吳吉恒，肖維遠(yuǎn)，蔣 勇，劉 燦

（1 眉山中車制動(dòng)科技股份有限公司，四川 眉山 620010；2 中車眉山車輛有限公司，四川 眉山 620010）

重載列車代表著當(dāng)今世界鐵路貨運(yùn)的先進(jìn)水平和重要發(fā)展方向，是提高貨物運(yùn)輸能力的重要手段之一。我國鐵路重載運(yùn)輸近些年一直處于快速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，牽引質(zhì)量大幅度增加、編組增長、運(yùn)行速度提高都會(huì)導(dǎo)致車輛間的縱向沖動(dòng)變大?？v向沖動(dòng)的增加會(huì)增大鉤緩、輪軌的損傷幾率，甚至?xí)菀装l(fā)生斷鉤、車輛脫軌等運(yùn)輸事故［1］。

重載列車縱向沖動(dòng)分析研究一直受到業(yè)內(nèi)外科技工作者的高度重視，制動(dòng)和緩解不同步是縱向沖動(dòng)增大的主要誘因。制動(dòng)波速作為制動(dòng)技術(shù)中一項(xiàng)最基本的技術(shù)參數(shù)，是評價(jià)列車制動(dòng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，也是評定車輛制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)性能優(yōu)劣的一項(xiàng)綜合性指標(biāo)。提升制動(dòng)波速、增加制動(dòng)緩解同步性是降低長大重載列車縱向沖動(dòng)的主要手段之一。

文中針對朔黃線C80型萬噸編組重載列車進(jìn)行了常用制動(dòng)、循環(huán)調(diào)速、全制動(dòng)等工況的制動(dòng)波速研究分析，同時(shí)對一種能提高制動(dòng)波速的無線電空制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究分析。通過試驗(yàn)對朔黃線單元萬噸重載列車在不同制動(dòng)操作下的實(shí)際制動(dòng)波速有了進(jìn)一步了解，仿真分析了該技術(shù)對列車制動(dòng)距離及車鉤力帶來的影響。

1 制動(dòng)波速計(jì)算方法

文中所指制動(dòng)波速為三通閥（或分配閥）制動(dòng)波速，指的是不包括機(jī)車制動(dòng)管長度的車列制動(dòng)管總長除以制動(dòng)力傳播時(shí)間所得值。傳播時(shí)間為列車首輛車制動(dòng)缸壓力開始上升到最末一輛車制動(dòng)缸壓力開始上升時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。制動(dòng)波速越高，說明列車前后車輛制動(dòng)機(jī)作用同步性越好。具體計(jì)算方法如下：

制動(dòng)波總傳輸距離為式（1）：

式中：n為編組輛數(shù)；L為單輛車制動(dòng)主管長度。

列車制動(dòng)波速為式（2）：

式中：Δt為首尾車制動(dòng)壓力上升時(shí)間差；t1、t2…tn為第n輛車制動(dòng)缸壓力開始上升時(shí)間。

文中所述緩解波速亦通過式（2）計(jì)算得出，所指為列車緩解時(shí)首尾車的緩解執(zhí)行響應(yīng)速度。

2 電空制動(dòng)技術(shù)

電空制動(dòng)機(jī)又稱ECP（Electronically Controlled Pneu-matic brake 電子控制空氣制動(dòng)機(jī)），以電信號通訊傳遞并執(zhí)行機(jī)車實(shí)施的制動(dòng)緩解命令，其主要特征就是縮短了列車前后部車輛制動(dòng)缸動(dòng)作時(shí)間差。

電空制動(dòng)降低了列車中首尾車制動(dòng)缸壓力上升的時(shí)間差，增大了列車制動(dòng)波速，從而減小了列車的縱向沖動(dòng)力。

電空制動(dòng)按通訊方式可分為有線和無線2 種。有線電空制動(dòng)系統(tǒng)是在整列車安裝一根雙股電纜貫穿所有機(jī)車車輛，利用線纜接引機(jī)車電源到各車輛并傳輸制動(dòng)緩解指令，任一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障則整套系統(tǒng)癱瘓。有線電空制動(dòng)提供了直接穩(wěn)定的車輛供電，但任一車輛連接中斷都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，列車編組時(shí)反復(fù)插拔電纜會(huì)逐漸降低接頭可靠性；無線電空制動(dòng)系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)由各車輛上的控制子系統(tǒng)組成，制動(dòng)、緩解指令在該控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以無線形式傳輸并執(zhí)行，個(gè)別節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行，車輛電源可使用蓄電池或發(fā)電裝置，其主要特點(diǎn)在于管理靈活、有一定容錯(cuò)率但需要解決好車輛的電源供給和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性等問題［2-7］。

應(yīng)用電空制動(dòng)技術(shù)帶來的效益主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）提高列車運(yùn)行品質(zhì)，運(yùn)行更安全

列車開行過程中縱向沖動(dòng)力的降低能減少斷鉤、脫軌等行車事故。

（2）提高列車開行速度，周轉(zhuǎn)率更高

運(yùn)用電空制動(dòng)技術(shù)能提高制動(dòng)緩解同步性，縮短空走時(shí)間和制動(dòng)距離，停車制動(dòng)更加精準(zhǔn)，可提升車流密度和運(yùn)輸周轉(zhuǎn)率。

（3）降低車輛磨損，維修成本更低

制動(dòng)同步性提高使得車輛間的縱向沖動(dòng)減小，降低車鉤勞損和車體疲勞載荷。

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)測制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)，故障及時(shí)掌握

電空制動(dòng)系統(tǒng)能收集空氣制動(dòng)系統(tǒng)各部位的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)對每一輛車制動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行掃描檢查，監(jiān)測以及診斷故障后及時(shí)回傳信息，實(shí)時(shí)掌握列車運(yùn)行品質(zhì)［8-10］。

3 制動(dòng)波速試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)工作于2020 年1 月在朔黃鐵路滄州站進(jìn)行，前后共進(jìn)行多項(xiàng)不同工況的制動(dòng)波速測試。試驗(yàn)列車先期進(jìn)行了無線電空制動(dòng)技術(shù)改造，編組形式為108 輛C80型敞車組成單元萬噸列車，列車換長118.8，單輛車主管長度13.49 m（含軟管）。試驗(yàn)機(jī)車為DF 型內(nèi)燃機(jī)車。本次試驗(yàn)在制動(dòng)波速測試之外對列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)特性也進(jìn)行了測試，所有試驗(yàn)項(xiàng)均為站場線路靜置實(shí)施，制動(dòng)管定壓600 kPa，見表1。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)

3.2 試驗(yàn)方法

列車實(shí)施制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)管內(nèi)壓縮空氣經(jīng)控制閥排氣減壓，每個(gè)車輛的制動(dòng)管壓力下降使控制閥主活塞兩側(cè)形成壓差，副風(fēng)缸內(nèi)的壓縮空氣將主活塞推向制動(dòng)位，從而使控制閥進(jìn)入制動(dòng)位并控制副風(fēng)缸內(nèi)壓縮空氣充入制動(dòng)缸，制動(dòng)缸壓力上升使活塞推出，產(chǎn)生制動(dòng)作用。

制動(dòng)管充風(fēng)緩解時(shí)，控制閥感應(yīng)制動(dòng)管壓力上升后進(jìn)入緩解位，制動(dòng)管向副風(fēng)缸充氣的同時(shí)制動(dòng)缸內(nèi)空氣排向大氣，同時(shí)加速緩解風(fēng)缸內(nèi)空氣流向制動(dòng)管，加快列車緩解。

通過對制動(dòng)管、制動(dòng)缸、副風(fēng)缸、加緩風(fēng)缸的壓力進(jìn)行測試，在計(jì)算制動(dòng)波速的同時(shí)也可以得到空氣制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)緩解特性，進(jìn)而分析重載列車開行過程中空氣制動(dòng)系統(tǒng)的工作特性［11］。

試驗(yàn)列車中共布置5 個(gè)測試斷面，如圖1 所示，分別位于列車前、中、后位置及1/3、3/4 處，分布于機(jī)次第1、36、54、81、108 輛車。無線采集器通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制各個(gè)測點(diǎn)采集測試數(shù)據(jù)、時(shí)鐘校準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)置、特征數(shù)據(jù)接收，壓力采集頻率102 Hz。采集系統(tǒng)傳輸速率為250 kbps，其功耗僅為1～2 W。每個(gè)測點(diǎn)采用鋰電池供電，每個(gè)通道的采集頻率可達(dá)4 kHz，具有8 GB 的非易失數(shù)據(jù)存儲空間。

圖1 測試方案

3.3 空氣制動(dòng)波速測試

試驗(yàn)項(xiàng)包括初制動(dòng)、全制動(dòng)、循環(huán)制動(dòng)、追加制動(dòng)、意外緊急制動(dòng)等，記錄各測試斷面壓力數(shù)據(jù)，見表2。表中“追加制動(dòng)”項(xiàng)數(shù)據(jù)為第2 次減壓50 kPa 時(shí)測得。

表2 空氣制動(dòng)波速

試驗(yàn)結(jié)果顯示：重載列車的常用制動(dòng)波速在175～235 m/s 之間，1 個(gè)單元萬噸列車首尾車制動(dòng)缸開始升壓時(shí)間差基本在6～8 s；意外緊急制動(dòng)時(shí)首尾車制動(dòng)開始升壓時(shí)間差為6.3 s，折合制動(dòng)波速為229 m/s；追加制動(dòng)時(shí)控制閥的滑閥已經(jīng)處于制動(dòng)位，節(jié)制閥動(dòng)作后制動(dòng)缸升壓，制動(dòng)波速稍高于常用制動(dòng)工況，達(dá)到310 m/s。初制動(dòng)緩解時(shí)列車首尾車制動(dòng)缸動(dòng)作時(shí)間差7.9 s，折合緩解波速184 m/s，如圖2 所示。列車前后部位出現(xiàn)的制動(dòng)缸升降壓時(shí)間差就是制動(dòng)緩解不同步的表現(xiàn)，也是車輛間縱向沖動(dòng)力的主要誘發(fā)因素，首尾車時(shí)間差越大縱向沖動(dòng)力越高?？v向沖動(dòng)力越大，車鉤勞損和車體靜強(qiáng)度載荷也就越大。

圖2 初制動(dòng)壓力曲線（空氣制動(dòng)）

3.4 電空制動(dòng)波速測試

電空制動(dòng)系統(tǒng)由列車現(xiàn)有空氣制動(dòng)系統(tǒng)和無線控制系統(tǒng)組成，采用無線網(wǎng)絡(luò)信號快速傳遞并執(zhí)行制動(dòng)緩解指令。試驗(yàn)項(xiàng)包括初制動(dòng)、全制動(dòng)、循環(huán)制動(dòng)、追加制動(dòng)、初制動(dòng)緩解等，見表3。表中“追加制動(dòng)”項(xiàng)數(shù)據(jù)為第2 次減壓50 kPa 時(shí)測得。

表3 電空制動(dòng)波速統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)結(jié)果顯示：使用電空制動(dòng)系統(tǒng)的重載列車常用制動(dòng)波速處于1 000 m/s 以上水平，1 個(gè)單元萬噸列車首尾車制動(dòng)缸升壓時(shí)間差最快不足1 s；初制動(dòng)緩解波速達(dá)到接近1 300 m/s 水平，如圖3 所示，電空制動(dòng)能有效提高重載列車的制動(dòng)波速。

圖3 初制動(dòng)壓力曲線（電空制動(dòng)）

3.5 制動(dòng)波速對比分析

對比列車空氣制動(dòng)波速及電空制動(dòng)波速，如圖4 所示，結(jié)果顯示電空制動(dòng)對于列車制動(dòng)波速有著明顯的提升效果。幾種制動(dòng)工況下的電空制動(dòng)波速都達(dá)到了純空氣制動(dòng)波速的3 倍以上水平，電空制動(dòng)的初制動(dòng)緩解波速達(dá)到空氣制動(dòng)波速5 倍以上。

圖4 空氣制動(dòng)波速與電空制動(dòng)波速對比分析

4 制動(dòng)距離及車鉤力仿真計(jì)算

聯(lián)合大連交通大學(xué)開展了空氣制動(dòng)與電空制動(dòng)比較仿真計(jì)算，如圖5 所示。計(jì)算內(nèi)容包括萬噸列車制動(dòng)距離及車鉤力比較計(jì)算、2 萬噸列車制動(dòng)距離及車鉤力比較計(jì)算。仿真時(shí)列車組成以朔黃鐵路的萬噸列車及2 萬噸列車為原型，制動(dòng)距離計(jì)算線路為平直路線，車鉤力計(jì)算為平直路及長大坡道循環(huán)制動(dòng)（朔黃K16+590 ～K35+520）。制動(dòng)距離和平道車鉤力計(jì)算的列車初始速度輸入為70 km/h，循環(huán)制動(dòng)車鉤力計(jì)算使用列車真實(shí)初速度。得出計(jì)算結(jié)果如下：

圖5 制動(dòng)仿真軟件界面

（1）電空制動(dòng)能縮短常用制動(dòng)距離，縮短的距離和減壓量有關(guān)，減壓量越大，縮短的距離越明顯，但隨著減壓量增大，增加速率逐漸減小。

（2）電空制動(dòng)能降低車鉤力，萬噸列車和2 萬噸列車常用制動(dòng)時(shí)降低車鉤力非常明顯。

（3）萬噸列車減壓100 kPa、170 kPa 制動(dòng)車鉤力降低約38%、61%。

（4）2 萬噸列車減壓100 kPa、170 kPa 制動(dòng)車鉤力降低約56%、62%。

（5）2 萬噸列車循環(huán)制動(dòng)降低拉伸車鉤力和壓縮車鉤力分別為72%、28%。

5 結(jié)束語

針對朔黃線萬噸列車，通過試驗(yàn)測量分析了純空氣制動(dòng)波速及電空制動(dòng)波速特性。針對朔黃線萬噸及2 萬噸列車，利用仿真技術(shù)對比分析了電空制動(dòng)帶來的制動(dòng)距離、車鉤力變化，得出以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)結(jié)果顯示朔黃線C80型單元萬噸重載列車的常用制動(dòng)波速在180～230 m/s 之間，緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)波速為230 m/s 左右，追加制動(dòng)時(shí)制動(dòng)波速能達(dá)到310 m/s。

（2）電空制動(dòng)技術(shù)能使重載列車常用制動(dòng)及小減壓的緩解波速達(dá)到1 000 m/s 以上水平，較空氣制動(dòng)系統(tǒng)有著翻倍式明顯提升。

（3）仿真結(jié)果顯示電空制動(dòng)技術(shù)能有效降低長大重載列車常用制動(dòng)時(shí)車輛間的車鉤力，縮短常用制動(dòng)距離。