王宏宇

貨車連掛方式對(duì)萬(wàn)噸重載列車循環(huán)制動(dòng)過(guò)程縱向沖動(dòng)影響分析

王宏宇

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司大準(zhǔn)鐵路公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

基于縱向動(dòng)力學(xué)理論，分析了貨車連掛分別采用車鉤、兩連掛和三連掛的3種萬(wàn)噸重載列車編組在長(zhǎng)大下坡道上循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中的縱向沖動(dòng)特征，結(jié)果表明：3種列車編組循環(huán)制動(dòng)周期內(nèi)車鉤力和加速度沿列車方向分布規(guī)律一致，其最大拉鉤力和最大壓鉤力均出現(xiàn)在列車中部，最大加速度出現(xiàn)在列車端部；列車循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中的最大車鉤力出現(xiàn)在制動(dòng)緩解后，車鉤力呈現(xiàn)出“先拉后壓”的趨勢(shì)；制動(dòng)初速對(duì)循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中的縱向沖動(dòng)影響較小，其縱向車鉤力和加速度均隨車鉤間隙增大而增大。實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)根據(jù)線路條件合理搭配使用牽引桿，兼顧其啟動(dòng)和曲線通過(guò)能力。

重載列車；循環(huán)制動(dòng)；縱向沖動(dòng)；車鉤；牽引桿

重載列車憑借其運(yùn)量大、成本低的特點(diǎn)，在煤炭等大宗商品運(yùn)輸中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)能源的需求也不斷增長(zhǎng)，重載鐵路運(yùn)輸也越來(lái)越受到重視。我國(guó)重載線路條件復(fù)雜，曲線坡道眾多，列車在運(yùn)行過(guò)程中通常需要進(jìn)行循環(huán)制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速，在此過(guò)程中車鉤緩沖器緩裝置的狀態(tài)會(huì)在拉鉤和壓鉤之間轉(zhuǎn)換，引起列車的縱向沖動(dòng)，對(duì)車輛的緩沖器結(jié)構(gòu)造成巨大破壞，同時(shí)嚴(yán)重影響列車運(yùn)行穩(wěn)定性，威脅列車運(yùn)行安全性[1-3]。由于我國(guó)重載列車編組形式多樣，相同操縱模式下其縱向沖動(dòng)存在一定差異，因此針對(duì)采用不同貨車連掛方式重載列車的縱向沖動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析有助于進(jìn)一步掌握列車縱向沖動(dòng)規(guī)律，提升運(yùn)行品質(zhì)。本文以萬(wàn)噸重載列車為對(duì)象，對(duì)比分析了采用不同貨車連掛方式的萬(wàn)噸重載列車在循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中的縱向沖動(dòng)特征。

1 萬(wàn)噸重載列車編組

隨著列車編組長(zhǎng)度不斷增大，其縱向車鉤間隙亦隨之增加，縱向沖動(dòng)問(wèn)題不斷凸顯[4-5]。為了降低列車運(yùn)行過(guò)程中的縱向沖動(dòng)，國(guó)內(nèi)外重載列車廣泛采用牽引桿技術(shù)來(lái)減小車鉤自由間隙。雖然采用牽引桿能有效降低車鉤間隙，但其對(duì)列車起動(dòng)和曲線通過(guò)產(chǎn)生不利影響，實(shí)際中一般將牽引桿與車鉤搭配使用[6]。圖1展示了國(guó)內(nèi)重載列車中貨車常用的16/17號(hào)聯(lián)鎖式車鉤和RFC型牽引桿。牽引桿的端部結(jié)構(gòu)與車鉤鉤尾結(jié)構(gòu)相同，可以在不加裝輔助設(shè)備的條件下進(jìn)行互換。對(duì)于使用牽引桿的列車，通常以2輛或3輛貨車為一個(gè)基本單元（即兩連掛和三連掛單元），在單元內(nèi)部采用牽引桿連接，單元之間仍采用車鉤連接，這種編組方式可以在降低車鉤間隙的同時(shí)兼顧列車的起動(dòng)和曲線通過(guò)能力。

本文針對(duì)我國(guó)最常見(jiàn)的三種不同貨車連掛方式的萬(wàn)噸重載列車進(jìn)行分析，各編組列車均采用SS4機(jī)車雙機(jī)重聯(lián)牽引108輛C80貨車，機(jī)車連掛采用13號(hào)車鉤（QKX100型緩沖器），其貨車連掛方式分別為：編組A列車中貨車之間全部采用車鉤連接；編組B列車采用兩連掛單元模式；編組C列車采用三連掛單元模式；貨車緩沖器均采用MT-2型摩擦式減振器。

圖1 車輛連掛裝置

2 縱向動(dòng)力學(xué)分析模型

基于多體動(dòng)力學(xué)理論，建立不同編組模式萬(wàn)噸重載列車縱向動(dòng)力學(xué)分析模型，模型中詳細(xì)考慮空氣制動(dòng)特性、鉤緩裝置遲滯特性及各種運(yùn)行阻力等。

2.1 列車模型

列車縱向動(dòng)力學(xué)模型中將各節(jié)機(jī)車（或貨車）考慮為只有縱向自由度的質(zhì)點(diǎn)，如圖2所示。通過(guò)對(duì)不同位置車輛進(jìn)行受力分析，構(gòu)建列車的運(yùn)動(dòng)微分方程組，如下[7]：

第1節(jié)車為：

第節(jié)車為：

第節(jié)車為：

式中：＝2～(－1)，為模型中車輛總數(shù)；為車輛質(zhì)量，kg；F為車鉤力，N；F為運(yùn)行阻力，包含基本運(yùn)行阻力、曲線阻力、起動(dòng)阻力及坡道阻力等，N；F為機(jī)車牽引力，N；F為機(jī)車電阻制動(dòng)力，N；F為空氣制動(dòng)力，N；為車輛位移，m。

2.2 車鉤緩沖器裝置模型

車鉤緩沖器模型是列車縱向動(dòng)力學(xué)的核心，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響十分明顯。本文基于落錘試驗(yàn)得到的緩沖器遲滯特性曲線，建立了鉤緩裝置模型，如圖3所示。模型中詳細(xì)考慮了緩沖器的非線性遲滯特性，此外還考慮了車鉤間隙（對(duì)于牽引桿，其間隙為零）、預(yù)壓力、緩沖器最大行程等因素的影響，其數(shù)學(xué)模型如式（4）和式（5）所示[8]。

圖2 列車縱向模型

圖3 鉤緩裝置

式中：F為緩沖器阻抗力，N；l為緩沖器加載過(guò)程阻抗力，N；f為緩沖器卸載過(guò)程阻抗力，N；Δ為相鄰車輛的位移差，m；Δ為相鄰車輛的速度差，m/s；為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.3 空氣制動(dòng)模型

根據(jù)《列車牽引計(jì)算規(guī)程》[9]，機(jī)車車輛的空氣制動(dòng)力可由各閘瓦的實(shí)算閘瓦壓力與其對(duì)應(yīng)的實(shí)算摩擦系數(shù)φ乘積的總和得到，即：

各閘瓦的實(shí)算閘瓦壓力為：

式中：d為制動(dòng)缸直徑，mm；p為制動(dòng)缸空氣壓力，kPa；η為基礎(chǔ)制動(dòng)裝置計(jì)算傳動(dòng)效率；γ為制動(dòng)倍率；n為制動(dòng)缸數(shù)；n為閘瓦數(shù)。

對(duì)于列車采用的高磨合成閘瓦，其實(shí)算摩擦系數(shù)為：

式中：為列車運(yùn)行速度。

列車的空氣制動(dòng)信號(hào)通過(guò)空氣波自機(jī)車向貨車依次傳遞，貨車制動(dòng)機(jī)接受信號(hào)后開始實(shí)施制動(dòng)，不同位置的制動(dòng)作用存在差異，致使列車產(chǎn)生縱向沖動(dòng)。列車不同位置車輛的空氣制動(dòng)特性通過(guò)制動(dòng)缸升壓曲線來(lái)表示，本文采用多參數(shù)數(shù)學(xué)模型描述其壓力變化特性，即[10]：

式中：t為第輛車制動(dòng)缸開始充氣時(shí)間，s；Δ,i為第輛車與第1輛車制動(dòng)缸充氣時(shí)間差，s；為制動(dòng)控制閥特性參數(shù)；max為制動(dòng)缸壓力最大值，kPa；為制動(dòng)波速特性參數(shù)；為為制動(dòng)缸充氣特性參數(shù)；為制動(dòng)延時(shí)最長(zhǎng)的車輛位置；1和t分別為第1輛和第輛車制動(dòng)缸開始充氣時(shí)間，s；1和T分別為第1輛和第輛車制動(dòng)缸充氣時(shí)間，s；t為制動(dòng)缸壓力上升達(dá)最大的時(shí)間，s。

3 仿真結(jié)果分析

針對(duì)3種不同萬(wàn)噸重載列車編組，選取坡度為12‰的長(zhǎng)大下坡道，分析列車在下坡道上實(shí)施循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中的縱向沖動(dòng)。計(jì)算時(shí)，列車制動(dòng)初速分別取60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h和80 km/h，其緩解速度取35 km/h。

以列車制動(dòng)初速為80 km/h為例，圖4和圖5分別展示了3種編組列車在下坡道上循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中一個(gè)制動(dòng)周期內(nèi)的車鉤力和加速度沿列車縱向方向的分布情況。從圖4中可以看出，3種編組列車?yán)^力和壓鉤力沿列車縱向分布規(guī)律相同，其最大拉鉤力和最大壓鉤力均出現(xiàn)在列車中部位置，但不同編組的車鉤力大小存在顯著差異，其中編組A列車的拉鉤力和壓鉤力均大于其他兩個(gè)編組、而編組C的車鉤力最小。從圖5中可以看出，不同編組模式列車加速度沿列車縱向分布亦表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，但分布規(guī)律與車鉤力分布規(guī)律不同，列車頭部車輛和尾部車輛的加速度較中部車輛更大，其中編組A列車加速度顯著較大、而編組C列車縱向加速度最小。由于編組A中貨車均采用車鉤連接，其自由間隙較編組B和C列車更大，在車鉤狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，較大的自由間隙使得車輛相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度更大，加劇了車輛間的沖擊作用，編組C中牽引桿數(shù)量更多，其車鉤間隙最小，因此其縱向沖動(dòng)最低。

圖4 車鉤力沿列車縱向分布（制動(dòng)初速80 km/h）

圖5 加速度沿列車縱向分布（制動(dòng)初速80 km/h）

為了進(jìn)一步研究不同編組列車中車輛縱向沖動(dòng)的規(guī)律，以列車第60位車鉤為例，圖6展示了3種編組列車的車鉤力時(shí)程圖?？梢钥闯?，列車在制動(dòng)初期，由于不同位置車輛制動(dòng)時(shí)間不一致，會(huì)產(chǎn)生較大的壓鉤力；當(dāng)列車制動(dòng)緩解后，鉤緩裝置狀態(tài)變化，車鉤力會(huì)產(chǎn)生巨大波動(dòng)，由于緩解同樣是沿列車從前往后傳遞，前部車鉤先產(chǎn)生較大的拉鉤力隨后產(chǎn)生加大的壓鉤力。從圖6放大圖可以看出，緩解過(guò)程中編組A列車的最大拉鉤力和最大壓鉤力均大于其他兩個(gè)編組，采用三連桿單元的編組C列車車鉤力最小。

圖6 不同編組列車車鉤力時(shí)程圖（第60位車鉤）

圖7和圖8分別展示了不同制動(dòng)初速條件下3種編組列車在一個(gè)循環(huán)制動(dòng)周期內(nèi)縱向車鉤力和縱向加速度。

圖7 不同制動(dòng)初速條件下縱向車鉤力

圖8 不同制動(dòng)初速條件下縱向加速度

由圖7可知，同一編組列車在不同制動(dòng)初速條件下的最大拉鉤力和最大壓鉤力的差異較小，且拉鉤力均大于壓鉤力；對(duì)于3種編組列車，在制動(dòng)初速相同的條件下，編組A列車的車鉤力最大，而編組C列車的車鉤力最小。從圖8中可以看出，各編組列車在不同制動(dòng)初速條件下的縱向加速度有一定差別，但總體差異不大；相同制動(dòng)初速條件下，3種編組列車的縱向加速度表現(xiàn)出與車鉤力相同的規(guī)律，即編組A列車縱向加速度最大、編組C加速度最小。由此可知，制動(dòng)初速對(duì)列車在下坡道上循環(huán)制動(dòng)的縱向沖動(dòng)影響較小，主要原因在于循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中沖動(dòng)最大的時(shí)刻出現(xiàn)在制動(dòng)緩解后，制動(dòng)初期的車鉤力相對(duì)較小。

4 結(jié)論

針對(duì)貨車連掛分別采用車鉤、兩連掛和三連掛的3種列車編組，基于多體動(dòng)力學(xué)理論建立了列車縱向動(dòng)力學(xué)分析模型，分析了不同制動(dòng)初速條件下列車在12‰長(zhǎng)大下坡道上循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中的縱向沖動(dòng)特征，結(jié)論如下：

（1）3種列車編組在循環(huán)制動(dòng)周期內(nèi)其車鉤力和加速度沿列車方向分布規(guī)律一致，其最大拉鉤力和最大壓鉤力均出現(xiàn)在列車中部，最大加速度出現(xiàn)在列車端部。

（2）列車循環(huán)制動(dòng)周期內(nèi)，其最大車鉤力均出現(xiàn)在制動(dòng)緩解后，且車鉤力呈“先拉后壓”的趨勢(shì)。

（3）制動(dòng)初速對(duì)列車循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中的縱向沖動(dòng)影響較小，不同制動(dòng)初速條件下其縱向車鉤力和加速度均隨車鉤間隙的增大而增大。

雖然增加牽引桿數(shù)量能有效減小車鉤間隙、降低列車縱向沖動(dòng)，但實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)根據(jù)線路條件合理搭配使用牽引桿，兼顧其啟動(dòng)和曲線通過(guò)能力。

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Influence Analysis of Connecting Mode on Longitudinal Impulse of 10,000t Heavy Haul Train during Cycle Braking

WANG Hongyu

(Shenghua Group Zhungeer Energy Co., Ltd., Dazhun Railway Company, Ordos 017000, China)

On the basis of longitudinal dynamics theory, the longitudinal impulse characteristics of three types of 10,000t heavy haul trains formation with couplers, 2-packs and 3-packs on the long downhill during cyclic braking are analyzed respectively. The results show that the distribution of coupler force and acceleration along train is consistent in the three types of train formation during cycle braking. The maximal pulling force and pressing force happen in the middle of the train, and the maximal acceleration happens at the end of the train. The maximal coupler force happens after the release of the brake, and the coupler force shows a trend of ‘pulling first and pressing later’. The initial braking speed has little influence on the longitudinal impulse during cycle braking, and the coupler force and longitudinal acceleration increase with the increase of coupler clearance. In practical application, the drawbar should be utilized properly according to the line conditions to balance the starting and curve passing capacity of the train.

heavy-haul train；cycle braking；longitudinal impulse；coupler；drawbar

U272.2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.02.005

1006－0316 (2020) 02－0025－06

2019－08－22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子任務(wù)（2017YFB1201302-09）

王宏宇（1967－），男，蒙古族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，本科，高級(jí)工程師、總工程師，主要研究方向?yàn)殍F路運(yùn)輸管理。