基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理策略研究

錢 銘

(中國國家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844)

我國客貨運(yùn)列車主要采用機(jī)車+車輛的傳統(tǒng)組合方式,一般由一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)車牽引無動(dòng)力的車輛(客車或貨車)運(yùn)行,機(jī)車車輛采用各自分工、獨(dú)立研發(fā)制造及運(yùn)維管理的傳統(tǒng)管理模式,形成了“機(jī)、客、貨”專業(yè)化分工管理格局。傳統(tǒng)組合方式,列車的主要特征是牽引動(dòng)力集中設(shè)置、制動(dòng)力分散提供,具有接口簡單、編組靈活、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),基本滿足早期列車運(yùn)行速度較低、牽引噸位較小的運(yùn)輸需求;但在實(shí)際運(yùn)營過程中,逐漸暴露出旅客列車運(yùn)行速度和乘坐舒適性有待提升,貨運(yùn)列車尤其是重載貨運(yùn)列車運(yùn)行安全性尚需提高等問題。為落實(shí)我國鐵路實(shí)現(xiàn)更安全、更可靠、更高效、更經(jīng)濟(jì)等高質(zhì)量發(fā)展新要求,有必要研究與時(shí)俱進(jìn)的機(jī)車車輛研發(fā)及運(yùn)維管理策略,提升我國鐵路移動(dòng)裝備整體性能和全壽命周期安全可靠性及運(yùn)輸效率效益。

我國動(dòng)力集中、動(dòng)力分散動(dòng)車組作為主要的旅客運(yùn)載裝備,雖有動(dòng)力車和拖車之分,但告別了機(jī)車車輛分別研發(fā)制造、運(yùn)維管理的傳統(tǒng)模式,其牽引、制動(dòng)、通信、控制、車端連接等各子系統(tǒng)和關(guān)鍵部件,是以列車為單元和整體性能提升為目標(biāo)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì),解決了傳統(tǒng)組合方式列車牽引力受限、制動(dòng)力一致性較差等技術(shù)難題。動(dòng)車組推行的造修一體化實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理提供了重要參考[1]。

近年來,我國鐵路持續(xù)推進(jìn)機(jī)車車輛融合改革,有力促進(jìn)了機(jī)車車輛管理整體性和安全性提升;在保有量和鐵路運(yùn)量大幅提升的前提下,列車運(yùn)行安全持續(xù)穩(wěn)定,連續(xù)5年消滅了機(jī)車車輛一般B類及以上責(zé)任行車事故,設(shè)備故障率逐年下降,無一不體現(xiàn)出了頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌管理對生產(chǎn)力的促進(jìn)作用。

因此,開展基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理策略研究,是解決傳統(tǒng)組合方式帶來的鐵路機(jī)車車輛現(xiàn)存主要問題,提高鐵路運(yùn)輸本質(zhì)安全度的現(xiàn)實(shí)需求;是完整、準(zhǔn)確、全面貫徹新發(fā)展理念,奮力推動(dòng)鐵路高質(zhì)量發(fā)展,率先實(shí)現(xiàn)鐵路機(jī)車車輛現(xiàn)代化的必然選擇;是深入推進(jìn)鐵路機(jī)車車輛融合改革,全面持續(xù)提升列車整體性能的應(yīng)有之意。

1 傳統(tǒng)組合模式存在的不足

傳統(tǒng)組合方式下,列車解耦了“機(jī)車牽引動(dòng)力”和“車輛載運(yùn)客貨”兩大功能[2]。傳統(tǒng)管理模式,機(jī)車車輛在各自領(lǐng)域分別開展技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)工作,分別達(dá)到鐵路技術(shù)相關(guān)管理規(guī)程、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范等規(guī)定的技術(shù)性能即可,沒有系統(tǒng)全面地研究機(jī)車車輛相互之間的最佳匹配;隨著我國列車運(yùn)行速度、牽引質(zhì)量的不斷提升,也暴露出諸多不適應(yīng),主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

(1)難以解決列車制動(dòng)一致性較差,縱向沖動(dòng)較大的問題

傳統(tǒng)組合方式下,列車制動(dòng)緩解指令通過機(jī)車充排風(fēng)實(shí)現(xiàn),制動(dòng)力由機(jī)車和車輛獨(dú)立提供,因機(jī)車排風(fēng)速度、空氣傳遞波速等限制和機(jī)車車輛的制動(dòng)性能差異,使列車存在制動(dòng)一致性較差、縱向沖動(dòng)較大等問題[3]。20世紀(jì)80年代,為解決“一票難求”問題,旅客列車從12～14輛擴(kuò)編到16～20輛,擴(kuò)編試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):列車緊急制動(dòng)時(shí),因前后部車輛制動(dòng)不同步和15號(hào)車鉤縱向間隙較大(19.5 mm)等原因,相鄰車輛間產(chǎn)生了縱向加速度,引起了列車較大縱向沖動(dòng),造成了蓄電池、發(fā)電機(jī)皮帶、燃油油箱損壞等故障。

(2)難以滿足列車運(yùn)行速度及牽引質(zhì)量的提升需求

傳統(tǒng)組合方式下,如由單元機(jī)車提供牽引力,會(huì)受機(jī)車輪軌黏著、軸數(shù)、軸重及最大軸功率限制;如由多臺(tái)機(jī)車提供牽引力,無法解決相關(guān)匹配關(guān)系;傳統(tǒng)組合方式列車難以適應(yīng)運(yùn)行速度及牽引質(zhì)量的提升需求。以我國貨運(yùn)干線功率最大的HXD1型機(jī)車為例,輪周功率為9 600 kW,25 t軸重時(shí)最大起動(dòng)牽引力為760 kN,持續(xù)牽引力為531.7 kN,單臺(tái)機(jī)車牽引1 600 t時(shí),在12‰坡道上平衡速度為114.5 km/h,在24‰坡道上平衡速度僅為67.9 km/h[4-5],這成為制約列車運(yùn)行速度和牽引質(zhì)量進(jìn)一步提高的瓶頸。

(3)難以滿足進(jìn)一步提升列車運(yùn)行安全裕量的需要

傳統(tǒng)組合方式下,列車由空氣傳遞制動(dòng)指令速度慢、制動(dòng)一致性較差,緊急制動(dòng)時(shí)列車空走時(shí)間和緊急制動(dòng)距離較長,導(dǎo)致列車安全冗余難以進(jìn)一步提升。如遇到山體滑坡等異常情況實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí),因后部車輛制動(dòng)響應(yīng)慢、速度降低有限,對前部車輛的撞擊動(dòng)能大,不利于控制異常情況下的危害。相關(guān)分析及試驗(yàn)結(jié)果表明:采用基于列車的電空制動(dòng)系統(tǒng),常用全制動(dòng)距離可縮短30%～40%,緊急制動(dòng)距離可縮短約10%[6]。

(4)難以解決零部件運(yùn)用故障率高、維修量大、檢修成本高的問題

傳統(tǒng)管理模式下,機(jī)車車輛各自獨(dú)立研發(fā),難以實(shí)現(xiàn)列車中空氣、載荷、電氣等耦合關(guān)系的整體優(yōu)化,造成部分零部件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)可靠性、功能穩(wěn)定性等問題,運(yùn)用故障率高、維修量大、檢修成本高。據(jù)統(tǒng)計(jì),大秦線重載列車運(yùn)行40萬km左右時(shí)貨車鉤舌裂紋率高達(dá)90%以上,檢修時(shí)只能全部更換為新品。

2 基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理策略

總體思路是:按照“問題、需求、目標(biāo)、結(jié)果”導(dǎo)向的原則,面向機(jī)車車輛全壽命周期,圍繞研發(fā)、制造、運(yùn)維等全過程,以工作機(jī)制創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建為支撐,通過對列車車間典型耦合關(guān)系分析研究和匹配關(guān)系整體優(yōu)化,統(tǒng)籌規(guī)劃列車的牽引、制動(dòng)、鉤緩、電氣等關(guān)鍵部件的研發(fā)制造及運(yùn)維管理,全面提升我國鐵路客貨運(yùn)列車整體性能。

2.1 列車典型耦合關(guān)系分析

耦合是指系統(tǒng)中兩個(gè)或兩個(gè)以上物體/單元/模塊或兩種運(yùn)動(dòng)之間相互聯(lián)系、相互作用、相互影響的現(xiàn)象。列車是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng),相互耦合的因素較多,既包括列車與其外部相關(guān)系統(tǒng)間的相互耦合,如列車與線橋的輪軌耦合、與接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)耦合、與周圍空氣的流固耦合[7],高速列車與其外部相關(guān)系統(tǒng)間的耦合關(guān)系模型如圖1所示;也包括列車內(nèi)部相關(guān)系統(tǒng)間的相互耦合,如車間的空氣耦合、連掛耦合、電磁耦合和車內(nèi)的機(jī)電耦合、熱力耦合、液固耦合等。因?yàn)檠芯磕繕?biāo)不同,所關(guān)注的重點(diǎn)也不同,本文僅針對列車車間的典型耦合進(jìn)行研究分析。

圖1 高速列車耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2.1.1 列車空氣耦合分析

我國客貨列車均設(shè)有自動(dòng)空氣制動(dòng)系統(tǒng),通過列車管實(shí)現(xiàn)壓縮空氣全列貫通。如果將每節(jié)車制動(dòng)主管中壓縮空氣視為1個(gè)獨(dú)立空氣單元,當(dāng)司機(jī)對列車實(shí)施制動(dòng)緩解操作時(shí),列車管排出或充入壓縮空氣形成局部壓差,壓縮空氣沿列車管由后向前或由前向后流動(dòng),使相鄰兩車間的2個(gè)空氣單元,在貫通的列車管內(nèi)產(chǎn)生“空氣與空氣”相互耦合并形成空氣涌動(dòng)[8-9];同時(shí)車輛制動(dòng)閥局部減壓或加速緩解局部增壓也會(huì)引起列車管的局部空氣涌動(dòng),多個(gè)車輛制動(dòng)閥同時(shí)作用時(shí)上述空氣涌動(dòng)會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng),并與列車管內(nèi)空氣涌動(dòng)耦合,影響列車制動(dòng)性能穩(wěn)定性,因列車不同斷面位置耦合存在的差異,也影響列車中各車輛制動(dòng)的一致性。

2.1.2 列車連掛耦合分析

我國客貨列車采用車鉤實(shí)現(xiàn)車與車之間的可靠連接并形成了連掛耦合。運(yùn)行時(shí)由于機(jī)車或動(dòng)力車牽引與制動(dòng)特性、列車空氣制動(dòng)和機(jī)車同步操縱及線路平縱斷面的差異,列車縱向運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生各種動(dòng)態(tài)變化,形成縱向力并通過車鉤傳遞[10]。因車鉤間存在連掛間隙和緩沖器非線性特性,使相鄰兩車之間形成了相對加速度,列車產(chǎn)生了縱向沖動(dòng)和車鉤力。

當(dāng)列車通過豎曲線和水平曲線時(shí),縱向車鉤力會(huì)產(chǎn)生垂向、橫向分力,通過一系、二系懸掛系統(tǒng)傳遞至輪軌[11],與輪軌垂向、橫向力相互耦合疊加[12],引起輪軌力發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)車車輛輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軌或輪軸橫向力等安全性指標(biāo)發(fā)生變化[13],加劇列車縱向沖動(dòng)并增加車鉤力,影響列車運(yùn)行安全性和舒適性。

2.1.3 列車電磁耦合分析

列車中牽引輔助等系統(tǒng)均為大功率復(fù)雜開關(guān)電源系統(tǒng),是列車電磁干擾發(fā)射的重要來源。列車車載設(shè)備的布局、電路結(jié)構(gòu)及控制策略都會(huì)對電磁波的發(fā)射特征和方式產(chǎn)生影響,這些電磁波與電氣設(shè)備相互作用并形成電磁耦合,造成列車電氣設(shè)備故障和通信的不明干擾[14]。我國某型動(dòng)車組研制初期就曾發(fā)生因電磁干擾形成的瞬間脈沖電壓過高,導(dǎo)致速度傳感器異常故障。

2.2 研發(fā)及運(yùn)維管理策略

2.2.1 以列車為對象的機(jī)車車輛一體化研發(fā)

通過上述耦合關(guān)系分析可知,提升客貨運(yùn)列車性能需要以列車整體為研究對象,對機(jī)車車輛牽引、制動(dòng)、連掛、電氣系統(tǒng)等匹配關(guān)系進(jìn)行整體規(guī)劃,并實(shí)現(xiàn)相互之間的最佳匹配。

(1)牽引技術(shù)方面。統(tǒng)籌列車牽引力需求和運(yùn)行品質(zhì)要求,開展“牽引質(zhì)量、牽引速度(加速度)、牽引阻力和牽引能力”等要素的頂層設(shè)計(jì)。如采用動(dòng)力分散技術(shù)將集中的牽引力予以分解,可提高列車起動(dòng)加速和電制動(dòng)的一致性,實(shí)現(xiàn)列車更大牽引功率和更高運(yùn)行速度及提高列車爬坡能力,同時(shí)滿足故障情況下切除部分動(dòng)力降速運(yùn)行的應(yīng)急保障要求。

(2)制動(dòng)技術(shù)方面。通過電子化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等先進(jìn)技術(shù)的集成運(yùn)用,解決空氣耦合產(chǎn)生的列車制動(dòng)穩(wěn)定性和一致性問題,減小列車縱向沖動(dòng)和車鉤力,提升客運(yùn)列車乘坐舒適性和貨運(yùn)列車特別是重載列車運(yùn)行安全性和縱向穩(wěn)定性。

(3)連掛技術(shù)方面。統(tǒng)籌列車牽引單元與載運(yùn)單元,立足不同運(yùn)用工況下的具體實(shí)際,采用小間隙車鉤、密接車鉤、牽引桿等連接技術(shù)及低阻抗、高吸收率緩沖技術(shù),減小車鉤連掛間隙、抑制縱向相對加速度,同時(shí)統(tǒng)籌優(yōu)化機(jī)車車輛連接結(jié)構(gòu),減小車鉤力的垂向、橫向分力,進(jìn)一步提高列車運(yùn)行安全性和縱向穩(wěn)定性。

(4)電氣技術(shù)方面。統(tǒng)籌規(guī)劃列車電氣系統(tǒng)頂層技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)配置,從系統(tǒng)頂層指標(biāo)分解和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)匹配兩個(gè)維度,明確對列車控制策略、電磁兼容、接地保護(hù)、電氣防火等技術(shù)要求,提升電磁耦合下電氣系統(tǒng)的可靠性,優(yōu)化列車電氣設(shè)計(jì)和機(jī)車車輛電氣系統(tǒng)的具體布置和方案設(shè)計(jì)。

2.2.2 以列車為對象的機(jī)車車輛一體化造修

保障鐵路客貨運(yùn)列車始終具有良好的整體性能,不僅需要統(tǒng)籌機(jī)車車輛一體化研發(fā),也離不開統(tǒng)籌機(jī)車車輛一體化造修。

采用傳統(tǒng)空氣制動(dòng)的列車,如機(jī)車和車輛的制動(dòng)閥、制動(dòng)缸、杠桿傳力裝置等制造精度存在較大差異,在列車不同斷面的單機(jī)(車)會(huì)存在較大制動(dòng)性能差異,加劇列車產(chǎn)生縱向沖動(dòng),同時(shí),也會(huì)帶來不同列車之間制動(dòng)性能等差異較大,不利于機(jī)車乘務(wù)員實(shí)施模塊化精準(zhǔn)操縱。

針對重載組合列車車鉤分離故障的仿真分析結(jié)果表明:隨著鉤舌搭接量和摩擦系數(shù)的減小,車鉤分離風(fēng)險(xiǎn)隨之增大[15]。我國機(jī)車車輛在空車狀態(tài)下的車鉤高度制造、檢修標(biāo)準(zhǔn)均為(880±10) mm,但機(jī)車車鉤高度僅受車輪運(yùn)用磨耗的影響,在全壽命周期內(nèi)車鉤高度變化較小;貨車車鉤高度受空載、重載影響較大,通常情況下空車與重車車鉤高度差可達(dá)40 mm。因此,解決重載組合列車中部機(jī)車車鉤分離故障,需統(tǒng)籌機(jī)車車輛一體化造修,機(jī)車造修時(shí)車鉤高應(yīng)盡可能按下限控制,車輛造修時(shí)車鉤高應(yīng)盡可能按上限控制,以增加重車工況下機(jī)車車輛的鉤舌搭接量。

2.2.3 以列車為對象的機(jī)車車輛一體化運(yùn)維

在全壽命周期內(nèi)機(jī)車車輛研發(fā)、制造、檢修的根本目的,是實(shí)現(xiàn)列車更好地運(yùn)用。動(dòng)力集中動(dòng)車組的動(dòng)力車和拖車,不僅以列車為對象制定了統(tǒng)一的修程修制,更在D1、D2等修程時(shí)不解編整列檢查維修,這就是以列車為對象實(shí)行機(jī)車車輛一體化運(yùn)維的具體體現(xiàn)。

在實(shí)際運(yùn)用中,列車若有一節(jié)車出現(xiàn)蛇行失穩(wěn),就會(huì)影響整列車的運(yùn)行安全;因此,必須通過運(yùn)維恢復(fù)和保持機(jī)車車輛性能良好[16],并對研發(fā)及造修進(jìn)行閉環(huán)反饋,不斷改進(jìn)研發(fā)及造修質(zhì)量和列車運(yùn)行安全可靠性。如由于線路平縱斷面固定,列車長期單一方向重車運(yùn)行則會(huì)出現(xiàn)車輪偏磨等問題,在運(yùn)輸組織時(shí)可適時(shí)讓列車調(diào)換前進(jìn)方向,實(shí)現(xiàn)車輪磨耗等時(shí)變參數(shù)的均勻和平衡。

因此,在統(tǒng)籌優(yōu)化研發(fā)、造修的基礎(chǔ)上提升列車整體性能,還應(yīng)以列車為對象全面推進(jìn)機(jī)車車輛一體化運(yùn)維。

2.2.4 建立以列車為對象的機(jī)車車輛一體化工作機(jī)制

為實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛相互之間性能的最佳匹配,實(shí)現(xiàn)研發(fā)、制造和運(yùn)維各個(gè)階段統(tǒng)籌優(yōu)化,必須以列車為對象創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)和運(yùn)維管理的工作機(jī)制,如面向運(yùn)維的聯(lián)合創(chuàng)新、源頭質(zhì)量聯(lián)合整治等,同時(shí)搭建基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)制造及運(yùn)維管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛研發(fā)制造單位與運(yùn)維單位的數(shù)據(jù)共享和高度協(xié)同。

2.2.5 建立以列車為對象的機(jī)車車輛一體化標(biāo)準(zhǔn)體系

機(jī)車車輛各自是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng),傳統(tǒng)管理模式下機(jī)車和車輛標(biāo)準(zhǔn)自成體系,實(shí)現(xiàn)基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理,對機(jī)車車輛單機(jī)(車)性能、零部件參數(shù)和形位公差,應(yīng)以確保列車整體性能為原則進(jìn)行科學(xué)制定與合理匹配。除了創(chuàng)新工作機(jī)制外,還需要建立基于列車的機(jī)車車輛一體化標(biāo)準(zhǔn)體系作為支撐,用標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)范和促進(jìn)機(jī)車車輛一體化研發(fā)、造修及運(yùn)維管理工作,確保工作質(zhì)量,提高工作效率,同時(shí)通過不斷實(shí)踐促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系的發(fā)展。

3 動(dòng)力集中動(dòng)車組的成功實(shí)踐

動(dòng)力集中動(dòng)車組是旅客列車的全面技術(shù)升級,采用基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理方法,通過采用密接式車鉤、微機(jī)電空制動(dòng)系統(tǒng)、整車網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等技術(shù)手段,使動(dòng)車組的安全性、運(yùn)行品質(zhì)、乘坐舒適度等較傳統(tǒng)旅客列車有了質(zhì)的提升。以微機(jī)電空制動(dòng)系統(tǒng)為例,在車輛制動(dòng)系統(tǒng)中引入制動(dòng)缸壓力閉環(huán)控制,在車輛制動(dòng)裝置上增加微處理器,接收制動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的指令,對本車制動(dòng)缸實(shí)施制動(dòng)控制和狀態(tài)監(jiān)控。動(dòng)車組電空制動(dòng)原理如圖2所示。

3.1 減小列車縱向沖動(dòng),提高運(yùn)行品質(zhì)及乘坐舒適性

由圖2可知,列車的制動(dòng)節(jié)點(diǎn)兩兩互聯(lián)在同一個(gè)控制網(wǎng)中,以電信號(hào)發(fā)送制動(dòng)緩解指令,實(shí)現(xiàn)車列所有制動(dòng)節(jié)點(diǎn)制動(dòng)緩解作用的同步。基于列車的動(dòng)力車與拖車一體化制動(dòng)力分配方案,可以在制動(dòng)級位較低時(shí)充分發(fā)揮動(dòng)力車電制動(dòng)的效用,降低拖車空氣制動(dòng)的目標(biāo)壓力,實(shí)現(xiàn)軸重各不相同的多車編組列車平穩(wěn)減速或停車,有利于降低列車的縱向沖動(dòng)和車鉤力。

動(dòng)力集中動(dòng)車組全制動(dòng)工況試驗(yàn)結(jié)果表明:采用微機(jī)電空制動(dòng)與原非微機(jī)電空制動(dòng)相比,各節(jié)車輛制動(dòng)動(dòng)作時(shí)間差由2 s以上降低至0.5 s以內(nèi),降幅達(dá)75%以上。由圖3可知,各節(jié)車制動(dòng)缸壓力上升過程的差異也明顯降低。

圖3 動(dòng)力集中動(dòng)車組全制動(dòng)工況下制動(dòng)缸壓力試驗(yàn)曲線

3.2 提高列車運(yùn)行安全性

動(dòng)力集中動(dòng)車組通過快速制動(dòng),減少列車空走時(shí)間,降低緊急制動(dòng)距離,提高了異常情況下列車運(yùn)行安全裕量。另外,通過網(wǎng)絡(luò)直接向每一個(gè)制動(dòng)節(jié)點(diǎn)傳遞指令,各制動(dòng)節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)根據(jù)指令調(diào)整制動(dòng)力的大小,通過獨(dú)立控制可精確完成制動(dòng)緩解動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)精確的階段緩解作用,解決了困擾多年的旅客列車無法實(shí)現(xiàn)精確階段緩解和需要多次循環(huán)制動(dòng)的問題,對列車的控制真正達(dá)到了“心想事成”,可顯著提高列車在長大坡道等特殊路段的操控調(diào)速能力和運(yùn)行安全性。

同時(shí),通過狀態(tài)檢測可實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)消除安全隱患,提高列車運(yùn)行安全性。如動(dòng)車組設(shè)置的防火、停放、車門、制動(dòng)和軸溫等5個(gè)安全環(huán)路,可實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、報(bào)警、自動(dòng)響應(yīng)、故障隔離等功能,拖車和動(dòng)力車都是環(huán)路上的一個(gè)節(jié)點(diǎn),列車制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)因某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)丟失集體進(jìn)行響應(yīng),提高了動(dòng)車組列車運(yùn)行安全性。

4 重載列車技術(shù)提升途徑

目前,我國重載組合列車中的機(jī)車車輛采用間隙車鉤連接,運(yùn)行過程中因空氣耦合、連掛耦合等因素的影響,存在列車縱向沖動(dòng)大、司機(jī)操控精準(zhǔn)性要求高等難題。實(shí)現(xiàn)列車整體性能提升和技術(shù)發(fā)展,應(yīng)采用機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理方法,以列車整體為研究對象,提高列車制動(dòng)、連掛等性能。

4.1 提升列車制動(dòng)系統(tǒng)性能

根據(jù)前述列車車間連掛耦合分析可知,列車各斷面的車鉤力主要與司機(jī)操縱、線路平縱斷面和機(jī)車牽引特性及機(jī)車車輛制動(dòng)特性、緩沖器特性、車鉤特性等有關(guān),在司機(jī)操縱方式、線路條件和機(jī)車車輛的緩沖器特性、車鉤特性一定的情況下,制動(dòng)力的變化是影響列車縱向沖動(dòng)和車鉤力的關(guān)鍵因素,列車中各車輛間制動(dòng)力差異越小,列車制動(dòng)一致性越好,列車縱向沖動(dòng)和車鉤力也越小。

我國2萬t重載組合列車,采用“1+1+可控列尾”編組模式,制動(dòng)系統(tǒng)采用機(jī)車電制動(dòng)與Locotrol+車輛空氣制動(dòng)系統(tǒng)+可控列尾,實(shí)現(xiàn)了各臺(tái)機(jī)車的同步動(dòng)作,提高了列車制動(dòng)、緩解波速和充風(fēng)速度,有效控制了列車縱向力水平。但因仍需通過列車管壓縮空氣傳遞制動(dòng)緩解指令,由于空氣波速限制、制動(dòng)管內(nèi)壁摩擦阻尼及列車管中壓縮空氣耦合等因素的綜合作用,導(dǎo)致車列內(nèi)部各車輛的制動(dòng)閥、制動(dòng)缸等作用時(shí)間無法實(shí)現(xiàn)同步,閘瓦壓力和制動(dòng)力也難以實(shí)現(xiàn)一致;因可控列尾僅參與制動(dòng)不參與緩解充風(fēng),故列車形成“制動(dòng)3點(diǎn)排風(fēng)、緩解2點(diǎn)充風(fēng)”,尾部車輛緩解時(shí)間長,車列緩解同步性差;各車輛制動(dòng)力仍由車輛制動(dòng)閥控制,無法從根本上提高列車制動(dòng)精準(zhǔn)性和一致性。由此,造成列車前、中、后部車輛的制動(dòng)力大小和作用時(shí)間差異較大,帶來我國重載組合列車縱向沖動(dòng)大、對操縱精準(zhǔn)度要求較高等問題[17-18]。

因空氣制動(dòng)波速一般無法超過300 m/s,為提高列車制動(dòng)緩解指令傳遞速度,可考慮利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電信號(hào)實(shí)現(xiàn)列車制動(dòng)緩解指令的高速精準(zhǔn)傳遞,研制貨運(yùn)列車新型電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)(HDK),對機(jī)車車輛制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施一體化操縱控制。列車電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)為微機(jī)控制的電空制動(dòng)和自動(dòng)式空氣制動(dòng)兩個(gè)模塊的疊加,在電空制動(dòng)故障時(shí)能自動(dòng)切換到空氣制動(dòng)模式,在空氣制動(dòng)模式下列車尾部具有充排風(fēng)功能;自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng),可作為一個(gè)獨(dú)立的模塊單獨(dú)使用,作為提升既有2萬t組合列車制動(dòng)系統(tǒng)性能的一種有效手段。

(1)采用電控制動(dòng)模式提高制動(dòng)一致性,顯著降低重載列車縱向沖動(dòng)和車鉤力。電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了列車制動(dòng)緩解的指令傳遞由壓力空氣信號(hào)向電信號(hào)的根本轉(zhuǎn)變,從技術(shù)提升上確保重載列車實(shí)現(xiàn)制動(dòng)緩解一致性。2014年采用電空制動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的30 t軸重重載列車,在瓦日線實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果顯示[6],列車牽引質(zhì)量12 000 t、速度80～100 km/h:在11‰下坡道時(shí)壓鉤力最高降幅為50.9%,最低降幅為46.8%;在平直道時(shí)壓鉤力最高降幅為73.4%,最低降幅為70.7%。測試結(jié)果見表1。

表1 緊急制動(dòng)壓鉤力最大值

(2)使用空氣制動(dòng)模式提高緩解一致性,降低列車縱向沖動(dòng)和車鉤力。自動(dòng)式空氣制動(dòng)作為獨(dú)立模塊使用時(shí),通過全列貫通的總風(fēng)管或尾部車輛設(shè)置的容積風(fēng)缸從尾部實(shí)現(xiàn)向列車管補(bǔ)風(fēng),通過增加列車尾部的充風(fēng)點(diǎn)提高緩解一致性。試驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn)表明:2萬 t 組合列車減壓50 kPa后實(shí)施緩解,從控機(jī)車延時(shí)2 s時(shí)采用總風(fēng)管尾部充風(fēng),全列緩解時(shí)間差由15.2 s減少至6.1 s,降幅60%,列車前后部車輛緩解一致性明顯提升。基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的仿真分析表明:在大秦線K140—K148的長大下坡道區(qū)段,最大車鉤力從1 395 kN降低至539 kN,降幅61.4%。

綜上所述,采用基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理方法,集成運(yùn)用電子化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù),研究應(yīng)用具有我國特色的自主可控的貨運(yùn)列車新型電控空氣制動(dòng)系統(tǒng),可顯著提升重載列車制動(dòng)系統(tǒng)性能,大幅降低列車縱向沖動(dòng)和車鉤力。

4.2 優(yōu)化列車連掛性能

列車運(yùn)行過程中依靠車鉤緩沖裝置傳遞縱向力,貨運(yùn)列車為實(shí)現(xiàn)更大牽引質(zhì)量,必須順序起動(dòng),不宜采用無間隙車鉤,故貨運(yùn)列車各車輛間會(huì)產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)速度,使相互間存在拉鉤力和壓鉤力的交替變化,一般鉤緩間隙越大列車縱向沖動(dòng)和車鉤力也越大。為此,我國重載貨車多采用小間隙車鉤和牽引桿實(shí)現(xiàn)可靠連掛,以降低列車縱向沖動(dòng)和車鉤力,但仍存在重載組合列車中部機(jī)車車鉤受壓穩(wěn)定性、連掛穩(wěn)定性等問題,尚需深化研究。

機(jī)車車鉤受壓穩(wěn)定性方面:以大秦線2萬t重載組合列車綜合試驗(yàn)為例,循環(huán)制動(dòng)、緊急制動(dòng)和常用全制動(dòng)工況下存在部分縱向壓鉤力大于1 500 kN,甚至接近2 000 kN的情況。在較大的縱向壓鉤力及列車連掛耦合作用下,中部從控機(jī)車鉤緩裝置一旦發(fā)生橫向失穩(wěn),將產(chǎn)生較大的橫向分力,影響列車運(yùn)行安全[11]。

連掛穩(wěn)定性研究方面:根據(jù)列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真分析和大秦線2萬t組合列車分離故障研究試驗(yàn)結(jié)果,電制動(dòng)力的垂向分力使機(jī)車后鉤有被頂起的源動(dòng)力,如機(jī)車車鉤安裝結(jié)構(gòu)允許車鉤向上抬升,車輛車鉤安裝結(jié)構(gòu)允許車鉤向下移動(dòng),此時(shí)若出現(xiàn)較大的拉鉤力,在鉤舌搭接量較小和拉鉤力較大的共同作用下,機(jī)車車鉤向上傾斜,車輛車鉤向下傾斜,兩者鉤舌嚙合面不能保持平行的面狀接觸狀態(tài),容易被拉開而造成中部機(jī)車車鉤分離[19]。

從上述分析可知,為進(jìn)一步提高重載列車連掛可靠性和安全性,應(yīng)采用基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理方法,深度分析機(jī)車車輛鉤緩裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和在列車中連掛后的耦合規(guī)律,優(yōu)化機(jī)車車鉤結(jié)構(gòu)和參數(shù)并控制機(jī)車車輛鉤高差,優(yōu)化列車操控方法并科學(xué)施加機(jī)車電制動(dòng)力。

4.3 研究建立列車安全監(jiān)測系統(tǒng)

目前重載列車中只有機(jī)車具有部分監(jiān)測功能,貨車沒有常態(tài)化監(jiān)測裝置,對于與重載列車安全性強(qiáng)相關(guān)的制動(dòng)力、車鉤力、輪軌力等,更是缺少常態(tài)化監(jiān)測手段,只有在專項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)使用傳感器和測力車鉤等進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)行的測力車鉤制造和安裝工作復(fù)雜,輪軌力直接測試方法不適合大規(guī)模用于列車。因貨車缺少常態(tài)化安全監(jiān)測裝置,無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)研究重載列車運(yùn)行過程中運(yùn)行狀態(tài)與列車制動(dòng)力、車鉤力、輪軌力等因素間的關(guān)系。因列車中各車輛的制動(dòng)精準(zhǔn)性、一致性存在差異,且缺少相應(yīng)的監(jiān)測裝置,無法準(zhǔn)確分析列車制動(dòng)性能對縱向動(dòng)力學(xué)性能和車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響;也無法滿足提升司機(jī)操縱精準(zhǔn)性,深化列車輔助駕駛系統(tǒng)等研究的需求。

因此,提升重載列車性能有必要在研究貨車車載安全監(jiān)測裝置的基礎(chǔ)上建立列車級安全監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)列車制動(dòng)性能與典型斷面車鉤力、輪軌力等常態(tài)化在線跟蹤監(jiān)測,為系統(tǒng)研究列車制動(dòng)性能與列車縱向沖動(dòng)和車鉤力、車鉤分力與輪軌力之間的相互作用關(guān)系,為優(yōu)化列車司機(jī)操縱、優(yōu)化機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)、提升運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)等提供理論依據(jù)和科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù),全面提升重載列車制動(dòng)性能、連掛性能,進(jìn)一步提升大秦線等重載列車的運(yùn)行品質(zhì)和安全裕量。

5 結(jié)論與展望

(1)基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理,需面向機(jī)車車輛全壽命周期,從研發(fā)、制造、運(yùn)維全過程統(tǒng)籌規(guī)劃機(jī)車車輛功能、結(jié)構(gòu)、參數(shù)和列車整體性能,并以工作機(jī)制創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建作為支撐。

(2)基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理,以實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛性能最佳匹配為目標(biāo),是解決客貨運(yùn)列車現(xiàn)存問題,滿足機(jī)車車輛更安全、更可靠、更高效、更綠色的高質(zhì)量發(fā)展要求的有效手段。

(3)基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理,采用電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)可提高重載列車制動(dòng)一致性、穩(wěn)定性,同時(shí)優(yōu)化列車連掛性能,通過車載安全監(jiān)測等手段,實(shí)現(xiàn)對列車制動(dòng)系統(tǒng)等運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,可有效提升重載列車運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。

錨定推動(dòng)鐵路高質(zhì)量發(fā)展、率先實(shí)現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化的目標(biāo)任務(wù),對機(jī)車車輛和列車本質(zhì)安全度、技術(shù)性能、運(yùn)輸保障能力等提出了更高要求,需要持續(xù)深化基于列車的機(jī)車車輛一體化研發(fā)及運(yùn)維管理策略研究,全面提升機(jī)車車輛和列車的科技實(shí)力、創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平。