快捷貨車偏載對空重車調(diào)整方式的影響

劉 凡，王風(fēng)洲，李培署

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

隨著物流業(yè)迅猛發(fā)展，鐵路貨物運輸也將與時俱進(jìn)，開行快捷貨運列車勢在必行。與快捷貨車配套的制動系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，將直接影響該車的使用效果。對于快捷貨車來說，與普通貨車的不同之處主要是：(1)速度高；(2)基本固定編組；(3)運輸?shù)呢浳锵鄬ε屡鲎玻?4)貨物偏載情況較為普遍。

目前新造貨車均裝有空重車調(diào)整裝置，根據(jù)車輛載重變化調(diào)整車輛的制動力，可使車輛制動率在不同載重狀態(tài)下保持恒定，從而有效地改善車輛制動性能，提高了車輛運行品質(zhì)。一般普通貨車，單輛車裝載貨物種類通常比較單一，特別是用量較大的敞車和罐車，主要裝載煤、礦石等粉料，以及油等液體，車輛裝載比較均勻，基本不會出現(xiàn)車輛前后質(zhì)量相差較大的情況，既有的空重車調(diào)整方式可較好地解決不同載重下的制動力調(diào)整問題。而快捷貨車由于所運的貨物品種較為繁雜，貨物體積與質(zhì)量比有可能相差較大，從而導(dǎo)致一輛車的前后載重相差會較大，形成車輛偏載。如果仍采用既有的空重車調(diào)整方式，即車輛前后轉(zhuǎn)向架施加相同的制動力，會使增載轉(zhuǎn)向架的制動力偏小，減載轉(zhuǎn)向架的制動力偏大，在輪軌黏著不良的情況下，易造成減載轉(zhuǎn)向架的輪對滑行，防滑器頻繁動作，因此導(dǎo)致整車制動力損失，造成制動距離延長，危及行車安全。

因此，需要結(jié)合快捷貨車裝載貨物的特點，采用合理的空重車調(diào)整方式，降低偏載對車輛制動性能的影響，確保行車安全。

1 快捷貨車偏載引起的轉(zhuǎn)向架增減載計算分析

普通貨車裝載比較均勻，車輛重心通常處于水平方向的中間位置，靜止?fàn)顟B(tài)下兩臺轉(zhuǎn)向架的承重基本相同，制動或牽引過程中，因慣性力的影響，車輛前后轉(zhuǎn)向架會出現(xiàn)一定的增減載，但總體上差別不大。而快捷貨車易出現(xiàn)偏載情況，再加上制動或牽引過程慣性力的影響，會進(jìn)一步加劇車輛前后轉(zhuǎn)向架的增減載。圖1為制動過程中車體受力情況。

V.車輛運行速度；F.制動減速力產(chǎn)生的水平慣性力；G.車體質(zhì)量；F1.前轉(zhuǎn)向架心盤上的水平反作用力；G1.前轉(zhuǎn)向架心盤上的有效質(zhì)量；F2.后轉(zhuǎn)向架心盤上的水平反作用力；G2.后轉(zhuǎn)向架心盤上的有效質(zhì)量；F3、F4.分別為前、后車鉤力；L.車輛定距(兩轉(zhuǎn)向架的中心距離)；L1.車鉤中心線距心盤面的距離；L2.車體重心距前轉(zhuǎn)向架中心的距離；L3.車體重心距心盤面的高度。圖1 制動過程中車體受力情況

如圖1所示，車輛向右方行駛，制動過程中制動減速力產(chǎn)生的水平慣性力：

(1)

式中：g—重力加速度；

a—制動減速度。

車輛水平方向受力：

(2)

心盤受到的水平反作用力為：

(3)

通常情況下，同一輛車受到前后車的車鉤力相差不大，(F3-F4)一般很小，所以

(4)

在計算心盤所受到的垂直反作用力G1、G2時，應(yīng)考慮車體慣性力的傾覆作用，此慣性力試圖繼續(xù)保持車體的原始運動狀態(tài)，當(dāng)自由體處于平衡狀態(tài)時，作用于其上的各力乘以各力相對于任一參考點的假想杠桿力臂的代數(shù)和應(yīng)等于0，如果選擇前轉(zhuǎn)向架心盤面上水平力與垂直力的交點，即F1與G1的交點作為參考點，則各力相對于此點的力矩為：

(5)

上式經(jīng)簡化后，得出作用于后轉(zhuǎn)向架心盤的垂直反作用力為：

(6)

同理，如果參考點選在后轉(zhuǎn)向架心盤上，可得出作用于前轉(zhuǎn)向架心盤的垂直反作用力為：

(7)

按照快捷貨車軸重為18 t、轉(zhuǎn)向架自重6 t、車輛定距18 m、緊急制動時制動減速度0.56 m/s2(制動初速120 km/h時制動距離1 100 m)計算，制動過程中兩臺轉(zhuǎn)向架的載重隨車輛重心變化而變化的情況如圖2所示。由圖2可知，緊急制動時，如果車輛重心的水平位置位于前進(jìn)方向前轉(zhuǎn)向架的中心上，車輛載荷將全部由前轉(zhuǎn)向架承擔(dān)，由于制動慣性力的影響，該載荷超過了車重，隨著重心離前轉(zhuǎn)向架中心的距離變大，前轉(zhuǎn)向架的載荷逐漸變小，后轉(zhuǎn)向架的載荷逐漸變大，在距離接近11 m時，兩臺轉(zhuǎn)向架的載荷相等，也就是說在距離為9 m即重心處于車體水平位置的中心時(不偏載)，前轉(zhuǎn)向架的載荷稍大于后轉(zhuǎn)向架。

圖2 制動過程中兩臺轉(zhuǎn)向架的載重隨車輛重心位置L2變化而變化的情況

進(jìn)一步分析可知，制動過程中同一轉(zhuǎn)向架的兩根輪對，因所處位置的不同，也會形成增減載。圖3為制動過程中轉(zhuǎn)向架的受力情況。

F1.作用于車體上減速力對轉(zhuǎn)向架心盤產(chǎn)生的水平反作用力；G1.車體載荷在心盤上產(chǎn)生的垂直作用力；GZ1.轉(zhuǎn)向架總重；FZ1.減速度在轉(zhuǎn)向架上產(chǎn)生的慣性力；FB1、FB2.車輪踏面處的制動減速力；F11、F12.車輪踏面處的制動減速力；G11、G12.分別為前、后輪對上每個車輪所受到的垂直反作用力。圖3 制動過程中轉(zhuǎn)向架的受力情況

如圖3所示，設(shè)轉(zhuǎn)向架為一受若干力作用的自由體，并且由制動減速度所產(chǎn)生的慣性力作用于其重心上。制動時，閘瓦產(chǎn)生的減速力FB1和FB2被輪軌接觸面間與上述慣性力大小相等、方向相反的黏著力所抵消。此減速力通過各轉(zhuǎn)向架心盤作用于車體。所形成的車體慣性力，在前轉(zhuǎn)向架心盤上產(chǎn)生水平反作用力F1，此力有使轉(zhuǎn)向架翻轉(zhuǎn)的趨勢；轉(zhuǎn)向架本身質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力FZ1，此慣性力通過轉(zhuǎn)向架重心，也有使轉(zhuǎn)向架翻轉(zhuǎn)的趨勢。這兩個翻轉(zhuǎn)力矩，被作用于前車輪向上當(dāng)量力產(chǎn)生的相反方向力矩所平衡，從而增加了前車輪的載荷。同理，后車輪上的有效載荷相應(yīng)減少。

相對于任一參考點的力矩之和都應(yīng)等于0，首先以前輪輪軌接觸點作為參考點，則：

(8)

由此可得：

(9)

同理可得，前輪上的有效載荷為：

(10)

從式(9)、(10)可以看出，前轉(zhuǎn)向架的前輪對車輪有效載荷G11大于后輪對車輪有效載荷G12。

同理可得，后轉(zhuǎn)向架的前輪對車輪有效載荷G21大于后輪對車輪有效載荷G22，且：

(11)

(12)

綜上可以看出，快捷貨車偏載對前后兩臺轉(zhuǎn)向架的載重影響較大，造成前后兩臺轉(zhuǎn)向架的黏著需求差異變大，特別是快捷貨車的制動減速度大于普通貨車，偏載工況下造成的轉(zhuǎn)向架增減載尤為明顯，如果按照既有貨車的空重車調(diào)整方式，即根據(jù)車輛載重變化對兩臺轉(zhuǎn)向架施加相同的制動力，兩臺轉(zhuǎn)向架的制動率將不同，并會加大減載轉(zhuǎn)向架車輪出現(xiàn)滑行的風(fēng)險，一旦滑行將導(dǎo)致防滑器動作，造成車輛制動力損失。同時，同一轉(zhuǎn)向架的兩根輪對也存在增減載情況，減載轉(zhuǎn)向架的減載輪對所需黏著力最小，在施加同樣制動力的情況下，最易出現(xiàn)滑行。因此采用軸控方式效果應(yīng)更好，但實現(xiàn)軸控系統(tǒng)將更為復(fù)雜，通常需要電子部件參與控制，考慮到快捷貨車實際情況，采用架控方式為最佳選擇，一是簡單易行，二是性價比高。

2 快捷貨車空重車調(diào)整方式探討

通過以上計算和分析可知，因快捷貨車偏載所造成的同一輛車兩臺轉(zhuǎn)向架增減載，使得兩臺轉(zhuǎn)向架的制動力需求不一致，所以在保持不同載重條件下車輛制動率恒定的前提下，應(yīng)能根據(jù)每臺轉(zhuǎn)向架載荷的變化調(diào)整其制動力，使兩臺轉(zhuǎn)向架的制動率也相同，并能充分利用輪軌黏著。

為實現(xiàn)上述目的，快捷貨車的空重車調(diào)整可采用“架控”方式，即每輛車的制動力以轉(zhuǎn)向架為單位進(jìn)行調(diào)整(圖4)，每臺轉(zhuǎn)向架的制動缸壓力根據(jù)本轉(zhuǎn)向架的稱重閥發(fā)出的壓力信號進(jìn)行控制，載荷較大的轉(zhuǎn)向架，其對應(yīng)的制動缸壓力也大，反之就小，這樣就保證了同一輛車前后兩臺轉(zhuǎn)向架的制動率基本相同，也提高了快捷貨車運行的安全性和可靠性。

圖4 架控調(diào)整方式示意圖

另外，與圖5所示的“車控”調(diào)整方式相比，采用架控方式，制動系統(tǒng)的管路連接更為簡單，生產(chǎn)制造、檢修維護(hù)更為方便，同時也應(yīng)能縮短制動響應(yīng)時間，有利于提高制動性能。從結(jié)構(gòu)上來說，增加了一個調(diào)整閥，但減少了平均閥，制造成本基本相同。

圖5 車控調(diào)整方式示意圖

通過對空重車調(diào)整的“車控”和“架控”方式的分析，從車輛制動性能上講，“架控”應(yīng)更能滿足快捷貨車的制動需求；從安全角度講，能更好地保障列車運行的安全。因此，建議快捷貨車空重車調(diào)整采用“架控”方式。

3 尚需探討的問題

本文主要從車輛偏載的影響探討了單輛車制動力的調(diào)整問題，實際上，列車編組后，如果相鄰的多輛車存在偏載、且重心位置不盡相同的現(xiàn)象，即使采用架控方式調(diào)整每臺轉(zhuǎn)向架的制動力，解決了單輛車制動率恒定和充分利用黏著的問題，但對于列車綜合性能來說，仍有許多問題需要探討。

圖6為相鄰3輛車偏載情況下的車輛受力情況。如圖6所示，按照列車運行方向，從右往左列車編組中的相鄰三輛車均存在偏載情況，且每輛車的重心位置不同，根據(jù)前面的計算不難得出，在3輛車總重相同的情況下，Gi2Gi+21，因此制動過程中，因制動慣性力的作用和偏載的原因，第i輛車和第i+1輛車連接處，第i輛車存在向右端傾覆的趨勢，即兩輛車鉤緩連接裝置等除了受縱向作用力外，還有可能受相反方向的垂向作用力；第i+1輛車和第i+2輛車連接處，第i+1輛車存在向右端傾覆的趨勢，第i+2輛車存在向左端傾覆的趨勢，兩輛車鉤緩連接裝置等除了受縱向作用力外，還有可能均受到向上的垂向作用力；在這種情況下，有可能對鉤緩連接裝置等設(shè)備造成不良影響，也有可能影響到車輛的動力學(xué)性能。因此除了研究車輛偏載對制動性能的影響及采取相應(yīng)的解決措施外，還需要研究對車輛或列車綜合性能的影響。

圖6 相鄰3輛車偏載情況下的車輛受力情況

4 結(jié)論

通過計算分析快捷貨車偏載的影響，建議快捷貨車的空重車調(diào)整采用“架控”方式，可以使車輛制動率的控制更為精確，管路布置更為簡單，有利于充分利用輪軌黏著，減小車輪滑行幾率，縮短制動響應(yīng)時間，提高車輛的制動性能，并能更好地確保行車安全。

另外，建議進(jìn)一步研究車輛偏載對列車鉤緩連接裝置等設(shè)備及縱向動力學(xué)的影響，改善車輛或列車的綜合性能。