王蒙,廖小康,易彩,張兵

(1. 國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司,北京 100011; 2. 西南交通大學(xué),四川 成都 610031)

0 引言

重載鐵路運(yùn)輸有許多優(yōu)點(diǎn),如:運(yùn)輸能力強(qiáng)、效率高、貨物運(yùn)輸費(fèi)用低廉和環(huán)保等,是現(xiàn)代以及未來(lái)貨物運(yùn)輸?shù)闹髁?。重載運(yùn)輸是作為鐵路現(xiàn)代化的另一個(gè)標(biāo)志,也是鐵路發(fā)展的一個(gè)重要途徑[1]。同世界其他重載運(yùn)輸國(guó)家一樣,重載長(zhǎng)、大列車運(yùn)輸也成為我國(guó)鐵路貨運(yùn)發(fā)展的方向。隨著鐵路運(yùn)輸要求的不斷提高,對(duì)重載長(zhǎng)、大列車的運(yùn)載能力要求也越來(lái)越高,而重載長(zhǎng)、大列車安全可靠運(yùn)行并保障其運(yùn)載能力的主要因素之一就是列車的制動(dòng)性能。制動(dòng)系統(tǒng)是列車的重要組成部分,是列車能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵,也是當(dāng)前鐵路運(yùn)輸發(fā)展需要解決的重要難題[2]。

重載列車由分散的多機(jī)車和多車輛編組而成,所涉及的控制系統(tǒng)和組件較多,且運(yùn)行工況復(fù)雜多變。重載列車的電控空氣制動(dòng)ECP(electronically controlled pneumatic)系統(tǒng)作為保證重載組合列車安全運(yùn)行的重要技術(shù),能借助列車網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)所有車輛的同步制動(dòng)與緩解,有著比傳統(tǒng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)更卓越的性能[3]。ECP制動(dòng)系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的許多固有限制,通過(guò)電子指令傳輸制動(dòng)信號(hào)、連續(xù)的列車管充風(fēng)和再生制動(dòng)能力,實(shí)現(xiàn)車輛、機(jī)車同步制動(dòng)與緩解,同時(shí)改善了列車制動(dòng)和緩解過(guò)程中縱向沖動(dòng)的問(wèn)題,減小動(dòng)力消耗、車輪踏面消耗和閘瓦消耗,降低維護(hù)成本并能對(duì)每個(gè)車輛的制動(dòng)力進(jìn)行監(jiān)控、診斷,使列車獲得更好的運(yùn)行操控性能,特別適用于編組超長(zhǎng)的重載列車,在重載貨運(yùn)列車上展現(xiàn)了極高的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)列車的空氣制動(dòng)系統(tǒng)存在一定的缺陷,如:列車制動(dòng)、緩解存在延遲,會(huì)使列車車輛之間產(chǎn)生較大的縱向沖動(dòng)作用力,這會(huì)導(dǎo)致列車的安全性不能被保證,而國(guó)外ECP系統(tǒng)發(fā)展較早并得到了廣泛應(yīng)用[4]。近些年,我國(guó)針對(duì)ECP系統(tǒng)也進(jìn)行了大量研究,文獻(xiàn)[5-6]對(duì)各種制動(dòng)工況下的ECP系統(tǒng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析;文獻(xiàn)[7]采用列車空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)進(jìn)行聯(lián)合仿真,對(duì)朔黃鐵路2萬(wàn)t重載組合列車縱向動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究,分析了ECP系統(tǒng)作用下的列車縱向車鉤力;文獻(xiàn)[8-9]在ECP系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上,對(duì)各種制動(dòng)工況下的ECP系統(tǒng)性能進(jìn)行了計(jì)算分析。本試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證重載長(zhǎng)、大列車無(wú)線ECP系統(tǒng)的制動(dòng)性能,判別無(wú)線ECP系統(tǒng)的性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,該研究對(duì)今后重載列車裝備電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)及開行重載列車具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)線路區(qū)間

列車制動(dòng)系統(tǒng)中的列車調(diào)速和停車等操縱是保障列車正常安全運(yùn)行的重要操作,其中,長(zhǎng)、大下坡道的制動(dòng)調(diào)速最為關(guān)鍵,故本試驗(yàn)需要在具備長(zhǎng)、大下坡道的線路區(qū)段進(jìn)行試驗(yàn)探究。萬(wàn)噸重載列車線路運(yùn)行試驗(yàn)的試驗(yàn)區(qū)間選在朔黃線。綜合朔黃線各方面情況,整個(gè)測(cè)試區(qū)間起于神池南止于黃驊港,相關(guān)參數(shù)如表1所示。其中試驗(yàn)線路特點(diǎn)為:自西向東海拔落差1 500m,有近170km山區(qū)鐵路,曲線多。

表1 試驗(yàn)線路參數(shù)

1.2 試驗(yàn)機(jī)車車輛

試驗(yàn)車輛采用C80雙浴盆式鋁合金運(yùn)煤專用敞車,如圖1所示。牽引機(jī)車采用基于LTE-R無(wú)線通信傳輸技術(shù)的同步操控系統(tǒng),編組方式為“1臺(tái)交流機(jī)車+108輛C80貨車”。列車制動(dòng)裝置采用120-1型控制閥、203mm×254mm整體旋壓密封式制動(dòng)缸、ST2-250型雙向閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整器、KZW-A型無(wú)級(jí)空重車自動(dòng)調(diào)整裝置和高磨合成閘瓦,滿足主列車管壓力500kPa和600kPa要求。由于列車編組較長(zhǎng),各車輛空氣制動(dòng)、緩解時(shí)的同步性會(huì)有較大的不同,列車制動(dòng)力存在較大差異。當(dāng)采用ECP系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)通電;當(dāng)不采用ECP系統(tǒng)時(shí),只需將ECP系統(tǒng)斷電,列車制動(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。

圖1 C80運(yùn)煤專用敞車

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本試驗(yàn)選用某型號(hào)壓力傳感器PTX5072-TC,用于測(cè)量列車管、制動(dòng)缸和副風(fēng)缸的壓力,采用KFW-5-120-D16型應(yīng)變片測(cè)量車鉤左右接觸面的受力。為了確保主控制器可以在車上對(duì)任意位置進(jìn)行各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、對(duì)時(shí)、參數(shù)設(shè)置和特征數(shù)據(jù)接收等操作,將所有測(cè)點(diǎn)傳感器與無(wú)線采集器相連,并利用網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為250 kB/s的ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及傳感器安裝位置

1.4 測(cè)試工況及內(nèi)容

為研究ECP系統(tǒng)對(duì)重載列車制動(dòng)性能的影響,根據(jù)重載列車的操縱特點(diǎn),結(jié)合試驗(yàn)線路條件,在開啟和關(guān)閉ECP兩種控制條件下對(duì)重車常用制動(dòng)及空車停車制動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。重車工況為公里標(biāo)7.9處的試驗(yàn),空車工況為公里標(biāo)383處的試驗(yàn),具體測(cè)試工況如表2所示。

表2 測(cè)試工況

采用萬(wàn)噸重載列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)靜置試驗(yàn)以及線路運(yùn)行試驗(yàn)的方法,結(jié)合上述工況對(duì)加裝無(wú)線ECP的萬(wàn)噸列車縱向沖動(dòng)和制動(dòng)距離進(jìn)行分析測(cè)試。

2 靜置試驗(yàn)結(jié)果分析

相比于傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)系統(tǒng),由于結(jié)構(gòu)原理、作用方式的不同,ECP電控制動(dòng)系統(tǒng)具有緩解車鉤作用力、同步列車管及制動(dòng)缸壓力和縮短制動(dòng)距離等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 制動(dòng)波速分析

在試驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行壓力測(cè)試,制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),與無(wú)ECP系統(tǒng)工況相比,存在ECP系統(tǒng)下的制動(dòng)時(shí)間差明顯縮短,制動(dòng)波速明顯增加,加快了近5倍。

表3 開ECP系統(tǒng)時(shí)靜態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4 關(guān)ECP系統(tǒng)時(shí)靜態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3、圖4為有無(wú)ECP控制作用下制動(dòng)缸壓力變化曲線圖。由圖3和圖4可以看出,在ECP控制下第1輛和第107輛車的制動(dòng)時(shí)間差明顯縮短,這說(shuō)明ECP系統(tǒng)可以有效對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng),以免發(fā)生安全事故。

圖3 有ECP控制作用下制動(dòng)缸壓力變化曲線圖

圖4 無(wú)ECP控制作用下制動(dòng)缸壓力變化曲線圖

2.2 列車制動(dòng)性能試驗(yàn)

接下來(lái)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)泄漏、改變制動(dòng)減壓量等工況的列車制動(dòng)性能進(jìn)行試驗(yàn)。在進(jìn)行列車制動(dòng)系統(tǒng)泄漏試驗(yàn)時(shí),對(duì)列車充風(fēng),當(dāng)列車管達(dá)到規(guī)定壓力后減壓100kPa,之后穩(wěn)定1min,如圖5所示。從圖中可以看到在1min內(nèi),列車管壓力下降值最多達(dá)到了40kPa左右。

圖5 列車制動(dòng)系統(tǒng)泄漏下列車管壓力變化

在進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)時(shí),對(duì)列車充風(fēng),當(dāng)列車管達(dá)到規(guī)定壓力后實(shí)施規(guī)定減壓量的常用制動(dòng)。圖6和圖7給出了減壓量為50kPa和170kPa下各斷面制動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的全部變化過(guò)程。

圖6 常用制動(dòng)減壓量為50kPa下列車管壓力變化

圖7 常用制動(dòng)減壓量為170kPa下列車管壓力變化

在進(jìn)行保壓時(shí),機(jī)車制動(dòng)機(jī)開通補(bǔ)氣位,減壓100kPa后開始進(jìn)行保壓。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件協(xié)調(diào)的關(guān)系,進(jìn)行了一次短時(shí)間的保壓然后再進(jìn)行緩解。最終各斷面制動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的全部變化過(guò)程如圖8所示。

圖8 保壓情況下列車管壓力變化

在進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí),首先對(duì)列車充風(fēng),當(dāng)列車管達(dá)到規(guī)定壓力后開始實(shí)施緊急制動(dòng),待制動(dòng)缸壓力穩(wěn)定后再充風(fēng)至列車管達(dá)到規(guī)定壓力。最終各斷面制動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的全部變化過(guò)程如圖9所示。由圖9可以看出,在實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí),列車管壓力急劇下降至0,待制動(dòng)缸壓力穩(wěn)定后,列車管壓力又慢慢恢復(fù)至規(guī)定的水平。

在進(jìn)行循環(huán)制動(dòng)時(shí),對(duì)列車充風(fēng),列車管達(dá)到規(guī)定壓力后減壓50kPa并進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的保壓,然后再緩慢充風(fēng),循環(huán)實(shí)施常規(guī)制動(dòng)。最終各斷面制動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的全部變化過(guò)程如圖10所示。由圖10可以看出,在實(shí)施循環(huán)制動(dòng)時(shí),列車管壓力出現(xiàn)了明顯下降和上升的循環(huán)趨勢(shì),列車管的循環(huán)變化趨勢(shì)滿足列車循環(huán)制動(dòng)試驗(yàn)的要求。

圖10 循環(huán)制動(dòng)下列車管壓力變化

3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 有無(wú)ECP控制作用下的車鉤力

列車在停車制動(dòng)或調(diào)速制動(dòng)時(shí),開始一段時(shí)間前后車輛間的制動(dòng)力不一致,前部車輛制動(dòng)力較大而明顯減速,后部車輛制動(dòng)力較小而減速不明顯,后部車輛在慣性力作用下涌向前方,進(jìn)而產(chǎn)生列車的縱向沖動(dòng),從而易造成車鉤的疲勞斷裂。有無(wú)ECP控制作用下重車和空車各測(cè)點(diǎn)車鉤力隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示,重車和空車各測(cè)點(diǎn)車鉤力最大值如表5所示。

圖11 有無(wú)ECP控制作用下重車和空車各測(cè)點(diǎn)車鉤力

表5 重車/空車各測(cè)點(diǎn)車鉤力最大值 單位:kN

從圖11和表5中可知,ECP制動(dòng)系統(tǒng)作用下的列車縱向車鉤力要明顯低于普通空氣制動(dòng)作用下的列車縱向車鉤力,ECP制動(dòng)系統(tǒng)的縱向動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于空氣制動(dòng)。第28輛車測(cè)點(diǎn)處車鉤作用力最大,是受力較為復(fù)雜的部位,在自身動(dòng)力和車輛動(dòng)能作用下,不斷承受前后車輛拉拽、擠壓作用,產(chǎn)生涌動(dòng)的可能性最大,鉤緩裝置也最容易受壓失穩(wěn)和疲勞傷損。

3.2 有無(wú)ECP控制作用下的列車管壓力

圖12為有無(wú)ECP控制作用下重車和空車制動(dòng)時(shí)各車列車管壓力。從圖12中可以看出,在列車制動(dòng)位信號(hào)結(jié)束時(shí),第2輛車的列車管壓力響應(yīng)最快并且響應(yīng)幅度最大。在ECP開啟的情況下,其他3輛車的列車管壓力也盡快地達(dá)到了與第2輛車相一致的壓力變化幅度。而在ECP關(guān)閉的情況下,其他3輛車的列車管壓力幅度變化較慢,并且完全達(dá)不到第2輛車的壓力變化幅度。這證明在ECP控制的加持下,首尾列車的列車管壓力發(fā)生了較為接近的變化方式,表明采用ECP系統(tǒng)控制車輛制動(dòng)時(shí)可以保證列車制動(dòng)及緩解的同步性。

圖12 有無(wú)ECP控制作用下重車和空車各車列車管壓力

3.3 有無(wú)ECP控制作用下的制動(dòng)缸壓力

ECP系統(tǒng)在實(shí)施制動(dòng)時(shí),各車輛制動(dòng)控制裝置能控制各車制動(dòng)缸基本以同一速率升壓,而系統(tǒng)空氣制動(dòng)受120-1型控制閥的特性決定,其升壓時(shí)間較長(zhǎng),升壓速率較慢。圖13為有無(wú)ECP控制作用下空車制動(dòng)時(shí)各車制動(dòng)缸壓力。從圖13中可以看出,開啟ECP時(shí)測(cè)試列車的制動(dòng)缸壓力變化十分同步,特別是在制動(dòng)結(jié)束時(shí),壓力曲線呈現(xiàn)出同步下降的趨勢(shì)。關(guān)閉ECP系統(tǒng)測(cè)試列車在制動(dòng)結(jié)束時(shí),第2輛車的制動(dòng)缸壓力變化非常靈敏,其他車制動(dòng)缸壓力變化呈現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象。在無(wú)ECP控制的情況下,空車出現(xiàn)了制動(dòng)缸壓力變化不一致的情況,這證明相比傳統(tǒng)空氣制動(dòng)系統(tǒng),ECP制動(dòng)控制系統(tǒng)可以形成貫穿全列車的均勻制動(dòng)力分配,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車和車輛之間的制動(dòng)指令傳輸,還可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換,大大降低了列車的空走時(shí)間,降低了列車縱向沖動(dòng)力。

圖13 有無(wú)ECP控制作用下空車制動(dòng)時(shí)各車制動(dòng)缸壓力

4 結(jié)語(yǔ)

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。相比于空氣制動(dòng),電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)有助于緩解車鉤作用力,具有同步列車管及制動(dòng)缸壓力和縮短制動(dòng)距離等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)論如下:

1)ECP系統(tǒng)的制動(dòng)/緩解具有較好的同步性,制動(dòng)能力較強(qiáng),其階段緩解功能可以提高重載列車操縱的靈活性;

2)相比傳統(tǒng)純空氣制動(dòng),開啟ECP控制后列車中的最大車輛縱向車鉤力減小17%以上,滿足“最大車輛縱向車鉤力降低15%(比純空氣制動(dòng))”的要求;

3)試驗(yàn)驗(yàn)證了重載長(zhǎng)、大列車無(wú)線ECP系統(tǒng)的制動(dòng)性能,判定無(wú)線ECP系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。