快捷货运列车缓冲器特性优化

朱红伟，魏伟

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

随着经济社会的快速发展，以批量化、附加值高、时效性强等为特征的货物运输急剧增长，世界各国铁路货物运输呈现物流化发展趋势，为提高铁路的货运能力和竞争水平，铁路运输需要提供安全、快捷的货运服务，因此货运安全快捷化势在必行.上世纪80年代以来，欧洲各发达国家，如德国、法国等，先后开发使用快捷货车.我国当前发展快捷运输的区域主要为各主要经济中心地带、东南沿海地区等，运输货物主要为电子、通信、高档服装、精密仪器、家电等高附加值产品以及鲜活货物.实现快捷货物运输的一个基本前提就是提高货物列车的运行速度，列车运行速度一般为140～160 km/h，列车编组20辆左右，牵引吨位为1 400～1 800 t[1- 2].

经过多年发展，我国重载货车已经基本形成一套完整的缓冲器系统.文献[3]针对重载列车缓冲器，通过单车撞击试验和落锤试验创建了缓冲器分段线性形式的模型.文献[4]总结分析了国内外重载货车缓冲器的发展趋势和存在问题，结合大秦线重载列车运输试验结果的研究，提出了我国重载货车缓冲器的主要性能参数的选取、试验及评定方法建议.文献[5]建立了货车及车钩缓冲器参数化仿真模型，研究了缓冲器初压力、最大行程和最大阻抗力等参数对货车调车冲击的影响.文献[6]以摩擦式缓冲器为例，建立计算模型，对其力与位移特性、纵向冲击机理进行了详细分析.文献[7]通过仿真计算，总结分析出列车制动过程中的纵向冲动是由冲击作用和挤压作用共同形成的，并讨论了车钩间隙与闸瓦摩擦系数对纵向冲动的影响.文献[8]通过单车模型中多次仿真与试验曲线相比较，反演出缓冲器特性曲线，并将此曲线应用于万吨列车模型并进行优化，得出重载列车最佳缓冲器特性曲线.

MT- 2型缓冲器是我国目前货车装配使用最多的缓冲器，凭借其成熟的技术、优良的性能在重载运输中广泛应用.快捷货车以“快、短、轻”为特色，与重载列车相比具有不同的特点，现广泛应用于重载运输的MT- 2型缓冲器在快捷运输中会存在一定的不匹配性. 因此本文利用空气制动和列车纵向动力学联合仿真系统[9]研究快捷货车在紧急制动和调车冲击两种工况下最大车钩力与最大加速度的数值及分布，通过改变缓冲器特性来减小列车运行时的纵向冲击，并且保证调车时缓冲器不出现压死的现象.

1 紧急制动工况

通常情况下，除了意外事故冲撞外，列车在运行工况下实施紧急制动时产生的冲击最为严重.

本次仿真试验模型设为列车在坡度为0的平道紧急制动，列车组成为1+20(1辆SS9电力机车+20辆P160D快运棚车)，列车总重1 566 t，紧急制动初速度为160 km/h，缓冲器采用MT- 2型缓冲器，制动系统采用KZ1阀为基础的制动系统[10]，但在本研究中提升紧急制动时制动缸充气时间为5 s，列车管定压600 kPa，紧急制动时制动缸最高压力为435 kPa.

图1是列车在平道实施紧急制动时每辆车的最大拉钩力和最大压钩力沿车长分布曲线.由图可知，该工况下列车的最大车钩力表现为压钩力，发生在第16车位，数值为-277.63 kN.

图1 最大车钩力沿车长分布曲线

图2是列车在平道实施紧急制动时每辆车的最大正向加速度和最大负向加速度沿车长分布曲线.由图可知，该工况下列车的最大加速度表现为负向加速度，发生在第16车位，数值为-3.25 m/s2.

图2 最大加速度沿车长分布曲线

图3是第16车车钩力随时间变化曲线，从图中曲线可以看出，最大压钩力达到277.63 kN，发生在第2.72 s.经比较分析得知，由于制动不同步性的存在，前部车辆开始制动，而后部车辆未制动减速，追及相撞而形成.在第2.72 s，第16车开始制动减速，16车后面的车辆未制动撞击挤压16车产生最大压钩力，即整列车的最大车钩力.

图3 第16车位车钩力时域曲线

图4是第16车加速度随时间变化曲线，从图中曲线可以看出，最大加速度表现为负向加速度，数值为3.25 m/s2，发生在第6.66 s.比较图3第16车车钩力时域曲线可知，在第6.66 s，车钩力由压钩力转变为拉钩力，产生第一个拉钩力尖峰，同时也是第16车的最大拉钩力，数值为211.08 kN.由于此拉钩力出现在第16车的后车钩上，对16车位产生负向的作用力，进而生成负向最大加速度.

图4 第16车位加速度时域曲线

由以上分析可知，紧急制动过程中，列车的最大车钩力为压钩力，发生列车的中后部，由尾部车辆追及撞击而产生.最大加速度为负向加速度，由该车位出现的首个最大拉钩力作用而产生.

虽然快捷货车相对于重载货车牵引重量小，但是其运行速度达到160 km/h，运输货物多为高附加值货物，对于列车运行时的稳定性有较高的要求.为防止高速度给货物和车体带来的损害，现考虑调整缓冲器的整体阻抗特性曲线来降低列车的纵向冲动，保证列车的运行安全以及货物的运输质量.

2 缓冲器工作范围区间的确定

缓冲器在列车的运行工况下与调车工况下所需要的压缩量不同.列车运行时，缓冲器的位移量保持在小行程范围内就能够缓和列车之间的纵向冲动.调车冲击时，缓冲器则需要较大的位移量才能吸收车辆之间产生的冲击能量.因此考虑改变MT- 2型缓冲器在小位移量范围的阻抗特性，使其适用于运行工况，降低列车运行时的最大加速度与车钩力，保证运输货物的安全无损.此外，考察优化后的缓冲器在调车冲击时所表现的特性，保证缓冲器具有足够的容量，适用于调车作业.

图5是MT- 2型缓冲器与改变其小行程范围后的特性曲线对比图.由上可知，列车在紧急制动时，最大车钩力达到277.63 kN，该最大车钩力使一对缓冲器位移9.3 mm.现考虑在运行工况中，列车产生的最大车钩力设为300 kN，分别降低特性曲线在小压缩量范围区间内的刚度，使其在改变后的小压缩量范围区间内平缓升至300 kN.其中，刚度改变范围区间依次选为(0，10 mm)、(0，20 mm)、(0，30 mm)、(0，40 mm).以下将四种改进后的特性曲线依次简称为方案一、方案二、方案三与方案四.

图5 缓冲器阻抗特性曲线对比

图6为改变特性曲线后，列车紧急制动时发生最大车钩力的车位所对应的缓冲器压缩量与车钩力图.由图可知，采取方案一至方案四的四种特性曲线时，列车产生的最大车钩力依次为-265.09、-225.1、-207.5、-198.02 kN，一对缓冲器的最大位移量分别为-19.25、-26.88、-34.04、-39.44 mm.其中，最大车钩力依次减小了12.54、52.53、70.13、79.61 kN，减小的车钩力百分比分别约为4.52%、18.92%、25.26%、28.67%.

图6 最大车钩力与缓冲器位移量

图7为改变特性曲线后，列车紧急制动时发生最大加速度的车位所对应的加速度对比图.由图可知，采取方案一至方案四的四种特性曲线时，最大加速度仍然表现为负向加速度，所对应的最大加速度分别为-2.76、-2.44、-2.41、-2.45 m/s2，最大加速度依次减小了0.49、0.81、0.84、0.80 m/s2，减小的加速度百分比分别约为15.80%、24.92%、25.85%、24.62%.

图7 最大加速度对比

由以上分析可知，紧急制动过程中，随着缓冲器特性曲线刚度降低范围区间的扩大，缓冲器发生的压缩量随之增大，最大车钩力随之减小，最大加速度随之减小至一定程度后数值趋于稳定.

3 调车冲击工况

缓冲器作为吸收调车作业时车辆间互相碰撞产生的冲击能量的主要装置，其容量是决定缓冲器吸收能量大小的主要因素，如果容量不足，当调车作业中车辆连挂速度提高时，会导致缓冲器全压缩而使车体产生刚性冲击，车辆过早疲劳损伤.因此，现考察优化后的缓冲器在调车冲击时所表现的特性，保证缓冲器具有足够的容量，适用于调车作业.

本次仿真试验模型设为平道线路上，第一辆车静止，第二辆车以不同速度撞击第一辆车辆.其中，车辆重量为72 t，冲击速度为5～10 km/h.

表1是冲击速度为5～10 km/h条件下车钩力与缓冲器压缩量的数值结果，结合图8和图9可知，当冲击速度为9 km/h时，方案四的车钩力达到2 295.81 kN，缓冲器压缩量达到83.90 mm；当冲击速度为10 km/h时，方案三的车钩力达到2 457.34 kN，缓冲器压缩量达到86.48 mm.根据TB/T1961- 2006《机车车辆缓冲器》规定货车缓冲器的行程≤83 mm[11]，《车辆强度设计规范》规定货车结构允许的最大纵向力为2.25 MN[12].由以上分析结果可知，采取方案一和方案二的特性曲线时，可以满足冲击速度为5～10 km/h的要求.采取方案三的特性曲线时，满足冲击速度为5～9 km/h的要求.采取方案四的特性曲线时，其最大冲击速度为8 km/h.

表1 调车冲击结果

图8 冲击速度为9 km/h时缓冲器工作曲线

图9 冲击速度为10 km/h时缓冲器工作曲线

4 结论

本文利用空气制动和列车纵向动力学联合仿真系统，以快捷货车，初速度为160 km/h时的平道紧急制动以及不同速度下的调车冲击为模型，研究了缓冲器不同特性对列车纵向冲动的影响规律，得到以下结论：

(1)在紧急制动过程中，列车的最大压钩力发生在列车的中后部，由尾部车辆追及撞击前部车辆而形成；列车的最大加速度表现为负向加速度，发生位置在列车的中后部，由该车位出现的首个最大拉钩力作用而产生;

(2)制动过程中，随着缓冲器特性曲线刚度降低范围区间的扩大，最大车钩力随之减小，缓冲器所产生的最大位移量随之增大，最大加速度随之减小至一定程度后数值趋于稳定;

(3)调车工况下，刚度降低范围区间为(0，10 mm)和(0，20 mm)时，可以满足冲击速度为5～10 km/h的要求.刚度降低范围区间为(0，30 mm)时，满足冲击速度为5～9 km/h的要求.刚度降低范围区间为(0，40 mm)时，满足冲击速度为5～8 km/h的要求.

综上所述，可考虑改进现有的MT- 2型缓冲器，在20或者30 mm以内的小行程范围内阻抗力平缓升至300 kN；在20或者30 mm之后的大行程范围内可保持原有特性.在确保足够容量的前提下，提高列车运行时的平稳性.

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