摘"要：針對內(nèi)燃機車連掛救援復興號動車組工況下的縱向動力學性能展開研究.通過建立列車—車鉤緩沖器模型，詳細考慮了鉤緩系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運動關(guān)系，在此基礎(chǔ)上開展了車鉤作用力影響下的動力學性能研究、連掛救援動車組緊急制動分析、常用制動分析及救援動車組豎曲線安全性分析.通過上述研究得到車輛系統(tǒng)與車鉤系統(tǒng)的動力學響應(yīng)，并提出救援動車組緊急制動時的制動擋位限值.計算結(jié)果顯示，內(nèi)燃機車在直線上以40 km/h速度連掛救援復興號動車組可行，在15‰以下長大坡道上允許施加緊急制動.

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機車;動車組;連掛救援;制動等級

中圖分類號：U266.1

文獻標志碼：A

0"引"言

目前，我國救援動車組無動力回送限速為5 km/h，極大限制了動車組的救援效率.為了提高動車組的救援速度以便及時處置現(xiàn)場問題，開展動車組在典型線路條件下的救援速度限值研究十分必要.連掛救援動車組在牽引制動過程中產(chǎn)生的縱向沖擊是直接影響列車運行安全性的重要因素.其中，鉤緩系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到了維護運行安全性的重要作用，車鉤偏轉(zhuǎn)行為帶來的垂向力分量會造成車鉤與車體連接位置的結(jié)構(gòu)破壞^［1］.許多學者針對軌道車輛在不同運行工況下的救援連掛安全性^［2-3］，救援時的鉤高差影響^［4］，以及車鉤和緩沖器在碰撞過程中的作用力與變形量變化規(guī)律展開了試驗研究與仿真計算^［5］.

隨著對列車縱向動力學問題研究的逐步深入，鉤緩系統(tǒng)的建模也不斷細化，從早期分段線性函數(shù)模型^［2］逐步過渡到具有遲滯特性的緩沖器模型^［3］.目前，詳細的鉤緩動力學模型考慮了車鉤自由間隙和緩沖器非線性特性^［4-5］.在此基礎(chǔ)上，一些學者對動車組救援條件下的動力學行為展開研究，其中大部分研究針對直線或坡道條件下鉤緩裝置承壓偏轉(zhuǎn)行為和車鉤力變化規(guī)律^［6-11］.對于不同救援速度、不同坡道及豎曲線條件下緊急制動安全裕度的研究仍然較少.本研究通過建立列車—車鉤緩沖器動力學模型，在直線和不同坡度線路條件下，對列車動力學性能、鉤緩系統(tǒng)穩(wěn)定性、車體強度及制動性能可靠性等方面加以評估，確定動車組救援限速的具體適用工況，以及緊急制動時的制動擋位限值.

1"安全性限值

CR400AF動車組鉤尾框前托架可分為彈性變形、塑性變形和穿透破壞3種狀態(tài)，模型中考慮實際車鉤允許1 mm的塑性變形量，此時鉤尾框前托架垂向力限制值為80 kN.

按照渡板與風擋的位置關(guān)系，CR400AF動車組允許車端最大垂向相對位移為100 mm.柴田鉤頭鉤與車體相對位移不超過80 mm.以輪重減載率達到0.65作為列車運行安全性的評價值.車鉤力最大值不應(yīng)超過800 kN.柴田鉤車鉤單個緩沖器行程不能大于允許最大行程96 mm，柴田鉤中間鉤單個緩沖器行程不能大于允許最大行程56 mm.

2"救援列車動力學模型

2.1"典型動車組鉤緩裝置結(jié)構(gòu)

國內(nèi)動車組中間車鉤均采用柴田密接式自動車鉤，以及10型車鉤.其中，10型車鉤相比柴田鉤而言，其結(jié)構(gòu)更為簡單，其動力學模型可簡化為具有縱向、點頭和搖頭自由度的桿件.2種鉤緩裝置的結(jié)構(gòu)形式、建模方法與邊界條件可參考文獻［8］.

2.2"內(nèi)燃機車與動車組動力學模型

圖 1為本研究采用多體動力學仿真軟件SIMPACK建立的救援列車與鉤緩系統(tǒng)動力學模型.列車模型由1臺機車、3節(jié)整車和1個具有縱向自由度的質(zhì)量塊組成.其中，救援機車位于列車的前部，被救援動車組位于列車的后部，靠近連掛斷面的車輛分別為被救援列車C1、C2和C3，其余被救援列車采用具有縱向自由度的質(zhì)量塊代替，靠近連掛斷面依次為被救援列車的斷面1和斷面2.

2.3"邊界條件與安全限值

為研究動車組無動力回送5 km/h限速提高的可行性，設(shè)立如下動車組救援工況邊界條件：

1）考慮坡道（0、±20‰、±25‰和±30‰），機車（有制動）救援動車組（無制動），制動按速度等級20、40、60和80 km/h進行緊急制動核算，在考慮車鉤強度、車體強度等相關(guān)問題條件下核算出最大的救援速度.

2）平直道機車救援時，先用機車電制動（初速20、40、60和80 km/h）將列車速度降低到5 km/h，再用空氣制動停車，計算制動距離、縱向車鉤力和沖動.

在上述邊界條件下運行時，列車救援過程中應(yīng)當從動力學性能、車體破壞和鉤緩系統(tǒng)穩(wěn)定性角度設(shè)立前面提到的安全限值.

2.4"制動模擬

根據(jù)實際的緊急制動特性曲線，以力矩形式施加在車軸中心.采用SIMULINK聯(lián)合仿真方法，實時根據(jù)列車速度更新制動力.制動施加時間為2 s，即制動信號指令下達到最大制動力的響應(yīng)時間.模型中考慮的制動力隨速度變化曲線如圖 2所示.

根據(jù)TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算 第1部分：機車牽引式列車》，得到如圖 3所示機車制動特性曲線.

3"仿真結(jié)果分析

3.1"直線+緊急制動工況分析

不同初始車速制動下產(chǎn)生的車鉤力和制動距離如圖 4所示.由于DF4D機車制動特性曲線與施加制動時初始車速有關(guān)（見圖 3），即初始制動車速越高，產(chǎn)生的制動力越小，同時引起的車鉤力越小.顯然，初始車速越高，制動距離越長，僅能夠保證40 km/h初速度制動時制動距離小于800 m.

針對DF4D機車救援CR400AF-B動車組工況，進行直線+緊急制動安全性分析.不同制動初速度下的各項安全性指標見表1，根據(jù)實驗結(jié)果，當DF4D機車以20 km和40 km/h救援CR400AF-B動車組，直線施加緊急制動，各項指標均滿足要求.

3.2"直線+電阻制動+5 km/h停放分析

針對DF4D機車救援CR400AF-B動車組工況，進行直線+電阻制動+5 km/h停放制動（空氣制動或緊急制動）運行安全性分析.不同制動初速度下的各項安全性指標見表2.根據(jù)實驗結(jié)果可知，當DF4D機車以40 km/h救援CR400AF-B動車組，直線施加電阻制動及5 km/h停放制動，各項指標均滿足要求.

DF4D制動特性曲線如圖3所示，緊急制動力隨著車速降低而增大.此外，初始車速越高，制動力越小.電阻制動力隨著車速下降，總體表現(xiàn)為先上升后下降，同時在40 km/h處出現(xiàn)下凹.當列車以40 km/h開始施加緊急制動時，制動力先上升后下降，并在30 km/h處達到最大.直線+電阻制動+5 km/h停放制動下的車鉤力和制動距離如圖5所示.可見車鉤力先增大后降低，并在30 km/h達到峰值；隨著車速下降至5 km/h，列車施加停放制動，車鉤力出現(xiàn)陡增.與40 km/h緊急制動工況相比，復合制動工況的車鉤力略低，這主要與制動時初始車速有關(guān)，而制動距離略高.綜上，建議DF4D直線救援仍采用緊急制動，不采用電阻制動+停放制動模式.

3.3"豎曲線+緊急制動分析

針對DF4D機車救援CR400AF-B動車組工況，進行豎曲線+緊急制動下運行安全性分析.不同工況組合下的各項安全性指標見表3.根據(jù)計算結(jié)果可知，當DF4D機車以5 km/h救援CR400AF-B和CR400AF（8編組）列車，在30‰長大坡度上施加緊急制動，由于制動力無法抵消坡道上的重力分量，列車處于加速狀態(tài)，無法停車，其余各項指標滿足要求.此外，當列車在40 km/h救援速度下的制動力略低于5 km/h救援速度下的制動力，無法實現(xiàn)坡道停車.列車在15‰坡度上，以5 km/h速度救援CR400AF-B時施加緊急制動，制動力可以抵消坡道上的重力分量，制動距離能夠滿足要求.在上坡救援時，列車可以保證制動距離，且制動距離低于直線.由于長大坡道上單機無法保證制動距離，建議增加機車數(shù)量或采用動車組救援.

1）上坡和下坡的差異.上坡和下坡道的車鉤力、制動距離和制動力如圖6所示.以40 km/h初速度在上坡道運行時，車速逐漸降低，制動距離較短；以5 km/h初速度在下坡道運行時，車速逐漸增大，無法保證停車，此時制動力無法平衡坡道上列車重力的分量.

2）被救援列車編組長度的影響.30‰長大下坡道運行，當DF4D機車以5 km/h救援CR400AF-B和CR400AF（8編組）列車時的車鉤力、制動距離如圖7所示.不同救援編組長度下的車鉤力相當，這主要由于制動力與車速有關(guān)，但CR400AF-B的制動距離遠高于CR400AF（8編組），這主要與列車重力產(chǎn)生的分量有關(guān).

3）下坡道坡度的影響.當DF4D機車以5 km/h救援CR400AF-B時，30‰和15‰長大下坡道的車鉤力、制動距離和制動力如圖8所示.隨著坡度的降低，制動力能夠平衡坡道上列車重力的分量，此時能夠保證列車處于制動狀態(tài)，否則，列車無法保證制動距離.

4"結(jié)"論

針對DF4D內(nèi)燃機車連掛救援CR400AF動車組進行安全性分析，得出結(jié)論如下：

1）當DF4D機車以40 km/h救援CR400AF動車組，直線施加緊急制動時，各項指標均滿足要求.

2）當DF4D機車以40 km/h救援CR400AF-B動車組，直線施加電阻制動及5 km/h停放制動，各項指標均滿足要求.由于制動力在低速時更大，因此建議直線仍采用緊急制動，不采用電阻制動+停放制動模式，同時可減小制動距離.

3）15‰長大坡道上，當DF4D機車5 km/h救援CR400AF-B時施加緊急制動，制動力可以抵消坡道上的重力分量，制動距離能夠滿足要求.30‰長大坡道上單機無法保證制動距離，建議增加機車數(shù)量或采用動車組救援.

參考文獻：

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（實習編輯：羅"媛）

Research on Longitudinal Dynamic Performance of Diesel Locomotive Multiple Units for Rescue

PAN Xiaoming¹，DONG Hao²，MENG Meng¹，XIAO Yunpeng¹，SONG Degang¹，WEI Lai³

（1.CRRC Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；

2.College of Mechanical Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China;

3.National Key Laboratory of Rail Transit Transport System，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract：

To study the longitudinal dynamic performance of diesel locomotive multiple units named Fuxing for rescue under braking conditions，the detailed numerical model of the train-coupler system was established and the actual kinematic relations and hysteresis characteristics of the coupler gear model were considered.Then the dynamic response of the coupled rescue multiple units and the coupler/draft gear system under emergency braking，service braking as well as the vertical curve passing conditions were analysed.Through the research mentionaed above，the dynamiz ersponse between the vehicle system and the coupler system was obtained and the threshold value of the braking level was formulated.The calculation shows that it is "feasible when the coupled rescue Fuxing multiple units runs at a speed of over 40 km/h，the emergeny braking can be conducted on a long ramp way with an angle smaller than 15‰.

Key words：

diesel locomotive;multiple units;the coupled rescue multiple units;braking level