基于縱向動(dòng)力學(xué)的大軸重機(jī)車在朔黃鐵路適應(yīng)性探究

伍泓樺， 羅世輝， 楊相健， 湯　誠(chéng)

(1　西南交通大學(xué)　牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 四川成都 610031；2　中車株洲電力機(jī)車有限公司　技術(shù)中心， 湖南株洲 412001)

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基于縱向動(dòng)力學(xué)的大軸重機(jī)車在朔黃鐵路適應(yīng)性探究

伍泓樺1， 羅世輝1， 楊相健2， 湯誠(chéng)2

(1西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 四川成都 610031；2中車株洲電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心， 湖南株洲 412001)

隨著重載鐵路的發(fā)展，縱向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題顯得越來(lái)越突出?？偨Y(jié)了研究機(jī)車線路適應(yīng)性的方法，分析了列車縱向動(dòng)力學(xué)原理。利用已開(kāi)發(fā)的縱向動(dòng)力學(xué)軟件TDEAS模擬仿真30 t軸重某型電力機(jī)車在朔黃線上進(jìn)行貨物運(yùn)輸，具體編組為：2臺(tái)30 t軸重某型電力機(jī)車，‘1+1’編組在朔黃線上牽引2萬(wàn)t。計(jì)算機(jī)車牽引能力、列車縱向沖動(dòng)以及列車能耗，從效率性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面研究大軸重機(jī)車對(duì)線路的適應(yīng)性。結(jié)果表明：30 t軸重機(jī)車牽引能力滿足朔黃鐵路運(yùn)用要求；運(yùn)行過(guò)程中，車鉤力最大值均出現(xiàn)在中部機(jī)車車鉤，最大拉鉤力和最大壓鉤力分別為1 300,1 650 kN，在安全范圍之內(nèi)；在長(zhǎng)大下坡采用循環(huán)制動(dòng)，機(jī)車電制動(dòng)回收能量超過(guò)機(jī)車牽引耗能，節(jié)能效果明顯。

縱向動(dòng)力學(xué)； 30 t軸重機(jī)車； 線路適應(yīng)性； 動(dòng)力學(xué)仿真；

為提高鐵路貨運(yùn)能力，滿足重載運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展的要求，擴(kuò)大列車編組長(zhǎng)度、提高機(jī)車和貨車軸重、增加機(jī)車軸式以及采用雙機(jī)或多機(jī)大功率機(jī)車牽引是重載鐵路可行的發(fā)展思路。2014年中國(guó)鐵路總公司在大秦鐵路已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)3萬(wàn)t重載列車試驗(yàn)運(yùn)行[1]，神華集團(tuán)承擔(dān)了國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“軸重30 t以上煤炭運(yùn)輸重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備研制”并在朔黃鐵路成功開(kāi)行30t軸重萬(wàn)噸重載列車[2-3]。然而隨著列車編組和牽引質(zhì)量不斷增加，帶來(lái)的縱向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題也越來(lái)越突出。在線路適應(yīng)性方面，郭鍇[4]研究了重載列車線路通過(guò)能力計(jì)算的方法。李海濱[5]研究了DF7B機(jī)車在黔桂線運(yùn)用的適應(yīng)性。馬大煒[6]研究了大秦線2萬(wàn)t列車運(yùn)行過(guò)程中縱向最大車鉤力及運(yùn)行安全性。李曉春[7]研究了電力機(jī)車進(jìn)行重載運(yùn)輸?shù)哪芰肯?。以上研究表明，?yīng)當(dāng)對(duì)機(jī)車的牽引效率，列車運(yùn)行的安全性和能耗問(wèn)題給予更多重視。本文從效率性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面研究大軸重機(jī)車對(duì)線路的適應(yīng)性。

1　列車縱向動(dòng)力學(xué)和TDEAS軟件介紹

在列車縱向動(dòng)力學(xué)研究中，根據(jù)研究重點(diǎn)的不同對(duì)列車模型作一定的簡(jiǎn)化。當(dāng)以縱向沖動(dòng)為研究目標(biāo)時(shí)，通常忽略列車的橫向和垂向運(yùn)動(dòng)，只考慮列車的縱向自由度[8]。將機(jī)車車輛看作剛體，受力如圖1所示 。因此列車縱向動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程寫(xiě)為：

(1)

式中mi為第i車的質(zhì)量；X″i為第i車的加速度；Fci為第i對(duì)車鉤的車鉤力；Fwi為運(yùn)行總阻力(包括：運(yùn)行阻力、空氣阻力、坡道阻力和曲線阻力等)；FTEi為牽引力；FDBi為機(jī)車電制動(dòng)力；FBi為空氣制動(dòng)力。

圖1　列車中某機(jī)車車輛受力圖

TDEAS縱向動(dòng)力學(xué)仿真軟件是西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室機(jī)輛所相關(guān)研究人員以列車縱向動(dòng)力學(xué)、列車牽引制動(dòng)和列車能耗等理論為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的動(dòng)力學(xué)及能量仿真平臺(tái)[9]。軟件主要功能為：①列車的縱向動(dòng)力學(xué)及牽引計(jì)算；②不同編組列車、線路條件、裝備條件及司機(jī)操控方法的模擬；③列車能量及能耗仿真；④調(diào)車作業(yè)及列車碰撞的模擬；⑤列車模擬架駛；⑥仿真結(jié)果的后處理。

將機(jī)車車輛基本參數(shù)、機(jī)車牽引制動(dòng)特性曲線、鉤緩裝置特性、機(jī)車操控和線路狀況等條件導(dǎo)入軟件，則可以仿真模擬列車運(yùn)行。

2　大軸重機(jī)車朔黃線適應(yīng)性仿真條件

2.1列車編組模式及機(jī)車牽引制動(dòng)特性

仿真模擬采用的列車編組模式為：2臺(tái)30 t軸重某型電力機(jī)車，‘1+1’編組牽引2萬(wàn)t，即1主控機(jī)車+105C80+1從控機(jī)車+105C80+可控列尾。鉤緩裝置均采用牽引桿與16號(hào)17號(hào)連鎖車鉤并用(3車一組)，配備MT-2緩沖器。30 t軸重某型電力機(jī)車牽引力大小取25 t軸重的HXD1型電力機(jī)車的1.2倍，牽引制動(dòng)特性如圖2所示。

圖2　30 t軸重某型電力機(jī)車牽引制動(dòng)特性曲線

2.2仿真線路條件

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相聯(lián)，東至河北省黃驊市黃驊港口貨場(chǎng)。圖3和圖4分別為朔黃線路落差和坡度設(shè)置。該線路全程588 km，最大坡度為4‰，最小坡度為-12‰。線路最大落差達(dá)到1 536 m。重載列車試驗(yàn)區(qū)間主要為：神池南—肅寧北。線路從神池南到肅寧北為上行，主要為下坡路段，對(duì)機(jī)車的牽引制動(dòng)能力提出較高要求。因此仿真模擬的線路取神池南(K0)到肅寧北(K405.9)。

圖3　朔黃線落差設(shè)置

圖4　朔黃線坡度設(shè)置(神池南到肅寧北)

圖5為朔黃線路的曲線設(shè)置。該線路段曲線半徑以曲率表示，其中最小半徑為395.6 m，最大半徑為10 000 m，曲線半徑多為500 m至2 000 m之間，左曲線與右曲線的設(shè)置大致相當(dāng)。

圖5　朔黃線曲率設(shè)置(神池南到肅寧北)

3　大軸重機(jī)車朔黃線適應(yīng)性仿真結(jié)果

重載列車在朔黃線運(yùn)行的機(jī)車牽引運(yùn)行速度、車鉤力以及列車能耗如圖6～圖8。

圖6　列車運(yùn)行速度

圖6為列車運(yùn)行速度，圖中所標(biāo)里程和速度均對(duì)應(yīng)頭部機(jī)車。從結(jié)果可以看出，在駛出神池南站后，機(jī)車由0檔位調(diào)到最高牽引檔位，列車的運(yùn)行速度迅速提高，達(dá)到了80 km/h；由于該線路為長(zhǎng)大下坡，列車采用機(jī)車電制動(dòng)的同時(shí)配合有空氣減壓的多次調(diào)速制動(dòng)(又稱循環(huán)制動(dòng))，確保列車速度不超過(guò)坡道限速要求。具體操作為：先使用機(jī)車電制動(dòng)，在列車速度接近坡道限速80 km/h時(shí)再使用列車空氣制動(dòng)(空氣制動(dòng)減壓量為50 kPa)并保壓，并依據(jù)列車速度下降情況調(diào)節(jié)機(jī)車電制動(dòng)，待列車減速到45 km/h后實(shí)施緩解，空氣制動(dòng)緩解后，列車在下坡道又開(kāi)始自然增速，速度接近限速時(shí)實(shí)施下一次循環(huán)制動(dòng)。因此，列車運(yùn)行時(shí)速度在40～80 km/h之間頻繁變化。

圖7　車鉤力時(shí)間歷程

圖7為列車各位車鉤受力時(shí)間歷程，車鉤力為正表示車鉤受壓，車鉤力為負(fù)表示車鉤受拉；C108對(duì)應(yīng)中部機(jī)車重聯(lián)處車鉤，C109對(duì)應(yīng)中部機(jī)車與貨車相連車鉤。由圖可知。‘1+1’編組組合列車在啟動(dòng)牽引時(shí)，最大拉鉤力出現(xiàn)在中部機(jī)車車鉤(C109),最大值為1 200 kN。在運(yùn)行過(guò)程中，列車的最大拉鉤力和最大壓鉤力分別為1 300 kN和1 650 kN，在安全范圍之內(nèi)。最大拉鉤力發(fā)生時(shí)，中部機(jī)車處于K117附近的魚(yú)背型坡道，列車為牽引工況；列車在K170～K174的長(zhǎng)大下坡進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)，緩解信號(hào)發(fā)出約20 s后，中部機(jī)車壓鉤力達(dá)到最大值。整體來(lái)看，‘1+1’編組組合列車的車鉤力最大值均出現(xiàn)在中部機(jī)車車鉤(C109)，且列車間的車鉤力的規(guī)律是與機(jī)車相鄰的車鉤縱向沖動(dòng)大，車鉤位置與機(jī)車車鉤越遠(yuǎn)，車鉤力越小。由于列車頻繁的進(jìn)行電制動(dòng)、空氣制動(dòng)和空氣制動(dòng)緩解操作，所以車鉤力也是在正負(fù)值之間交替，并伴隨一定的縱向沖動(dòng)。

圖8　列車能量時(shí)間歷程

圖8為列車系統(tǒng)動(dòng)能及各種作用力做功的時(shí)間歷程。由圖可知，機(jī)車牽引做功隨著運(yùn)行時(shí)間不斷累積，仿真中機(jī)車牽引力做功2.48×104kW·h。列車動(dòng)能的變化與速度的變化趨勢(shì)一致。列車基本阻力所消耗的能量在列車能耗中占主導(dǎo)地位，耗能4.46×104kW·h。彎道阻力耗能5.72×103kW·h，鉤緩裝置耗能極小，可以忽略。由于朔黃線重載運(yùn)輸方向以長(zhǎng)大下坡為主，落差超過(guò)1 500 m，蘊(yùn)藏巨大勢(shì)能在上圖可以體現(xiàn)，坡道阻力做正功，消耗能量達(dá)-8.87 ×104kW·h。與此同時(shí)，列車在長(zhǎng)大下坡采用循環(huán)制動(dòng)，機(jī)車電制動(dòng)回收的能量達(dá)到了3.45 ×104kW·h，空氣制動(dòng)耗能2.61 ×104kW·h。機(jī)車電制動(dòng)回收能量已超過(guò)機(jī)車牽引耗能。由此可見(jiàn)，列車節(jié)能操縱對(duì)于回收朔黃線蘊(yùn)藏的巨大可回收勢(shì)能有著重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。

4　結(jié)論與展望

運(yùn)用列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真軟件研究30 t軸重機(jī)車，‘1+1’編組牽引2萬(wàn) t在朔黃鐵路(神池南到肅寧北段)運(yùn)用的線路適應(yīng)性。

(1)30 t軸重機(jī)車牽引能力滿足朔黃鐵路運(yùn)用要求，全路段列車的運(yùn)行速度可以保持在40～80 km/h。

(2)‘1+1’編組組合列車在運(yùn)行過(guò)程中，車鉤力最大值均出現(xiàn)在中部機(jī)車車鉤，最大拉鉤力和最大壓鉤力分別為1 300 kN和1 650 kN，若操縱得當(dāng)，縱向力在安全范圍之內(nèi)。

(3)仿真全程機(jī)車牽引力做功2.48×104kW·h，基本阻力耗能4.46 ×104kW·h，彎道阻力耗能5.72 ×103kW·h，坡道阻力做正功，消耗能量達(dá)-8.87 ×104kW·h，機(jī)車電制動(dòng)回收的能量3.45×104kW·h，空氣制動(dòng)耗能2.61×104kW·h。在長(zhǎng)大下坡采用循環(huán)制動(dòng)，機(jī)車電制動(dòng)回收能量超過(guò)機(jī)車牽引耗能，節(jié)能效果明顯。

(4)利用縱向動(dòng)力學(xué)仿真軟件研究30 t軸重重載組合列車的最優(yōu)編組和在魚(yú)腹型坡道、魚(yú)背型坡道以及長(zhǎng)大下坡的列車最優(yōu)操縱，減小縱向沖動(dòng)。

(5)大秦線和朔黃線作為我國(guó)兩條西煤東運(yùn)的能源骨干專線，在重載運(yùn)輸方向均以長(zhǎng)大下坡為主，其中大秦線落差約1 000 m，朔黃線落差超過(guò)1 500 m，因此蘊(yùn)藏巨大勢(shì)能。利用縱向動(dòng)力學(xué)仿真軟件研究列車節(jié)能優(yōu)化操縱對(duì)于回收重載線路蘊(yùn)藏的巨大可回收勢(shì)能有著重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。

[1]我國(guó)鐵路成功實(shí)現(xiàn)3萬(wàn)t重載列車試驗(yàn)運(yùn)行[J]. 鐵道貨運(yùn)，2014,(4)：47.

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[3]神華集團(tuán)有限責(zé)任公司.國(guó)內(nèi)首列30噸軸重萬(wàn)噸重載列車在朔黃鐵路開(kāi)行[EB/OL].[2014-08-28]. http:∥www.sasac.gov.cn/n1180/n1226/n2410/n314244/16028247.html.

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Exploration of Shuo-Huang Railway Adaptability of Heavy Axle Load Locomotive Based on Longitudinal Train Dynamics

WUHonghua1，LUOShihui1，YANGXiangjian2，TANGcheng2

(1State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiao Tong University, Chengdu 610031 Sichuan, China; 2R&D Center, CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412001 Hunan, China)

With the development of heavy haul railway, the longitudinal train dynamics becomes more and more prominent. This paper summarized the research methods of railway adaptability of locomotive and analyzed the longitudinal train dynamics. The self-developed TDEAS software has been used to simulate a certain 30 t axle electric locomotive transporting goods on the Shuo-Huang railway. Two 30 t axle electric locomotives pull twenty thousand tons of goods with ′1 + 1′ marshalling mode. The traction capability, longitudinal impulse and energy consumption was calculated. From the efficiency, safety and economy, the railway adaptability of heavy axle load locomotive was researched. The results show that 30 t axle load locomotive's traction capacity can meet the application requirements of the Shuo-Huang railway. During operation, the maximum coupler forces are present in the middle of the locomotive, the maximum coupler-pulling force and maximum coupler-pressing force were 1 300 kN and 1650kN, which are within the safe range. Using a method of cycle braking on long heavy down grade section, the recovered energy through the electro-dynamic braking is more than the traction consumption energy.

Longitudinal train dynamics; 30 t axle load locomotive; railway adaptability; dynamics simulation

1008-7842 (2016) 04-0085-04

??)男，碩士生(

2015-12-18)

U260.1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.21