魏偉,蔣勇,張淵,趙旭寶,張軍
(1.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.眉山中車制動(dòng)科技有限公司,四川 眉山 620010;3.大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院,遼寧 大連116028)*
重載列車以高效率、低成本在世界鐵路貨運(yùn)中被廣泛采用,在大宗貨物長距離運(yùn)輸中發(fā)揮了重要作用.因重載列車列車長、重量大,其突出的問題是列車縱向沖動(dòng)明顯加劇,零部件過早疲勞損壞,甚至脫軌、斷鉤事故時(shí)有發(fā)生,因此降低列車縱向沖動(dòng)是重載列車重點(diǎn)研究課題.
列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)特性的不同步是列車縱向沖動(dòng)主要根源,純空氣傳播的制動(dòng)系統(tǒng)依靠壓縮空氣傳遞控制信號(hào),因受空氣傳播速度的限制,通過提升純空氣制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)波速不能徹底解決列車縱向沖動(dòng)問題.為解決制動(dòng)系統(tǒng)不同步問題,美國等國家開發(fā)了電控制動(dòng)系統(tǒng)(ECP),該系統(tǒng)使用電信號(hào)傳播控制指令,極大地提升了信號(hào)傳遞速度,改善了列車制動(dòng)同步性,電控制動(dòng)系統(tǒng)目前已經(jīng)在許多國家廣泛使用,取得了很好的效果[1].美國的電控制動(dòng)系統(tǒng)是直通式電控制動(dòng)系統(tǒng),與我國列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)不兼容,采用美國式ECP需要對(duì)我國的車輛制動(dòng)系統(tǒng)徹底改造,費(fèi)用高,周期長,因此ECP制動(dòng)系統(tǒng)在我國一直沒有得到應(yīng)用.通過仿真系統(tǒng)研究新型電空制動(dòng)系統(tǒng),從而確定新型電空制動(dòng)系統(tǒng)原理的正確性以及降低縱向沖動(dòng)效果對(duì)于新型電空制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義.
美國在2012年提出了新的機(jī)車及車輛空氣制動(dòng)仿真系統(tǒng)[2-3].韓國使用制動(dòng)系統(tǒng)建模方法研究貨運(yùn)列車緩解性能的改進(jìn)[4],意大利建立了貨運(yùn)列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)模型[5-6],波蘭建立制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,它們使用了有限元方法求解氣體流動(dòng)方程[7].中國在上個(gè)世紀(jì)90年代開始列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)仿真研究工作[8],并且隨后建立了貨車使用的GK、KZ1、120等分配閥組成的列車空氣制動(dòng)仿真系統(tǒng)[9-12].意大利針對(duì)歐洲貨運(yùn)列車開發(fā)了縱向動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)[13],意大利開展了ECP模型及對(duì)應(yīng)縱向動(dòng)力學(xué)分析[14],2017年澳大利亞中昆士蘭大學(xué)發(fā)布縱向動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試題,對(duì)6個(gè)國家9套仿真系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)測[15].到目前為止,空氣制動(dòng)系統(tǒng)建模研究僅限于對(duì)已有的空氣制動(dòng)系統(tǒng),對(duì)于新型的分組式電空制動(dòng)及其對(duì)應(yīng)的縱向動(dòng)力學(xué)行為開展模型研究還沒有先例.
本文提出了一種分組式電空制動(dòng)系統(tǒng),能夠與我國列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)完全兼容,具有改造成本低,改造期間未改造和改造車輛可以兼容等特點(diǎn).本文使用文獻(xiàn)[16]中參加評(píng)測的TABLDSS仿真系統(tǒng)對(duì)新型電空制動(dòng)系統(tǒng)和縱向動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析,為新型電空制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).
分組式電空制動(dòng)是一種新的電控制空氣制動(dòng)新方式,它通過在部分車輛中安裝電控裝置實(shí)現(xiàn)部分車輛快速排風(fēng)能力,加速列車制動(dòng)同步性.與ECP直通式電控制動(dòng)系統(tǒng)不同的是,該裝置不是控制副風(fēng)缸向制動(dòng)缸充風(fēng),而是控制列車管排風(fēng),因此該裝置與我國的現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)完全兼容,適應(yīng)我國的貨運(yùn)列車空氣制動(dòng)系統(tǒng).分組式概念是列車中不需要對(duì)每個(gè)車輛安裝電控排風(fēng)裝置,可以將列車看成許多組短列車組成,每組短列車安裝一套電控裝置,可以極大降低車輛改造費(fèi)用.
分組電空制動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.
圖1 截?cái)嗍椒纸M電空制動(dòng)示意圖
分組電空制動(dòng)有兩種模式,一種為截?cái)嗍椒纸M電空制動(dòng)系統(tǒng),如圖1所示,其特點(diǎn)是每組電空制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)完全獨(dú)立,在緩解時(shí)各組之間管路聯(lián)通.在制動(dòng)時(shí),電控管路截?cái)嘌b置將列車分為許多組,使每組之間列車管路不再連通,同時(shí)電控排風(fēng)裝置排風(fēng),使列車管壓強(qiáng)下降,每組內(nèi)車輛分配閥在列車管壓強(qiáng)下降時(shí)逐漸進(jìn)入制動(dòng)位;緩解時(shí),電控截?cái)嘌b置打開,列車中列車管內(nèi)氣體可以在每組車輛間流動(dòng),使機(jī)車中主風(fēng)缸氣體不斷流入列車管,隨著各車輛位置列車管壓強(qiáng)的升高,車輛分配閥逐漸進(jìn)入緩解位,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸排風(fēng),列車管、副風(fēng)缸、加速緩解風(fēng)缸充風(fēng)的目的.在制動(dòng)過程中,電信號(hào)無時(shí)差地傳遞給每一組車輛的電控排風(fēng)裝置,因此各組車輛中的電控排風(fēng)裝置幾乎同步排風(fēng).每組車輛中,電控排風(fēng)裝置排風(fēng)后,制動(dòng)減壓信號(hào)不斷向組內(nèi)其他車輛傳播,實(shí)現(xiàn)組內(nèi)其他車輛的制動(dòng)作用,因此在制動(dòng)時(shí)制動(dòng)波傳播方式為兩種形式,一種是電信號(hào)直接控制電控排風(fēng)裝置,可以做到所有電控裝置幾乎同步排風(fēng),另一種方式是組內(nèi)車輛靠傳統(tǒng)的壓縮氣體減壓傳遞制動(dòng)信號(hào).在制動(dòng)時(shí)相當(dāng)于列車中分布于各位置的多個(gè)機(jī)車同步排風(fēng)的效果,制動(dòng)時(shí)等價(jià)于多個(gè)短列車同時(shí)制動(dòng).緩解時(shí)列車管截?cái)嘌b置打開,其作用相當(dāng)于組成一個(gè)慣通的列車,與現(xiàn)有的列車緩解過程完全相同.這種分組式電空制動(dòng)適合長重載列車,當(dāng)列車中有些車輛處于上坡,有些車輛處于下坡的情況下,每組電控排風(fēng)裝置可以獨(dú)立控制,能夠?qū)崿F(xiàn)上坡車輛不制動(dòng)、下坡車輛制動(dòng)的功能.
第二種模式的分組電控制動(dòng)系統(tǒng)為連通式分組電空制動(dòng)系統(tǒng),這種方式與截?cái)嗍椒纸M電控制動(dòng)的差異就是取消電控列車管截?cái)嘌b置.僅在每組列車中安裝一套電控排風(fēng)裝置,這種裝置僅能夠?qū)崿F(xiàn)各組的同步控制,不可以實(shí)現(xiàn)異步控制.在制動(dòng)時(shí)的傳播特點(diǎn)與傳統(tǒng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)不同,與截?cái)嗍诫娍罩苿?dòng)系統(tǒng)也不同.其基本原理是機(jī)車發(fā)出電控信號(hào)后,電控排風(fēng)裝置幾乎同步排風(fēng),各車輛列車管減壓信號(hào)一方面來自于電控排風(fēng)裝置,同時(shí)機(jī)車正常減壓作用也向后傳遞,兩種減壓作用同時(shí)發(fā)揮效果.
第二種連通式分組電空制動(dòng)裝置已經(jīng)由眉山制動(dòng)科技有限公司開發(fā)出樣品,并且已經(jīng)在列車試驗(yàn)臺(tái)上完成了實(shí)驗(yàn).
連通式分組電空制動(dòng)裝置物理模型如圖2所示.
圖2 帶有電控裝置的車輛制動(dòng)原理圖
一節(jié)車輛制動(dòng)系統(tǒng)模型中包含兩根列車主管(一根主管在主管與支管連接處劃分為兩根主管)和一根支管;三根缸間連接管,分別是主閥下腔連接制動(dòng)缸、副風(fēng)缸和加速緩解風(fēng)缸連接管;7個(gè)缸室,分別是120閥的主閥上、下腔,制動(dòng)缸,副風(fēng)缸,加速緩解風(fēng)缸,緊急室以及電控裝置的均衡風(fēng)缸.除孔φ10~φ12是電控排風(fēng)裝置孔徑外,其余9個(gè)孔均與120分配閥狀態(tài)相關(guān).與分配閥狀態(tài)相關(guān)的孔和分配閥內(nèi)移動(dòng)部件位置相關(guān),在制動(dòng)與緩解過程中,這些孔徑均在不斷變化,其開放條件與開口度大小在有關(guān)文獻(xiàn)中已詳細(xì)介紹,本文重點(diǎn)介紹電控裝置動(dòng)作原理.
來自機(jī)車的電控信號(hào)直接控制電控裝置中均衡風(fēng)缸排氣口φ10面積,中繼閥再根據(jù)均衡風(fēng)缸和分配閥上腔(與列車管連通)的壓強(qiáng)差來確定中繼閥工作狀態(tài),當(dāng)上述壓強(qiáng)差達(dá)到工作條件時(shí),φ11孔開放,實(shí)現(xiàn)列車管壓縮空氣經(jīng)主閥上腔排入大氣的目的,實(shí)現(xiàn)列車管遙控減壓功能.均衡風(fēng)缸排氣終止壓強(qiáng)受機(jī)車遙控信號(hào)控制,與司機(jī)大閘的制動(dòng)減壓量相等,當(dāng)均衡風(fēng)缸減壓量達(dá)到機(jī)車指令設(shè)定減壓量后,均衡風(fēng)缸排氣口φ10關(guān)閉.列車管排氣口φ11開放后,隨著列車管壓強(qiáng)下降,均衡風(fēng)缸和列車管間壓強(qiáng)差不斷減小,當(dāng)兩者平衡時(shí),中繼閥關(guān)閉φ11孔,列車管停止遙控減壓(以區(qū)別于列車管局部減壓和機(jī)車排風(fēng)口減壓造成的列車管的減壓).當(dāng)電控裝置接收到機(jī)車大閘緩解遙控指令時(shí),遙控裝置將開通φ12孔,此時(shí)φ12孔通過一個(gè)虛擬管路(圖中虛線)與均衡風(fēng)缸連通,此時(shí)列車管中空氣通過分配閥上腔流入均衡風(fēng)缸,實(shí)現(xiàn)均衡風(fēng)缸充氣功能,當(dāng)均衡風(fēng)缸與列車管最終壓力平衡時(shí),均衡風(fēng)缸φ12孔關(guān)閉,均衡風(fēng)缸停止充風(fēng).同時(shí)電控裝置接收到機(jī)車緩解信號(hào)時(shí),將φ7孔打開,實(shí)現(xiàn)加速緩解風(fēng)缸向主閥上腔充風(fēng)(再充到列車管)的功能.
均衡風(fēng)缸排氣面積表達(dá)如下:
(1)
函數(shù)f均是均衡風(fēng)缸排氣口面積函數(shù),在初始接收到電控排氣指令時(shí)由機(jī)車減壓量確定均衡風(fēng)缸的初始排風(fēng)口,其后隨著均衡風(fēng)缸減壓量接近最終減壓量,排氣口面積逐漸減小,直至關(guān)閉.Δp均,Δpend分別為均衡風(fēng)缸減壓量和機(jī)車指令減壓量.
列車管排氣口開度計(jì)算如下:
(2)
函數(shù)f列是列車管排氣口面積函數(shù),其開口面積與列車管減壓量和均衡風(fēng)缸減壓量之差相關(guān),當(dāng)列車管減壓量與均衡風(fēng)缸減壓量相等時(shí),排氣口關(guān)閉.Δp列為列車管減壓量.
均衡風(fēng)缸進(jìn)氣孔計(jì)算方法:
(3)
當(dāng)電控裝置接收到緩解電信號(hào)指令時(shí),如果列車管壓強(qiáng)高于均衡風(fēng)缸壓強(qiáng),則按f均充表達(dá)式的進(jìn)氣面積給均衡風(fēng)缸充風(fēng),其開口面積決定于均衡風(fēng)缸和列車管壓強(qiáng)差.p均,p列分別為均衡風(fēng)缸和列車管壓強(qiáng).
分組式電空制動(dòng)系統(tǒng)中電控裝置接收電信號(hào)后會(huì)有機(jī)械部件運(yùn)動(dòng),最后實(shí)現(xiàn)排氣功能.理論上電信號(hào)傳遞滯后時(shí)間可以忽略,但是考慮到機(jī)械系統(tǒng)滯后特性以及電信號(hào)傳遞過程中可能衰減,電控裝置可能接收到非第一個(gè)信號(hào)才開始發(fā)生作用的可能性,本仿真系統(tǒng)假設(shè)電控裝置初始動(dòng)作方式(這里均指均衡風(fēng)缸開始排氣或充氣)有三種方式,第一種方式為各電控裝置無時(shí)間差同步排氣/進(jìn)氣,即所有電控裝置和機(jī)車同步動(dòng)作,第二種傳遞方式為各電控裝置動(dòng)作時(shí)間按正態(tài)隨機(jī)分布規(guī)律變化,并且隨機(jī)變化時(shí)間范圍可變.第三種傳遞方式是按某一種波速由前到后傳遞,即勻速由前到后順序傳播.
在隨機(jī)傳遞方式中,考慮到可能的隨機(jī)變化范圍是2、4 s;在均勻傳遞方式中考慮1 000、2000m/s兩種傳遞波速.以萬噸列車為例,按某工廠設(shè)計(jì)的每輛車安裝一套電控裝置方案考慮, 三種傳遞方式各組電控裝置開始動(dòng)作時(shí)間沿車長分布如圖3、4所示.
圖3 各裝置隨機(jī)傳播動(dòng)作時(shí)間
圖4 各裝置同步和順序傳播時(shí)間
圖3中在電控裝置動(dòng)作時(shí)間按隨機(jī)分布變化且變化范圍為2 s時(shí),各裝置初始動(dòng)作時(shí)間按正態(tài)分布規(guī)律產(chǎn)生,變化范圍是0~2 s.對(duì)應(yīng)的隨機(jī)4 s計(jì)算方案是電控裝置初始動(dòng)作時(shí)間變化范圍為0~4s.圖4是電控裝置動(dòng)作時(shí)間按均勻速度從前到后傳播,圖中對(duì)應(yīng)三種傳播速度,第一種是傳播速度無窮大,即各電控裝置動(dòng)作時(shí)間完全一致,第二種傳遞速度是1 000 m/s,從列車前部傳動(dòng)尾部大約需要1.5 s,另一種是2 000 m/s傳播速度,尾車動(dòng)作時(shí)間正好是波速為1 000 m/s對(duì)應(yīng)列車尾車動(dòng)作時(shí)間的50%.
眉山制動(dòng)科技有限公司開發(fā)的分組電空制動(dòng)系統(tǒng)考慮到機(jī)車發(fā)送信號(hào)有一定難度,開發(fā)的電控排風(fēng)裝置是接力式傳遞方式.即前面電控裝置接收到減壓信號(hào)后,傳遞給下一個(gè)電控裝置.
眉山制動(dòng)科技有限公司實(shí)驗(yàn)中列車編組為108輛車輛,每間隔約10輛車安裝一組傳感器, 分別測試列車管,副風(fēng)缸和制動(dòng)缸壓強(qiáng).實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成了各種減壓量常用制動(dòng)實(shí)驗(yàn)和緊急制動(dòng)實(shí)驗(yàn),本文僅給出了減壓50 kPa列車管和制動(dòng)缸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖5~6所示.通過其分析制動(dòng)系統(tǒng)傳遞特性和列車管、制動(dòng)缸升壓特性,便于調(diào)整仿真系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)參數(shù).
圖5 減壓50 kPa制動(dòng)緩解列車管壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖6 減壓50 kPa制動(dòng)缸壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
從制動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果看列車管減壓傳播特性,各車輛列車管開始排氣順序仍然是由前到后,首 尾 車 開 始 減壓時(shí)間差約1.5 s. 從列車管減壓速率看,在560 kPa以上減壓速度較快,其后減壓速度減慢.從制動(dòng)缸升壓曲線看,開始較快,越往后越慢.首尾車制動(dòng)缸開始充氣時(shí)間差約1.0 s.制動(dòng)缸開始排氣順序也可以看做由前到后,有個(gè)別車輛排氣不按順序.
緩解時(shí)列車管、副風(fēng)缸充氣開始時(shí)間和制動(dòng)缸開始排氣時(shí)間也可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到,首尾車列車管開始充氣時(shí)間差約2.0 s.副風(fēng)缸首尾車開始充氣時(shí)間差約2.0 s,緩解時(shí)間比較均勻.
經(jīng)過詳細(xì)分析各車輛列車管和制動(dòng)缸初始?jí)毫ψ兓瘜?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)制動(dòng)波傳播方式基本為順序傳播方式,傳播速率約為1 000 m/s.因此使用仿真系統(tǒng)中的順序傳播方式仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)過程.圖7~8為減壓50 kPa制動(dòng)后緩解的仿真結(jié)果.
圖7 減壓50 kPa制動(dòng)及緩解列車管壓強(qiáng)仿真結(jié)果
圖8 減壓50 kPa制動(dòng)及緩解制動(dòng)缸壓強(qiáng)仿真結(jié)果
圖7和圖8的仿真結(jié)果基本上保證了列車管減壓傳播時(shí)間、減壓速率、減壓后穩(wěn)定壓強(qiáng)、緩解傳播時(shí)間、再充風(fēng)速度等指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相近性,同時(shí)各車輛制動(dòng)缸開始充氣時(shí)間、充氣速率、平衡壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性.各種減壓量常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)的結(jié)果均進(jìn)行的詳細(xì)的模擬與比較,證明仿真系統(tǒng)能較好地仿真分組式電空制動(dòng)的制動(dòng)與緩解特性.
開發(fā)分組式電空制動(dòng)系統(tǒng)的目的就是降低列車縱向沖動(dòng),因此了解這種制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于降低縱向沖動(dòng)的效果對(duì)于評(píng)價(jià)分組電空制動(dòng)系統(tǒng)非常重要,在沒有新制動(dòng)系統(tǒng)裝車前,仿真預(yù)測車鉤力降低效果是唯一的獲取分組電空制動(dòng)效果的途徑.在仿真系統(tǒng)具有與真實(shí)分組式電空制動(dòng)系統(tǒng)較好一致性的基礎(chǔ)上,仿真了各種編組列車的縱向沖動(dòng)和制動(dòng)能力變化,由于篇幅限制,僅給出了萬噸列車減壓170 kPa常用制動(dòng)的仿真結(jié)果,為便于結(jié)果比較選取平直線路,列車初速度為70 km/h.圖9為兩種制動(dòng)方式列車運(yùn)行速度和制動(dòng)距離隨時(shí)間變化情況.
圖9 減壓170 kPa制動(dòng)距離和速度比較
減壓170 kPa列車制動(dòng)與純空氣制動(dòng)相比,分組電空制動(dòng)具有更強(qiáng)的制動(dòng)能力,從制動(dòng)距離和列車速度下降看,兩者的差異較大.在純空氣制動(dòng)時(shí)停車距離為1 007 m,而分組式電空制動(dòng)停車距離為679 m;從停車時(shí)間看,純空氣制動(dòng)停車時(shí)間為75.2 s,分組電空制動(dòng)為52.6 s,以純空氣制動(dòng)為基準(zhǔn),分組式電空制動(dòng)制動(dòng)距離和停車時(shí)間分別縮短32.6%和30.0%.
圖10為萬噸列車減壓170 kPa車鉤力的變化,圖中車鉤力是指在制動(dòng)過程中每個(gè)車輛受到的最大拉伸車鉤力和最大壓縮車鉤力, 圖中所繪即最大車鉤力沿車長分布.
圖10 減壓170kPa兩種制動(dòng)方式車鉤力比較
由圖中車鉤力分布曲線看,壓縮車鉤力在純空氣制動(dòng)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位,最大壓縮車鉤力為674 kN(43車),采用分組電空制動(dòng)后最大壓縮車鉤力降低到294 kN (84車),車鉤力降低56.3%.在壓縮車鉤力降低的同時(shí),拉伸車鉤力略有增長,純空氣制動(dòng)時(shí)多數(shù)車輛沒有發(fā)生拉伸車鉤力,但是在電空制動(dòng)時(shí),多數(shù)車輛發(fā)生了拉鉤力,并且拉鉤力數(shù)值也有所增加,但是拉鉤力都在300 kN以下,相對(duì)較小,不會(huì)產(chǎn)生任何風(fēng)險(xiǎn).
通過系統(tǒng)的仿真萬噸列車在各種減壓量常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)工況,發(fā)現(xiàn)列車制動(dòng)能力和列車縱向沖動(dòng)都有不同程度的變化,與純空氣制動(dòng)相比,分組電空制動(dòng)制動(dòng)能力更強(qiáng),縱向沖動(dòng)都明顯減小,但是改變程度與減壓量息息相關(guān).常用制動(dòng)減壓量越大,制動(dòng)能力變化也越大,縱向沖動(dòng)降低效果也越明顯.緊急制動(dòng)時(shí)由于特殊的設(shè)計(jì)方法,電控裝置僅按常用速度排風(fēng),列車制動(dòng)距離變化不大,但是縱向沖動(dòng)降低比較明顯.
本文開發(fā)了一種分組式電空制動(dòng)模型,在與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近的條件下,使用模型方法預(yù)測了列車縱向沖動(dòng),得出如下結(jié)論:
(1) 基于氣體流動(dòng)理論和分配閥原理建立的分組電空制動(dòng)模型能較好地模擬分組電空制動(dòng)系統(tǒng)特性,較好的模擬列車制動(dòng)能力和縱向沖動(dòng);
(2) 分組電空制動(dòng)與純空氣制動(dòng)相比,列車制動(dòng)能力均有提升,制動(dòng)距離縮短.制動(dòng)距離縮短效果與減壓量有關(guān),減壓量越大制動(dòng)能力提升越強(qiáng),最強(qiáng)的提升制動(dòng)能力約為30%;
(3)分組電空制動(dòng)能有效降低制動(dòng)時(shí)車鉤力,減壓量大,車鉤力降低效果更明顯,最大車鉤力約降低56%.