重載列車制動特性的試驗研究

陳浩，魏偉

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

重載列車制動特性的試驗研究

陳浩，魏偉

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

為了減小重載列車因制動及緩解不同步而造成的縱向沖動,研究制動特性對縱向沖動的影響,根據(jù)線路試驗實測數(shù)據(jù)分析了單編萬噸列車在常用制動及緩解工況下的試驗特性.結(jié)果表明：單編萬噸列車減壓50 kPa常用制動時制動波速為163 m/s，減壓100 kPa常用制動時制動波速為202 m/s.列車在制動過程中，制動作用沿列車長度方向具有制動起始時間的不同時性和制動缸升壓速度的不均勻性.單編萬噸列車常用制動不論制動減壓量多少，隨著車輛序號的增大，勾貝伸出時間均變長，列車管減壓量越大，則制動缸勾貝伸出越早，首尾車開始制動的時間差越小，即平均制動波速越高.緩解工況時各車位從列車管開始充氣到制動缸開始排氣存在一定的時間差，所以列車管開始充氣一段時間后列車管緩解曲線才出現(xiàn)明顯的尖峰，加速緩解風缸才開始發(fā)揮“局部增壓”的作用.

重載列車；制動特性；緩解特性；縱向沖動；試驗分析

0 引言

隨著我國經(jīng)濟實力的不斷攀升,我國鐵路重載運輸事業(yè)得到了快速發(fā)展,但隨著重載列車牽引質(zhì)量增加、編組增大以及速度的提高，縱向沖動越來越大，較大的縱向沖動很容易使車輛在運行中發(fā)生車鉤斷裂、列車脫軌等問題，所以對列車縱向沖動問題的研究一直受到世界各國科技工作者的高度重視[1-2].制動及緩解不同步是列車產(chǎn)生縱向沖動的根本原因[3]，研究制動及緩解特性與縱向沖動的關系對于理解列車縱向沖動機理，從制動與緩解特性入手降低車鉤力具有重要意義.一般認為制動及緩解特性影響列車縱向沖動的因素是制動及緩解波速，波速越高，縱向沖動越小[4-5],對于制動波與緩解波傳播的均勻性以及緩解時加速緩解風缸對列車管升壓特性的影響還沒有明確的定論，本文在線路試驗所得數(shù)據(jù)的基礎上，分析單編萬噸列車運行時的制動及緩解特性.

1 試驗介紹

試驗工作在神華集團鐵路貨車運輸公司及包頭分公司、榆林分公司的精心組織協(xié)調(diào)及配合下，于2014年8～10月在神朔鐵路和朔黃鐵路進行，前后共進行了16次往返的列車線路運行試驗.

大連交通大學負責列車縱向動力學試驗測試，通過設置車頭至車尾10個測試斷面，得到車鉤力、緩沖器壓縮量、制動缸壓力、副風缸壓力及列車管壓力的同步測試數(shù)據(jù).

試驗車整備工作于2014年8月2～11日在神華包頭車輛維修分公司完成.選取10輛新C80型敞車為試驗用車，均勻編組于106輛列車中，每輛試驗車均在車輛1位端更換測力車鉤，安裝緩沖器壓縮量測試工裝及位移傳感器，制動缸上安裝氣體壓力傳感器，副風缸上安裝氣體壓力傳感器；2位端組合式集塵盒上安裝氣體壓力傳感器；1位端底板上安裝防水儀器箱；1位端手制動機上安裝GPS天線.

列車縱向力的測試主要通過測力車鉤傳感器來實現(xiàn).測力車鉤為齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司提供的17號車鉤，鉤身上開槽布置電橋，上覆蓋板保護橋路.加工好的測力車鉤在齊軌道公司實驗室完成標定，在神華鐵路貨車運輸有限責任公司包頭車輛維修分公司段修車間完成車鉤更換.緩沖器壓縮量傳感器選用OPTEX公司CD33-250NV型激光位移傳感器.安裝傳感器的工裝分為一個支撐架和一個反光板.支撐架焊在緩沖器前從板下方，反光板焊在緩沖器箱體處，傳感器固定在支撐架上，激光頭指向反光板.傳感器供橋電壓24V，輸出電壓-5 V～5 V.制動系統(tǒng)壓力測試傳感器選用Leeg公司生產(chǎn)的SMP131壓力變送器.傳感器供橋電壓12 V，量程1 MPa，輸出電壓0～5 V.

數(shù)據(jù)采集設備選用東華測試公司5910型具有GPS芯片同步采集功能的8通道離線數(shù)據(jù)采集設備采集測試信號.試驗中采集頻率為1000Hz，1～5通道分別對應測力車鉤、位移傳感器、制動缸壓力、副風缸壓力、列車管壓力信號.

列車在神朔鐵路(神木-朔州)和朔黃鐵路(朔州-黃驊港)采用HXD1型機車和SS4b型機車牽引，兩種機車不混編運用，58位車后可能加配從控機車.本文根據(jù)1臺HXD1型機車牽引116輛C80型敞車的1+0編組方式在朔黃鐵路所測得的試驗數(shù)據(jù)分析單編萬噸列車制動特性.

2 制動特性試驗分析

列車制動時,司機將制動閥手把放至制動位,列車管內(nèi)壓縮空氣經(jīng)自動制動閥排氣減壓, 每個車輛處的列車管壓力下降，使車輛分配閥主活塞兩側(cè)形成壓力差,副風缸內(nèi)的壓縮空氣將主活塞推向制動位,從而打開了分配閥上通往制動缸的通路,使副風缸內(nèi)的壓力空氣充入制動缸,產(chǎn)生制動作用,所以通過對列車管、副風缸及制動缸內(nèi)的空氣壓力進行測試，可得到空氣制動系統(tǒng)的制動和緩解特性，進而分析空氣制動系統(tǒng)對列車縱向沖動的影響[6].

圖1 不同減壓量制動時勾貝開始伸出時間曲線

列車在實際運行中發(fā)生緊急制動的情況很少,大多數(shù)工況下列車制動為常用制動,本次試驗過程中發(fā)現(xiàn)列車管減壓50～120 kPa為列車制動時常用減壓量,圖1為三種不同減壓量常用制動時制動缸開始充氣時刻沿車長方向的分布，即制動波的傳播過程，從列車管減壓50 kPa到減壓120 kPa，制動缸勾貝開始伸出時間如表1所示.

表1 不同減壓量制動時勾貝開始伸出時間 s

圖1中三條不同減壓量制動工況下勾貝開始伸出時間曲線形狀相似,減壓量越大，各車位勾貝開始伸出時間越短，曲線變化更加平滑.結(jié)合表1可知無論制動減壓量為多少，隨著車輛序號的增大，各車位制動缸勾貝開始伸出時間逐漸變晚,制動波從車頭向車尾順次傳播；從不同減壓量制動工況下的勾貝開始伸出時間曲線和表格可以發(fā)現(xiàn)勾貝開始伸出時間會受到列車管減壓量的影響，減壓量越大，勾貝開始伸出時間越早.由表1中首尾測試車輛勾貝伸出時間差變化規(guī)律可知，制動時列車管減壓量越大，首尾車開始制動的時間差越小，即平均制動波速越高.制動缸勾貝開始伸出時間曲線斜率隨著車輛序號的增大呈現(xiàn)出減小的趨勢，說明制動波的傳播是先慢后快的，制動波的傳播是逐漸加快而不是等速傳播，等速傳播時上述曲線應該是直線.

圖2是單編萬噸列車常用制動減壓50 kPa各車位的制動缸升壓曲線.從圖中可以看出制動缸壓力上升是從首車位置開始的，然后逐漸向后傳遞，因此列車中每一輛車的制動作用并不是同時發(fā)生的，首測試車4車位的制動缸壓力上升時刻最早，最后一輛測試車116車位的制動缸壓力上升時刻最晚，這就造成列車前后部分制動開始時刻存在時間差，即制動作用具有制動起始時刻的不同時性.各車位制動缸開始進氣后氣壓先急速增大,即圖中壓力曲線開始后的直線上升階段,當進入制動缸內(nèi)的氣體壓力增大到能夠克服制動缸活塞動作阻抗和緩解彈簧彈力時,勾貝伸出,勾貝伸出后由于缸內(nèi)體積變大,氣體膨脹所以制動缸內(nèi)氣壓變小,所以曲線在初躍升之后有一段回落,之后隨著進入制動缸內(nèi)的氣體越來越多,氣壓也隨之增大，曲線緩慢上升.

圖2 減壓50 kPa制動缸升壓曲線

3 緩解特性試驗分析

我國重載列車主要通過增加車輛編組數(shù)量從而提高運輸重量和效率，這就造成列車越來越長，列車管總?cè)莘e越來越大，由于緩解工況列車管的增壓完全靠機車總風缸向列車管充風來實現(xiàn)，當列車比較長的時候列車管增壓速度就會很低，列車前后部作用存在時間差，使運行中的列車產(chǎn)生強烈的縱向沖動.

緩解工況時，制動缸壓力空氣經(jīng)由分配閥或控制閥的排氣管路進入加速緩解閥，打開加速緩解風缸到列車管的通路，然后才排入大氣.加速緩解風缸具有額定壓強的壓力空氣逆流到列車管，產(chǎn)生局部增壓作用，促使其后相鄰車輛的分配閥加速緩解，使列車管增壓速度不會沿列車長度逐漸嚴重衰減，使列車前后部緩解作用的時間差得以減小，從而減輕列車在運行中緩解所產(chǎn)生的縱向沖動.

試驗中常用制動列車管最小減壓量為50 kPa，試驗列車所安裝的空氣制動機為120-1型空氣制動機.圖3為列車管減壓50 kPa制動后的緩解曲線.緩解時來自機車供風系統(tǒng)的壓力空氣沿列車長度方向由前向后傳播，使不同車位列車管壓力順次上升.由于距離機車較近，機車充風能力較強，4車位列車管在254 s最先開始充氣，充氣前列車管壓力為532 kPa，一直到257 s列車管壓力曲線斜率都非常大，斜率越大則說明列車管壓力上升速度越快，257 s后曲線變平緩，壓力上升速度減慢，結(jié)合圖4中4車位制動缸壓力曲線可知此時刻開始制動缸壓力曲線開始下降，4車位進入緩解工況，列車管中壓力空氣進入副風缸所以列車管壓力曲線變平緩；34車位列車管在255 s開始充氣，壓力上升速度較4車位有所減緩，由圖4可知34車位制動缸在264 s才開始排氣，從列車管開始充氣到制動缸開始排氣存在一定的時間差，其它后部車輛同樣如此，所以列車管開始充氣一段時間后列車管壓力曲線才出現(xiàn)明顯的尖峰，加速緩解風缸才開始發(fā)揮“局部增壓”的作用；62與84及116車位在列車管再充氣開始后的前10 s內(nèi)曲線形狀都比較相近，曲線斜率都較小，列車管氣壓上升速度都比4車位及34車位慢，說明機車供風系統(tǒng)在小減壓量制動后緩解時中后部車輛列車管氣壓上升緩慢.

圖3 列車管減壓50 kPa制動后緩解曲線

圖4 制動缸排氣曲線

圖5是單編萬噸列車常用制動減壓100 kPa后緩解工況下各車位的制動缸降壓曲線以及對應車位的列車管升壓曲線.從圖中可以看出首測試車4車位的制動缸壓力下降時刻最早，然后隨著車輛序號的增大各車位制動缸壓力依次減小，最后一輛測試車116車位的制動缸壓力下降時刻最晚，因此列車中每一輛車的緩解作用并不是同時發(fā)生的，這就造成列車前后部分緩解開始時刻存在時間差，即緩解作用具有緩解起始時刻的不同時性;不同車位制動缸降壓曲線都分為三段，即減壓速度呈先快中慢后快的分布規(guī)律;各車位制動缸開始排氣后氣壓先快速減小，即圖中壓力曲線開始下降后的階段，當制動缸內(nèi)的氣體壓力減小到小于緩解彈簧彈力時，即制動缸內(nèi)氣壓減小到35 kPa后，勾貝縮回，勾貝縮回后由于缸內(nèi)體積變小，氣體被壓縮所以制動缸內(nèi)氣壓下降速率變慢，所以曲線在快速下降一段時間之后有所變緩,勾貝縮回之后制動缸內(nèi)的氣體又按照減壓開始時的排氣速率繼續(xù)減少，曲線又快速下降；從圖中還可以看出列車管緩解升壓開始時刻發(fā)生在制動缸降壓開始之前，列車管緩解開始一段時間后制動缸才開始降壓，隨后制動缸內(nèi)壓力空氣經(jīng)分配閥的排氣管路進入加速緩解閥，打開加速緩解風缸到列車管的通路，使加速緩解風缸內(nèi)的壓力空氣逆流到列車管，從而產(chǎn)生局部增壓作用，促使其后相鄰車輛的分配閥加速緩解，使列車管緩解增壓速度不會沿列車長度逐漸嚴重衰減，從而減小列車前后部緩解作用的時間差，進而減輕列車緩解時的縱向沖動.

圖5 列車管減壓100 kPa后緩解曲線

4 結(jié)論

列車制動及緩解不同步是造成列車縱向沖動的主要原因，本文通過試驗所得數(shù)據(jù)定量的分析了常用制動時列車管減壓量與勾貝伸出時間的關系、緩解時列車管升壓特性，以及制動與緩解特性對列車縱向沖動的影響，得到的結(jié)論如下:

(1)制動時列車管減壓量越大，首尾車開始制動的時間差越小，即平均制動波速越高；

(2)常用制動時制動波的傳播沿車長方向是先慢后快的而不是等速傳播；

(3)列車在制動后緩解工況下，加速緩解風缸對列車管能起到局部增壓的作用，后部車輛的增壓效果尤其顯著.

[1]錢立新.世界重載鐵路運輸技術的最新發(fā)展[J].機車電傳動,2010(1)：3-7.

[2]MURTAZA M A，GARG S B L．Parametric study of a railway air brake system[J]．Proceedings Institution Mechanical Engineers，Part F,1992,206(2):213-234.

[3]耿志修. 大秦鐵路重載運輸技術[M].北京：中國鐵道出版社,2009.

[4]蔣益平，池茂儒，朱海燕．兩萬噸重載組合列車牽引和制動時的車鉤力分析[J].機車電傳動,2013(1)：23-26.

[5]魏偉，趙連剛．兩萬噸列車縱向動力學性能預測[J]．大連交通大學學報,2009,30(2):39- 43.

[6]魏偉．兩萬噸組合列車制動特性[J].交通運輸工程學報,2007,7(6):12-16.

Experiment Research on Braking Performance of Heavy Haul Train

CHEN Hao, WEI Wei

(School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116000, China)

In order to reduce the heavy haul train longitudinal impulse caused by braking and releasing asynchronism and improve brake propagation speed and releasing propagation speed, line experiment analysis is conducfed according to field test data of the single ton train experiment features of braking and releasing. The results demonstrate that the brake propagation is not propagating at a constant speed but rather slowly first and then faster. The more the train brake pipe pressure reduction,the shorter end to the end car starts braking time is, that is, the higher average braking propagation speed. When the train traveling in the downhill road, the maximum train coupler forces occurr in brake releasing conditions and serious pressure on the rear of the vehicle couplers.

heavy haul train; braking performance; releasing performance; longitudinal dynamics; experimental analysis

1673- 9590(2017)02- 0011- 04

2016-02-02

陳浩(1989-)，男，碩士研究生； 魏偉(1963-)，男，教授，博士，從事列車空氣制動與縱向動力學的研究

A

E- mail:chenhao890227@126.com.