于初制動，相當于減壓量偏差近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 機車減壓量控制目標問題

列車制動能力是以列車管減壓量為衡量標準，因此說列車自動制動機最終的控制量應該是列車管的最終減壓量。目前機車自動制動機檢查標準中僅要求控制均衡風缸的減壓速度和減壓量，而均衡風缸僅是自動制動機的中間環(huán)節(jié)，對于最終控制目標，即列車管減壓量和減壓速度沒有明確標準，僅有列車管壓強跟隨均衡風缸壓強變化的粗略要求，因此會出現(xiàn)均衡風缸減壓速度和精度完全滿足標準要求，但是最終的列車管減壓量和減壓速度千差萬別，對于短編組列車，因為列車操縱方法可塑性較大，減壓量偏差不會帶來什么問題，但是對于重載列車，操縱可用區(qū)間很小，因此需要精確控制。建議重載列車用機車自動制動機增加對列車管減壓速度和減壓量的標準要求。

5 結(jié)論

經(jīng)過仿真系統(tǒng)計算和重載列車運行經(jīng)驗，長大重載列車有優(yōu)化操縱空間，同時在實現(xiàn)操縱優(yōu)化時需要對機車自動制動機提出要求。

（1）重載列車在長大坡道可以通過仿真方法進一步優(yōu)化操縱過程，以某重載鐵路某區(qū)段為例，循環(huán)制動可以由4次減少為2次。易產(chǎn)生較大車鉤力的地點可避開，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)空氣制動的精準控制，因此建議提高機車減壓量顯示裝置的精度；提高機車自動制動機減壓量準確度；機車減壓量應該以真實的列車管減壓量為控制目標，而不應該以均衡風缸減壓量為控制目標，機車自動制動機需要實現(xiàn)列車管最小減壓量50 kPa的目標。