一種新型列車分組電空制動系統(tǒng)的研制

魏偉，蔣勇，張淵，趙旭寶，張軍

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.眉山中車制動科技有限公司，四川 眉山 620010；3.大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連116028)*

重載列車以高效率、低成本在世界鐵路貨運(yùn)中被廣泛采用，在大宗貨物長距離運(yùn)輸中發(fā)揮了重要作用.因重載列車列車長、重量大，其突出的問題是列車縱向沖動明顯加劇，零部件過早疲勞損壞，甚至脫軌、斷鉤事故時(shí)有發(fā)生，因此降低列車縱向沖動是重載列車重點(diǎn)研究課題.

列車空氣制動系統(tǒng)特性的不同步是列車縱向沖動主要根源，純空氣傳播的制動系統(tǒng)依靠壓縮空氣傳遞控制信號，因受空氣傳播速度的限制，通過提升純空氣制動系統(tǒng)的制動波速不能徹底解決列車縱向沖動問題.為解決制動系統(tǒng)不同步問題，美國等國家開發(fā)了電控制動系統(tǒng)(ECP)，該系統(tǒng)使用電信號傳播控制指令，極大地提升了信號傳遞速度，改善了列車制動同步性，電控制動系統(tǒng)目前已經(jīng)在許多國家廣泛使用，取得了很好的效果[1].美國的電控制動系統(tǒng)是直通式電控制動系統(tǒng)，與我國列車空氣制動系統(tǒng)不兼容，采用美國式ECP需要對我國的車輛制動系統(tǒng)徹底改造，費(fèi)用高，周期長，因此ECP制動系統(tǒng)在我國一直沒有得到應(yīng)用.通過仿真系統(tǒng)研究新型電空制動系統(tǒng)，從而確定新型電空制動系統(tǒng)原理的正確性以及降低縱向沖動效果對于新型電空制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義.

美國在2012年提出了新的機(jī)車及車輛空氣制動仿真系統(tǒng)[2-3].韓國使用制動系統(tǒng)建模方法研究貨運(yùn)列車緩解性能的改進(jìn)[4]，意大利建立了貨運(yùn)列車空氣制動系統(tǒng)模型[5-6]，波蘭建立制動系統(tǒng)仿真模型，它們使用了有限元方法求解氣體流動方程[7].中國在上個(gè)世紀(jì)90年代開始列車空氣制動系統(tǒng)仿真研究工作[8]，并且隨后建立了貨車使用的GK、KZ1、120等分配閥組成的列車空氣制動仿真系統(tǒng)[9-12].意大利針對歐洲貨運(yùn)列車開發(fā)了縱向動力學(xué)仿真系統(tǒng)[13]，意大利開展了ECP模型及對應(yīng)縱向動力學(xué)分析[14]，2017年澳大利亞中昆士蘭大學(xué)發(fā)布縱向動力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)試題，對6個(gè)國家9套仿真系統(tǒng)進(jìn)行了評測[15].到目前為止，空氣制動系統(tǒng)建模研究僅限于對已有的空氣制動系統(tǒng)，對于新型的分組式電空制動及其對應(yīng)的縱向動力學(xué)行為開展模型研究還沒有先例.

本文提出了一種分組式電空制動系統(tǒng)，能夠與我國列車空氣制動系統(tǒng)完全兼容，具有改造成本低，改造期間未改造和改造車輛可以兼容等特點(diǎn).本文使用文獻(xiàn)[16]中參加評測的TABLDSS仿真系統(tǒng)對新型電空制動系統(tǒng)和縱向動力學(xué)進(jìn)行分析，為新型電空制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

1 分組式電空制動系統(tǒng)原理

分組式電空制動是一種新的電控制空氣制動新方式，它通過在部分車輛中安裝電控裝置實(shí)現(xiàn)部分車輛快速排風(fēng)能力，加速列車制動同步性.與ECP直通式電控制動系統(tǒng)不同的是，該裝置不是控制副風(fēng)缸向制動缸充風(fēng)，而是控制列車管排風(fēng)，因此該裝置與我國的現(xiàn)有制動系統(tǒng)完全兼容，適應(yīng)我國的貨運(yùn)列車空氣制動系統(tǒng).分組式概念是列車中不需要對每個(gè)車輛安裝電控排風(fēng)裝置，可以將列車看成許多組短列車組成，每組短列車安裝一套電控裝置，可以極大降低車輛改造費(fèi)用.

分組電空制動結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 截?cái)嗍椒纸M電空制動示意圖

分組電空制動有兩種模式，一種為截?cái)嗍椒纸M電空制動系統(tǒng)，如圖1所示，其特點(diǎn)是每組電空制動系統(tǒng)在制動時(shí)完全獨(dú)立，在緩解時(shí)各組之間管路聯(lián)通.在制動時(shí)，電控管路截?cái)嘌b置將列車分為許多組，使每組之間列車管路不再連通，同時(shí)電控排風(fēng)裝置排風(fēng)，使列車管壓強(qiáng)下降，每組內(nèi)車輛分配閥在列車管壓強(qiáng)下降時(shí)逐漸進(jìn)入制動位；緩解時(shí)，電控截?cái)嘌b置打開，列車中列車管內(nèi)氣體可以在每組車輛間流動，使機(jī)車中主風(fēng)缸氣體不斷流入列車管，隨著各車輛位置列車管壓強(qiáng)的升高，車輛分配閥逐漸進(jìn)入緩解位，實(shí)現(xiàn)制動缸排風(fēng)，列車管、副風(fēng)缸、加速緩解風(fēng)缸充風(fēng)的目的.在制動過程中，電信號無時(shí)差地傳遞給每一組車輛的電控排風(fēng)裝置，因此各組車輛中的電控排風(fēng)裝置幾乎同步排風(fēng).每組車輛中，電控排風(fēng)裝置排風(fēng)后，制動減壓信號不斷向組內(nèi)其他車輛傳播，實(shí)現(xiàn)組內(nèi)其他車輛的制動作用，因此在制動時(shí)制動波傳播方式為兩種形式，一種是電信號直接控制電控排風(fēng)裝置，可以做到所有電控裝置幾乎同步排風(fēng)，另一種方式是組內(nèi)車輛靠傳統(tǒng)的壓縮氣體減壓傳遞制動信號.在制動時(shí)相當(dāng)于列車中分布于各位置的多個(gè)機(jī)車同步排風(fēng)的效果，制動時(shí)等價(jià)于多個(gè)短列車同時(shí)制動.緩解時(shí)列車管截?cái)嘌b置打開，其作用相當(dāng)于組成一個(gè)慣通的列車，與現(xiàn)有的列車緩解過程完全相同.這種分組式電空制動適合長重載列車，當(dāng)列車中有些車輛處于上坡，有些車輛處于下坡的情況下，每組電控排風(fēng)裝置可以獨(dú)立控制，能夠?qū)崿F(xiàn)上坡車輛不制動、下坡車輛制動的功能.

第二種模式的分組電控制動系統(tǒng)為連通式分組電空制動系統(tǒng)，這種方式與截?cái)嗍椒纸M電控制動的差異就是取消電控列車管截?cái)嘌b置.僅在每組列車中安裝一套電控排風(fēng)裝置，這種裝置僅能夠?qū)崿F(xiàn)各組的同步控制，不可以實(shí)現(xiàn)異步控制.在制動時(shí)的傳播特點(diǎn)與傳統(tǒng)空氣制動系統(tǒng)不同，與截?cái)嗍诫娍罩苿酉到y(tǒng)也不同.其基本原理是機(jī)車發(fā)出電控信號后，電控排風(fēng)裝置幾乎同步排風(fēng)，各車輛列車管減壓信號一方面來自于電控排風(fēng)裝置，同時(shí)機(jī)車正常減壓作用也向后傳遞，兩種減壓作用同時(shí)發(fā)揮效果.

第二種連通式分組電空制動裝置已經(jīng)由眉山制動科技有限公司開發(fā)出樣品，并且已經(jīng)在列車試驗(yàn)臺上完成了實(shí)驗(yàn).

2 分組電空制動系統(tǒng)仿真模型

連通式分組電空制動裝置物理模型如圖2所示.

圖2 帶有電控裝置的車輛制動原理圖

一節(jié)車輛制動系統(tǒng)模型中包含兩根列車主管(一根主管在主管與支管連接處劃分為兩根主管)和一根支管；三根缸間連接管，分別是主閥下腔連接制動缸、副風(fēng)缸和加速緩解風(fēng)缸連接管；7個(gè)缸室，分別是120閥的主閥上、下腔，制動缸，副風(fēng)缸，加速緩解風(fēng)缸，緊急室以及電控裝置的均衡風(fēng)缸.除孔φ10～φ12是電控排風(fēng)裝置孔徑外，其余9個(gè)孔均與120分配閥狀態(tài)相關(guān).與分配閥狀態(tài)相關(guān)的孔和分配閥內(nèi)移動部件位置相關(guān)，在制動與緩解過程中，這些孔徑均在不斷變化，其開放條件與開口度大小在有關(guān)文獻(xiàn)中已詳細(xì)介紹，本文重點(diǎn)介紹電控裝置動作原理.

來自機(jī)車的電控信號直接控制電控裝置中均衡風(fēng)缸排氣口φ10面積，中繼閥再根據(jù)均衡風(fēng)缸和分配閥上腔(與列車管連通)的壓強(qiáng)差來確定中繼閥工作狀態(tài)，當(dāng)上述壓強(qiáng)差達(dá)到工作條件時(shí)，φ11孔開放，實(shí)現(xiàn)列車管壓縮空氣經(jīng)主閥上腔排入大氣的目的，實(shí)現(xiàn)列車管遙控減壓功能.均衡風(fēng)缸排氣終止壓強(qiáng)受機(jī)車遙控信號控制，與司機(jī)大閘的制動減壓量相等，當(dāng)均衡風(fēng)缸減壓量達(dá)到機(jī)車指令設(shè)定減壓量后，均衡風(fēng)缸排氣口φ10關(guān)閉.列車管排氣口φ11開放后，隨著列車管壓強(qiáng)下降，均衡風(fēng)缸和列車管間壓強(qiáng)差不斷減小，當(dāng)兩者平衡時(shí)，中繼閥關(guān)閉φ11孔，列車管停止遙控減壓(以區(qū)別于列車管局部減壓和機(jī)車排風(fēng)口減壓造成的列車管的減壓).當(dāng)電控裝置接收到機(jī)車大閘緩解遙控指令時(shí)，遙控裝置將開通φ12孔，此時(shí)φ12孔通過一個(gè)虛擬管路(圖中虛線)與均衡風(fēng)缸連通，此時(shí)列車管中空氣通過分配閥上腔流入均衡風(fēng)缸，實(shí)現(xiàn)均衡風(fēng)缸充氣功能，當(dāng)均衡風(fēng)缸與列車管最終壓力平衡時(shí)，均衡風(fēng)缸φ12孔關(guān)閉，均衡風(fēng)缸停止充風(fēng).同時(shí)電控裝置接收到機(jī)車緩解信號時(shí)，將φ7孔打開，實(shí)現(xiàn)加速緩解風(fēng)缸向主閥上腔充風(fēng)(再充到列車管)的功能.

均衡風(fēng)缸排氣面積表達(dá)如下：

(1)

函數(shù)f均是均衡風(fēng)缸排氣口面積函數(shù)，在初始接收到電控排氣指令時(shí)由機(jī)車減壓量確定均衡風(fēng)缸的初始排風(fēng)口，其后隨著均衡風(fēng)缸減壓量接近最終減壓量，排氣口面積逐漸減小，直至關(guān)閉.Δp均,Δpend分別為均衡風(fēng)缸減壓量和機(jī)車指令減壓量.

列車管排氣口開度計(jì)算如下：

(2)

函數(shù)f列是列車管排氣口面積函數(shù)，其開口面積與列車管減壓量和均衡風(fēng)缸減壓量之差相關(guān)，當(dāng)列車管減壓量與均衡風(fēng)缸減壓量相等時(shí)，排氣口關(guān)閉.Δp列為列車管減壓量.

均衡風(fēng)缸進(jìn)氣孔計(jì)算方法：

(3)

當(dāng)電控裝置接收到緩解電信號指令時(shí)，如果列車管壓強(qiáng)高于均衡風(fēng)缸壓強(qiáng)，則按f均充表達(dá)式的進(jìn)氣面積給均衡風(fēng)缸充風(fēng)，其開口面積決定于均衡風(fēng)缸和列車管壓強(qiáng)差.p均,p列分別為均衡風(fēng)缸和列車管壓強(qiáng).

分組式電空制動系統(tǒng)中電控裝置接收電信號后會有機(jī)械部件運(yùn)動，最后實(shí)現(xiàn)排氣功能.理論上電信號傳遞滯后時(shí)間可以忽略，但是考慮到機(jī)械系統(tǒng)滯后特性以及電信號傳遞過程中可能衰減，電控裝置可能接收到非第一個(gè)信號才開始發(fā)生作用的可能性，本仿真系統(tǒng)假設(shè)電控裝置初始動作方式(這里均指均衡風(fēng)缸開始排氣或充氣)有三種方式，第一種方式為各電控裝置無時(shí)間差同步排氣/進(jìn)氣，即所有電控裝置和機(jī)車同步動作，第二種傳遞方式為各電控裝置動作時(shí)間按正態(tài)隨機(jī)分布規(guī)律變化，并且隨機(jī)變化時(shí)間范圍可變.第三種傳遞方式是按某一種波速由前到后傳遞，即勻速由前到后順序傳播.

在隨機(jī)傳遞方式中，考慮到可能的隨機(jī)變化范圍是2、4 s；在均勻傳遞方式中考慮1 000、2000m/s兩種傳遞波速.以萬噸列車為例，按某工廠設(shè)計(jì)的每輛車安裝一套電控裝置方案考慮， 三種傳遞方式各組電控裝置開始動作時(shí)間沿車長分布如圖3、4所示.

圖3 各裝置隨機(jī)傳播動作時(shí)間

圖4 各裝置同步和順序傳播時(shí)間

圖3中在電控裝置動作時(shí)間按隨機(jī)分布變化且變化范圍為2 s時(shí)，各裝置初始動作時(shí)間按正態(tài)分布規(guī)律產(chǎn)生，變化范圍是0～2 s.對應(yīng)的隨機(jī)4 s計(jì)算方案是電控裝置初始動作時(shí)間變化范圍為0～4s.圖4是電控裝置動作時(shí)間按均勻速度從前到后傳播，圖中對應(yīng)三種傳播速度，第一種是傳播速度無窮大，即各電控裝置動作時(shí)間完全一致，第二種傳遞速度是1 000 m/s，從列車前部傳動尾部大約需要1.5 s，另一種是2 000 m/s傳播速度，尾車動作時(shí)間正好是波速為1 000 m/s對應(yīng)列車尾車動作時(shí)間的50%.

眉山制動科技有限公司開發(fā)的分組電空制動系統(tǒng)考慮到機(jī)車發(fā)送信號有一定難度，開發(fā)的電控排風(fēng)裝置是接力式傳遞方式.即前面電控裝置接收到減壓信號后，傳遞給下一個(gè)電控裝置.

眉山制動科技有限公司實(shí)驗(yàn)中列車編組為108輛車輛，每間隔約10輛車安裝一組傳感器， 分別測試列車管，副風(fēng)缸和制動缸壓強(qiáng).實(shí)驗(yàn)臺完成了各種減壓量常用制動實(shí)驗(yàn)和緊急制動實(shí)驗(yàn)，本文僅給出了減壓50 kPa列車管和制動缸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5～6所示.通過其分析制動系統(tǒng)傳遞特性和列車管、制動缸升壓特性，便于調(diào)整仿真系統(tǒng)中對應(yīng)參數(shù).

圖5 減壓50 kPa制動緩解列車管壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 減壓50 kPa制動缸壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從制動實(shí)驗(yàn)結(jié)果看列車管減壓傳播特性，各車輛列車管開始排氣順序仍然是由前到后，首 尾 車 開 始 減壓時(shí)間差約1.5 s. 從列車管減壓速率看,在560 kPa以上減壓速度較快，其后減壓速度減慢.從制動缸升壓曲線看，開始較快，越往后越慢.首尾車制動缸開始充氣時(shí)間差約1.0 s.制動缸開始排氣順序也可以看做由前到后，有個(gè)別車輛排氣不按順序.

緩解時(shí)列車管、副風(fēng)缸充氣開始時(shí)間和制動缸開始排氣時(shí)間也可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到，首尾車列車管開始充氣時(shí)間差約2.0 s.副風(fēng)缸首尾車開始充氣時(shí)間差約2.0 s，緩解時(shí)間比較均勻.

經(jīng)過詳細(xì)分析各車輛列車管和制動缸初始壓力變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)制動波傳播方式基本為順序傳播方式，傳播速率約為1 000 m/s.因此使用仿真系統(tǒng)中的順序傳播方式仿真實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)過程.圖7～8為減壓50 kPa制動后緩解的仿真結(jié)果.

圖7 減壓50 kPa制動及緩解列車管壓強(qiáng)仿真結(jié)果

圖8 減壓50 kPa制動及緩解制動缸壓強(qiáng)仿真結(jié)果

圖7和圖8的仿真結(jié)果基本上保證了列車管減壓傳播時(shí)間、減壓速率、減壓后穩(wěn)定壓強(qiáng)、緩解傳播時(shí)間、再充風(fēng)速度等指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相近性，同時(shí)各車輛制動缸開始充氣時(shí)間、充氣速率、平衡壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性.各種減壓量常用制動和緊急制動的結(jié)果均進(jìn)行的詳細(xì)的模擬與比較，證明仿真系統(tǒng)能較好地仿真分組式電空制動的制動與緩解特性.

3 列車制動能力與縱向沖動的比較

開發(fā)分組式電空制動系統(tǒng)的目的就是降低列車縱向沖動，因此了解這種制動系統(tǒng)對于降低縱向沖動的效果對于評價(jià)分組電空制動系統(tǒng)非常重要，在沒有新制動系統(tǒng)裝車前，仿真預(yù)測車鉤力降低效果是唯一的獲取分組電空制動效果的途徑.在仿真系統(tǒng)具有與真實(shí)分組式電空制動系統(tǒng)較好一致性的基礎(chǔ)上，仿真了各種編組列車的縱向沖動和制動能力變化，由于篇幅限制，僅給出了萬噸列車減壓170 kPa常用制動的仿真結(jié)果，為便于結(jié)果比較選取平直線路，列車初速度為70 km/h.圖9為兩種制動方式列車運(yùn)行速度和制動距離隨時(shí)間變化情況.

圖9 減壓170 kPa制動距離和速度比較

減壓170 kPa列車制動與純空氣制動相比，分組電空制動具有更強(qiáng)的制動能力，從制動距離和列車速度下降看，兩者的差異較大.在純空氣制動時(shí)停車距離為1 007 m，而分組式電空制動停車距離為679 m；從停車時(shí)間看，純空氣制動停車時(shí)間為75.2 s，分組電空制動為52.6 s，以純空氣制動為基準(zhǔn)，分組式電空制動制動距離和停車時(shí)間分別縮短32.6%和30.0%.

圖10為萬噸列車減壓170 kPa車鉤力的變化，圖中車鉤力是指在制動過程中每個(gè)車輛受到的最大拉伸車鉤力和最大壓縮車鉤力， 圖中所繪即最大車鉤力沿車長分布.

圖10 減壓170kPa兩種制動方式車鉤力比較

由圖中車鉤力分布曲線看，壓縮車鉤力在純空氣制動系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，最大壓縮車鉤力為674 kN(43車)，采用分組電空制動后最大壓縮車鉤力降低到294 kN (84車)，車鉤力降低56.3%.在壓縮車鉤力降低的同時(shí)，拉伸車鉤力略有增長，純空氣制動時(shí)多數(shù)車輛沒有發(fā)生拉伸車鉤力，但是在電空制動時(shí)，多數(shù)車輛發(fā)生了拉鉤力，并且拉鉤力數(shù)值也有所增加，但是拉鉤力都在300 kN以下，相對較小，不會產(chǎn)生任何風(fēng)險(xiǎn).

通過系統(tǒng)的仿真萬噸列車在各種減壓量常用制動和緊急制動工況，發(fā)現(xiàn)列車制動能力和列車縱向沖動都有不同程度的變化，與純空氣制動相比，分組電空制動制動能力更強(qiáng)，縱向沖動都明顯減小，但是改變程度與減壓量息息相關(guān).常用制動減壓量越大，制動能力變化也越大，縱向沖動降低效果也越明顯.緊急制動時(shí)由于特殊的設(shè)計(jì)方法，電控裝置僅按常用速度排風(fēng)，列車制動距離變化不大，但是縱向沖動降低比較明顯.

4 結(jié)論

本文開發(fā)了一種分組式電空制動模型，在與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近的條件下，使用模型方法預(yù)測了列車縱向沖動，得出如下結(jié)論：

(1) 基于氣體流動理論和分配閥原理建立的分組電空制動模型能較好地模擬分組電空制動系統(tǒng)特性，較好的模擬列車制動能力和縱向沖動；

(2) 分組電空制動與純空氣制動相比，列車制動能力均有提升，制動距離縮短.制動距離縮短效果與減壓量有關(guān)，減壓量越大制動能力提升越強(qiáng)，最強(qiáng)的提升制動能力約為30%；

(3)分組電空制動能有效降低制動時(shí)車鉤力，減壓量大，車鉤力降低效果更明顯，最大車鉤力約降低56%.