段明民

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081)

重載鐵路技術(shù)以其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低而受到世界各國(guó)的廣泛重視，貨運(yùn)重載化也成為鐵路貨運(yùn)發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)于鐵路貨運(yùn)，開(kāi)行大軸重、長(zhǎng)大編組列車(chē)是重載鐵路的主要運(yùn)輸方式。

長(zhǎng)大重載列車(chē)的制動(dòng)技術(shù)是重載運(yùn)輸發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]。傳統(tǒng)的列車(chē)受到空氣制動(dòng)系統(tǒng)的固有特性制約，列車(chē)制動(dòng)、緩解時(shí)延較長(zhǎng)，導(dǎo)致列車(chē)各車(chē)輛間的縱向作用力大，給列車(chē)運(yùn)行安全帶來(lái)隱患。國(guó)外的ECP系統(tǒng)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-3]，而我國(guó)尚缺乏相應(yīng)的成套技術(shù)。近年來(lái)我國(guó)針對(duì)重載列車(chē)采用ECP系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[4-6]針對(duì)重載列車(chē)的ECP模式和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討，文獻(xiàn)[7-8]建立了ECP系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)各種制動(dòng)工況的性能其進(jìn)行了計(jì)算仿真；文獻(xiàn)[9-10]利用制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)ECP系統(tǒng)的相關(guān)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。本試驗(yàn)以瓦日線30 t軸重線路和機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)自主化重載列車(chē)電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)線路區(qū)間

列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全的重要性主要體現(xiàn)在列車(chē)調(diào)速和停車(chē)等操縱上，而其中以長(zhǎng)大下坡道的制動(dòng)調(diào)速尤為關(guān)鍵。因此需要選擇典型的線路區(qū)段進(jìn)行試驗(yàn)。

瓦日線瓦塘～湯陰東區(qū)段限制坡度為6/13‰(重車(chē)上坡/下坡)，湯陰東～日照南區(qū)段限制坡度為6‰，速度目標(biāo)值為120 km/h，設(shè)計(jì)牽引質(zhì)量為10 000 t，部分區(qū)段為5 000 t，到發(fā)線有效長(zhǎng)1 700 m，部分區(qū)段為1 050 m，自動(dòng)閉塞。綜合瓦日線各方面情況，選擇壺關(guān)至平順區(qū)間為主要試驗(yàn)線路區(qū)間。區(qū)間線路縱斷面條件如圖1所示。

圖1 瓦日線壺關(guān)至平順試驗(yàn)區(qū)間線路情況

1.2 試驗(yàn)機(jī)車(chē)車(chē)輛

試驗(yàn)采用HXD1F型和HXD2F型八軸交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)軸重30 t，軸式B0-B0。最高運(yùn)用速度100 km/h，機(jī)車(chē)單軸功率1 200 kW，整車(chē)牽引輪周功率為9 600 kW，持續(xù)速度為50 km/h，起動(dòng)牽引力為910 kN，機(jī)車(chē)持續(xù)牽引力為691 kN，最大再生制動(dòng)力510 kN。

試驗(yàn)貨車(chē)為30 t軸重的C96和C96H型專(zhuān)用敞車(chē)，自重24 t，載重96 t，采用DZ4/DZ5型轉(zhuǎn)向架。鉤緩裝置為16號(hào)、17號(hào)車(chē)鉤和RFC型牽引桿，HM-1型緩沖器。制動(dòng)機(jī)采用120-1車(chē)輛控制閥，加裝電控制動(dòng)裝置，基礎(chǔ)制動(dòng)分別為DAB-1型和BAB-1型集成制動(dòng)裝置，915D型高摩合成閘瓦。

1.3 自主化電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)

國(guó)產(chǎn)的自主化電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)基于既有的120型(120-1型)車(chē)輛控制閥，通過(guò)在120閥的中間體加裝電空制動(dòng)控制模塊，與車(chē)輛控制模塊相連，再通過(guò)連接電纜和車(chē)間連接器實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)之間的連接，形成電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于120型(120-1型)控制閥，管路接口和安裝尺寸均無(wú)需任何變化。同時(shí)，當(dāng)ECP系統(tǒng)發(fā)生故障，只需將ECP系統(tǒng)斷電，列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)則轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)工作方式。在與未安裝ECP系統(tǒng)的車(chē)輛編組時(shí)，也可采取斷電措施實(shí)施聯(lián)掛。因此，自主化ECP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的最大程度兼容。

1.4 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

為研究30 t軸重重載機(jī)車(chē)和貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的性能及其匹配關(guān)系，對(duì)比分析不同編組列車(chē)情況下空氣制動(dòng)與ECP系統(tǒng)的制動(dòng)性能差異，根據(jù)重載列車(chē)的操縱特點(diǎn)，結(jié)合試驗(yàn)線路條件，設(shè)計(jì)重載列車(chē)的制動(dòng)試驗(yàn)方案：①不同編組條件下的列車(chē)靜置試驗(yàn)；②在不同線路工況 (平直道和最大坡度為-11‰的下坡道)下的制動(dòng)停車(chē)試驗(yàn)；③長(zhǎng)大下坡道條件下的列車(chē)操縱和制動(dòng)調(diào)速試驗(yàn)。

試驗(yàn)列車(chē)編組分別為HXD2F/HXD1F牽引66輛C96貨車(chē)(8 000 t)，HXD1F牽引84輛C96貨車(chē)(10 000 t)，HXD2F和HXD1F重聯(lián)牽引100輛C96貨車(chē)(12 000 t)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 ECP技術(shù)特性研究

與傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)相比，自主化ECP電控制動(dòng)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)原理、作用方式的不同，在制動(dòng)/緩解同步性、再充風(fēng)特性、制動(dòng)缸壓力、緩解模式等方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.1.1制動(dòng)/緩解同步性

(1)出閘時(shí)間和開(kāi)緩時(shí)間

傳統(tǒng)空氣制動(dòng)采用列車(chē)管減壓傳遞制動(dòng)指令，而列車(chē)管的排風(fēng)在常用制動(dòng)時(shí)主要依賴(lài)機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)的中繼閥和車(chē)輛制動(dòng)機(jī)的局減作用，制動(dòng)/緩解波速受到列車(chē)管空氣壓力波的傳播速度限制，目前120-1型空氣制動(dòng)閥的常用制動(dòng)波速約為210 m/s，緊急制動(dòng)波速約為250 m/s。而ECP電控制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳遞制動(dòng)指令，同步性?xún)H受到網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延影響。

考慮列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速以較小級(jí)別的常用制動(dòng)為主，選取空氣制動(dòng)的減壓70 kPa和ECP系統(tǒng)的15%常用制動(dòng)來(lái)進(jìn)行對(duì)比。HXD2F機(jī)車(chē)牽引12 000 t列車(chē)編組時(shí)各個(gè)位置的車(chē)輛制動(dòng)缸出閘時(shí)間和開(kāi)緩時(shí)間如圖2和圖3所示。

圖2 空氣制動(dòng)與ECP系統(tǒng)制動(dòng)缸出閘時(shí)間

圖3 空氣制動(dòng)與ECP系統(tǒng)制動(dòng)缸開(kāi)始緩解時(shí)間

從圖2和圖3看出：采用空氣制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)各測(cè)試斷面車(chē)輛制動(dòng)缸依據(jù)其在機(jī)后位置的遠(yuǎn)近依次出閘和緩解，機(jī)后第1位先動(dòng)作，列車(chē)后部車(chē)輛后動(dòng)作，制動(dòng)出閘時(shí)間的間隔取決于車(chē)輛制動(dòng)控制閥的制動(dòng)波速和靈敏度。而ECP制動(dòng)系統(tǒng)采用電纜貫穿全部的機(jī)車(chē)和車(chē)輛，并利用該電纜進(jìn)行電力和數(shù)據(jù)的傳輸，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)和車(chē)輛之間進(jìn)行制動(dòng)指令傳輸和雙向數(shù)據(jù)交換。由于采用電指令傳輸，各車(chē)輛的制動(dòng)和緩解指令傳輸快，制動(dòng)動(dòng)作同步性很好。所有的ECP系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果均保持了極好的一致性，而空氣制動(dòng)時(shí)各車(chē)制動(dòng)出閘時(shí)間最大相差8 s，緩解時(shí)間最大相差20 s。

(2)制動(dòng)升壓時(shí)間

ECP制動(dòng)實(shí)施時(shí)，各車(chē)的車(chē)輛制動(dòng)控制裝置能控制各車(chē)制動(dòng)缸基本以同一速率升壓，而空氣制動(dòng)受120-1閥的特性決定，其升壓時(shí)間較長(zhǎng)，升壓速率較慢。10 000 t 列車(chē)編組空氣制動(dòng)和ECP系統(tǒng)緊急制動(dòng)升壓曲線如圖4所示。

使用空氣制動(dòng)和ECP系統(tǒng)的不同噸位列車(chē)編組常用全制動(dòng)升壓時(shí)間對(duì)比見(jiàn)圖5。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，使用ECP系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)的常用全制動(dòng)和緊急制動(dòng)升壓時(shí)間比空氣制動(dòng)時(shí)顯著縮短，列車(chē)制動(dòng)力建立較迅速。各列車(chē)編組使用ECP系統(tǒng)，常用全制動(dòng)升壓時(shí)間為11.6～12.8 s，緊急制動(dòng)的升壓時(shí)間為8.8～10.7 s，制動(dòng)缸升壓較快，且速率基本一致，可縮短列車(chē)制動(dòng)空走時(shí)間和空走距離。

圖4 緊急制動(dòng)升壓曲線

圖5 不同位置貨車(chē)常用全制動(dòng)升壓時(shí)間對(duì)比

2.1.2制動(dòng)缸最高壓力

傳統(tǒng)空氣制動(dòng)受副風(fēng)缸和制動(dòng)缸容積比例限制，列車(chē)管定壓500 kPa時(shí)，車(chē)輛制動(dòng)缸最高壓力為360 kPa。ECP制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)緊急制動(dòng)按鈕施加緊急制動(dòng)。在緊急制動(dòng)時(shí)，ECP不會(huì)排空列車(chē)管壓力，并且在制動(dòng)過(guò)程中仍然不斷給副風(fēng)缸供風(fēng)。因此，在列車(chē)管定壓500 kPa實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸壓力快速上升至約360 kPa后，由于車(chē)輛副風(fēng)缸受到列車(chē)管持續(xù)充風(fēng)，副風(fēng)缸壓力不斷升高，制動(dòng)缸最高壓力也可達(dá)到420 kPa。

圖6 ECP系統(tǒng)緊急時(shí)的制動(dòng)缸壓力

2.1.3再充風(fēng)特性

在ECP制動(dòng)系統(tǒng)中不再依賴(lài)列車(chē)管減壓傳遞制動(dòng)指令，列車(chē)管作為供風(fēng)管實(shí)時(shí)為車(chē)輛副風(fēng)缸充風(fēng)。ECP系統(tǒng)實(shí)施制動(dòng)時(shí)由于副風(fēng)缸直接往制動(dòng)缸充風(fēng)，副風(fēng)缸壓力也會(huì)有所降低，ECP制動(dòng)系統(tǒng)從制動(dòng)開(kāi)始實(shí)施時(shí)就對(duì)車(chē)輛副風(fēng)缸進(jìn)行再充風(fēng)，而傳統(tǒng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)需要在列車(chē)緩解后才開(kāi)始對(duì)車(chē)輛副風(fēng)缸充風(fēng)，再充風(fēng)特性存在明顯差異。

對(duì)于ECP制動(dòng)系統(tǒng)，再充風(fēng)時(shí)間為從制動(dòng)開(kāi)始至尾部副風(fēng)缸壓力充至定壓的時(shí)間，而空氣制動(dòng)的再充風(fēng)時(shí)間為列車(chē)開(kāi)始緩解至尾部副風(fēng)缸壓力充至定壓的時(shí)間。以列車(chē)制動(dòng)力(制動(dòng)缸壓力)為橫坐標(biāo)，列車(chē)再充風(fēng)時(shí)間為縱坐標(biāo)，HXD2F牽引8 000 t列車(chē)編組定壓500 kPa時(shí)的再充風(fēng)性能對(duì)比如圖7所示。

圖7 制動(dòng)缸壓力-再充風(fēng)時(shí)間曲線

從圖7看出，由于ECP制動(dòng)時(shí)列車(chē)管本身不減壓，減少了壓力空氣的消耗量，因此對(duì)于同樣的列車(chē)制動(dòng)力需求，ECP制動(dòng)的再充風(fēng)時(shí)間小于空氣制動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)缸壓力越高時(shí)，其時(shí)間差異越顯著。

2.1.4緩解模式

相比空氣制動(dòng)的階段制動(dòng)、一次緩解模式，ECP制動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)階段制動(dòng)和階段緩解(重車(chē)狀態(tài))。HXD2F機(jī)車(chē)牽引8 000 t列車(chē)編組分別采用空氣制動(dòng)和ECP系統(tǒng)時(shí)的階段制動(dòng)和階段緩解曲線如圖8所示。

在長(zhǎng)大下坡道進(jìn)行循環(huán)制動(dòng)調(diào)速時(shí)，現(xiàn)有的車(chē)輛空氣制動(dòng)機(jī)采用一次緩解模式，制動(dòng)后緩解才能再充風(fēng)，實(shí)施制動(dòng)時(shí)如果列車(chē)管減壓量偏小會(huì)控制不住列車(chē)速度的增加，而減壓量偏大時(shí)會(huì)造成列車(chē)速度快速下降，同時(shí)還會(huì)使制動(dòng)后的緩解再充風(fēng)時(shí)間更長(zhǎng)，從而大大降低列車(chē)的緩解速度。因此，空氣制動(dòng)對(duì)司機(jī)的要求更高，在操縱時(shí)實(shí)施列車(chē)管減壓和緩解時(shí)列車(chē)的緩解速度要求相對(duì)準(zhǔn)確。ECP制動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)階段緩解，使司機(jī)在操縱上更加靈活方便，可通過(guò)階段制動(dòng)和階段緩解來(lái)調(diào)節(jié)列車(chē)制動(dòng)力，使列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道上的降速過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)和緩慢，對(duì)司機(jī)在長(zhǎng)大下坡道的操縱要求相應(yīng)降低，提高了重載列車(chē)在通過(guò)長(zhǎng)大坡道時(shí)的安全性。

圖8 階段制動(dòng)和緩解時(shí)壓力曲線

2.2 ECP運(yùn)行性能研究

由于ECP制動(dòng)系統(tǒng)的上述技術(shù)特性，使得裝備ECP制動(dòng)系統(tǒng)的30 t軸重重載列車(chē)在運(yùn)行性能的各項(xiàng)指標(biāo)也得到明顯提高和改善。

2.2.1縱向動(dòng)力學(xué)性能

采用空氣制動(dòng)時(shí)列車(chē)前后部車(chē)輛制動(dòng)和緩解動(dòng)作的不一致導(dǎo)致列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)性能變差，列車(chē)容易產(chǎn)生較大的車(chē)鉤力和劇烈的縱向沖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐闪熊?chē)斷鉤和脫軌事故。當(dāng)重載列車(chē)編組越長(zhǎng)時(shí)，列車(chē)縱向沖動(dòng)的現(xiàn)象越明顯。而ECP制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)/緩解同步性好，車(chē)輛與車(chē)輛間的相互作用力小，可明顯改善列車(chē)的縱向動(dòng)力學(xué)性能，車(chē)鉤力顯著減小，縱向沖動(dòng)明顯減小。

不同編組列車(chē)在全部制動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)工況(循環(huán)制動(dòng)調(diào)速、常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)停車(chē)等)下測(cè)得的壓鉤力和縱向加速度最大值如圖9所示。

圖9 列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比

從圖9看出，ECP制動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)縱向動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于空氣制動(dòng)。當(dāng)編組列車(chē)長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，縱向動(dòng)力學(xué)性能改善作用越明顯。12 000 t編組時(shí)最大壓鉤力減小53%，最大縱向加速度減小68%。空氣制動(dòng)時(shí)，各指標(biāo)最大值基本都出現(xiàn)在緊急制動(dòng)工況；ECP制動(dòng)時(shí)各工況出現(xiàn)最大值的機(jī)率較為平均，更容易受到試驗(yàn)時(shí)的具體操縱影響。使用ECP制動(dòng)系統(tǒng)的重載列車(chē)表現(xiàn)出明顯較好的縱向動(dòng)力學(xué)性能。

2.2.2制動(dòng)距離

空氣制動(dòng)的制動(dòng)波速相對(duì)較慢，而且制動(dòng)缸升壓過(guò)程也相對(duì)較慢，而ECP制動(dòng)能夠迅速響應(yīng)司機(jī)的制動(dòng)/緩解操縱。同時(shí)，在定壓500 kPa時(shí)，ECP系統(tǒng)的緊急制動(dòng)壓力不受副風(fēng)缸和制動(dòng)缸容積比較的限制，可達(dá)到420 kPa。采用ECP制動(dòng)系統(tǒng)的重載列車(chē)制動(dòng)空走時(shí)間較短，縮短了制動(dòng)空走距離，使列車(chē)制動(dòng)停車(chē)距離較空氣制動(dòng)時(shí)有較大幅度的縮短。定壓600 kPa時(shí)各列車(chē)編組初速80 km/h平直道緊急制動(dòng)距離對(duì)比如圖10所示。

圖10 初速80 km/h平直道緊急制動(dòng)距離對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)，使用ECP制動(dòng)系統(tǒng)均可顯著縮短列車(chē)制動(dòng)距離。與使用自動(dòng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)相比，其制動(dòng)距離縮短幅度為8%～14%。

2.2.3長(zhǎng)大下坡道通過(guò)能力

由于ECP系統(tǒng)的再充風(fēng)特性使得列車(chē)管實(shí)時(shí)為車(chē)輛副風(fēng)缸充風(fēng)，列車(chē)制動(dòng)受副風(fēng)缸再充風(fēng)時(shí)間的限制基本消除，同時(shí)裝用ECP制動(dòng)系統(tǒng)的重載列車(chē)具有階段緩解功能，為司機(jī)操縱提供了更多的靈活性和便利性，重載列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道的運(yùn)行安全性得到提高，同時(shí)列車(chē)的平均運(yùn)行速度也大幅提高。

8 000 t列車(chē)編組使用空氣制動(dòng)和ECP制動(dòng)在長(zhǎng)大下坡道進(jìn)行限速80 km/h循環(huán)制動(dòng)調(diào)速試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)大下坡道平均運(yùn)行速度對(duì)比(8 000 t編組，限速80 km/h)

3 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明：電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)采用電信號(hào)傳遞制動(dòng)指令，傳輸時(shí)間短，與空氣制動(dòng)相比，在制動(dòng)/緩解同步性、制動(dòng)缸最高壓力、再充風(fēng)特性及緩解模式等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。ECP系統(tǒng)的制動(dòng)/緩解同步性好，列車(chē)管作為供風(fēng)管實(shí)時(shí)為車(chē)輛副風(fēng)缸充風(fēng)，制動(dòng)后再充風(fēng)時(shí)間短，列車(chē)再制動(dòng)能力得到增強(qiáng)，同時(shí)具有階段緩解功能，使重載列車(chē)操縱更加靈活。

(2)30 t軸重重載列車(chē)采用自主化電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)，可減小重載列車(chē)的車(chē)輛間由于制動(dòng)和緩解不同步帶來(lái)的縱向力，緊急制動(dòng)和常用制動(dòng)調(diào)速過(guò)程中車(chē)鉤力和列車(chē)沖動(dòng)減小，可顯著改善列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)性能；列車(chē)的制動(dòng)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，制動(dòng)距離縮短；重載列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道的運(yùn)行安全性得到提高，同時(shí)列車(chē)的平均運(yùn)行速度也大幅提高。

(3)本次試驗(yàn)以瓦日線30 t軸重線路和機(jī)車(chē)車(chē)輛技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)自主化重載列車(chē)電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和試驗(yàn)研究。研究成果對(duì)今后重載列車(chē)裝備電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)及瓦日線開(kāi)行30 t軸重載列車(chē)具有指導(dǎo)意義。