基于纵向动力学的大轴重机车在朔黄铁路适应性探究

伍泓桦， 罗世辉， 杨相健， 汤　诚

(1　西南交通大学　牵引动力国家重点试验室， 四川成都 610031；2　中车株洲电力机车有限公司　技术中心， 湖南株洲 412001)



基于纵向动力学的大轴重机车在朔黄铁路适应性探究

伍泓桦1， 罗世辉1， 杨相健2， 汤诚2

(1西南交通大学牵引动力国家重点试验室， 四川成都 610031；2中车株洲电力机车有限公司技术中心， 湖南株洲 412001)

随着重载铁路的发展，纵向动力学问题显得越来越突出。总结了研究机车线路适应性的方法，分析了列车纵向动力学原理。利用已开发的纵向动力学软件TDEAS模拟仿真30 t轴重某型电力机车在朔黄线上进行货物运输，具体编组为：2台30 t轴重某型电力机车，‘1+1’编组在朔黄线上牵引2万t。计算机车牵引能力、列车纵向冲动以及列车能耗，从效率性、安全性和经济性方面研究大轴重机车对线路的适应性。结果表明：30 t轴重机车牵引能力满足朔黄铁路运用要求；运行过程中，车钩力最大值均出现在中部机车车钩，最大拉钩力和最大压钩力分别为1 300,1 650 kN，在安全范围之内；在长大下坡采用循环制动，机车电制动回收能量超过机车牵引耗能，节能效果明显。

纵向动力学； 30 t轴重机车； 线路适应性； 动力学仿真；

为提高铁路货运能力，满足重载运输的快速发展的要求，扩大列车编组长度、提高机车和货车轴重、增加机车轴式以及采用双机或多机大功率机车牵引是重载铁路可行的发展思路。2014年中国铁路总公司在大秦铁路已经成功实现3万t重载列车试验运行[1]，神华集团承担了国家科技支撑计划项目“轴重30 t以上煤炭运输重载铁路关键技术与核心装备研制”并在朔黄铁路成功开行30t轴重万吨重载列车[2-3]。然而随着列车编组和牵引质量不断增加，带来的纵向动力学问题也越来越突出。在线路适应性方面，郭锴[4]研究了重载列车线路通过能力计算的方法。李海滨[5]研究了DF7B机车在黔桂线运用的适应性。马大炜[6]研究了大秦线2万t列车运行过程中纵向最大车钩力及运行安全性。李晓春[7]研究了电力机车进行重载运输的能量消耗。以上研究表明，应当对机车的牵引效率，列车运行的安全性和能耗问题给予更多重视。本文从效率性、安全性和经济性方面研究大轴重机车对线路的适应性。

1　列车纵向动力学和TDEAS软件介绍

在列车纵向动力学研究中，根据研究重点的不同对列车模型作一定的简化。当以纵向冲动为研究目标时，通常忽略列车的横向和垂向运动，只考虑列车的纵向自由度[8]。将机车车辆看作刚体，受力如图1所示 。因此列车纵向动力学运动方程写为：

(1)

式中mi为第i车的质量；X″i为第i车的加速度；Fci为第i对车钩的车钩力；Fwi为运行总阻力(包括：运行阻力、空气阻力、坡道阻力和曲线阻力等)；FTEi为牵引力；FDBi为机车电制动力；FBi为空气制动力。

图1　列车中某机车车辆受力图

TDEAS纵向动力学仿真软件是西南交通大学牵引动力国家重点试验室机辆所相关研究人员以列车纵向动力学、列车牵引制动和列车能耗等理论为基础开发的动力学及能量仿真平台[9]。软件主要功能为：①列车的纵向动力学及牵引计算；②不同编组列车、线路条件、装备条件及司机操控方法的模拟；③列车能量及能耗仿真；④调车作业及列车碰撞的模拟；⑤列车模拟架驶；⑥仿真结果的后处理。

将机车车辆基本参数、机车牵引制动特性曲线、钩缓装置特性、机车操控和线路状况等条件导入软件，则可以仿真模拟列车运行。

2　大轴重机车朔黄线适应性仿真条件

2.1列车编组模式及机车牵引制动特性

仿真模拟采用的列车编组模式为：2台30 t轴重某型电力机车，‘1+1’编组牵引2万t，即1主控机车+105C80+1从控机车+105C80+可控列尾。钩缓装置均采用牵引杆与16号17号连锁车钩并用(3车一组)，配备MT-2缓冲器。30 t轴重某型电力机车牵引力大小取25 t轴重的HXD1型电力机车的1.2倍，牵引制动特性如图2所示。

图2　30 t轴重某型电力机车牵引制动特性曲线

2.2仿真线路条件

朔黄铁路西起山西省神池县神池南站，与神朔铁路相联，东至河北省黄骅市黄骅港口货场。图3和图4分别为朔黄线路落差和坡度设置。该线路全程588 km，最大坡度为4‰，最小坡度为-12‰。线路最大落差达到1 536 m。重载列车试验区间主要为：神池南—肃宁北。线路从神池南到肃宁北为上行，主要为下坡路段，对机车的牵引制动能力提出较高要求。因此仿真模拟的线路取神池南(K0)到肃宁北(K405.9)。

图3　朔黄线落差设置

图4　朔黄线坡度设置(神池南到肃宁北)

图5为朔黄线路的曲线设置。该线路段曲线半径以曲率表示，其中最小半径为395.6 m，最大半径为10 000 m，曲线半径多为500 m至2 000 m之间，左曲线与右曲线的设置大致相当。

图5　朔黄线曲率设置(神池南到肃宁北)

3　大轴重机车朔黄线适应性仿真结果

重载列车在朔黄线运行的机车牵引运行速度、车钩力以及列车能耗如图6～图8。

图6　列车运行速度

图6为列车运行速度，图中所标里程和速度均对应头部机车。从结果可以看出，在驶出神池南站后，机车由0档位调到最高牵引档位，列车的运行速度迅速提高，达到了80 km/h；由于该线路为长大下坡，列车采用机车电制动的同时配合有空气减压的多次调速制动(又称循环制动)，确保列车速度不超过坡道限速要求。具体操作为：先使用机车电制动，在列车速度接近坡道限速80 km/h时再使用列车空气制动(空气制动减压量为50 kPa)并保压，并依据列车速度下降情况调节机车电制动，待列车减速到45 km/h后实施缓解，空气制动缓解后，列车在下坡道又开始自然增速，速度接近限速时实施下一次循环制动。因此，列车运行时速度在40～80 km/h之间频繁变化。

图7　车钩力时间历程

图7为列车各位车钩受力时间历程，车钩力为正表示车钩受压，车钩力为负表示车钩受拉；C108对应中部机车重联处车钩，C109对应中部机车与货车相连车钩。由图可知。‘1+1’编组组合列车在启动牵引时，最大拉钩力出现在中部机车车钩(C109),最大值为1 200 kN。在运行过程中，列车的最大拉钩力和最大压钩力分别为1 300 kN和1 650 kN，在安全范围之内。最大拉钩力发生时，中部机车处于K117附近的鱼背型坡道，列车为牵引工况；列车在K170～K174的长大下坡进行调速制动，缓解信号发出约20 s后，中部机车压钩力达到最大值。整体来看，‘1+1’编组组合列车的车钩力最大值均出现在中部机车车钩(C109)，且列车间的车钩力的规律是与机车相邻的车钩纵向冲动大，车钩位置与机车车钩越远，车钩力越小。由于列车频繁的进行电制动、空气制动和空气制动缓解操作，所以车钩力也是在正负值之间交替，并伴随一定的纵向冲动。

图8　列车能量时间历程

图8为列车系统动能及各种作用力做功的时间历程。由图可知，机车牵引做功随着运行时间不断累积，仿真中机车牵引力做功2.48×104kW·h。列车动能的变化与速度的变化趋势一致。列车基本阻力所消耗的能量在列车能耗中占主导地位，耗能4.46×104kW·h。弯道阻力耗能5.72×103kW·h，钩缓装置耗能极小，可以忽略。由于朔黄线重载运输方向以长大下坡为主，落差超过1 500 m，蕴藏巨大势能在上图可以体现，坡道阻力做正功，消耗能量达-8.87 ×104kW·h。与此同时，列车在长大下坡采用循环制动，机车电制动回收的能量达到了3.45 ×104kW·h，空气制动耗能2.61 ×104kW·h。机车电制动回收能量已超过机车牵引耗能。由此可见，列车节能操纵对于回收朔黄线蕴藏的巨大可回收势能有着重要的学术价值和经济意义。

4　结论与展望

运用列车纵向动力学仿真软件研究30 t轴重机车，‘1+1’编组牵引2万 t在朔黄铁路(神池南到肃宁北段)运用的线路适应性。

(1)30 t轴重机车牵引能力满足朔黄铁路运用要求，全路段列车的运行速度可以保持在40～80 km/h。

(2)‘1+1’编组组合列车在运行过程中，车钩力最大值均出现在中部机车车钩，最大拉钩力和最大压钩力分别为1 300 kN和1 650 kN，若操纵得当，纵向力在安全范围之内。

(3)仿真全程机车牵引力做功2.48×104kW·h，基本阻力耗能4.46 ×104kW·h，弯道阻力耗能5.72 ×103kW·h，坡道阻力做正功，消耗能量达-8.87 ×104kW·h，机车电制动回收的能量3.45×104kW·h，空气制动耗能2.61×104kW·h。在长大下坡采用循环制动，机车电制动回收能量超过机车牵引耗能，节能效果明显。

(4)利用纵向动力学仿真软件研究30 t轴重重载组合列车的最优编组和在鱼腹型坡道、鱼背型坡道以及长大下坡的列车最优操纵，减小纵向冲动。

(5)大秦线和朔黄线作为我国两条西煤东运的能源骨干专线，在重载运输方向均以长大下坡为主，其中大秦线落差约1 000 m，朔黄线落差超过1 500 m，因此蕴藏巨大势能。利用纵向动力学仿真软件研究列车节能优化操纵对于回收重载线路蕴藏的巨大可回收势能有着重要的学术价值和经济意义。

[1]我国铁路成功实现3万t重载列车试验运行[J]. 铁道货运，2014,(4)：47.

[2]薛继连. 神华重载铁路核心装备与关键技术创新[J]. 中国铁路，2014,(3):6-11.

[3]神华集团有限责任公司.国内首列30吨轴重万吨重载列车在朔黄铁路开行[EB/OL].[2014-08-28]. http:∥www.sasac.gov.cn/n1180/n1226/n2410/n314244/16028247.html.

[4]郭锴.重载运输的通过能力研究[D]. 中南大学，2007.

[5]李海滨. 东风7B型机车在黔桂线运用的适应性分析[J]. 内燃机车，1995,(9)：9-14.

[6]马大炜，王成国，张波. 2万t级重载列车的技术对策及其纵向力研究[J]. 铁道机车车辆，2008，28(S1)：212-216.

[7]李晓春，王位，李希宁. 大秦线重载运输机车的能耗分析[J]. 电力机车与城轨车辆，2010，33(3)：20-24.

[8]丁莉芬. 重载列车纵向动力学建模研究[D]. 北京交通大学. 2012：5-18.

[9]罗世辉，吴庆，杜志辉，等. 基于纵向动力学的列车能量及能耗分析[J].铁道机车车辆，2013，33(2)：52-55.

Exploration of Shuo-Huang Railway Adaptability of Heavy Axle Load Locomotive Based on Longitudinal Train Dynamics

WUHonghua1，LUOShihui1，YANGXiangjian2，TANGcheng2

(1State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiao Tong University, Chengdu 610031 Sichuan, China; 2R&D Center, CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412001 Hunan, China)

With the development of heavy haul railway, the longitudinal train dynamics becomes more and more prominent. This paper summarized the research methods of railway adaptability of locomotive and analyzed the longitudinal train dynamics. The self-developed TDEAS software has been used to simulate a certain 30 t axle electric locomotive transporting goods on the Shuo-Huang railway. Two 30 t axle electric locomotives pull twenty thousand tons of goods with ′1 + 1′ marshalling mode. The traction capability, longitudinal impulse and energy consumption was calculated. From the efficiency, safety and economy, the railway adaptability of heavy axle load locomotive was researched. The results show that 30 t axle load locomotive's traction capacity can meet the application requirements of the Shuo-Huang railway. During operation, the maximum coupler forces are present in the middle of the locomotive, the maximum coupler-pulling force and maximum coupler-pressing force were 1 300 kN and 1650kN, which are within the safe range. Using a method of cycle braking on long heavy down grade section, the recovered energy through the electro-dynamic braking is more than the traction consumption energy.

Longitudinal train dynamics; 30 t axle load locomotive; railway adaptability; dynamics simulation

1008-7842 (2016) 04-0085-04

��)男，硕士生(

2015-12-18)

U260.1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.21