27 t及以下軸重混編列車縱向車鉤力試驗(yàn)研究*

張生玉, 熊　芯, 張?zhí)鞁? 姜　成

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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27 t及以下軸重混編列車縱向車鉤力試驗(yàn)研究*

張生玉, 熊芯, 張?zhí)鞁? 姜成

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

為研究掌握既有線開行27 t及以下軸重混編列車的技術(shù)性能，中國(guó)鐵路總公司在山西中南部鐵路通道組織了“既有線開行27 t及以下軸重混編列車綜合試驗(yàn)”。通過分析試驗(yàn)列車在緊急制動(dòng)、常用全制動(dòng)以及長(zhǎng)大下坡道調(diào)速制動(dòng)工況下的縱向車鉤力及其變化規(guī)律，研究混編列車的車鉤力特性，為既有線開行27 t軸重混編列車提供技術(shù)支持。分析認(rèn)為：在各種裝載和編組條件下，試驗(yàn)中混編列車最大拉鉤力913 kN，最大壓鉤力1194 kN，超過1 000 kN的車鉤力只出現(xiàn)過一次。由于參試的27 t軸重貨車制動(dòng)率明顯小于既有通用貨車，使得混編列車緊急制動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)較大的拉鉤力。

27 t軸重; 混編列車; 制動(dòng); 縱向力

27 t軸重貨車屬于通用貨車，在運(yùn)用中要與既有貨車混編。為研究掌握既有線開行27t及以下軸重混編列車的技術(shù)性能，中國(guó)鐵路總公司在山西中南部鐵路通道重載綜合試驗(yàn)段組織了“既有線開行27 t及以下軸重混編列車綜合試驗(yàn)”，研究混編列車的制動(dòng)性能、縱向動(dòng)力學(xué)性能、貨車動(dòng)力學(xué)性能等列車運(yùn)行綜合性能[1]。

列車縱向車鉤力是縱向動(dòng)力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，是重載列車運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[2-3],本文對(duì)27 t軸重混編列車在制動(dòng)和緩解工況下的縱向車鉤力進(jìn)行分析，研究混編列車的車鉤力特性，為既有線開行27 t軸重混編列車提供技術(shù)支持。

1　試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)線路

“既有線開行27 t及以下軸重混編列車綜合試驗(yàn)”在山西中南部鐵路通道重載試驗(yàn)段K503～K575間進(jìn)行，下行方向K503～K535以上坡區(qū)段為主，最大坡道6‰，K535～K575以下坡區(qū)段為主，其中K547～K575是一段長(zhǎng)大下坡道，最大坡道-13‰，平均坡度-8.9‰，為循環(huán)制動(dòng)試驗(yàn)區(qū)段；K544+446～K546+994是坡道為-1‰的直道，為平道緊急制動(dòng)和平道常用全制動(dòng)的試驗(yàn)地點(diǎn)；K569～K572是-11‰下坡道，為下坡道緊急制動(dòng)和下坡道常用全制動(dòng)試驗(yàn)地點(diǎn)。

1.2機(jī)車及牽引方式

本次試驗(yàn)使用中國(guó)北車集團(tuán)大同電力機(jī)車有限責(zé)任公司最新研制的30 t軸重交流傳動(dòng)貨運(yùn)電力機(jī)車HXD2F，最高運(yùn)營(yíng)速度100 km/h，輪周牽引功率9 600 kW，起動(dòng)牽引力≥ 910 kN，再生制動(dòng)力510 kN。

試驗(yàn)列車頭部和尾部各有1臺(tái)HXD2F電力機(jī)車。在列車起動(dòng)提速階段兩臺(tái)機(jī)車同時(shí)工作，頭部機(jī)車牽引，尾部機(jī)車頂推，當(dāng)列車速度達(dá)到要求后，尾部機(jī)車停止頂推，由頭部機(jī)車單獨(dú)牽引。所有制動(dòng)及緩解試驗(yàn)尾部機(jī)車均不參與充排風(fēng)。

1.3參試車輛

參試貨車為26輛27 t軸重貨車，12輛既有C70(E)型通用貨車，12輛C64K型通用貨車，另有1輛試驗(yàn)車，共計(jì)51輛，列車長(zhǎng)度726 m，試驗(yàn)列車制動(dòng)主管定壓為600 kPa。27 t軸重貨車采用傳統(tǒng)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置或轉(zhuǎn)向架集成基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，裝用HM-1型緩沖器，只有1輛KM80H型煤炭漏斗車裝用MT-2緩沖器。

1.4列車編組

27 t軸重貨車作為通用貨車在實(shí)際運(yùn)用中編組具有隨機(jī)性，因此，在設(shè)計(jì)列車編組時(shí)，充分考慮了27 t軸重貨車通用性特點(diǎn)和運(yùn)輸需求，并且滿足以下原則：27 t軸重貨車分別與21 t、23 t軸重貨車連掛；空、重混編，盡可能采用不利工況，并且27 t軸重貨車的空、重車分別與21 t和23 t軸重空、重貨車相連掛；不同型式的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置貨車混編。

設(shè)計(jì)了3種裝載工況和3種編組順序，裝載分別為全空、空重和全重，編組順序?yàn)轫樞駻、順序B、順序C，3種編組順序各種車輛的編組位置見表1。

表1　三種編組順序車輛位置表

不同的裝載工況和不同的編組順序相組合，最終設(shè)計(jì)了5種不同編組：全空編組A、空重編組A、空重編組B、全重編組A和全重編組C。全空、空重和全重，對(duì)應(yīng)的牽引質(zhì)量分別為：1 303.8,3 363.8,4 943.8 t。

1.5試驗(yàn)工況

為研究在各種不利情況下的車鉤力數(shù)值以及分布規(guī)律，共設(shè)計(jì)了5種制動(dòng)試驗(yàn)工況，分別是：平道緊急制動(dòng)、下坡道緊急制動(dòng)、平道常用全制動(dòng)、下坡道常用全制動(dòng)、長(zhǎng)大下坡道循環(huán)制動(dòng)。緊急制動(dòng)和常用全制動(dòng)的制動(dòng)初速度為80 km/h和100 km/h，全重編組A和全重編組C還增加了制動(dòng)初速度為90 km/h的緊急制動(dòng)。各種編組全部在長(zhǎng)大下坡區(qū)段進(jìn)行了限速80 km/h和100 km/h的循環(huán)制動(dòng)試驗(yàn)。列車循環(huán)制動(dòng)時(shí)，不使用機(jī)車電制動(dòng)，僅使用全列的空氣制動(dòng)，機(jī)車不允許單獨(dú)緩解。各種編組情況下的制動(dòng)試驗(yàn)內(nèi)容見表2。

表2　各種編組下制動(dòng)試驗(yàn)工況

注："●"表示該編組有此項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容，"/" 表示無此項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容。

1.6測(cè)點(diǎn)布置

為測(cè)試列車典型斷面的車鉤力等參數(shù)，在列車的前部、中部和后部共布置了6個(gè)測(cè)試斷面，下行方向試驗(yàn)時(shí)測(cè)試斷面的車輛位置分別是：1位、6位、16位、30位、42位、49位；上行方向時(shí)車輛位置分別是：51位、46位、36位、22位、10位、3位。

2　車鉤力結(jié)果分析

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，5種編組的最大拉鉤力913 kN；最大壓鉤力1 194 kN，試驗(yàn)中只有1次車鉤力超過1 000 kN。從拉鉤力最大值出現(xiàn)的工況來看，全部是在列車提速階段，在機(jī)車牽引時(shí)產(chǎn)生；壓鉤力的大值主要出現(xiàn)在制動(dòng)工況，包括緊急制動(dòng)、常用全制動(dòng)、機(jī)車施加電制動(dòng)等，另外，在列車提速時(shí)尾部機(jī)車頂推也會(huì)造成尾部車輛承受較大的壓鉤力。

重點(diǎn)研究緊急制動(dòng)、常用全制動(dòng)和長(zhǎng)大下坡道循環(huán)制動(dòng)3種工況下的縱向車鉤力及其變化規(guī)律。

2.1緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)是在緊急情況下為使列車盡快停車而施行的制動(dòng)，作用比較迅猛，是列車運(yùn)行中較為惡劣的工況，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的車鉤力較大。圖1是本次試驗(yàn)在各種編組條件下緊急制動(dòng)時(shí)的最大車鉤力，下行方向全空、空重、全重編組的最大車鉤力分別為386,435,648 kN，上行方向空重、全重編組的最大車鉤力分別為890,794 kN。

從下行方向的數(shù)據(jù)來看，全重編組的車鉤力明顯大于空重編組，增加幅度為49%；空重編組略大于全空編組，增加幅度為12%，可見隨著列車總重的增加，緊急制動(dòng)時(shí)的車鉤力也增大。

圖1　各種編組緊急制動(dòng)最大車鉤力

2.1.1制動(dòng)初速度對(duì)緊急制動(dòng)車鉤力的影響

為分析不同制動(dòng)初速對(duì)緊急制動(dòng)車鉤力的影響，現(xiàn)將3種制動(dòng)初速度：80，90，100 km/h的平道緊急制動(dòng)車鉤力數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，編組為全重編組A，將下行方向和上行方向的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對(duì)比，見圖2和圖3。

圖2　全重編組A下行方向平道緊急制動(dòng)各斷面最大車鉤力

圖3　全重編組A上行方向平道緊急制動(dòng)各斷面最大車鉤力

從圖2和圖3 來看， 80,90,100 km/h 3種制動(dòng)初速度的車鉤力數(shù)據(jù)差異不大，而且上下行都有一致的結(jié)論。從各斷面的車鉤力數(shù)據(jù)來看，列車頭部和尾部的車鉤力較小，中后部(下行第30位、上行第36位)最大。

2.1.2平道與下坡道緊急制動(dòng)車鉤力的差異

在編組、制動(dòng)初速度、運(yùn)行方向都相同的條件下對(duì)比平道和-11‰下坡道緊急制動(dòng)時(shí)的車鉤力，可以看出坡度對(duì)車鉤力的影響。

圖4是全重編組A在下行線以80 km/h初速度緊急制動(dòng)的車鉤力，圖5是全重編組C在下行線以100 km/h初速緊急制動(dòng)時(shí)的車鉤力，圖中可見平道緊急制動(dòng)車鉤力明顯大于下坡道緊急制動(dòng)。全重編組A以80 km/h初速度緊急制動(dòng)時(shí)平道的車鉤力比下坡道大81%，全重編組C以100 km/h初速度緊急制動(dòng)時(shí)平道的車鉤力比下坡道大50%。在列車中部車鉤力最大的位置，兩種坡度的車鉤力相差最大。

下坡道緊急制動(dòng)車鉤力較小主要受線路條件影響。實(shí)施制動(dòng)前列車一直運(yùn)行在長(zhǎng)大下坡道，在機(jī)車電制力的作用下列車處于壓縮狀態(tài)，進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)縱向沖動(dòng)較小因而車鉤力也較小。而平道緊急制動(dòng)前機(jī)車一直施加牽引力，列車處于拉伸狀態(tài)，這時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)縱向沖動(dòng)較大，產(chǎn)生的車鉤力也大，這與大秦線重載列車的試驗(yàn)結(jié)論一致[4]。

圖4　下行方向全重編組A初速度80 km/h緊急制動(dòng)各斷面最大車鉤力

圖5　下行方向全重編組C初速度100 km/h緊急制動(dòng)各斷面最大車鉤力

2.1.3緊急制動(dòng)時(shí)拉鉤力產(chǎn)生原因分析

全重編組C上行方向緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了明顯的拉鉤力，試驗(yàn)中最大拉鉤力415 kN。通過分析車輛的制動(dòng)性能，認(rèn)為產(chǎn)生拉鉤力的主要原因是混編列車中27 t軸重貨車制動(dòng)率較低，導(dǎo)致實(shí)際制動(dòng)力明顯低于既有通用貨車，在某些編組情況下緊急制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的拉鉤力。

本次試驗(yàn)主管定壓為600 kPa，各參試車輛的換算制動(dòng)率如下：26輛27 t軸重貨車中，有7輛的制動(dòng)率為0.144～0.146, 另有10輛的制動(dòng)率為0.154～0.160，其余9輛的制動(dòng)率為0.201～0.206；12輛既有60t級(jí)敞車制動(dòng)率為0.210；12輛既有70 t級(jí)敞車的制動(dòng)率為0.215。可見27 t軸重貨車的制動(dòng)率明顯低于既有通用貨車，制動(dòng)時(shí)的減速度也小于既有通用貨車。

全重編組C上行方向試驗(yàn)時(shí)，絕大部分27 t軸重貨車在列車前部，既有通用貨車在列車后部。圖6(b)是上行方向緊急制動(dòng)時(shí)的車鉤力波形，可以看到車鉤力的變化過程是先產(chǎn)生壓鉤力然后產(chǎn)生拉鉤力，產(chǎn)生拉鉤力的原因分析如下：由于27 t軸重貨車的制動(dòng)率明顯低于既有通用貨車，在列車實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，27 t軸重貨車減速度較小，而既有通用貨車減速度較大，這就使得既有通用貨車的速度會(huì)在某一時(shí)刻低于27 t軸重貨車，由于既有通用貨車編掛在列車后部，這就使得后部車輛的速度低于前部車輛時(shí)，在列車中必然產(chǎn)生拉鉤力，兩部分車輛的速度差越大，產(chǎn)生的拉鉤力也越大。而下行方向的情況正好相反，既有通用貨車在列車前部，27 t軸重貨車在列車后部，緊急制動(dòng)時(shí)，前部車輛的速度低于后部車輛，車輛間產(chǎn)生擠壓作用，從而在列車中產(chǎn)生壓鉤力。圖6(a)是下行方向緊急制動(dòng)時(shí)的車鉤力波形，可以看到下行方向只產(chǎn)生壓鉤力。

圖6　全重編組C緊急制動(dòng)車鉤力時(shí)間歷程

緊急制動(dòng)出現(xiàn)拉鉤力的情況在大秦線1.5萬t混編組合列車試驗(yàn)時(shí)也出現(xiàn)過，1.5萬t混編列車編組為：前102輛為C80B貨車，后54輛為C70貨車，由于列車后部的C70貨車制動(dòng)率大于前部的C80B貨車，在緊急制動(dòng)時(shí)，后部車輛的減速度大于前部車輛，列車中產(chǎn)生了較大的拉鉤力[5]。

2.2常用全制動(dòng)

常用全制動(dòng)屬于列車運(yùn)行中比較惡劣的工況，本次試驗(yàn)對(duì)所有編組全部設(shè)置了常用全制動(dòng)停車試驗(yàn)，線路分平道和-11‰下坡道兩種，制動(dòng)初速度為80 km/h和100km/h，試驗(yàn)地點(diǎn)與緊急制動(dòng)的試驗(yàn)地點(diǎn)相同。圖7是各種編組的常用全制動(dòng)最大車鉤力，下行方向空重、全重編組的最大車鉤力分別為387，413 kN，上行方向全空、空重、全重編組的最大車鉤力分別為318，573，625kN。

從上下行的數(shù)據(jù)來看，上行方向的車鉤力明顯大于下行方向，平均增加幅度為37%，上行方向車鉤力數(shù)據(jù)偏大的原因見本文2.1.2。

全重C編組在下行方向常用全制動(dòng)時(shí)也產(chǎn)生了明顯的拉鉤力，最大拉鉤力257 kN，產(chǎn)生拉鉤力的原因也是由于27 t軸重貨車的制動(dòng)率較低。

圖7　各種編組常用全制動(dòng)最大車鉤力

2.2.1制動(dòng)初速度對(duì)常用全制動(dòng)車鉤力的影響

常用全制動(dòng)試驗(yàn)制動(dòng)初速度分為80，100 km/h兩種，為對(duì)比不同制動(dòng)初速度下常用全制動(dòng)的車鉤力，現(xiàn)選取全重編組C在下行方向-11‰下坡道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見圖8 ；再選取全重編組C在上行方向平道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見圖9。從圖中可以看出，80，100 km/h兩種制動(dòng)初速度各個(gè)測(cè)試斷面的車鉤力差異不大，與不同制動(dòng)初速度緊急制動(dòng)的結(jié)論相一致。

圖8　全重編組C下行方向-11‰下坡道常用全制動(dòng)各斷面最大車鉤力

圖9　全重編組C上行方向平道常用全制動(dòng)各斷面最大車鉤力

2.3長(zhǎng)大下坡道循環(huán)制動(dòng)

循環(huán)制動(dòng)在下行方向的長(zhǎng)大下坡道進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)間最大坡道-13‰，平均坡度-8.9‰。機(jī)車不使用再生制動(dòng)，均采用列車管減壓50～70 kPa的空氣制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速。本次試驗(yàn)限速80 km/h循環(huán)制動(dòng)的最大車鉤力305 kN(壓鉤力)，限速100 km/h的最大車鉤力315 kN(拉鉤力)，全部是在全重編組C時(shí)第42位貨車出現(xiàn)的。

全重編組制動(dòng)和緩解時(shí)的典型車鉤力波形如圖10，圖中可以看到，循環(huán)制動(dòng)時(shí)列車制動(dòng)和緩解會(huì)引起車鉤力明顯變化，制動(dòng)時(shí)主要產(chǎn)生壓鉤力，緩解時(shí)則是先拉鉤后壓鉤，與以往的重載試驗(yàn)結(jié)果相似。

圖10　典型斷面循環(huán)制動(dòng)車鉤力時(shí)間歷程

3　結(jié)　論

(1)本次“既有線開行27 t及以下軸重混編列車綜合試驗(yàn)”采用27 t軸重貨車與既有通用貨車的混編列車，在不同編組、不同裝載情況、不同制動(dòng)初速度、不同坡度條件下對(duì)多種制動(dòng)工況的車鉤力進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，最大車鉤力均小于1 000 kN。

(2)混編列車中27 t軸重貨車制動(dòng)率較低，當(dāng)27 t軸重貨車編組在列車前部，既有通用貨車編組在列車后部時(shí)，緊急制動(dòng)工況會(huì)出現(xiàn)較大的拉鉤力；

(3)對(duì)于下坡道制動(dòng)工況，進(jìn)行空氣制動(dòng)前機(jī)車已經(jīng)施加電制力，使得列車處于壓縮狀態(tài)，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的車鉤力較小。對(duì)于平道制動(dòng)工況，空氣制動(dòng)前機(jī)車施加牽引力，列車處于拉伸狀態(tài)，制動(dòng)時(shí)的車鉤力較大。

27 t軸重貨車與既有通用貨車的制動(dòng)率存在明顯差異，對(duì)制動(dòng)時(shí)的縱向車鉤力有一定影響，以往的重載列車試驗(yàn)一般采用同一車型的貨車，制動(dòng)率相同，因此，已有的重載試驗(yàn)結(jié)論不完全適用于混編列車。建議對(duì)27 t軸重貨車與既有通用貨車混編時(shí)列車縱向車鉤力進(jìn)行深入研究，選擇合理的編組方案，減小車鉤力，保證行車安全。

[1]王新銳，等.既有線開行27 t及以下軸重混編列車技術(shù)性能試驗(yàn)研究，TY字第4118號(hào)[R].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2015.

[2]耿志修.大秦線鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[3]嚴(yán)雋耄，翟婉明，陳清．重載列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

[4]徐倩，王悅明，倪純雙．重載列車縱向沖動(dòng)分布試驗(yàn)研究[J]．中國(guó)鐵道科學(xué)，2013,(7)：77-83.

[5]王新銳，等.大秦線1.5萬噸混編組合列車試驗(yàn)(普通列尾)試驗(yàn)報(bào)告，2013年JL字第034號(hào)[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2013.

Test Research on the Longitudinal Coupler Force of Mixed Train of 27 t Axle-load and Below

ZHANGShengyu,XIONGXin,ZHANGTianying,JIANGCheng

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences , Beijing 100081， China)

In order to research the performance of mixed train for 27t axle load and below, China Railway organized the test, which tested the mixed train for 27t axle load and below on Railway Passage at Central South of Shanxi Province. This paper analyzes the results of the longitudinal coupler force, when the mixed train operates emergency braking，common full braking，cycle braking on the Long Heavy Down Grade, and provide technical support with operation of the mixed train for 27t axle load on the existing lines. The results show that the maximum coupler-pulling force is 913kN, the maximum coupler-pressing force is 1194kN, and the force more than 1000kN has appeared only once of different marshalling and different loading. As a result of the difference of the braking ratio which significantly smaller than the existing general wagon, affect by the marshalling, it is liked to appear heavy coupler-pulling force when the mixed train operate emergency braking.

27 t Axle-load; mixed train; braking; longitudinal force

1008-7842 (2016) 04-0012-05

??)男，副研究員(

2016-03-28)

U272

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.03

*中國(guó)鐵路總公司2014年重大科技研究項(xiàng)目(2014J002-A)