何 聞，常崇義，王俊彪，郭 剛

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

重載運(yùn)輸具有運(yùn)能大、效率高和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn),長期以來都是國內(nèi)外鐵路貨運(yùn)的重點(diǎn)發(fā)展方向。我國大秦、朔黃鐵路已經(jīng)常態(tài)化開行2萬t重載組合列車,但隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,現(xiàn)有的重載線路運(yùn)能已不能滿足日益增長的貨物運(yùn)輸需求,為進(jìn)一步提高運(yùn)能,最經(jīng)濟(jì)的措施便是常態(tài)化開行3萬t組合列車。但開行3萬t組合列車是一個(gè)涉及多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)性工程,大秦線首先于2014年3～4月進(jìn)行了3萬t重載組合列車的試驗(yàn)工作,試驗(yàn)中首當(dāng)其沖的便是與行車安全密切相關(guān)的列車縱向動力學(xué)問題。3萬t組合列車由于編組長度增加,列車所占線路縱斷面復(fù)雜,加之司機(jī)操縱難度的提高,列車縱向力變化更為復(fù)雜,操縱不慎便容易導(dǎo)致列車斷鉤、脫軌事故的發(fā)生,因此明確列車縱向力變化規(guī)律是開行3萬t組合列車的關(guān)鍵一步。目前對縱向動力學(xué)的研究手段主要包括線路試驗(yàn)與仿真分析。仿真分析與線路試驗(yàn)相比,人財(cái)物成本更低,獲得的數(shù)據(jù)更為全面,且可以進(jìn)行多種極限工況的分析,并為線路試驗(yàn)驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)參考,因此受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛青睞。

文獻(xiàn)[1]通過對3類常見鉤緩系統(tǒng)進(jìn)行仿真對比,對其縱向動力學(xué)性能和疲勞磨損表現(xiàn)進(jìn)行了分析說明。文獻(xiàn)[2]通過建立列車縱向動力學(xué)仿真模型,對2萬t組合列車縱向力在不同延遲時(shí)間和制動初速下的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]對ECP制動系統(tǒng)下的列車縱向模型進(jìn)行模擬仿真,據(jù)此研究了重載列車速度調(diào)節(jié)、車鉤力水平、能耗管理等重點(diǎn)關(guān)注問題。文獻(xiàn)[4-5]通過建立列車空氣制動系統(tǒng)與列車縱向動力學(xué)聯(lián)合仿真模型,對3萬t組合列車縱向力在不同的從控機(jī)車滯后時(shí)間下的規(guī)律以及循環(huán)制動過程進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]同樣是通過列車空氣制動系統(tǒng)與列車縱向動力學(xué)聯(lián)合仿真模型,研究最高減壓50 kPa的列尾裝置對2萬t組合列車的影響。文獻(xiàn)[7]基于大秦線3萬t綜合試驗(yàn)結(jié)果,對尾部SS4機(jī)車在列車牽引及制動方面的作用進(jìn)行了分析說明。文獻(xiàn)[8]通過建立超長重載列車縱向動力學(xué)仿真模型,對4萬～12萬t重載列車在編組長度、機(jī)車無線同步控制延遲時(shí)間和長大下坡道的坡度差等因素影響下的縱向力規(guī)律進(jìn)行了分析。

本文通過建立長大重載列車縱向動力學(xué)仿真模型并使用制動試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,計(jì)算分析制動工況下3萬t組合列車的電控空氣制動(electronically controlled pneumatic,ECP)制動系統(tǒng)、同步操控性、變坡點(diǎn)坡度差、車輛軸重等關(guān)鍵因素對3萬t組合列車縱向力的影響,明確指出制動工況下ECP制動系統(tǒng)的使用效果,無線同步操控延時(shí)邊界值、同步操縱故障時(shí)的最大可用減壓量、變坡點(diǎn)坡度差邊界值以及車輛軸重變化對3萬t組合列車縱向力的影響,研究結(jié)果可為3萬t重載列車的常態(tài)化開行以及優(yōu)化操縱提供數(shù)據(jù)支持。

1 列車縱向動力學(xué)仿真模型

列車縱向動力學(xué)仿真模型首先以單節(jié)機(jī)車或車輛為一個(gè)分離體,單個(gè)分離體在縱向上具有一個(gè)自由度,通過對單個(gè)分離體的縱向受力分析,見圖1。圖1中,α為坡度。其縱向動力學(xué)方程為

圖1 單節(jié)機(jī)車車輛縱向受力情況

i=0,1,…,n

(1)

式中:mi為第i輛車的質(zhì)量;ui為第i輛車的位移;FTi為第i輛車的牽引力(僅作用于機(jī)車);FDi為第i輛車的再生制動力(僅作用于機(jī)車);FBi為第i輛車的空氣制動力;Fwi為第i輛車的總運(yùn)行阻力;Fc(i-1)、Fci分別為第i輛車的前、后車鉤力。

通過將列車中的每一個(gè)機(jī)車車輛單質(zhì)點(diǎn)模型在縱向上進(jìn)行串聯(lián),見圖2,組合為列車縱向動力學(xué)多質(zhì)點(diǎn)仿真模型,列車總自由度為n+1。

圖2 列車縱向動力學(xué)仿真模型

列車縱向動力學(xué)模型中使用MT-2型全鋼摩擦緩沖器或HM-1型摩擦膠泥組合式緩沖器,為準(zhǔn)確模擬緩沖器的非線性特性,采用文獻(xiàn)[2,9]中的數(shù)值模型進(jìn)行模擬。

空氣制動系統(tǒng)模型是影響列車動力學(xué)計(jì)算精度最重要的子模型之一,如果采用精確建模方法,勢必會造成參數(shù)調(diào)整的困難與計(jì)算負(fù)荷的顯著增大,基于專家知識與大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)而建立的空氣制動系統(tǒng)非線性解析模型則較好的保證了計(jì)算精度與計(jì)算量之間的平衡[10]。

建立復(fù)雜的非線性縱向動力學(xué)模型后,對式( 1 )采用基于Newmark-β的高精度平衡迭代法進(jìn)行數(shù)值求解,該方法較目前多數(shù)的數(shù)值求解算法具有良好的計(jì)算精度[2]。

通過采用上述模型與算法,在文獻(xiàn)[10]中對2萬t組合列車在緊急制動下的縱向力仿真結(jié)果進(jìn)行了線路試驗(yàn)驗(yàn)證;在文獻(xiàn)[8]中對25 t軸重車輛編組的3萬t 組合列車在大秦線K288+320處調(diào)速制動的結(jié)果進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)對比驗(yàn)證;為進(jìn)一步準(zhǔn)確評估30 t軸重車輛編組模型的準(zhǔn)確性,本文根據(jù)山西中南部鐵路通道(瓦日線)重載綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]對模型進(jìn)行驗(yàn)證。12 000 t試驗(yàn)編組為HXD2F機(jī)車+HXD1F機(jī)車+100輛C96(H)貨車+HXD1F機(jī)車+HXD2F機(jī)車,貨車全部使用HM-1型摩擦膠泥組合式緩沖器,列車管定壓600 kPa,以制動初速80 km/h在平直道線路進(jìn)行常用全制動與緊急制動停車。

兩類工況下制動距離的對比見表1。由表1可知,制動距離的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之間的誤差不超過10%;在對應(yīng)測試斷面上的最大壓鉤力實(shí)測值與計(jì)算值的對比見圖3,該模型的縱向車鉤力計(jì)算值與實(shí)測值十分接近。經(jīng)過以上多次的實(shí)際線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明,采用上述模型與算法計(jì)算長大重載列車縱向動力學(xué)問題具有較高的精度。

表1 12 000 t試驗(yàn)列車編組制動距離對比驗(yàn)證

圖3 不同制動工況下的最大壓鉤力分布對比驗(yàn)證

2 縱向力關(guān)鍵影響因素分析

3萬t重載列車由于使用的主從控機(jī)車數(shù)量與位置不同、車輛類型不同、牽引制動控制技術(shù)不同,因此存在多種編組形式。本文在基于2萬t組合列車常態(tài)化運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與2014年大秦線3萬t組合列車試驗(yàn)[12]的基礎(chǔ)上,機(jī)車采用HXD1型電力機(jī)車和SS4B型電力機(jī)車,車輛采用25 t軸重的C80型運(yùn)煤專用敞車或30 t軸重的KM98型煤炭漏斗車進(jìn)行編組。主要編組形式見表2,3類編組均使用LOCOTROL分布式動力控制技術(shù),B編組裝有ECP制動系統(tǒng)(采用晉中南通道重載綜合試驗(yàn)中的ECP制動系統(tǒng)類型)控制全列制動。

表2 編組組成說明

建立3萬t重載組合列車仿真模型時(shí),列車管定壓為600 kPa,車輛模型中2輛一組使用牽引桿,緩沖器使用MT-2型全鋼摩擦緩沖器,車鉤間隙取9.5 mm。

2.1 ECP制動系統(tǒng)對縱向力的影響

對使用25 t軸重車輛的A、B編組(牽引總重均約3.2萬t,編組長度均約4 km),計(jì)算制動初速60 km/h,在平直道進(jìn)行常用全制動和緊急制動時(shí)的壓鉤力沿車位分布,其中A編組主從控機(jī)車同步操控延時(shí)為3 s,B編組由于使用ECP制動系統(tǒng)控制全列制動,制動信號傳輸時(shí)間忽略不計(jì),但各車的制動系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間計(jì)為0.3 s。圖4為常用全制動和緊急制動時(shí)最大縱向壓鉤力沿車位分布情況(負(fù)值代表壓鉤狀態(tài),下同)。

圖4 A、B編組在常用全制動和緊急制動下的最大壓鉤力沿車位分布

由圖4可知,在平直道常用全制動工況下,使用ECP制動系統(tǒng)的B編組,其最大壓鉤力與使用LOCOTROL系統(tǒng)的A編組水平相當(dāng);但使用ECP制動系統(tǒng)的B編組在緊急制動時(shí),壓鉤力水平比A編組下降25%～55%,降低效果較為明顯。主要原因在于ECP制動系統(tǒng)與LOCOTROL系統(tǒng)相比,其緊急制動與常用全制動時(shí)的制動缸升壓過程相近且具備更好的全列制動同步性。

2.2 同步操控性對縱向力的影響

3萬t重載組合列車采用LOCOTROL裝置進(jìn)行主從控機(jī)車的同步操縱控制,LOCOTROL同步性測試試驗(yàn)表明現(xiàn)場空氣制動同步作用延時(shí)基本在4 s以內(nèi),其中2～3 s延時(shí)占比(66.67%)最大[12]。在仿真中選擇A編組(“1+1+1+1”編組形式)進(jìn)行計(jì)算,此外文獻(xiàn)[13]已經(jīng)表明“V”形變坡是列車制動的最不利線路斷面,因此仿真線路選取大秦線重車方向上“V”形變坡最大坡度差區(qū)段之一的K240+000～K245+000(坡度差約8‰)區(qū)段,見圖5。

圖5 大秦線K240+000～K245+000線路縱斷面示意

計(jì)算時(shí)以60 km/h制動初速在K244+000處進(jìn)行常用全制動和緊急制動停車,主/從控機(jī)車無線同步操縱延遲時(shí)間分別取為3、4、5 s。同時(shí)根據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[14],取緊急制動車鉤力限值不超過2 250 kN,常用制動下車鉤力限值一般不超過1 500 kN[11]。

圖6為不同無線同步操縱延遲時(shí)間下,采用常用全制動和緊急制動兩種制動方式的最大壓鉤力分布?？梢钥吹疆?dāng)無線同步操控延遲時(shí)間達(dá)到5 s后,常用全制動和緊急制動停車時(shí)最大壓鉤力均已超限,在4 s延時(shí)下兩類制動方式的最大壓鉤力安全裕量僅為6%和5%,因此在保證3萬t組合列車常態(tài)化安全運(yùn)行的條件下,無線同步操控延時(shí)需控制在3 s以內(nèi)。

圖6 不同延遲時(shí)間下兩類制動方式的最大壓鉤力沿車位分布

2萬t組合列車現(xiàn)場常態(tài)化操縱經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)實(shí)際中無線同步操縱延遲超過5 s時(shí),當(dāng)前機(jī)車操縱狀態(tài)將繼續(xù)保持5 s,如果從控機(jī)車仍未接到操縱指令,則認(rèn)為此時(shí)列車編組出現(xiàn)同步操縱故障。對無線通信故障下的A編組在平直道和圖5所示線路分別進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見圖7和圖8?？梢娫谄街钡郎袭?dāng)空氣制動減壓量為70 kPa時(shí),安全裕量僅為6%,因此平直道上可使用的制動減壓量需,不超過60 kPa;而在大秦線上坡度差8‰的“V”形坡道區(qū)段上,只能使用不超過50 kPa的減壓量停車才可保證安全。

圖7 平直道上最大壓鉤力沿車位分布

圖8 “V”形坡道上最大壓鉤力沿車位分布

2.3 變坡點(diǎn)坡度差對縱向力的影響

實(shí)際線路中,單一變坡點(diǎn)可分為“V”形和“A”形兩類,見圖9。圖9中,下坡坡度為負(fù)值,上坡坡度為正值,坡度差為β-α。文獻(xiàn)[13]已表明坡度差大小對列車車鉤力具有重要影響。本節(jié)以使用25 t軸重車輛的A編組(“1+1+1+1”編組形式)為仿真計(jì)算對象,計(jì)算主從控機(jī)車同步操控延時(shí)3 s和制動初速60 km/h下,在“V”形和“A”形變坡點(diǎn)上進(jìn)行常用全制動和緊急制動時(shí)車鉤力的變化情況。

圖9 兩類變坡點(diǎn)示意

經(jīng)過在“V”和“A”形變坡點(diǎn)上不同的初制動位置進(jìn)行多次仿真,發(fā)現(xiàn)列車前1/2長度越過變坡線路的變坡點(diǎn)處開始實(shí)施制動時(shí)整體車鉤力水平最大,因此以該位置為初始制動位置進(jìn)行縱向力分析。

由于在實(shí)際線路中α與β的取值及范圍不盡相同,大量仿真計(jì)算表明,在常用全制動和緊急制動下“V”形或“A”形變坡區(qū)段的坡度差對縱向力影響較大,而在同一坡度差條件下取不同的α與β對車鉤力的影響則較小,故將變坡點(diǎn)坡度差作為主要因素考慮。

圖10和圖11分別為A編組在不同坡度差的“V”形和“A”形坡道上的最大車鉤力分布。其中對于“V”形坡道來說,列車制動過程中壓鉤狀態(tài)比拉鉤狀態(tài)更為明顯,而對于“A”形坡道而言則相反;此外列車在前1/2長度越過兩類變坡點(diǎn)處開始制動時(shí),最大車鉤力均約出現(xiàn)在列車中部。

圖10 A編組(“1+1+1+1”編組形式)在不同坡度差的“V”形坡道上的最大壓鉤力分布

圖11 A編組(“1+1+1+1”編組形式)在不同坡度差的“A”形坡道上的最大拉鉤力分布

對在不同坡度差的“V”形和“A”形坡道上的常用全制動、緊急制動仿真結(jié)果進(jìn)行擬合,見圖12。圖12中,橫軸取正為“V”形變坡,橫取負(fù)為“A”形變坡。由圖12可知,“A”形坡道區(qū)段上拉鉤力對坡度差變化更敏感,當(dāng)坡度差大于5‰后最大拉鉤力均隨著坡度差的增大而線性增長;“V”形坡道區(qū)段則對壓鉤力敏感,當(dāng)坡度差大于5‰后最大壓鉤力隨坡度差線性增大。此外對于“A”形坡道區(qū)段,25 t軸重的3萬t“1+1+1+1”編組所允許的最大坡度差為13‰;對于“V”形坡道區(qū)段所允許的最大坡度差則為10‰。

圖12 A編組(“1+1+1+1”編組形式)最大車鉤力與坡度差的關(guān)系

2.4 車輛軸重對縱向力的影響

車輛軸重是貨車車輛設(shè)計(jì)中的重要基礎(chǔ)參數(shù)之一,實(shí)際運(yùn)營中采用大軸重貨車車輛編組可以有效地提高編組運(yùn)輸能力[15]。車輛軸重是貨車車輛設(shè)計(jì)中的重要基礎(chǔ)參數(shù)之一,實(shí)際運(yùn)營中采用大軸重貨車車輛編組可以有效地提高編組運(yùn)輸能力。對使用不同軸重車輛的A、C兩類編組進(jìn)行仿真分析,兩類編組均為“1+1+1+1”編組形式,其中A編組使用25 t軸重C80敞車,C編組使用30 t軸重KM98漏斗車,兩類編組牽引載重均為3.2萬t。對比兩類編組在平直道上以初速60 km/h進(jìn)行常用全制動和緊急制動停車過程中的最大壓鉤力表現(xiàn),兩類編組的主從控機(jī)車無線同步操控延時(shí)均為3 s,結(jié)果見圖13。

圖13 不同軸重車輛編組下兩類制動方式的最大壓鉤力沿車位分布

由圖13可知,采用30 t軸重車輛編組的C編組與采用25 t軸重車輛編組的A編組相比,在常用全制動和緊急制動下的最大壓鉤力平均下降約40%。其主要原因:①30 t軸重車輛制動率(重車,常用制動時(shí))為12.3%,比25 t軸重的低3.6%;②30 t軸重編組長度比25 t的略短,約縮短108 m。從縱向動力學(xué)表現(xiàn)來看,當(dāng)線橋隧和裝備等條件具備后,大軸重車輛更適合重載運(yùn)輸。

3 結(jié)論

1)通過對C96(H)貨車編組在平直道上進(jìn)行列車縱向動力學(xué)仿真計(jì)算,其計(jì)算規(guī)律與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果高度吻合,表明本文重載組合列車縱向動力學(xué)模型與數(shù)值算法具有良好的精度。

2)組合列車在緊急制動時(shí),使用ECP制動系統(tǒng)比使用3 s無線同步操控延時(shí)的LOCOTROL系統(tǒng)壓鉤力水平可下降25%～55%,但常用全制動下壓鉤力無明顯下降。

3)基于大秦線線路條件,為保證25 t軸重的3萬t “1+1+1+1”編組全線常態(tài)化安全運(yùn)行,無線同步操縱延時(shí)應(yīng)控制在3 s以內(nèi);若發(fā)生無線通信故障,在有較大“V”形變坡坡度差的線路上制動時(shí)可用的空氣制動減壓量不應(yīng)超過50 kPa,平直道上減壓量不超過60 kPa。

4)為保證3 s無線同步操控延時(shí)的25 t軸重3萬t“1+1+1+1”編組安全運(yùn)行,“A”形變坡區(qū)段允許的最大坡度差為13‰,“V”形變坡區(qū)段允許的最大坡度差為10‰。

5)30 t軸重車輛編組的3萬t組合列車與25 t軸重車輛編組列車相比,常用全制動和緊急制動下的車鉤力平均下降約40%。