重载列车制动工况缓冲器特性研究范文
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摘要:使用大容量缓冲器是重载列车主要特征，大容量缓冲器的大刚度特性使得重载列车运行中车钩力增加．调车工况是对缓冲器容量需求的主要工况，在无调车需求的重载线路中没有将缓冲器大容量特性发挥，反而引起列车运行过程中的过大车钩力．使用列车空气制动与纵向动力学联合仿真方法，针对神华铁路无调车作业的重载列车设计出新型缓冲器特性，仿真结果表明万吨列车在减压50、减压170kPa常用制动和紧急制动时车钩力分别降低11．5%、26．7%、43．8%，空气制动减压量越大，车钩力降低越明显．新缓冲器可以满足相对速度5．0km/h的冲击需求．该研究为缓冲器开发提供了理论指导．
关键词:缓冲器;重载列车;车钩力;纵向动力学
缓冲器作为缓解列车纵向冲动的主要部件，在减小车钩力和降低列车纵向冲动中起到至关重要作用．重载列车开行以来，增加缓冲器容量成为趋势，因此重载列车缓冲器都是大容量缓冲器，如MT-2相比于2号缓冲器，容量增加66．6%［1］．随着重载车辆缓冲器容量增加，其作用力或者压缩行程必然增加，但是我国通用货车缓冲器最大行程为83mm［2］，因此增加缓冲器容量只能通过增大作用力方法实现，增大作用力就势必增加缓冲器刚度，由此带来的后果就是列车在运行过程中缓冲器减振效果变差，造成车钩力增加，各部件受力恶劣，过早的出现疲劳裂纹及寿命降低．仿真计算表明，在调车工况下，车辆越重，缓冲器所需容量越大．缓冲器容量需求主要发生在相邻车辆具有较高相对速度的情况，如冲击工况、调车工况，而列车运行过程中相邻车辆相对速度较低，不能出现最大压缩量情况，因此对无调车作业的重载线路，根据容量需求设计的缓冲器特性没有将大容量特性发挥，反而引起列车运行过程中的过大车钩力，因此以调车工况作为限制条件设计缓冲器不适合无调车作业重载列车，针对无调车作业的重载车辆应该以列车运行工况为重点设计缓冲器特性．随着重载列车零部件裂纹问题增多，重载列车缓冲器研究变得更加活跃，QingWu［3］针对干摩擦缓冲器工作过程，推导了四个缓冲器工作过程，建立了模型并与实验结果进行了比较．孙树磊［4］建立了缓冲器多段线性模型，并引进附加黏滞摩擦力和附加阻尼力来修正模型．QingWu［5］建立了黏弹性缓冲器模型．胡杨［6］使用神经网络方法处理缓冲器试验结果进而获得缓冲器特性曲线．随着缓冲器模型的完善，缓冲器特性对列车纵向冲动影响研究逐渐活跃，李奇桓［7］研究缓冲器特性对列车纵向冲动的影响，赵旭宝［8］研究了缓冲器各分段特性对重载列车纵向冲动的影响．到目前为止缓冲器对降低重载列车纵向冲动的作用已经得到充分认识，但是还没有针对无调车作业特点开展重载车辆缓冲器研究工作．本文根据神华重载运输的现状，使用列车空气制动系统和纵向动力学联合仿真系统(TrainAirBrakeandLongitudinalDynamicsSimulationSystem，简称TABLDSS)［9-10］开展仿真研究工作，针对制动情况下列车纵向冲动水平和压缩行程范围，提出一种适合于神华铁路无调车作业车辆新型缓冲器特性，并与现有列车冲动水平进行比较，为无调车作业重载车辆缓冲器设计提供参考．
1列车纵向动力学模型
制动系统不同步特性是列车纵向冲动主要根源，制动波的传播特性和制动缸升压曲线的不一致性造成列车中不同位置车辆的制动能力的差异，这是引起列车纵向冲动的主要原因．为了准确获得制动系统不一致特性，本文使用基于气体流动理论的列车空气制动系统仿真方法获得制动系统特性．该方法的基本原理是将制动系统模型化，分配阀动作过程逻辑化，通过计算制动系统内压缩空气非定常流动特性获得制动系统内瞬态压强，根据分配阀相关位置的瞬态压力和动作逻辑关系形成分配阀内通道，再根据气体流动理论计算各通道瞬态流量，最终获得计算节点和各种缸的瞬态压强，制动系统内气体流动基本原理和分配阀逻辑关系请参看文献［11］．纵向动力学模型中将列车中每个机车车辆模型化为一个集中质量，每个质量仅包含纵向自由度，各质量间通过弹簧阻尼相连，每个车辆受力如图1所示．每个车辆的运动方程式为:mixi••=FGi－FGi+1－FAi－FBi+FLi－FCi－FWi(i=1，2，…，n)(1)对于首车和尾车增加边界条件如下:FG1=FGn+1=0(2)式中，n为列车中包含的机车车辆总数;mixi••为第i节车的惯性力;FGi为第i对车钩的车钩力;FAi，FBi，FLi，FWi，FCi分别为第i车的运行阻力、空气制动力、牵引力或动力制动力、坡道阻力、曲线阻力．其中空气制动力FBi使用空气制动系统仿真模型计算出制动缸压强，再根据式(3)计算制动力．式中，r、pZi、γZ、nZ、ηZ、φKi、λKi分别为制动缸半径、制动缸瞬时有效压强、制动倍率、制动缸数、基础制动装置传动效率、闸瓦摩擦系数、传动效率修正系数．坡道阻力和曲线阻力根据牵规中［12］方法计算，基本运行阻力根据神华铁路货车试验获得的拟合公式计算［13］．
2列车纵向动力学仿真结果
2．1制动系统仿真结果以神华铁路万吨重载列车为分析对象，列车由1辆HXD1+116辆C80组成．计算了列车运行中最常使用的减压50kPa常用制动，以及较大车钩力发生的170kPa常用制动和紧急制动三种工况，三种工况下首尾车辆列车管和制动缸压强随时间变化如图2～4所示．图中可以看出，在制动缸升压初期，有一个平台阶，这是模型中假定的制动缸勾贝伸出过程，当制动缸达到此压强后，制动缸容积由余隙容积增加到制动缸总容积，在勾贝伸出过程中，模型中假定制动缸压强不变，当勾贝完全伸出后，随着制动缸充气量的增加，压强高于勾贝伸出压力后，制动缸压强再继续增加．从图2中看到制动缸压强曲线中除了勾贝伸出产生的平台，还有几个小平台，这几个小平台是因为在减压后期列车管减压速度变慢，列车管压强略低于副风缸压强，分配阀内节制阀移动，由制动位进入保压位，副风缸停止向制动缸充风所致，当列车管压强继续下降到低于副风缸压强，并且能够使节制阀再次移动到制动位，分配阀再一次进入制动位，副风缸又开始向制动缸充风，制动缸压强又开始上升．因为分配阀内节制阀处于制动-保压-制动不断变化过程中，所以出现制动缸压强上升-平台-再上升现象．图3中最大减压量常用制动时，尾车制动缸也出现此现象，但是因为尾车列车管下降较快，从保压开始到再进入制动位的时间很短，因此阶梯很小，没有小减压量时那样明显．
2．2车钩力仿真结果对应上述三种制动工况，制动过程中最大拉伸和最大压缩车钩力沿车长分布如图5～7所示．图5中减压50kPa常用制动时，车钩力以压钩力为主，最大压钩力发生在列车尾部偏前，发生车位是107车位，最大值为191kN．图6中减压170kPa常用制动时最大车钩力发生在列车中部偏前，最大车钩力发生位置为51车，最大值为779kN，仍然是压钩力为最大车钩力．图7中紧急制动时最大车钩力发生在中部偏后车辆，最大车钩力为1202kN，发生在73车位处．
文献［8］分析了缓冲器不同区域特性对列车纵向冲动的影响，研究了初压力，快速上升过渡段和慢速上升稳定段等对车钩力的影响．研究发现对于不同的制动工况，其最终的缓冲器压缩量区域的刚度对最大车钩力影响非常明显，因此可以根据制动时缓冲器工作区域，适当的调整缓冲器刚度以降低列车中最大车钩力．从缓冲器压缩量看，紧急制动时缓冲器压缩量最大，而最大压缩量前的压缩消耗能量也影响最终压缩量，因此小压缩量对应刚度调整不仅影响小减压量时车钩力，同时也会影响到大减压量时车钩力水平，需要不断地调整缓冲器各部分刚度数值．通过大量的比较计算，得到一种比较理想的缓冲器特性值．新旧缓冲器特性比较如图8所示．考虑到缓冲器小压缩量范围内刚度降低对缓冲器容量的影响，在缓冲器大压缩量范围增加了缓冲器刚度，以保证缓冲器具有基本同样的容量．图8中包含两个缓冲器特性曲线，一个是根据神华铁路纵向动力学试验获得的缓冲器压缩量和车钩力得到的试验缓冲器特性，另一个曲线是优化后的缓冲器特性．从两个缓冲器特性比较看，在压缩量10mm范围内，两个缓冲器特性比较相近，改进的缓冲器刚度略软．而在10～55mm压缩量范围内，改进缓冲器刚度明显变软，大约是原缓冲器刚度的一半．由于缓冲器较软，在列车运行情况下车钩力有明显的改善．而在大于55mm压缩量时，缓冲器刚度比原来更硬．图9～11是改进缓冲器在两种常用制动减压量和紧急制动情况下的最大车钩力分布．从图5与图9缓冲器特性修改前后减压50kPa常用制动时最大车钩力沿车长分布图比较看，缓冲器特性修改几乎没有影响车钩力分布特性，压缩车钩力仍然是在20辆车以后随着车序号增加车钩力基本呈线性增加，最大车钩力值都发生在列车尾部．改进后缓冲器的最大车钩力值为169kN(107车)，相比原来缓冲器，最大车钩力值略有减小，减小量约为11．5%．图10是缓冲器特性改变后减压量为170kPa常用制动时车钩力分布，与图6比较，最大车钩力发生位置仍然在列车中部，改进缓冲器最大车钩力发生位置略有前移，最大车钩力数值也明显减小，由779kN降低为571kN，降低26．7%，可见大减压量常用制动时车钩力降低比较明显．从紧急制动的图11与图7比较看，车钩力也有明显降低，缓冲器特性改变前最大车钩力为1202kN，改变后为676kN，降低43．8%．最大车钩力发生位置前移，由原来的73车前移到65车．由此可见，新获得的缓冲器特性能够在列车运行的几个主要工况均能有效降低车钩力水平，进而提升车辆零部件使用寿命．缓冲器特性曲线与X轴包围的面积就是缓冲器容量，经计算发现在同样的最大行程条件下，使用冲击仿真系统计算最大冲击速度，考虑到与MT-2缓冲器具有同样安全裕量情况下，改进后缓冲器可以满足5．0km/h下冲击，此速度足以应付非调车作业条件下装车拨车载荷、卸车拨车载荷和其他常见冲击过程．
4结论
本文使用仿真分析方法分析了三种空气制动条件下重载列车车钩力，根据缓冲器工作行程，修改了缓冲器特性，提出一种适合神华线路无调车作业重载列车用新缓冲器特性，得出如下结论:(1)在列车运行条件下缓冲器工作行程范围内，降低缓冲器刚度可以明显降低车钩力水平;(2)以神华线路最常见的空气制动和极端情况的紧急制动为限制条件，提出一种新的缓冲器特性曲线．新缓冲器可以使车钩力可以明显降低，减压50kPa常用制动时降低车钩力11．5%，减压170kPa常用制动时车钩力降低26．7%，紧急制动时车钩力降低43．8%，空气制动减压量越大，车钩力降低越明显;(3)新缓冲器在约5．0km/h达到缓冲器最大行程状态，该容量完全满足非调车作业条件下的一般冲击．
参考文献:
［1］王晓龙，于连友，王风洲，等．我国重载货物列车缓冲器设计参数研究(待续)［J］．铁道车辆，2010，48(3):8-12．
［2］中华人民共和国铁道部．TB/T1961-2006机车车辆缓冲器［S］．北京:中国铁道出版社，2006．
［4］孙树磊，李芾，黄运华，等．重载货车摩擦缓冲器动力学模型研究［J］．铁道学报，2015，37(8):17-23.
［6］胡杨，魏伟，薛齐文．基于神经网络的重载列车缓冲器模型［J］．大连交通大学学报，2012，33(6):1-5．
［7］李奇桓，魏伟．缓冲器刚度对单编万吨列车纵向冲动的影响［J］．中国科技博览，2015，15:4-6．
［8］赵旭宝，魏伟，张军，等．缓冲器分段阻抗特性对重载列车纵向冲动影响［J］．铁道学报，2017，39(10):33-42．
［11］魏伟，李文辉．列车空气制动系统数值仿真［J］．铁道学报，2003，25(1):38-42．
［12］中华人民共和国铁道部．TB/T1407-1998列车牵引计算规程［S］．北京:中国铁道出版社，1999．
［13］胡杨．神华铁路万吨重载列车纵向动力学试验与仿真研究［D］．大连:大连交通大学，2017．
作者：李朋 魏伟 李开颜 单位：中国神华能源股份有限公司