重載列車平直道上牽引工況縱向性能研究

劉宏波,王自力

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室,四川成都610031)

發展重載運輸,大幅度地提高列車質量是鐵路擴能提效的一種有效途徑,是我國鐵路貨運的發展方向,也是我國國情路況的必然產物。目前,我國在大秦線已開行了2萬t重載列車,對2萬t重載列車進行詳細和系統地研究,有十分重要的理論和現實意義。

由于列車質量增大,長度增加,運行中的牽引力將加大,車鉤力、列車的加速度以及縱向沖動將增大。本文通過2萬t重載列車牽引起動過程中列車縱向性能,對不同編組的2萬t重載列車(未使用牽引桿)牽引工況縱向性能進行對比,從而得出較合理列車編組;并對不同提手柄到最大牽引力的時間對重載列車縱向沖動的影響進行對比,得出相應結論。

1 牽引特性控制曲線(25 t軸重)

HXD3型交流大功率電力機車牽引電機采用PWM矢量控制變頻技術等最新技術的同時,盡量考慮環境保護,減少維修工作量。另外,考慮能夠在中國全境范圍內運行為前提,在滿足環境溫度在-40℃～ +40℃,海拔高度在2 500 m以下條件的同時,考慮最大到4臺機車重聯控制運行。

為求出牽引工況下最大車鉤拉壓力以及加速度和縱向沖動,取25 t軸重機車牽引特性牽引力的最大值。牽引特性曲線分3段(如圖1):第1段是列車運行速度為0～10 km/h,機車最大牽引力為570 kN;第2段是列車運行速度為10～65 km/h,由直線擬合牽引力最大值,擬合公式為F=600.909 09-3.090 91×v;第3段是列車運行速度高于65 km/h,由二次函數擬合曲線得出牽引力最大值,擬合公式為:F=952.928 65-11.379 98×v+0.043 92×v2(v為列車運行速度,單位為km/h)。

圖1 HXD3機車牽引力曲線

2 平直道牽引工況不同編組形式列車縱向動力學性能比較

利用VC編制的重載列車動力學仿真軟件,研究3種不同編組方案的列車在最大牽引力作用下牽引起動過程中最大的車鉤拉壓力、最大正負加速度以及縱向沖動的計算結果。列車編組方案分別為:(1)HXD3×4臺+新C80×204輛;(2)HXD3×2臺+新 C80×102輛+HXD3×2臺+新C80×102輛;(3)HXD3×1臺+新C80×102輛+HXD3×2臺+新C80×102輛+HXD3×1臺。在進行仿真計算過程中,為避免列車起動的阻力過大而造成機車輪對空轉采取壓鉤起動的方式,如果采用組合列車編組方式主從控機車的延遲時間為2 s,牽引提手柄到最大牽引力的時間為60 s。

圖2～圖4表示由4臺HXD3電力機車牽引2萬t重載列車,3組不同編組方式下瞬時列車車鉤力曲線。

圖2 編組方案1列車車鉤力沿車輛數變化曲線

圖3 編組方案2列車車鉤力沿車輛數變化曲線

圖4 編組方案3列車車鉤力沿車輛數變化曲線

起動初始車鉤狀態為壓鉤狀態,起動時牽引力緩慢平穩上升,由圖2可以看出2萬t單編列車縱向力沿車長自前至后逐漸減小,由圖3和圖4可以看出2萬t組合列車縱向力變化,由于中部或尾部機車施加牽引力的作用,使縱向力沿車長的分布呈雙峰狀。

表1是由VC仿真軟件計算出來的3種不同編組最大車鉤拉壓力、最大正負加速度以及縱向沖動。表中3組數據對比可以看出方案(3)的最大車鉤拉壓力、最大正負加速度以及縱向沖動最小,HXD3×1臺+新C80×102輛+HXD3×2臺+新 C80×102輛+HXD3×1臺編組情況較為合理,而方案(1)的縱向性能最差,容易產生斷鉤脫軌,不能使列車安全起動。由于2萬t重載列車的質量大,起動時阻力很大,而機車的牽引力是有一定限制的,所以利用壓鉤起動方式,從而大大減小起動時的阻力,保證起動的成功。

表1 牽引工況下不同編組列車的縱向動力學性能對比

3 平直道牽引工況不同提手柄時間對列車縱向動力學性能影響

通過利用VC編制的重載列車縱向動力學仿真軟件,計算編組HXD3×1臺+新C80×102輛+HXD3×2臺+新C80×102輛+HXD3×1臺的列車在不同提手柄到最大牽引力所用的時間對列車縱向性能的影響。計算過程中,牽引提手柄的時間分別為15、30、60 s和120 s。在進行仿真計算過程中,主從控機車的延遲時間為2 s。

表2是由VC仿真軟件計算出來的相同編組不同提手柄時間的列車最大車鉤拉壓力、最大正負加速度以及縱向沖動。由表中計算所得數值可以看出,隨著提手柄的時間的增大,列車最大車鉤拉壓力、最大正負加速度以及縱向沖動都隨之減小,并且提手柄時間越增加,相對應計算結果的變化越小。列車起動時,如果提手柄過快,起動加速過猛,往往造成車鉤疲勞損傷和列車縱向沖動較大,而且造成列車起動不平穩。所以平直道上常規起車方法在滿足列車起動條件下提手柄的時間越長,縱向沖動越低;在特殊困難地段,提手柄的快慢應首先考慮其起動阻力的影響。

表2 牽引工況下不同提手柄時間列車的縱向動力學性能對比

4 結束語

本文研究了在平直道上2萬 t重載列車起動時列車縱向動力學的性能,著重考慮了列車編組和起動提手柄時間對列車縱向沖動的影響。通過對不同編組列車運行車鉤力的曲線和計算數值的比較,得出 HXD3×1臺+新C80×102輛+HXD3×2臺+新 C80×102輛+HXD3×1臺形式的編組較為合理;通過對相同編組不同牽引提手柄時間計算數值的比較,得出在滿足列車起動條件下提手柄的時間越長,縱向沖動越低,起動越平穩,對車鉤的疲勞損傷越低。

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