30t軸重重載組合列車牽引及制動系統的試驗與仿真研究

鄭木火,何溶溶,周根火

（浙江浙大網新集團有限公司,310007）

1 本課題的研究背景

重載鐵路運輸是在20世紀70～80年代崛起的一項國際鐵路運輸新技術，發源地是在北美，然后在澳大利亞、南非、俄羅斯、巴西、瑞典等鐵路大國迅速推廣，目前已經成為國際鐵路貨運技術發展的重要方向。

重載列車是世界各國鐵路貨運發展的重要方向，此前，世界上只有美國、俄羅斯、澳大利亞等少數幾個鐵路較為發達的國家開行了重載列車。近年來，我國鐵路積極開展重載列車研究和試驗。經過10余年發展，重載鐵路已經成為我國鐵路裝備技術的優勢領域，我國重載鐵路的運輸效率也高居世界第一。然而，受既有鐵路線路條件的局限，30噸及以上大軸重的重載鐵路運輸技術

2 30t軸重重載組合列車的牽引及制動系統

2.1 列車運行情況簡介

機車的運行工況分為三種：牽引、惰行和制動。一般在以下三種情況中需要使用牽引工況：啟動過程；從較低限速區域過渡到較高限速區域的加速過程；非增速坡道上克服阻力運行。

制動工況包含空氣制動和動力制動兩種。空氣制動時，列車應以能夠確保列車在增速坡道上減速的最小減壓量進行空氣制動。這樣，可以在制動、緩解過程中減少調速次數并且在同樣的調速次數下，由于減壓量用風少，緩解后充風所需時間減少，列車的緩解速度可以提高，因此提高了列車在增速坡道運行的基礎速度。動力制動的大小受機車動力制動功率的限制，列車在長大增速下坡道上，合理使用機車的動力制動可以調節列車的車鉤狀態，使全列車的車鉤處于受壓縮狀態，在空氣制動中減少沖動水平。

空電聯合制動時，特別在下坡道，應先使用動力制動，后使用空氣制動；緩解時，應先緩解空氣制動，再退回動力制動，動力制動要慢上慢退。

圖1 仿真示意圖

2.2 列車牽引力計算

對列車的牽引傳動系統的計算，根據牽引功率、黏著牽引力、啟動加速度、平均加速度、列車運行最高速度等進行計算，最后根據列車的動拖比計算牽引電動機的容量、牽引變流器的容量及牽引變壓器的容量。

列車牽引功率主要與列車最高運行速度、列車質量、最高速度時的列車運行阻力和剩余加速度有關：

根據列車牽引功率、齒輪傳動效率、牽引電動機效率、可以計算出牽引電動機的總功率，

根據牽引電動機總功率設計列車的動拖比，計算出動軸數或電動機臺數N，每臺電動機的功率為：

PMN=PM/N

式中 PMN-----每臺電動機功率

N-----電動機臺數

為保證列車安全運行必須滿足上述條件的要求。在確定牽引功率時還必須考慮傳動效率、最大坡道上的最低運行速度、故障運行時的要求等多種因素的綜合影響，在確定牽引功率時一般要略高于上述技術條件的規定。

2.3 列車牽引仿真試驗

列車牽引仿真試驗室根據初步計算出的牽引特性，針對相應的線路，列車運行方程式進行列車運行模擬仿真，得到運行區段的列車速度—距離曲線，運行時間，減速度/加速度—時間曲線，牽引力曲線，坡道最低運行速度，不同線路坡度的加速距離和制動距離，如圖1所示：

上圖為仿真示意圖，圖像信息能夠輸出列車模型，實際速度曲線，推薦的速度曲線，以及根據實際路面狀況，調度指令等計算出的最高限速曲線，圖片根據路面行駛距離進行滾動，同時會給予文本提示信息。本文同時還設計了HTrainTOD程序，該程序與HTrainSim通過網絡通信，采用TCP/IP協議，安置于司機駕駛室，用于輸出建議駕駛信息。

2.4 列車牽引特性校驗

將其計算結果與列車牽引運行的技術要求進行對比分析，并進行 必要的修正直至完全滿足牽引需求，最終設計出列車的牽引/制動特性曲線。

需要驗證的主要技術參數包括：

（1）滿功率平直軌道最高速度運行時的剩余加速度驗算；

（2）啟動時的加速度和平均加速驗算

（3）故障運行時的牽引能力驗算

（4）不同坡道上的爬坡能力驗算

（5）最大坡度運行滿功率運行時的最低速度驗算

（6）加速距離和制動距離的驗算

2.5 列車制動力計算

制動力由制動裝置產生并與列車運行方向相反的外力。重載列車一般采取以下幾種制動裝置，閘瓦制動，空氣制動閥、空重車自動調整裝置、不銹鋼制動管系、轉向架集成制動裝置、并預留電控制動空間。

閘瓦制動和一般動力制動屬于粘著制動，均受粘著條件限制，即制動力不得大于粘著力，否則車輪就會“抱死”（不轉動）而滑行，不僅因輪軌間滑動摩擦系數低延長了制動距離而危及安全，還可能造成車輪踏面擦傷。

閘瓦制動產生的列車制動力可按下列兩種方式計算：

（1）實算法∶

上述兩式中，B為列車制動力（單位：kN）；k為實算閘瓦力（單位：kN）；kh為換算閘瓦力（單位：kN）；φk為閘瓦實算摩擦系數；φh為閘瓦換算摩擦系數。

機車車輛每塊閘瓦的實算閘瓦力k因制動機類型、制動倍率等不同而異，而閘瓦實算摩擦系數φk又是實算閘瓦k與運行速度υ的兩元綜合函數，即使是采用同一材質閘瓦，也因機車車輛類型不同，實算閘瓦力各不相同，連帶閘瓦實算摩擦系數也各不相同，這樣采用實算法計算列車制動力，只能逐一對應，最終累計，相當繁瑣而不利于實用，尤其當全列車中機車車輛類型較多或采用不同材質閘瓦時更是如此。

換算法是采用不隨閘瓦力而變的換算摩擦系數φh來取代實算摩擦系數φk,同時為使計算結果與實算法基本一致，根據等效處理原則，按kh·φh＝k·φk的條件，將各種閘瓦的實算閘瓦力k轉化成換算閘瓦力kh，這樣就可將機車車輛的換算閘瓦力加在一起，乘以換算摩擦系數就可得出列車制動力。

中國各型閘瓦和閘才的換算摩系數琳按下列各式計算

中磷閘瓦：

上述各式中，υ為運行速度（單位：km/h）；υ0 為制動初速（單位 ：km/h）。

2.6 列車制動系統仿真試驗

制動系統主要由制動指令發生及傳輸系統、制動控制系統(微機控制單元EBCU、制動控制單元、停放控制單元)、防滑控制系統、單元制動器、風源系統、緊急制動閥、風缸、制動管路、塞門和軟管等組成。制動方式包括常用制動、快速制動、緊急制動、停放制動和保持制動，其中，常用制動、緊急制動和停放制動完全單獨控制。常用制動和快速制動時，優先采用動力制動，當動力制動力不能滿足制動力需求時，空氣制動能夠自動補償。緊急制動為純空氣制動，制動系統完成空氣制動作用。

該仿真模型采用AMESim，基于基本元素的建模理念，將制動系統中制動控制單元、單元制動器等復雜的氣動部件分解為各種不同的基本結構單元，如節流邊、活塞、容腔、質量塊等，再按照一定的邏輯關系將對應的模塊組合在一起，即可構建響應的部件子模型，將以各子模型綜合起來，即可得到完整的制動系統仿真模型。其仿真模型如圖2。

下圖2是仿真程序界面圖。HTrainSim的程序界面是控制輸入端，在這個窗口可以啟動列車牽引力，改變前方信號燈狀態，并施加空氣制動或者緩解空氣制動，如圖2中包含信號燈控制區，列車啟動添加牽引力，列車實際狀況，管壓、推薦牽引、推薦減壓值顯示，以及列車模型實際速度曲線，坡度等信息，最高限速及最低緩解速度曲線，文本提示區等等。

本仿真程序界面圖中的制動仿真主要是50KP空氣制動，以及緩解空氣制動。50KP空氣制動是通過排風實現，仿真界面采用以秒為單位的倒計時；同樣，緩解空氣制動是通過充風實現的，采用以秒為單位的倒計時，在具體仿真試驗時可按照規程自行設定時間，初始值為0S，如下圖顯示。

圖2 仿真程序界面圖

3 仿真研究結果及總結

通過以上計算及仿真試驗的進行，30t軸重重載列車的牽引及制動系統能夠通過仿真軟件平臺實現，按照國內目前正在運行的列車的軸重來算，30t軸重已經已經超過世界重載列車規定的27t，也超過國內運行的23、25t。

軸重是機車牽引性能的重要指標，軸重越大機車的牽引能力越強。目前我國鐵路現役機車軸重均為23至25噸，繼續提升其重載能力，提高軸重技術是主要途徑。而30t噸軸重的列車，其重載牽引能力比現有機車增加了20%。在實際工作中，難以獲得30t軸重重載列車實際模型，由此產生了仿真研究系統的必要，該課題研究結果表明，30t軸重重載列車的牽引力與制動力能夠符合其運載能力，同時對多項不同路段、路況進行測試，其得到的數據結果均在可預測范圍內， 30t軸重重載列車牽引及制動系統的仿真試驗已經取得了階段性的成果，并且日趨完善。

重載是世界鐵路貨運技術發展的重要方向，大軸重列車重載運行試驗取得成功，顯示我國在建鐵路重載列車牽引重量達到質的飛躍，是我國鐵路重載技術創新的重大突破。

參考文獻

[1] 劉鵬飛,王開云,翟婉明.驅動工況下重載機車與軌道動態相互作用[J].西南交通大學學報. 2014(01)

[2] 賈傳峻,胡思繼,楊宇棟.重載鐵路列車重量、速度、密度與運輸組織模式的關系[J].鐵道運輸與經濟. 2011(04)