制动特性对列车纵向冲动的影响

魏伟，武星宇

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

为了提高铁路运输的能力，铁路货运正在向“重载、提速”的方向发展.但随着列车载重增加和速度提高，纵向冲动越来越大，过大的纵向冲动带来了许多新的问题，如车钩断裂、零部件严重磨耗、列车脱轨等问题.过大的纵向冲动已成为重载列车发展的最大障碍，列车纵向动力学研究越来越受到重视.

制动不同步是列车纵向冲动的根源，研究制动特性与列车纵向冲动的关系对于理解列车纵向冲动机理，从制动特性入手降低车钩力具有重要的意义，同时为列车纵向动力学仿真系统制动特性的选取提供基本依据.

多年来，一般认为制动特性影响列车纵向冲动的因素是制动波速，波速越高，纵向冲动越小.对于制动波传播的均匀性、制动缸升压特性等制动特性对纵向冲动的影响还没有明确的结论.按现有的理解水平，对于长大列车可以通过设计新阀提高制动波速，但是制动波速已经达到很高水平，再进一步提高制动波速难度很大，这极大的限制了长大重载列车的发展.另一个观点就是延长制动缸充气时间，其不足之处就是增加了列车制动距离.因此既要保证制动距离，又要保证列车冲动最小，重载列车设计已经面临难以克服的困难.是否有其他途径解决重载列车制动与纵向冲动的矛盾?有没有可能在制动系统设计上找到解决这一矛盾的途径?这些只有在清晰理解制动特性对纵向冲动的影响后才能够回答，因此全面摸清制动系统特性对纵向冲动的影响规律，对设计重载列车新型制动系统具有重要意义，本文工作就是分析制动系统特性对纵向冲动影响的尝试.限于目前的研究手段，分析各种制动特性对纵向冲动的影响还有一定难度，其难度主要表现在现有制动特性的传播规律以及如何构造新的制动特性.由于列车制动系统试验数据的离散性，很难得到制动系统规律，而仿真计算可以很容易得到制动系统特性及其规律.中国在制动仿真研究工作起始于上世纪90年代，已经开发出可以分析各种管路参数、阀结构参数影响的列车空气制动系统仿真系统［1-6］，并对列车的制动特性和列车纵向冲动进行了探索和研究［7-10］，在此基础上开发了空气制动系统与纵向动力学系统联合仿真系统［11］.

本文使用大连交通大学开发的空气制动系统与纵向动力学系统联合仿真系统，在基于气体流动理论的制动特性计算的同时，计算列车纵向振动过程，系统分析制动特性对列车纵向冲动的影响，为未来重载列车制动系统设计提供依据.

1 制动特性介绍与分析

因紧急制动时所有车辆的制动特性曲线基本一致，所以本文只分析常用制动时的情况.图1是万吨列车最大减压量常用制动首、中、尾车的制动缸压强曲线［12］.从图中明显可以看出第一车制动缸升压速度明显快于尾部车辆，第50辆(中间车辆)制动缸升压曲线并不是首尾车制动缸压强平均后的结果，而是更接近于尾车的曲线，这说明常用制动缸时制动波传播并不是匀速传播，并且由前部车辆制动缸曲线斜率变换到后部车辆制动缸曲线斜率并不是线性变化的，制动波非均匀传播特性和制动缸升压曲线的非线性变化特性决定了很难用某种数学方法描述任意车辆制动缸升压曲线，因此给纵向动力学仿真中制动特性的选取带来了困难.图2是列车中每个车辆的制动缸勾贝伸出时间曲线，也就是制动传播特性曲线.由图可知制动波的传播不是按某一个速度传播，而是先慢后快的传播特性(先是较斜的线，后来更加平缓).

图1 试验得到的制动缸压强曲线

图2 制动缸动作时间沿车长分布

从上面的分析可以看出，制动特性曲线主要由制动波传播特性、制动缸升压特性决定，研究制动波传播特性、制动缸升压特性对纵向冲动的影响，为列车纵向动力学仿真研究选择合适的制动特性提供依据，为从制动入手研究减小纵向力寻找途径具有现实意义.

2 制动波传播特性对列车纵向冲动的影响

2.1 制动波匀速与非匀速传播对列车纵向冲动的影响

图3 两类传播特性的制动缸压强曲线

制动作用沿列车长度方向的不同时性和不均匀性是列车制动时发生纵向冲动的主要根源.但在一般动力学分析中，因为没有适合任意编组的制动特性数据，往往忽略了制动波在列车中的非匀速传播状况［13］，通常假设制动波在列车中匀速传播，但实际上制动波在列车中的传播并非匀速.为了研究制动波匀速传播和非匀速传播对车钩力分布的影响，首先根据试验曲线特点构造了两类制动特性曲线，一类是由制动系统仿真得到的制动特性，特点是制动波非匀速传播，波速越来越快;而且制动缸升压速度不同，越是后面的车辆，制动缸升压越慢.另一类制动特性是在上述制动特性基础上，假设制动波匀速传播，但首尾车开始制动时间与原来一致，即两类制动特性的制动波速相同，各车辆制动缸升压速度保持与原来对应车辆制动缸升压速度一致.万吨列车减压170 kPa制动时两类制动特性的首、中、尾车制动缸压强曲线如图3所示.图3中可以看出两类制动特性的首尾车制动缸压强曲线完全重合，说明两类制动特性的制动波速完全相同，两类制动特性的中间车辆制动缸曲线形状一致，但是开始充气时间有所区别，这是由制动波传播特性不同引起的，匀速传播时中部车辆充气时间较早，而非匀速传播时中部车辆动作时间较晚.

图4是上述两种制动特性的万吨列车在80 km/h初速度制动时最大车钩力沿车长分布图.其中每一类传播特性得到的最大车钩力有两条曲线组成，一条是0 kN以上的最大拉钩力曲线，一条是0 kN以下的最大压钩力曲线.最大拉钩力和最大压钩力是在整个制动过程中每个车辆承受的最大拉钩力与最大压钩力.从图4的两种传播特性的计算结果看，两者在最大压钩力水平，最大压钩力发生位置两方面都差别不大.从拉钩力看，制动波传播特性对拉钩力有一定影响，最大拉钩力数值大小变化不大，但是发生位置有些变化，制动波匀速传播时，前部20辆车承受了略大拉钩力.因为整列车的拉钩力数值较小，不做重点讨论.上述结果说明此种计算条件下制动波传播特性对车钩力影响较小.为了证实此结论对于其他条件仍然适用，又分别计算了60辆编组减压170 kPa和万吨列车减压100 kPa的车钩力，结果与此情况类似.从上面的分析可以看出，在制动波速相同的情况下，制动波传播特性对列车纵向冲动影响很小.由此可以推断，制动波速不改变的情况下，使用匀速传播替代非匀速传播的制动特性在纵向动力学分析中不会带来较大误差.

图4 100辆车减压170 kPa最大车钩力曲线

2.2 制动波速对列车纵向冲动的影响

上面分析了制动波传播均匀性对列车纵向冲动影响，那是在制动波速不变的情况下进行的比较，并不能说明制动波速对纵向冲动的影响.下面以空气制动仿真得到的每节车辆制动缸特性为基础，通过调整每节车辆开始动作时间构造出不同制动波速的制动特性，分析制动波速对列车纵向冲动的影响.

分别计算了制动波速从140 m/s增加到230m/s时的车钩力，制动波速均假设为匀速传播.从140～230 m/s的制动波速中选出4个波速，画出最大车钩力曲线如图5所示.从图5中可以看出，最大压钩力变化很大，但是发生位置基本没有变化，随着波速增加，压钩力增加.为了看清波速与最大压钩力关系，将不同制动波速时最大压钩力绘在图6中，从图6中可以看出最大车钩力与制动波速成正比例关系，在本仿真试验中制动波速和最大车钩力为线性关系.从上面的分析可以得出，制动波速是影响最大压钩力的主要因素，波速对最大压钩力发生位置无影响.拉钩力最大值约150 kN，并且最大拉钩力幅值随制动波速变化很小，但是承受拉钩力的车辆数目随着制动波速的增加而增加.

图5 不同制动波速时最大车钩力曲线

图6 最大车钩力随制动波速变化曲线

3 制动缸升压特性对列车纵向冲动的影响

制动特性的另一方面是制动缸的升压特性，目前的列车制动特性都是前部车辆升压较快，后部车辆升压较慢.这主要是由于列车中前部车辆列车管减压速度较快，后部车辆减压速度减慢，而制动缸充气速度主要决定于列车管的减压速度.为了分析制动缸升压特性对纵向冲动的影响，在现有列车制动特性基础上，假设了几种制动缸升压特性曲线，并进行了列车纵向冲动的仿真计算.

在制动波速不变、制动波非匀速传播和制动能力相同的条件下(此处制动能力相同是指列车具有相同的制动距离)，设计了三种制动特性.三种制动特性的首、尾车辆制动缸压强如图7所示，由图可以看出此三种方案的特点为，从方案1到方案3首尾车制动缸压强曲线围成的开口度逐渐减小，即首车的制动缸曲线升压速度逐渐降低，而尾车的制动缸曲线升压速度逐渐增加.列车中其他制动缸升压特性都是由首尾车制动缸升压特性线性插值得到.

图7 三种方案的制动缸压强曲线

图8 三种方案最大车钩力对比

三种方案在80 km/h速度下万吨编组列车常用制动减压170 kPa时，制动距离和制动时间都相等，制动距离为1230 m，制动时间为77 s，三种方案的最大车钩力沿车长分布对比如图8所示.由图可以看出，随着首尾车制动缸压强曲线开口度减小，列车中的最大压钩力减小.方案1的最大压钩力为583 kN，方案2的最大压钩力为521 kN，方案3的最大压钩力为383 kN，方案3比方案1的最大车钩力减小了34.5%.从整车的变化规律看，在1车到83车的范围内，每辆车的最大压钩力都在减小，而且最大车钩力发生位置随着最大车钩力的减小而向列车的后端移动;83车以后的最大车钩力没有随制动特性变化而变化，其主要原因是后部车辆最大车钩力是由冲击力产生，冲击力主要影响因素是车钩间隙，与制动特性关系不大，而挤压力与制动特密切相关［10］.从上面的分析可以看出，制动缸升压特性是影响车钩力的主要因素，在列车纵向动力学仿真中，不能将所有车辆制动特性假设为具有同样的上升速度曲线，这样做的结果会给纵向动力学分析带来极大误差.几种制动特性结果表明，在制动能力不变的条件下，首尾车制动缸压强曲线合拢(开口度收敛)，也就是前后部列车制动能力差减小，可以有效地降低列车纵向冲动，这为优化制动特性提供线索.

4 结论

列车制动不同步性是纵向冲动的主要根源.列车制动不同步包含制动波传播特性和制动缸升压特性不一致性.本文通过数值仿真的方法分析制动波传播特性和制动缸升压速度对列车纵向冲动的影响，为纵向动力学制动特性的选取提供了理论依据，也为制动系统优化提供理论指导.得到结论如下:

(1)制动波速相同的情况下，制动波传播特性对纵向冲动影响很小;

(2)制动波速是影响最大车钩力幅值的主要因素，但对最大车钩力发生位置影响很小.在车辆的设计中应尽量提高制动波速，有利于减小纵向冲动;

(3)在列车制动能力不变的条件下，制动缸升压特性极大影响列车纵向力水平，列车中首尾车制动缸压强曲线开口度收敛，将有效的降低列车纵向冲动.

(4)制动系统设计应该遵循降低列车前部车辆制动缸升压速度，加快后部车辆升压速度的原则;

(5)列车纵向动力学仿真计算中，可以假设制动波速具有匀速传播特性，但是不能假设所有车辆制动缸具有相同升压速率的制动缸曲线.

［1］魏伟，李文辉.120阀列车空气制动性能仿真程序简介［J］.铁道车辆，2004，42(7):34-35.

［2］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.

［3］徐毅.快速货车采用104型阀制动系统能力的预测［J］.铁道机车车辆工人，2007(7):21-26.

［4］魏伟，刘涛，张军.KZ1型控制阀仿真模型及列车制动性能仿真研究［J］.中国铁道科学，2010，31(1):105-110.

［5］魏伟.120阀及试验台的计算机模拟［J］.铁道学报，2000，22(1):31-35.

［6］刁亮.F8阀列车空气制动系统数值仿真［D］.大连:大连交通大学，2007.

［7］魏伟.两万吨组合列车制动特性［J］.交通运输工程学报，2007，7(6):12-16.

［8］魏伟.长大列车制动系统减压特性的计算机模拟［J］.大连铁道学报，1992，13(4):43-49.

［9］赵连刚.基于制动系统仿真的两万吨列车纵向动力学分析［D］.大连:大连交通大学，2008.

［10］魏伟，张东芹，张军.重载列车纵向冲动机理及参数影响［J］.大连交通大学学报，2011，31(1):1-6.

［11］魏伟，赵旭宝，姜岩，等.列车空气制动与纵向动力学集成仿真系统［C］.2010年度全国铁路机车车辆动态仿真学术会议，2010:166-172.

［12］姚晓沛.大秦线HXD1机车牵引2万吨组合列车检验报告［R］.北京:铁道科学研究院机车车辆研究所，2007.

［13］胡万华，杨建伟，李继山.列车纵向冲动数学模型及仿真研究［J］.太原重型机械学院学报，2004，25(3):170-174.