快捷貨運列車緩沖器特性優(yōu)化

朱紅偉，魏偉

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，以批量化、附加值高、時效性強等為特征的貨物運輸急劇增長，世界各國鐵路貨物運輸呈現(xiàn)物流化發(fā)展趨勢，為提高鐵路的貨運能力和競爭水平，鐵路運輸需要提供安全、快捷的貨運服務(wù)，因此貨運安全快捷化勢在必行.上世紀80年代以來，歐洲各發(fā)達國家，如德國、法國等，先后開發(fā)使用快捷貨車.我國當前發(fā)展快捷運輸?shù)膮^(qū)域主要為各主要經(jīng)濟中心地帶、東南沿海地區(qū)等，運輸貨物主要為電子、通信、高檔服裝、精密儀器、家電等高附加值產(chǎn)品以及鮮活貨物.實現(xiàn)快捷貨物運輸?shù)囊粋€基本前提就是提高貨物列車的運行速度，列車運行速度一般為140～160 km/h，列車編組20輛左右，牽引噸位為1 400～1 800 t[1- 2].

經(jīng)過多年發(fā)展，我國重載貨車已經(jīng)基本形成一套完整的緩沖器系統(tǒng).文獻[3]針對重載列車緩沖器，通過單車撞擊試驗和落錘試驗創(chuàng)建了緩沖器分段線性形式的模型.文獻[4]總結(jié)分析了國內(nèi)外重載貨車緩沖器的發(fā)展趨勢和存在問題，結(jié)合大秦線重載列車運輸試驗結(jié)果的研究，提出了我國重載貨車緩沖器的主要性能參數(shù)的選取、試驗及評定方法建議.文獻[5]建立了貨車及車鉤緩沖器參數(shù)化仿真模型，研究了緩沖器初壓力、最大行程和最大阻抗力等參數(shù)對貨車調(diào)車沖擊的影響.文獻[6]以摩擦式緩沖器為例，建立計算模型，對其力與位移特性、縱向沖擊機理進行了詳細分析.文獻[7]通過仿真計算，總結(jié)分析出列車制動過程中的縱向沖動是由沖擊作用和擠壓作用共同形成的，并討論了車鉤間隙與閘瓦摩擦系數(shù)對縱向沖動的影響.文獻[8]通過單車模型中多次仿真與試驗曲線相比較，反演出緩沖器特性曲線，并將此曲線應(yīng)用于萬噸列車模型并進行優(yōu)化，得出重載列車最佳緩沖器特性曲線.

MT- 2型緩沖器是我國目前貨車裝配使用最多的緩沖器，憑借其成熟的技術(shù)、優(yōu)良的性能在重載運輸中廣泛應(yīng)用.快捷貨車以“快、短、輕”為特色，與重載列車相比具有不同的特點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于重載運輸?shù)腗T- 2型緩沖器在快捷運輸中會存在一定的不匹配性. 因此本文利用空氣制動和列車縱向動力學聯(lián)合仿真系統(tǒng)[9]研究快捷貨車在緊急制動和調(diào)車沖擊兩種工況下最大車鉤力與最大加速度的數(shù)值及分布，通過改變緩沖器特性來減小列車運行時的縱向沖擊，并且保證調(diào)車時緩沖器不出現(xiàn)壓死的現(xiàn)象.

1 緊急制動工況

通常情況下，除了意外事故沖撞外，列車在運行工況下實施緊急制動時產(chǎn)生的沖擊最為嚴重.

本次仿真試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)為列車在坡度為0的平道緊急制動，列車組成為1+20(1輛SS9電力機車+20輛P160D快運棚車)，列車總重1 566 t，緊急制動初速度為160 km/h，緩沖器采用MT- 2型緩沖器，制動系統(tǒng)采用KZ1閥為基礎(chǔ)的制動系統(tǒng)[10]，但在本研究中提升緊急制動時制動缸充氣時間為5 s，列車管定壓600 kPa，緊急制動時制動缸最高壓力為435 kPa.

圖1是列車在平道實施緊急制動時每輛車的最大拉鉤力和最大壓鉤力沿車長分布曲線.由圖可知，該工況下列車的最大車鉤力表現(xiàn)為壓鉤力，發(fā)生在第16車位，數(shù)值為-277.63 kN.

圖1 最大車鉤力沿車長分布曲線

圖2是列車在平道實施緊急制動時每輛車的最大正向加速度和最大負向加速度沿車長分布曲線.由圖可知，該工況下列車的最大加速度表現(xiàn)為負向加速度，發(fā)生在第16車位，數(shù)值為-3.25 m/s2.

圖2 最大加速度沿車長分布曲線

圖3是第16車車鉤力隨時間變化曲線，從圖中曲線可以看出，最大壓鉤力達到277.63 kN，發(fā)生在第2.72 s.經(jīng)比較分析得知，由于制動不同步性的存在，前部車輛開始制動，而后部車輛未制動減速，追及相撞而形成.在第2.72 s，第16車開始制動減速，16車后面的車輛未制動撞擊擠壓16車產(chǎn)生最大壓鉤力，即整列車的最大車鉤力.

圖3 第16車位車鉤力時域曲線

圖4是第16車加速度隨時間變化曲線，從圖中曲線可以看出，最大加速度表現(xiàn)為負向加速度，數(shù)值為3.25 m/s2，發(fā)生在第6.66 s.比較圖3第16車車鉤力時域曲線可知，在第6.66 s，車鉤力由壓鉤力轉(zhuǎn)變?yōu)槔^力，產(chǎn)生第一個拉鉤力尖峰，同時也是第16車的最大拉鉤力，數(shù)值為211.08 kN.由于此拉鉤力出現(xiàn)在第16車的后車鉤上，對16車位產(chǎn)生負向的作用力，進而生成負向最大加速度.

圖4 第16車位加速度時域曲線

由以上分析可知，緊急制動過程中，列車的最大車鉤力為壓鉤力，發(fā)生列車的中后部，由尾部車輛追及撞擊而產(chǎn)生.最大加速度為負向加速度，由該車位出現(xiàn)的首個最大拉鉤力作用而產(chǎn)生.

雖然快捷貨車相對于重載貨車牽引重量小，但是其運行速度達到160 km/h，運輸貨物多為高附加值貨物，對于列車運行時的穩(wěn)定性有較高的要求.為防止高速度給貨物和車體帶來的損害，現(xiàn)考慮調(diào)整緩沖器的整體阻抗特性曲線來降低列車的縱向沖動，保證列車的運行安全以及貨物的運輸質(zhì)量.

2 緩沖器工作范圍區(qū)間的確定

緩沖器在列車的運行工況下與調(diào)車工況下所需要的壓縮量不同.列車運行時，緩沖器的位移量保持在小行程范圍內(nèi)就能夠緩和列車之間的縱向沖動.調(diào)車沖擊時，緩沖器則需要較大的位移量才能吸收車輛之間產(chǎn)生的沖擊能量.因此考慮改變MT- 2型緩沖器在小位移量范圍的阻抗特性，使其適用于運行工況，降低列車運行時的最大加速度與車鉤力，保證運輸貨物的安全無損.此外，考察優(yōu)化后的緩沖器在調(diào)車沖擊時所表現(xiàn)的特性，保證緩沖器具有足夠的容量，適用于調(diào)車作業(yè).

圖5是MT- 2型緩沖器與改變其小行程范圍后的特性曲線對比圖.由上可知，列車在緊急制動時，最大車鉤力達到277.63 kN，該最大車鉤力使一對緩沖器位移9.3 mm.現(xiàn)考慮在運行工況中，列車產(chǎn)生的最大車鉤力設(shè)為300 kN，分別降低特性曲線在小壓縮量范圍區(qū)間內(nèi)的剛度，使其在改變后的小壓縮量范圍區(qū)間內(nèi)平緩升至300 kN.其中，剛度改變范圍區(qū)間依次選為(0，10 mm)、(0，20 mm)、(0，30 mm)、(0，40 mm).以下將四種改進后的特性曲線依次簡稱為方案一、方案二、方案三與方案四.

圖5 緩沖器阻抗特性曲線對比

圖6為改變特性曲線后，列車緊急制動時發(fā)生最大車鉤力的車位所對應(yīng)的緩沖器壓縮量與車鉤力圖.由圖可知，采取方案一至方案四的四種特性曲線時，列車產(chǎn)生的最大車鉤力依次為-265.09、-225.1、-207.5、-198.02 kN，一對緩沖器的最大位移量分別為-19.25、-26.88、-34.04、-39.44 mm.其中，最大車鉤力依次減小了12.54、52.53、70.13、79.61 kN，減小的車鉤力百分比分別約為4.52%、18.92%、25.26%、28.67%.

圖6 最大車鉤力與緩沖器位移量

圖7為改變特性曲線后，列車緊急制動時發(fā)生最大加速度的車位所對應(yīng)的加速度對比圖.由圖可知，采取方案一至方案四的四種特性曲線時，最大加速度仍然表現(xiàn)為負向加速度，所對應(yīng)的最大加速度分別為-2.76、-2.44、-2.41、-2.45 m/s2，最大加速度依次減小了0.49、0.81、0.84、0.80 m/s2，減小的加速度百分比分別約為15.80%、24.92%、25.85%、24.62%.

圖7 最大加速度對比

由以上分析可知，緊急制動過程中，隨著緩沖器特性曲線剛度降低范圍區(qū)間的擴大，緩沖器發(fā)生的壓縮量隨之增大，最大車鉤力隨之減小，最大加速度隨之減小至一定程度后數(shù)值趨于穩(wěn)定.

3 調(diào)車沖擊工況

緩沖器作為吸收調(diào)車作業(yè)時車輛間互相碰撞產(chǎn)生的沖擊能量的主要裝置，其容量是決定緩沖器吸收能量大小的主要因素，如果容量不足，當調(diào)車作業(yè)中車輛連掛速度提高時，會導致緩沖器全壓縮而使車體產(chǎn)生剛性沖擊，車輛過早疲勞損傷.因此，現(xiàn)考察優(yōu)化后的緩沖器在調(diào)車沖擊時所表現(xiàn)的特性，保證緩沖器具有足夠的容量，適用于調(diào)車作業(yè).

本次仿真試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)為平道線路上，第一輛車靜止，第二輛車以不同速度撞擊第一輛車輛.其中，車輛重量為72 t，沖擊速度為5～10 km/h.

表1是沖擊速度為5～10 km/h條件下車鉤力與緩沖器壓縮量的數(shù)值結(jié)果，結(jié)合圖8和圖9可知，當沖擊速度為9 km/h時，方案四的車鉤力達到2 295.81 kN，緩沖器壓縮量達到83.90 mm；當沖擊速度為10 km/h時，方案三的車鉤力達到2 457.34 kN，緩沖器壓縮量達到86.48 mm.根據(jù)TB/T1961- 2006《機車車輛緩沖器》規(guī)定貨車緩沖器的行程≤83 mm[11]，《車輛強度設(shè)計規(guī)范》規(guī)定貨車結(jié)構(gòu)允許的最大縱向力為2.25 MN[12].由以上分析結(jié)果可知，采取方案一和方案二的特性曲線時，可以滿足沖擊速度為5～10 km/h的要求.采取方案三的特性曲線時，滿足沖擊速度為5～9 km/h的要求.采取方案四的特性曲線時，其最大沖擊速度為8 km/h.

表1 調(diào)車沖擊結(jié)果

圖8 沖擊速度為9 km/h時緩沖器工作曲線

圖9 沖擊速度為10 km/h時緩沖器工作曲線

4 結(jié)論

本文利用空氣制動和列車縱向動力學聯(lián)合仿真系統(tǒng)，以快捷貨車，初速度為160 km/h時的平道緊急制動以及不同速度下的調(diào)車沖擊為模型，研究了緩沖器不同特性對列車縱向沖動的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)在緊急制動過程中，列車的最大壓鉤力發(fā)生在列車的中后部，由尾部車輛追及撞擊前部車輛而形成；列車的最大加速度表現(xiàn)為負向加速度，發(fā)生位置在列車的中后部，由該車位出現(xiàn)的首個最大拉鉤力作用而產(chǎn)生;

(2)制動過程中，隨著緩沖器特性曲線剛度降低范圍區(qū)間的擴大，最大車鉤力隨之減小，緩沖器所產(chǎn)生的最大位移量隨之增大，最大加速度隨之減小至一定程度后數(shù)值趨于穩(wěn)定;

(3)調(diào)車工況下，剛度降低范圍區(qū)間為(0，10 mm)和(0，20 mm)時，可以滿足沖擊速度為5～10 km/h的要求.剛度降低范圍區(qū)間為(0，30 mm)時，滿足沖擊速度為5～9 km/h的要求.剛度降低范圍區(qū)間為(0，40 mm)時，滿足沖擊速度為5～8 km/h的要求.

綜上所述，可考慮改進現(xiàn)有的MT- 2型緩沖器，在20或者30 mm以內(nèi)的小行程范圍內(nèi)阻抗力平緩升至300 kN；在20或者30 mm之后的大行程范圍內(nèi)可保持原有特性.在確保足夠容量的前提下，提高列車運行時的平穩(wěn)性.

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