制動操縱對既有2萬噸重載列車縱向沖動影響的研究

摘要：為分析不同制動操作對現有2萬噸重載列車縱向沖動的影響，基于重載列車縱向動力學理論和車輛動力學理論，考慮了2萬噸重載列車的牽引與動力制動特性、空氣制動系統以及鉤緩裝置等多方面因素，建立了一個適用于2萬噸重載組合列車的縱向動力學計算模型，并通過現場測試數據對其進行了有效驗證。該模型被進一步用于對比分析運行線路條件、空氣制動壓力、同步控制延時以及機車電制動力等多個參數對列車縱向沖動的影響程度。研究發現，當列車從陡坡過渡到緩坡的線路條件下制動時，縱向沖動的影響最為顯著。此外，坡度差越大，產生的縱向壓鉤力也越大。同步控制延時的長度以及機車電制動力的大小也對列車的縱向沖動有顯著影響：延時越短，電制動力越小，縱向沖動越小。在列車通過曲線軌道時，若將縱向沖動力控制在安全范圍內，能有效提升重載列車的行車安全性。這一研究成果為重載列車制動策略的優化提供了重要的理論依據和實踐指導。

關鍵詞：2萬噸重載列車；縱向沖動；空氣制動；同步控制延時；電制動；動力學性能

中圖分類號：TB115 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.10.006

文章編號：1006-0316 （2024） 10-0044-08

Research on the Influence of Brake Control on the Longitudinal Impulse of

Existing 20000-Ton Heavy-Haul Train

ZHAO Dedong

（ CHN Energy Xinshuo Railway Co.， Ltd.， Hohhot 010000， China ）

Abstract：To analyze the impact of different braking controls on the longitudinal impulse of the existing 20000-ton heavy-haul train， a longitudinal dynamic model of a 20000-ton heavy-haul train is established in MATLAB based on the theories of longitudinal dynamics and vehicle dynamics. In this model， the relevant factors of train longitudinal motion， including the traction and dynamic braking characteristics of the locomotive， the air braking system of the train and the characteristics of the coupler-buffer device are taken into account. The effects of line conditions， air braking pressure， synchronous control delay， the electric braking force of the locomotive and other parameters on the longitudinal impulse of the 20000-ton heavy-haul train are analyzed. The analysis results indicate that the line conditions of steep to gentle slopes have the most significant impact on the longitudinal impulse when the 20000-ton heavy-haul train employs braking. And the coupler compressive forces would increase with the increase of the slope difference. The synchronous control delay and the electric braking force of the locomotive have a significant impact on the longitudinal impulse of the 20000-ton heavy-haul train during braking. The longitudinal impulse would reduce with the decrease of the synchronous control delay and the electric braking force. And controlling the longitudinal coupler force within a safe range can enhance the safety of the vehicle operation. The result provides significant theoretical support and practical guidance for optimizing the braking strategies of heavy-haul trains.

Key words：20000-ton heavy-haul train；longitudinal impulse；air braking；synchronous control delay；dynamic braking；dynamic performance

2萬噸重載列車的操縱模式直接影響列車運行品質，對縱向沖動的影響尤為顯著[1]。重載列車的牽引和制動性能決定了列車運行安全性，車輛之間行車速度的差異是導致列車縱向沖動的根本原因。隨著重載鐵路的發展，列車編組增長、軸重增大，空氣制動波傳遞時間變長，導致前后車輛的制動同步性降低，車輛之間的相互作用力增加，從而造成更加嚴重的列車縱向沖動，進而導致列車發生脫鉤、斷鉤和脫軌事故。由于重載鐵路線路條件復雜，長大下坡道多，2萬噸重載列車在制動調速過程中的縱向沖動問題尤為突出，極大威脅列車運行安全性[2]。因此，研究2萬噸重載組合列車運行過程中的縱向沖動水平，對提升車輛運行安全性有重要意義[3]。

20世紀80年代起國內就有學者著重研究重載鐵路空氣制動特性。孫翔等[4]在國內最早提出列車縱向動力學理論，并研究了相應數學模型，利用該模型分析列車采取制動和緩解操縱時的縱向沖動水平。廖洪濤等[5]研究了萬噸組合列車中機車與貨車、貨車與貨車間的相互作用，涉及到機車控制系統、軸重選擇、機車分布方式、制動等因素對鉤緩受力情況的影響。此外，通過現場試驗發現，機車操控人員的現場操作對縱向沖動有重要影響。常崇義等[6]開發出了縱向沖動計算程序，其計算結果與試驗結果基本一致，并提出縮短主控與從控機車的同步響應時間可以緩解緊急制動時的縱向沖動。楊萬坤等[7]進行了大秦線2萬噸組合列車現場試驗，從中部試驗車上獲取到了縱向力測試結果，并指出空氣制動是造成列車中部縱向力較大的根本原因。目前關于空氣制動減壓量、同步控制延時和機車電制動力對列車縱向沖動影響的研究文獻較少，影響規律的認識和理解不夠深入。因此，本文基于理論研究和數值仿真計算，研究了2萬噸重載列車的不同操縱方式對列車縱向沖動的影響，以期為2萬噸重載組合列車的安全運行提供技術支撐。

1 2萬噸重載列車動力學建模

1.1 列車縱向動力學模型

列車縱向動力學主要研究不同車輛編組、配置、運行工況和線路條件下，重載組合列車各車輛之間的相互作用[8]。如圖1所示，在列車縱向動力學模型中，將每節機車車輛視為一個獨立的剛體，因此，整個列車的自由度等同于車輛總數[9]。借助建立的縱向動力學模型，本文分析了列車的牽引特性、制動特性、空氣制動系統對列車縱向沖動的影響。建模過程中，車輛被簡化成僅有縱向自由度的質點，而車鉤緩沖器則通過非線性的剛度－阻尼單元進行模擬。機車的鉤緩系統采用100型車鉤與QKX100彈性膠泥緩沖器[10]，貨車鉤緩系統采用16/17號聯鎖式車鉤搭配MT-2摩擦式緩沖器。

α為所處線路縱斷面的坡度。

以第i輛車的受力為例，列出其縱向動力學方程為：

（1）

式中：i＝1～N，為車的位置編號；N為車輛總數； 為車的質量； 為車的加速度； 為前部車鉤的車鉤力，i＝0時， ＝0； 為后部車鉤的車鉤力，i＝N時， ＝0； 為運行阻力； 為機車牽引力； 為機車的動力制動力； 為空氣制動力。

1.2 鉤緩裝置力學特性

朔黃鐵路貨運列車中，常用的C80敞車采用摩擦式緩沖器車鉤，機車主要采用QKX100膠泥緩沖器車鉤。各緩沖器主要性能參數如表1所示。

縱向動力學仿真的關鍵是計算機車的車鉤力。為獲取準確的計算結果，必須考慮車鉤間隙變化[11]、緩沖器組合的串聯阻抗特性[12]、彈性膠泥緩沖器特性、初壓力、最大行程、緩沖器剛性沖擊等元素[13]對車鉤力的影響。其中，緩沖器的特性曲線根據靜壓試驗、落錘試驗特性得出。加載、卸載時，車鉤緩沖器按不同曲線進行插值。當緩沖器從加載曲線跳轉到卸載曲線時，兩條曲線存在差值，從而間斷數值積分，采用式（2）和式（3）方法對相鄰車的位移差Δx和速度差Δv進行處理，最終得到緩沖器特性曲線，如圖2所示。

（2）

（3）

式中： 為加載曲線； 為卸載曲線； 為轉換曲線； 為阻抗力： 為定義緩沖器轉換速度。

1.3 重載列車相互作用模型

如圖3所示，采用SIMPACK軟件建立由2節B0-B0機車、2節重載貨車和2節虛擬貨車組成的“1＋1”牽引2萬噸重載組合列車的動力學分析模型[14]。在該列車系統中，兩節機車之間使用13A型車鉤連接，機車與貨車之間采用13A型車鉤及對應的16/17號聯鎖式車鉤連接。由于重載列車由多節車輛組成，導致動力學模型的自由度較多，為提高仿真計算速度，

對模型做出如下簡化：

（1）通過在前部虛車體鉤尾銷處施加力F，模擬“1＋1”編組列車中間機車所承受的縱向載荷；

（2）虛車體只設置縱向自由度，后部虛車體的運行速度保持恒定。

1.4 模型驗證

本研究通過2萬噸1＋1＋可控列尾編組列車制動緩解試驗的測試結果[15-17]來驗證縱向動力學模型的準確性。測試時，在1、27、55、81、108、109、135、163、189和216位貨車斷面設置制動測點，測試機車均衡風缸壓力、列車管壓力、制動缸壓力等內容。試驗工況分為常用制動及緩解試驗和緊急制動試驗。常用制動試驗工況主要包括常用制動減壓50 kPa、70 kPa、100 kPa和全制動。

制動緩解時間試驗與仿真結果對比如表2所示，制動缸出閘時間和制動缸開緩時間曲線如圖4所示。可以看出，仿真與試驗結果較為接近，驗證效果良好。制動缸出閘時間、開緩時間的仿真與試驗均值誤差分別為1.9%、4.7%，表明該仿真模型能夠較好地模擬2萬噸重載列車的空氣制動性能。

2 制動操縱對2萬噸列車縱向沖動影響

影響2萬噸重載列車制動操縱的常見參數有空氣制動減壓量、同步控制延時和機車電制動力等。這些參數對列車縱向沖動的影響各不相同。分別計算在不同線路條件下采用不同制動模式對2萬噸重載列車縱向沖動的影響。計算條件為：列車制動速度72 km/h，緩解速度35 km/h，不考慮軌道不平順的影響。其中，列車運行線路條件如表3所示。

（1）空氣制動減壓量

2萬噸重載列車的制動由司機手動操縱。由于司機操縱方式不同，制動時所采取的空氣制動減壓量有50 kPa和60 kPa兩種。本文通過仿真計算研究了兩種減壓量對2萬噸重載列車縱向沖動的影響，如圖5所示。可以看出，減壓60 kPa造成的縱向沖動力最大值為1573 kN，略微大于減壓50 kPa的1531 kN，但兩者差異并不顯著。列車運行在陡坡變緩坡條件下會造成更大的縱向沖動，且坡度差越大，縱向壓鉤力越大，減壓50 kPa時線路4最大壓鉤力為1500 kN，線路5最大壓鉤力為1531 kN。列車運行在緩坡變陡坡條件下則會造成較大的拉鉤力，線路6最大拉鉤力為1355 kN，線路7最大拉鉤力為1311 kN。固定長大下坡道對2萬噸重載列車縱向沖動的影響非常小。

（2）同步控制延時

同步控制延時是造成2萬噸重載列車縱向沖動的主要原因。采用列車縱向動力學模型分析了同步控制延時為1 s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s對2萬噸重載列車縱向沖動影響，如圖6所示。可以看出，同步控制延時時長對2萬噸重載列車縱向沖動影響較大，同步控制延時時長越長，縱向壓鉤力越大。在線路5條件下1 s延時對應的縱向壓鉤力為1399 kN，而3 s延時對應的縱向壓鉤力為1583 kN。但同步控制延時時長對縱向拉鉤力基本無影響，只有坡度變化才對列車拉鉤力有影響。

（3）機車電制動力

不同機車電制動力對列車縱向沖動影響結果如圖7所示。可以看出，在線路5條件下，隨著機車電制動力從200 kN增大至400 kN，列車縱向壓鉤力從1193 kN增大至1531 kN，但拉鉤力僅從331 kN增大至352 kN。電制動力僅對列車縱向沖動影響顯著。

3 縱向壓鉤力對車輛動力學性能影響

本節分析上文得到的縱向車鉤力在不同線路條下對2萬噸重載列車動力學性能的影響，分別計算2萬噸重載列車在承受縱向壓鉤力條件下通過直線、不同半徑曲線時列車動力學性能的變化情況。其中計算條件為：列車運行速度70 km/h、采用AAR5級軌道不平順激勵；車鉤力在列車運行5 s后開始施加，5～15 s逐步增至最大后保持穩定。

2萬噸重載列車在承受1000 kN和1050 kN縱向壓鉤力時列車動力學性能變化情況如圖8所示。可以看出，承受1000 kN縱向壓鉤力時，車鉤發生偏轉，最大偏轉角為8°，此時的脫軌系數、輪重減載率與輪軸橫向力最大值分別為0.5、0.68、94 kN；當列車縱向壓鉤力增大至1050 kN時，車鉤偏轉角增大為11°，此時的脫軌系數、輪重減載率與輪軸橫向力最大值分別為0.63、0.72、109 kN（超過安全限值97 kN）。由前文已知，列車在極度惡劣環境下采取制動操縱產生的最大縱向壓鉤力為1583 kN，在該縱向壓鉤力作用下會導致中部機車車鉤失穩，很大可能導致列車動力學指標超過安全限值。

計算2萬噸重載列車通過不同線路條件時所能承受的最大縱向壓鉤力，結果如表4所示。當2萬噸重載列車通過各線路時承受的縱向壓鉤力超過表中對應值，則可能導致輪軸橫向力超過安全限值。

4 結論

（1）陡坡變緩坡線路條件對2萬噸重載列車制動時產生的縱向沖動影響最顯著，且坡度差越大縱向壓鉤力越大。緩坡變陡坡線路條件對2萬噸重載列車制動產生的拉鉤力影響顯著。長大下坡道坡度變化對列車縱向沖動影響較小。

（2）同步控制延時時長與機車電制動力對2萬噸重載列車制動時的縱向沖動影響顯著，

縮短機車間同步控制延時與減小機車電制動力能降低列車縱向沖動水平。

（3）車鉤失穩是導致列車動力學性能指標超過安全限值的主要原因。列車在通過R400、R600、R800、R1000半徑曲線和直線軌道時，將壓鉤力分別控制在650 kN、750 kN、850 kN、1000 kN、1000 kN以下，有助于提升2萬噸重載列車的運行安全性。

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