王蒙　魏偉　張淵　張軍　余鵬　趙旭寶　劉博陽

摘要：重載列車事故多與車鉤力過大相關(guān)，降低車鉤力是重載列車最需優(yōu)先考慮的因素。本文利用列車縱向動力學(xué)仿真系統(tǒng)，仿真分析了3萬噸列車各種編組模式的車鉤力水平。根據(jù)列車運行使用常用制動和可能的最大車鉤力發(fā)生工況，選擇常用制動減壓50 kPa制動停車、常用制動減壓170 kPa、緊急制動和常用制動減壓50 kPa后緩解四種工況分析各種編組列車車鉤力水平。計算結(jié)果表明，3萬噸重載列車車鉤力最優(yōu)編組方案為1＋108＋1＋108＋1＋108＋1，常用制動減壓50 kPa、170 kPa和緊急制動最大壓鉤力分別為-426 kN、-900 kN、-1447 kN，常用制動減壓50 kPa后緩解最大拉鉤力為446 kN。1＋162＋1＋162＋1編組方案次之，1＋1＋1＋324編組方案不適合3萬噸列車。

關(guān)鍵詞：重載列車；列車編組；車鉤力；常用制動；緊急制動

中圖分類號：U292.3+1 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.05.011

文章編號：1006-0316 （2023） 05-0065-06

Comparative Study on Coupler Force of 30，000-Ton Heavy-Haul Train Formation Scheme

WANG Meng1，WEI Wei2，ZHANG Yuan2，ZHANG Jun2，YU Peng3，ZHAO Xubao4，LIU Boyang5

（ 1.CHN Energy Railway Equipment Co.， Ltd.， Beijing 100011， China; 2.College of Locomotive and Rolling Stock Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， China; 3.Meishan CRRC Brake Science & Technology Co.， Ltd.， Meishan 620010，China; 4.School of Computer and Communication Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， China;

5.CRRC Taiyuan Co.， Ltd.， Taiyuan 030027， China ）

Abstract：Heavy haul train accidents are mostly related to excessive coupler force， for that reason， reducing the coupler force is the most essential task for heavy haul trains. In this paper， the train longitudinal dynamics simulation system is used to simulate and analyze the coupler force level of the possible formations of 30，000-ton trains. According to the service brakes used in train operation and the working condition with the potential maximum coupler force， four brake conditions are analyzed： the service brake with a pressure reduction of 50 kPa， the service brake with 170 kPa reduction， the emergency brake and the service brake released after a pressure reduction of 50 kPa. The results show that the optimal formation scheme for the coupler force of a 30，000-ton heavy haul train is 1+108+1+108+1+108+1， in which the maximum compressed coupler forces of the service brake with the pressure reduction of 50 kPa and 170 kPa and the emergency brake are -426 kN， - 900 kN and -1447 kN， and the maximum coupler force released after the service brake with 50 kPa reduction is 446 kN. The 1+162+1+162+1 is the second-best scheme， and 1+1+1+324 is unsuitable for 30，000-ton trains because of the excessive coupler force.

Key words：heavy haul train；train formation；coupler force；service brake；emergency brake

2萬噸列車是我國目前重載運輸最長編組列車，其運行經(jīng)驗表明車鉤力是重載列車運行的限制性因素，因此開行3萬噸列車首先要解決車鉤力問題。影響3萬噸列車車鉤力的主要因素有編組方式、操縱方法、機車牽引和電制動特性、車輛的制動特性以及線路狀況等。在機車車輛裝備和線路固定的條件下，決定3萬噸列車車鉤力的主要因素就是列車編組和操縱方法，合理的列車編組能夠有效降低車鉤力水平。因此在開行前，確定最合理的編組形式是3萬噸列車需要解決的問題，而在不具備各種編組列車試驗的條件下，仿真方法是研究列車編組的最有效手段。

王軍[1]分析了大秦線單元萬噸列車、1萬噸組合列車以及2萬噸組合列車編組方式，并探討了大秦線3、4萬噸組合重載列車編組方案發(fā)展方向。王磊[2]基于重載列車編組方案、機輛配置、裝卸需求等方面，進行了2.5、3萬噸重載組合列車編組方案的模擬計算。Colin Cole等[3]進行了不同牽引速度和不同列車配置下的列車起動動力學(xué)模擬仿真，對車鉤力進行模擬仿真比較，分析了改善列車縱向動力學(xué)的途徑。

3萬噸列車目前為止國內(nèi)僅進行過一次固定列車編組試驗，對于其他列車編組暫沒有開展試驗研究，地面制動沒有完成其他編組試驗，因此3萬噸列車其他編組方式下的制動特性以及車鉤力缺少試驗數(shù)據(jù)。由于國內(nèi)制動試驗臺實驗容量最多為150輛車，還不具備試驗3萬噸列車各種編組制動特性的條件，所以獲得3萬噸列車各種列車編組的制動特性難度較大，而制動特性又是影響列車縱向沖動的主要因素，制動特性不準(zhǔn)確會導(dǎo)致車鉤力預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)誤差。使用某種固定編組的實驗特性擬合出其他列車編組的制動特性具有不可信性，因此現(xiàn)有條件下，通過仿真獲取制動系統(tǒng)特性，在此基礎(chǔ)上仿真分析3萬噸列車縱向沖動水平是唯一可行的途徑。TABLDSS是具備列車空氣制動系統(tǒng)與縱向動力學(xué)聯(lián)合仿真的系統(tǒng)[4]，它采用空氣流動理論計算列車空氣制動系統(tǒng)中的氣體流動，基于剛體動力學(xué)計算列車縱向動力學(xué)。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在組合列車空氣制動性能預(yù)測中[5]，仿真結(jié)果與真實試驗結(jié)果具有較好的吻合度[6-7]，已廣泛應(yīng)用在大秦鐵路和朔黃鐵路的日常事故、操縱方法優(yōu)化中[8]。該系統(tǒng)參加國際縱向動力學(xué)評測，在計算精度和計算速度上都名列前茅[9]，本文使用該仿真系統(tǒng)預(yù)測3萬噸各種編組列車的車鉤力。

1 列車編組方案及仿真計算條件

根據(jù)朔黃鐵路機車車輛特點，在使用神8機車和C80/C80B車輛的條件下，一臺神8機車具備牽引萬噸列車的能力，因此3萬噸列車最少需要3臺神8機車。在考慮列車尾部具備充風(fēng)能力、能提升緩解性能的情況下，可以在列車尾部增加一臺具備充風(fēng)能力的較小動力機車。考慮到列車運輸組織、機車車輛固有性能等各方面因素，3萬噸列車可能的編組方案為：

方案1：1＋108＋1＋108＋1＋108＋1；

方案2：1＋108＋1＋108＋1＋108＋可控列尾；

方案3：1＋162＋1＋162＋1；

方案4：1＋1＋1＋324＋可控列尾。

由于試驗數(shù)據(jù)中缺少3萬噸列車主從控機車之間的時間差，暫時根據(jù)2萬噸列車試驗結(jié)果選取2 s作為主從機車間指令延遲時間；車輛間使用牽引桿，2車一組；車輛均裝有120-1控制閥，列車管定壓為600 kPa；列車運行初速度70 km/h，為了僅分析由制動特性差異造成的車鉤力變化，計算時選擇平直線路，消除了線路影響。真實的線路運行會存在空氣制動、線路、機車牽引電制動產(chǎn)生的力疊加，其車鉤力有可能會比單獨空氣制動的車鉤力更大。

目前2萬噸列車的正常操縱基本僅有減壓50 kPa空氣制動以及減壓后緩解。極端情況會使用大減壓量常用制動，其最大減壓量是減壓170 kPa制動，同時還考慮了極端情況發(fā)生緊急制動的可能性。因此選擇了四種工況作為車鉤力評價工況，分別為：減壓50 kPa制動、減壓170 kPa制動，緊急制動，減壓50 kPa后緩解。

可控列尾采用目前朔黃鐵路使用的具有緊急排風(fēng)功能的可控列尾，同時假定可控列尾在緊急制動時不會發(fā)生故障，排風(fēng)速度可以按照緊急標(biāo)準(zhǔn)排風(fēng)。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 減壓50 kPa制動車鉤力

3萬噸不同編組列車在平直線路上以初速度70 km/h運行減壓量50 kPa制動時最大車鉤力沿車長的分布如圖1所示。這里最大車鉤力是指在完整的制動過程中每個車輛承受的最大拉伸車鉤力和最大壓縮車鉤力，沿車長分布曲線是將每個車輛最大拉伸車鉤力和最大壓縮車鉤力分別連線獲得。車序號包含機車。

由圖1可以看出，在制動過程中車鉤力總體水平都不高，列車壓縮車鉤力略大于拉伸車鉤力。

方案1最大車鉤力為-426 kN，發(fā)生在93車；方案2最大車鉤力為-486 kN，發(fā)生在238車，方案1壓縮車鉤力略小于方案2，最大壓縮車鉤力發(fā)生位置略有后移。方案1除前部少量車外，整個列車所有壓縮車鉤力差異不大，都在-350 kN左右；拉伸車鉤力受力特點是，多數(shù)車輛受力在150 kN以內(nèi)，少量區(qū)域受力略大，如75、170、270車附近，最大達到344 kN。多數(shù)車輛方案1、2拉伸車鉤力差異很小，在200～275車范圍內(nèi)方案1拉伸車鉤力略大于方案2，最大差異約100 kN。

方案3、4車鉤力的總體趨勢仍然是壓縮車鉤力大于拉伸車鉤力，列車前部受到的壓縮車鉤力較大，列車后部受到的拉伸車鉤力較大。方案3車鉤力要小于方案4。方案3最大壓縮車鉤力為-481 kN，發(fā)生在99車；方案4最大壓縮車鉤力為-604 kN，發(fā)生在111車。方案4的40～190車，壓縮車鉤力都在-400 kN以上，明顯大于方案1～3對應(yīng)的車鉤力，190車后各車輛壓縮車鉤力較小，明顯低于方案1～3。從拉伸車鉤力看，方案3中列車后部承受較大拉伸車鉤力的車輛數(shù)目明顯多于方案1、2，而方案4又明顯多于方案3。方案3、4最大車鉤力值和發(fā)生車位分別為427 kN、244車，462 kN、195車。各種編組減壓50 kPa制動最大車鉤力如表1所示。

列車四種編組方案減壓50 kPa制動的總體車鉤力都比較小，從車鉤力大小以及較大車鉤

力車輛數(shù)評價四個編組方案，并進行評價排序，則從好到差的順序為：方案1、方案3、方案2、方案4。

2.2 減壓170 kPa制動車鉤力

減壓170 kPa常用制動時車鉤力沿車長分布如圖2所示?？梢钥闯?，在大減壓常用制動時，列車中壓縮車鉤力明顯大于拉伸車鉤力，四種方案拉伸車鉤力均較小，差異不大，此處重點分析壓縮車鉤力。

方案1壓縮車鉤力最小，發(fā)生在第一從控機車前鉤，最大值為-900 kN，整個列車壓縮車鉤力基本呈魚腹型分布，最大魚腹處位于列車1/3處。方案3除第一小列（3萬噸列車由3小列萬噸列車組成）部分車輛壓縮車鉤力大于方案1對應(yīng)車輛外，其余車輛壓縮車鉤力基本與方案1持平，最大壓縮車鉤力發(fā)生在58車，最大值為-1073 kN。方案2壓縮車鉤力也呈非對稱魚腹型分布，最大壓縮車鉤力發(fā)生在列車2/3處，即從控2機車所在位置，最大壓縮車鉤力達到-2597 kN。方案4壓縮車鉤力呈含魚尾的魚腹型分布，最大壓縮車鉤力發(fā)生在131車，最大值為-3326 kN。

表2列出了四種編組方案下減壓170 kPa制動時列車最大車鉤力。根據(jù)車鉤力極值大小進行排列，四種方案從好到壞的順序為：方案1、方案3、方案2、方案4。

2.3 緊急制動車鉤力

四種編組方案緊急制動最大車鉤力沿車長分布如圖3所示?？梢钥闯?，與減壓170 kPa常用制動車鉤力最大的區(qū)別是，緊急制動時不僅有較大的壓縮車鉤力，同時在壓縮車鉤力回彈時會產(chǎn)生較大的拉伸車鉤力。

首先分析壓縮車鉤力，僅在157～283車范圍內(nèi)，方案1壓縮車鉤力略小于方案2，其他車輛這兩個方案壓縮車鉤力幾乎一致。這是因為假定了列尾裝置具有緊急排風(fēng)功能，盡管排風(fēng)速度和機車有所差別，但是它能夠引發(fā)尾部車輛緊急排風(fēng)，從而使緊急制動向前傳播，其最終效果與尾部機車效果基本相當(dāng)。方案1和方案2最大壓縮車鉤力發(fā)生車位和大小基本相同，方案1最大壓縮車鉤力為-1447 kN，方案2為-1390 kN，均發(fā)生在218車，位于從控2機車前鉤。方案3壓縮車鉤力較方案1和方案2更大，多車處于-1300～-1500 kN范圍，僅有前部和230～290范圍內(nèi)的車壓縮車鉤力略小，但多數(shù)也在-800 kN以上。方案4壓縮車鉤力最大，最大值達到-2688 kN，發(fā)生在112車，大多數(shù)車輛壓縮車鉤力均在-1800 kN以上，僅有50車以前和185～231范圍內(nèi)車輛壓縮車鉤力略小，在-1000～-1800 kN范圍內(nèi)。

接著分析拉伸車鉤力，方案1和方案2拉伸車鉤力均在1000 kN以下，這兩個方案多數(shù)車輛拉伸車鉤力基本相當(dāng)，僅有106～160車范圍內(nèi)，方案2的拉伸車鉤力略大于方案1。方案3后部車輛發(fā)生較大拉伸車鉤力，在250～300車范圍內(nèi)拉伸車鉤力達到1000 kN以上。方案4拉伸車鉤力更大，并且發(fā)生較大拉伸車鉤力的范圍在方案3基礎(chǔ)上進一步擴大，在190～270車范圍內(nèi)達到1500 kN以上，最大值達到2000 kN。表3列出了緊急制動時四種列車編組的最大車鉤力及發(fā)生車位。

從緊急制動拉伸車鉤力與壓縮車鉤力數(shù)值和發(fā)生區(qū)域評價，四種方案按從優(yōu)到劣的順序排列為：方案1、方案2、方案3，方案4。

方案2中可控列尾具有緊急排風(fēng)能力，因此能快速發(fā)生緊急制動，但其排風(fēng)能力對車鉤力影響非常明顯，不同的排風(fēng)特性車鉤力也會差異較大，因此真實列車中如果可控列尾排風(fēng)效果不好，則有可能車鉤力比上述預(yù)測結(jié)果更惡劣。

2.4 減壓50 kPa后緩解車鉤力

重載列車最常用的調(diào)速使用減壓50 kPa常用制動，制動后緩解是為下一次制動做好充分準(zhǔn)備。目前運行的2萬噸列車由于采用可控列尾技術(shù)，使得空氣制動時同步性大為提升，制動時車鉤力降低非常明顯，所以制動車鉤力已經(jīng)不是重載列車主要矛盾，而緩解成為了目前2萬噸列車車鉤力大的主要工況。3萬噸列車同樣使用減壓50 kPa進行調(diào)速，因此減壓50 kPa制動后緩解工況也需要特別關(guān)注。3萬噸四種編組在減壓50 kPa后緩解下的最大拉伸車鉤力和最大壓縮車鉤力沿車長分布如圖4所示。

從方案1和3的拉伸與壓縮車鉤力看，兩種方案效果基本相當(dāng)，說明兩種尾部有機車的方案緩解一致性較好，盡管方案3相比于方案1兩機車中間的車輛數(shù)略多，緩解傳播時間差略長，但車鉤力水平差異不大，方案3緩解最大車鉤力比方案1大約100 kN。兩種方案拉壓車鉤力基本都保持在500 kN以內(nèi)，方案3僅有少量車拉伸車鉤力略大，達到570 kN左右?？傮w來說，兩種尾部有機車方案緩解時都表現(xiàn)出較小的車鉤力的特點。方案2壓縮車鉤力與方案1和3差異不大，但拉伸車鉤力較大，最大值達到1577 kN，發(fā)生在從控2機車偏后車輛，其主要原因是可控列尾沒有充風(fēng)功能，后部車輛緩解時間很晚。方案2總體拉伸車鉤力都較大，除了前面50輛車外，其余車輛緩解時車鉤力都達到1000 kN以上。方案4車鉤力更大，最突出的是拉伸車鉤力較大，80輛車以后各車輛拉伸車鉤力都達到1600 kN以上，最大車鉤力發(fā)生在244車，最大值1947 kN，發(fā)生較大拉伸車鉤力的原因是方案4尾部沒有充風(fēng)能力，機車全部集中在列車前部，尾部車輛開始緩解時間比方案2更晚，在較大拉伸車鉤力發(fā)生后又出現(xiàn)明顯的反彈壓縮車鉤力，最大壓縮車鉤力發(fā)生在98車，值為-1460 kN，在40～225車范圍內(nèi)壓縮車鉤力都達到-1000 kN以上。如此大的拉伸與壓縮車鉤力會給3噸列車帶來安全隱患，因此方案4不適合3萬噸列車。

表4列出了減壓50 kPa制動后緩解時四種列車編組的最大車鉤力及發(fā)生車位。

通過分析重載列車可能用到的四種工況發(fā)現(xiàn)，方案4編組車鉤力很大，完全不適合3萬噸列車。其余的三種列車編組在四種工況的車鉤力具有不同的表現(xiàn)，總的來講方案1具有較小的車鉤力，方案3在常用制動以及常用制動緩解中車鉤力小于方案2，但在緊急制動時車鉤力要大于方案2。綜合考慮3萬噸常用的調(diào)速情況和各工況車鉤力水平，以車鉤力評價列車編組，由好到壞的順序為：方案1、方案3、方案2。

3 結(jié)論

使用列車空氣制動與縱向動力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，仿真了四種3萬噸列車編組方式的最大車鉤力水平，得出如下結(jié)論：

（1）常用制動和常用制動后緩解時，1＋108＋1＋108＋1＋108＋1編組車鉤力最小；1＋162＋1＋162＋1方案次之。

（2）緊急制動時，1＋108＋1＋108＋1＋108＋1編組車鉤力最小，1＋108＋1＋108＋1＋108＋可控列尾方案次之。

（3）1＋1＋1＋324列車編組在所有工況中車鉤力最大，多種工況車鉤力已超過重載列車車鉤力標(biāo)準(zhǔn)，這種編組不適合3萬噸列車。

（4）根據(jù)3萬噸重載列車各工況使用頻率和車鉤力水平，四種編組由好到壞的順序為：1＋108＋1＋108＋1＋108＋1、1＋162＋1＋162＋1、1＋108＋1＋108＋1＋108＋可控列尾、1＋1＋1＋324。

由于列車編組是一項涉及面較廣的工作，不僅要考慮車鉤力，還要考慮機車使用的經(jīng)濟性、調(diào)車的便利性、組成列車的可行性等諸多方面，所以本研究從車鉤力角度給出列車編組建議，僅供有關(guān)部門參考。

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收稿日期：2022-09-16

作者簡介：王蒙（1990－），女，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為鐵路機車車輛，E-mail：20027251@ceic.com。