機車充風(fēng)能力對重載列車緩解性能及車鉤力影響研究

魏 偉，張 淵，張 軍，趙旭寶，田 野

(1.大連交通大學(xué)機車車輛工程學(xué)院,大連 116028; 2.中國鐵路太原局集團有限公司科學(xué)技術(shù)研究所,太原 030013)

引言

機車充風(fēng)能力是指當(dāng)列車制動后列車管壓強降低,或者制動系統(tǒng)處于無壓力狀態(tài),機車主風(fēng)缸經(jīng)過中繼閥給列車管及對應(yīng)車輛制動裝置充風(fēng)的過程,這里的充風(fēng)能力特指在某時間段內(nèi)列車管壓強上升值,充氣能力越強,列車管壓強上升速度越快。

在普通列車上,由于操縱方法靈活性較大,充風(fēng)能力差異對列車操縱方法與安全性影響較小,列車充風(fēng)能力問題一直未引起關(guān)注。對于重載列車,由于列車較長,充風(fēng)能力可能會帶來重載列車以下幾方面的變化:(1)充風(fēng)能力差異會造成列車緩解傳播特性變化,使列車縱向沖動發(fā)生變化,進而影響列車運行安全;(2)重載列車操縱方法調(diào)節(jié)空間很小,充風(fēng)能力的差異使固定操縱方法的實施更加困難,對司機駕駛水平提出更高的要求,如2萬t重載列車必須采用模式化操縱,充風(fēng)不足就會影響模式化操縱,不按模式化操縱就會造成列車停車,嚴(yán)重影響運輸效率;(3)重載列車充風(fēng)能力直接影響長大坡道循環(huán)制動操縱策略,由于充風(fēng)慢,下坡區(qū)間列車漲速快,在列車達到限速前必須采取制動措施,因此會造成下一把閘制動力不足,需要追加制動,并停車緩風(fēng),影響運輸效率;(4)充風(fēng)能力對重載列車操縱方法具有決定性作用,某些情況下就是因為列車充風(fēng)能力的不足,被迫采用其他操縱方法,以避免列車充風(fēng)不足造成列車超速或者失控的風(fēng)險。因此列車充風(fēng)能力對于重載列車十分重要。

針對機車充風(fēng)能力研究工作較少,高勝利[1]針對朔黃鐵路萬噸列車充風(fēng)能力不足的問題,通過調(diào)整機車電制動和空氣制動的主輔關(guān)系,將電制動為主的操縱方法改變?yōu)橐钥諝庵苿訛橹鞯牟倏v方法,采用長波浪操縱方式,盡量降低空氣損耗,避免了充風(fēng)不足的問題。劉志國[2]針對HXD2機車充風(fēng)能力不足的問題,采用提高壓縮機啟動和關(guān)閉壓強的方法增加氣源供給能力從而提升機車的充風(fēng)能力,較好地解決了HXD2機車用于2萬t列車充風(fēng)慢的問題。黃印章[3]針對ND5機車充風(fēng)慢的問題,從中繼閥入手,通過減小中繼閥下腔列車管入口封堵的孔徑,充風(fēng)時使中繼閥勾貝移動距離增加,進而加大充氣閥充氣孔實現(xiàn)加快充風(fēng)速度的目的。

使用仿真方法研究列車制動系統(tǒng)在國內(nèi)外開展了一系列研究工作,美國在20世紀(jì)70年代開始列車空氣制動系統(tǒng)仿真研究工作,于2013年開發(fā)出最新機車與車輛制動系統(tǒng)模型[4-5],印度完成了真空制動系統(tǒng)仿真模型[6],意大利、波蘭、烏克蘭等國也開展了制動系統(tǒng)的仿真研究工作[7-9],巴西還將并行算法引入列車空氣制動仿真系統(tǒng)中[10]。中國在20世紀(jì)90年代開始制動系統(tǒng)仿真研究工作[11],建立了中國列車使用的KZ1、120分配閥組成的列車空氣制動仿真系統(tǒng)[12-13],制動模型中較詳細(xì)地建立了車輛閥模型,將車輛閥內(nèi)彈簧,各種孔徑和活塞重力、面積等均作為變量在模型中體現(xiàn),具備分析各種閥內(nèi)參數(shù)對制動性能影響的能力。黃曉旭[14]建立了旅客列車電控制動系統(tǒng)模型;楊樹[15]建立了CCBII 機車自動制動機模型;曾軍[16]基于AMESim商業(yè)軟件建立120控制閥模型。盡管許多國家開展了空氣制動仿真研究工作,能將空氣制動仿真工作引入列車縱向沖動研究中的國家僅有美國,意大利和中國[4,17-18],并且由于各國采用的制動系統(tǒng)原理不同,這些程序系統(tǒng)不能夠用于分析他國的列車制動特性。目前,關(guān)于機車充氣能力的工作主要是針對現(xiàn)場問題,分析發(fā)生原因并尋找解決方法,從仿真模型上研究機車充風(fēng)能力,以及列車充風(fēng)能力與列車緩解特性和車鉤力相關(guān)性研究目前未見報道。

本文研究使用在國際縱向動力學(xué)評測中獲得優(yōu)異成績的列車空氣制動與縱向動力學(xué)仿真系統(tǒng)TABLDSS[19]開展仿真研究工作,針對重載列車分析機車充風(fēng)能力與列車緩解波速、車鉤力間的關(guān)系,并針對機車充風(fēng)能力提出建議。

1 機車自動制動機模型

將機車自動制動機模型簡化為1個主風(fēng)缸、1個均衡風(fēng)缸、2個壓縮機,以及調(diào)整閥和中繼閥,模型如圖1所示。總風(fēng)缸有3個進排氣口,分別連接壓縮機、列車管和均衡風(fēng)缸管。均衡風(fēng)缸設(shè)置2個進排氣口,分別是進氣口φ1和排氣口φ2,列車管設(shè)置進氣口φ3和排氣口φ4。壓縮機模型簡化為等質(zhì)量流量模型。調(diào)整閥根據(jù)手柄位置調(diào)整均衡風(fēng)缸進排氣,中繼閥根據(jù)均衡風(fēng)缸和列車管壓強差調(diào)整列車管的進排氣,模型參考文獻[20]。

圖1 機車自動制動機模型Fig.1 The model of locomotive automatic brake

充氣緩解時,調(diào)整閥控制φ1,中繼閥控制φ3;制動時,調(diào)整閥控制φ2,中繼閥控制φ4。

列車管充風(fēng)速度主要決定于φ3孔的大小,其表達式如下

φ3=f(pp-pj)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,pp為列車管壓強;pj為均衡風(fēng)缸壓強;pc為主風(fēng)缸壓強;U為無量綱流速;F為管路截面積;k為比熱比。首先根據(jù)氣體流動理論[20]計算制動系統(tǒng)中每個管路網(wǎng)格點和缸室氣體狀態(tài)黎曼變量,再根據(jù)黎曼變量與氣體物理參數(shù)間關(guān)系獲得氣體物理參數(shù),如壓強、密度等,再根據(jù)式(1)計算當(dāng)前步列車管充風(fēng)孔徑φ3。當(dāng)主風(fēng)缸流向列車管的氣體流速為亞音速時,根據(jù)式(2)、式(3)計算缸與管連接邊界的狀態(tài),然后根據(jù)式(4)計算質(zhì)量流量,再由缸內(nèi)質(zhì)量計算出缸內(nèi)氣體壓強等參數(shù)。在主風(fēng)缸向均衡風(fēng)缸和列車管充風(fēng)時,主風(fēng)缸壓強會下降,根據(jù)主風(fēng)缸壓強下降程度,壓縮機可能處于不工作、1臺壓縮機工作和2臺壓縮機工作三種狀態(tài),壓縮機開啟條件參考文獻[20]。

式(1)中主風(fēng)缸與列車管風(fēng)缸連通的充氣孔徑φ3和均衡風(fēng)缸與列車管壓強差相關(guān),其關(guān)系為一個函數(shù),當(dāng)修正函數(shù)時就可以改變兩者關(guān)系,進而調(diào)整列車充氣能力,本研究就是調(diào)整兩者間關(guān)系實現(xiàn)列車不同充氣能力的仿真分析。

2 機車充風(fēng)能力對緩解波速和車鉤力的影響分析

仿真列車選用大秦鐵路2萬t列車,編組形式為1機車+105車輛+1機車+105車輛+可控列尾?？紤]到2萬t列車在常規(guī)運行時僅使用減壓50 kPa制動,并且緩解是大車鉤力的主要工況,也是事故的主要原因,所以計算工況選擇列車先減壓50 kPa制動后緩解,計算中按照從控機車和可控列尾與主控機車時間差的試驗結(jié)果,設(shè)置從控機車和可控列尾與主控機車動作時間差為2 s。程序中默認(rèn)參數(shù)(孔徑系數(shù)1.2)的列車充氣能力與真實列車非常接近,默認(rèn)孔徑面積乘以孔徑系數(shù)即為實際的充氣孔面積。程序中默認(rèn)孔徑面積不變,通過調(diào)整孔徑系數(shù)可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)列車充風(fēng)能力的目的。由于機車和附近車輛列車管壓強上升很快,用前部車輛列車管壓強評價充風(fēng)能力很難區(qū)分充氣速度差異,因此選擇尾車列車管壓強變化作為充氣速度的評價依據(jù)。計算了多種孔徑系數(shù)的列車制動后緩解再充風(fēng)情況,孔徑系數(shù)分別為0.1、0.2、0.4、1.2、2.2、5.2六種方案的尾車列車管壓強曲線如圖2所示。

圖2 6種孔徑系數(shù)的尾車列車管壓強Fig.2 The pressure of tail train pipes with 6 different charging diameter coefficients

從圖2中可以看出,在制動階段(120 s以內(nèi)),各種充氣孔徑系數(shù)的列車管壓強完全一致,即充氣孔徑系數(shù)對制動階段列車管壓強沒有任何影響。在120 s時列車管壓強開始上升,當(dāng)列車管壓強開始上升后,列車管壓強出現(xiàn)突然上升又回落的尖峰,這個尖峰是車輛控制閥中加速緩解閥動作后,加速緩解風(fēng)缸向列車管充風(fēng)而產(chǎn)生,待加速緩解功能結(jié)束后,列車管壓強回落,然后列車管壓強緩慢上升。由于充氣孔孔徑不同,列車管壓強上升呈現(xiàn)不同的上升速率,充氣孔徑越小,列車管壓強上升越慢。從列車管壓強上升速度看,充氣孔徑對充風(fēng)速度的影響不是線性的,充風(fēng)系數(shù)在0.1～0.4間充風(fēng)能力差異明顯,當(dāng)充風(fēng)系數(shù)在2.2以后,充風(fēng)能力差異很小。在列車管壓強達到580 kPa以前,各壓強曲線線性度較好,此外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定580 kPa作為列車充滿風(fēng)的判斷標(biāo)準(zhǔn),因此,選擇從列車管開始充風(fēng)到列車管壓強達到580 kPa的時間差作為比較指標(biāo),繪出了各種孔徑條件下充風(fēng)時間曲線,如圖3所示。由圖3可以看出,列車充風(fēng)能力與充氣孔徑間的非線性關(guān)系,即充氣孔徑系數(shù)在2.2以后,充氣時間變化不大。在充氣孔徑系數(shù)在0.4以下時,充氣孔徑影響很大,充氣孔徑越小影響越大。

圖3 各種孔徑系數(shù)的充風(fēng)時間Fig.3 The charging time for various charging diameter coefficients

因為機車充氣能力影響列車中管路氣體的壓強上升速度,進而影響車輛的緩解時間,不同的充氣能力條件下各車輛緩解時間會有所差異,為此,提取每種機車充氣孔徑系數(shù)條件下每個車輛控制閥開始緩解的時間,并且繪出每個車輛開始緩解時間沿車長分布,如圖4所示。圖中1車和107車附近車輛緩解開始時間較早,這是因為這兩部分車輛與主控機車或從控機車緊鄰。從緩解傳播規(guī)律看,主控機車向后傳播,從控機車向前后傳播,在兩機車中部車輛在緩解波相遇時的車輛動作時間較晚(相對于兩機車中部的其他車輛),此外,從控機車后部車輛由于僅有從控機車充風(fēng),緩解傳播較慢,最晚動作車輛約位于列車尾部。列車前部車輛緩解開始時間幾乎不受充氣孔大小的影響,而從控機車后部車輛受機車充風(fēng)能力影響最為顯著,特別是尾部附近車輛,從圖4中可以看出,首尾車開始緩解時間差隨著機車充風(fēng)能力的降低在逐漸增加。在本文分析范圍內(nèi),首尾車時間差最大相差3 s,對于重載列車,這將會明顯增加緩解過程中的車鉤力。

圖4 各種孔徑系數(shù)的緩解開始時間Fig.4 The release start time for various charging diameter coefficients

圖4中每個曲線并不光滑,即相鄰車輛可能緩解時間有較大差異,經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),相鄰車輛緩解時間有較大差異是因為制動后各車輛控制閥進入保壓位時間不同,致使緩解前副風(fēng)缸壓強不同所造成,副風(fēng)缸壓強越高,開始緩解時間越晚。

由于緩解時間的差異,造成列車縱向沖動,圖5為各種充氣孔徑系數(shù)條件下最大車鉤力沿車長分布曲線。

圖5 各種孔徑系數(shù)的列車車鉤力Fig.5 The train coupler force with various charging diameter coefficients

圖5中車鉤力沿車長分布曲線是制動與緩解過程中每個車輛受到的最大拉伸車鉤力和最大壓縮車鉤力連線而成,代表了列車中最大車鉤力沿車長的分布規(guī)律。由圖5可見,制動緩解過程中拉伸車鉤力明顯大于壓縮車鉤力。首先分析拉伸車鉤力,隨著充氣孔徑系數(shù)的降低,最大拉伸車鉤力增加,當(dāng)充氣孔徑系數(shù)為0.1時,最大拉伸車鉤力為1 922 kN,發(fā)生車位為172(序號包含機車,以下同),后半列車(1萬t)車鉤力明顯高于前半列車。隨著機車充氣孔徑系數(shù)增加,最大拉伸車鉤力逐漸減小,最大拉伸車鉤力的發(fā)生車位有所前移,前一小列車?yán)燔囥^力明顯增加,后一小列車?yán)燔囥^力減小。當(dāng)充氣孔徑系數(shù)為0.2及其以上時,拉伸車鉤力總體趨勢一致,最大車鉤力隨著充氣孔徑系數(shù)增加逐漸減小,發(fā)生最大車鉤力車位緩慢前移。當(dāng)充氣孔徑系數(shù)達到0.4時,最大拉伸車鉤力為1 609 kN,相對于充氣系數(shù)為0.1的車鉤力降低16.2%。隨著充氣孔徑系數(shù)再繼續(xù)增加,車鉤力增加非常緩慢,因此,可以認(rèn)為當(dāng)充氣孔徑系數(shù)為0.4時,車鉤力基本不隨充氣孔徑系數(shù)而變化,可以將0.4作為未來重載列車充氣孔徑系數(shù)的最小值,以這個值作為限定值可以保證重載列車充氣孔變化時車鉤力基本不變。

從壓鉤力曲線看,在充氣孔徑系數(shù)為0.1時,車鉤力最大,最大壓縮車鉤力872 kN,發(fā)生在130車,當(dāng)充氣孔徑系數(shù)為0.4或者以上時,壓縮車鉤力基本不再變化,這也說明從壓縮力角度出發(fā),充氣孔徑系數(shù)0.4作為重載列車充氣限值比較合適。

從圖2和圖3中列車管充氣曲線和充風(fēng)時間可以看出,隨著充氣孔徑系數(shù)減小,充氣時間在延長,并且變化規(guī)律為非線性,當(dāng)充氣孔徑系數(shù)為0.4以下時,充氣孔徑系數(shù)對充風(fēng)時間影響非常明顯,當(dāng)充氣孔徑系數(shù)大于0.4時,影響逐漸減弱,當(dāng)充氣孔徑系數(shù)達到2.2及以上時,充氣孔徑系數(shù)變化,充風(fēng)時間幾乎不再變化。從圖5充氣孔徑系數(shù)對車鉤力影響曲線也可以看出,在充氣孔徑系數(shù)0.4及以上時,車鉤力幾乎不再變化,因此,選取0.4作為充氣孔徑系數(shù)最小值可以保證車鉤力不再隨充氣孔徑系數(shù)變化,充風(fēng)時間也比較穩(wěn)定,即列車的緩解傳播時間、車鉤力、充滿風(fēng)時間將基本固定。

3 機車充風(fēng)能力評判標(biāo)準(zhǔn)探討

隨著鐵路運輸技術(shù)的不斷進步,各種規(guī)章制度在不斷完善,但是在列車充氣能力上一直沒有標(biāo)準(zhǔn)要求,由于充氣能力對重載列車影響顯著,因此有必要針對重載列車提出列車充風(fēng)能力的要求。

對于上述2萬t編組列車,可以通過尾車列車管壓強變化確定充風(fēng)能力。但是由于制動后機車減壓量的差異,列車管壓強略有不同,如果以列車管壓強充到580 kPa或者590 kPa的時間判斷可能會由于機車減壓量差異出現(xiàn)同一列車充風(fēng)時間不一致的問題,因此將列車管壓強上升相對值作為評價標(biāo)準(zhǔn)更加合適,一般減壓50 kPa后列車管壓強為550 kPa,上升到580 kPa壓強差為30 kPa,上升到590 kPa壓強差為40 kPa,因此尋找2萬t仿真結(jié)果中壓強上升30 kPa和40 kPa所需要的時間。以充風(fēng)系數(shù)0.4為例,圖2中列車管壓強上升30 kPa和40 kPa所需時間分別為99.2 s和161.6 s。上述計時開始時間以尾車列車管壓強開始上升為準(zhǔn),考慮機車手柄開始放到緩解位和尾車列車管開始充氣的時間差約為10 s,即從機車手柄位移動到緩解位開始計時,大約109 s尾車充風(fēng)到580 kPa較為合適。上述方法僅適用于2萬t組合列車,對于其他列車需要找到通用的方法。

如果使用制動后再充風(fēng)能力評價列車充風(fēng)能力,由此制訂出列車充風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)存在一定難度,這是因為機車減壓量存在波動性,不能保證每次制動減壓量完全相同,使得再充風(fēng)時間也會有所不同,因此用制動后再充風(fēng)時間描述充風(fēng)能力有不足之處。為此,嘗試使用短列車初充風(fēng)作為充氣評價標(biāo)準(zhǔn),采用列車編組為50輛,一臺機車位于列車頭部,初始狀態(tài)為車輛系統(tǒng)中所有管路和風(fēng)缸為0 kPa條件下作為充氣初始條件,充風(fēng)系數(shù)為0.4情況下計算了短列車充風(fēng)過程,并使用尾車列車管作為評價測試點。圖6為上述短車初充風(fēng)條件下尾車列車管壓強曲線。將尾車列車管達到典型壓強所需時間列于表1中。

表1 50輛編組列車充風(fēng)時間Table 1 The charging time of a 50-car train

圖6 50輛編組列車初充風(fēng)尾車壓強Fig.6 The pressure at the tail of train(50 cars) during initial charging

從圖6可以看出,列車管升壓過程是非線性變化,各階段上升速率有所不同,在列車管壓強達到580 kPa之前(300 kPa以后)列車管壓強上升速度基本呈線性增長,在壓強達到580 kPa以后列車管充風(fēng)速度開始變得十分緩慢。在列車管充風(fēng)速度非線性變化區(qū)間內(nèi),很難用達到某壓強值的時間評價充氣能力,所以建議用列車管充風(fēng)到580 kPa所用時間評價更為合適,即在328 s充風(fēng)至580 kPa及以上即可判定為合格。

根據(jù)上述仿真計算分析,提出用50輛列車編組的初充風(fēng)時間作為列車充風(fēng)能力標(biāo)準(zhǔn)的建議。如果機車驗收現(xiàn)場不滿足組成列車條件,也可以采用等效容積的測試方法,例如可以在機車驗收現(xiàn)場做一個等效某固定編組列車制動系統(tǒng)總?cè)莘e,首先通過仿真方法確定此容積條件下充風(fēng)速率,經(jīng)過實驗驗證后,制訂出充風(fēng)標(biāo)準(zhǔn);然后各工廠均采用統(tǒng)一的容積、統(tǒng)一檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)對機車充風(fēng)能力進行測試。

4 結(jié)論

針對重載列車充風(fēng)能力問題首次使用列車空氣制動系統(tǒng)仿真方法分析了機車充風(fēng)能力對列車緩解特性和車鉤力的影響規(guī)律,得出如下結(jié)論。

(1) 機車充風(fēng)能力對列車緩解波傳播、列車縱向沖動都會產(chǎn)生影響,當(dāng)機車充氣太慢時,列車緩解時間差增加,列車縱向沖動增加。

(2) 鑒于機車充風(fēng)能力對重載列車的影響較為敏感,建議針對重載列車增加機車充風(fēng)能力評價標(biāo)準(zhǔn),在機車交車前檢查機車充風(fēng)能力,保障重載列車安全運行。

(3) 可以采用編組50輛列車初充風(fēng)時間作為列車充風(fēng)能力的判斷標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)列車初充風(fēng)時間在328 s時,尾車列車管壓強達到580 kPa及以上作為檢測標(biāo)準(zhǔn)。也可以采用等效容積法,采用機車向固定容積容器充風(fēng)的方法通過記錄容器達到某壓強的充風(fēng)時間評價機車充風(fēng)能力。

(4) 建議針對重載列車充風(fēng)能力對緩解波速、車鉤力的影響開展多部門聯(lián)合實驗與仿真研究,制訂機車充風(fēng)能力的實驗方法和標(biāo)準(zhǔn)。