动力制动操纵对中部机车脱钩影响分析

2024-03-01刘爽

铁道车辆 2024年1期

刘爽

(大连交通大学土木工程学院,辽宁大连 116028)

重载机车分布式布置、制动、线路、编组、机车车辆关键部件以及气候等因素,均对重载列车安全运行造成不同程度的影响。重载列车采用非刚性车钩,车钩间相互作用关系非常复杂[1]。比如在垂向方向作用面的动态关系,常常出现静态作业检查车钩相互作用高度差满足《铁路货运维修规程》规定,但运行中出现脱钩事故,车钩却依然保持完好闭合状态[2]。自2007年至2019年共计发生车钩分离22件,均为中部机车与车辆车钩分离情况。如大秦两万吨重载列车运行在延庆至下庄段282.9 km处就曾发生列车分离事故。近年来通过诸多专家学者的不懈努力,通过不断摸索试验,改变操作策略等措施,重载列车脱钩问题得到一定抑制[3-8],但从仿真角度来看还有进一步研究的必要。

整个列车在线路上的动力学行为非常复杂,涉及诸多非线性问题,给仿真准确性研究带来困难。由于计算采用模型不同,得出的结果会有一定差异,需要不断通过试验及实践检验,并逐步修正[9-11]。本文在通过构建车体三维动力学模型、线路模型、操纵模型等[5,12]模型基础上,建立了车钩间连挂力学模型。针对于机车、车辆车钩均无破坏现象、钩舌处于闭锁状态而列车却发生分离事故(俗称跳钩)的脱钩问题展开了研究。考虑长大坡道脱钩后造成安全隐患,着重针对长大坡道上中部机车出现脱钩的可能性进行了仿真分析,以期为解决脱钩问题提供一些有益参考和借鉴。

1 机车车辆力学模型

在纵向动力学模型中,一般将机车车辆视为多质点模型。而采用体模型进行动力学建模更有利于研究列车操纵中纵向冲动对脱钩问题的影响。单车模型在纵断面上的受力情况如图1所示。

图1 单车受力简图

重载列车纵向冲击对列车动力学行为影响最显著,其每个车辆纵向力平衡方程式为:

(1)

2 车钩受力模型

车钩起到的主要作用是连挂和传递车与车之间冲击作用力,也因此成为脱钩问题的重要研究对象。钩头间由于结构特殊,致使作用关系最为复杂,连挂车钩钩头部分除了受到拉压作用力同时,又有相互间的垂向错动而产生摩擦力,甚至还要传递一定的转矩。为此本文基于车钩脱钩问题针对车钩受力状态进行建模。

2.1 车钩力分析

重载列车纵向冲击较大,车钩重力和惯性作用力在仿真建模过程中可以忽略。脱钩问题主要与车钩垂向受力和纵向受力有关,因此车钩在纵向和垂向平面受力问题是建模的考虑重点。根据现有钩缓装置结构特点,车钩连挂纵向受力状态可以分为拉钩、压钩以及拉压车钩转换间的松弛状态3个过程:

(1) 拉钩时两车钩钩舌内侧受到拉力作用,传递给钩尾,钩尾与钩尾销作用,并将作用力传递给钩尾框,带动后从板压缩缓冲器。此时,前从板受到前从板座限制从而处于静止状态。

(2) 压钩时,钩舌外侧以及钩头内侧受到压钩力作用,传递给钩尾,钩尾直接与从板作用,并传递给缓冲器。此时,后从板受到后从板座限制从而处于相对静止状态。

(3) 由于连挂车钩存在车钩间隙,出现车钩与车钩之间无接触(或相对松弛)状态。车钩垂向方向受力除了钩尾处作用力,还有钩头摩擦作用力,以及与车钩托梁和冲击框间的相互接触作用力。

图2 车钩受力分析简图

为了方便统一数学表达,各力矢量均统一规定方向。规定x和y方向分别为沿钩体方向和垂直于钩体方向。将钩尾与钩尾框受到压力和摩擦力分别向坐标轴进行投影过程中,考虑车钩相对于车体摆动幅度偏小,为方便求解,可忽略各作用力在坐标轴次方向的投影。

2.2 车钩力求解

如前面对车钩受力分析发现,2个连挂车钩纵向上处于3种工作状态,而垂向上也因为作用力方向和作用位置在发生变化。为了方便表达,使用统一方程组表示并求解。不考虑车钩重力和惯性力作用的影响,建立车钩准动态平衡方程:

(2)

3 车钩脱钩判定方法

连挂车钩间发生脱钩造成列车分离的过程需要给出定量判定。一般通过连挂车钩钩头中心面距离轨面高度差的变化来判断车钩是否发生脱钩。本文用ΔH来表示车钩钩头中心面距离轨面的高度差。连挂车钩钩头中心面距离轨面高度差的限制值取300 mm。

4 中部机车脱钩可能性仿真计算

仿真对象:两万吨重载列车1(HXD1)+105(C80)+1(HXD1)+105(C80),列车长度达到2.6 km,仿真线路为某长大下坡道,图3为列车运行线路纵断面,车钩水平中心面距轨面高度初始值均为880 mm。仿真主要计算参数如表1所示。

表1 机车车辆主要仿真计算参数

图3 列车运行线路纵断面

初始操纵方案如图3所示,列车以初始速度64 km/h驶入长大下坡道,中部机车从274 km运行至282 km。在274.8 km处动力制动实施80%制动力进行降速,在276.7 km处动力制动结束后采用空气制动50%调速。在278.8 km处单纯采用100%制动力进行动力制动,至280.2 km处采用50%空气制动再次调速,图4为制动操纵档位随里程变化。图5为中部机车缓冲器作用力,图6为首车运行速度变化图,图7为中部机车钩头中心距离轨面垂向位移差,结合图5～图7,列车由平直线路进入下坡道,前部机车车辆速度大于后部机车车辆,从274.6～276.8 km车钩力整体以拉钩状态为主。当中部机车实施第1次动力制动时,拉钩力突然降低,速度出现微小突变后降低,然后又回归到拉钩力。在276.7 km附近结束动力制动时,车钩力则又出现由压钩到拉钩转换后的突变力,速度也伴随出现小幅升高的突变。从第1次动力制动实施至结束,车钩力大致处于拉钩状态,车钩力最大值为572 kN,列车运行速度在64 km/h以上。连挂车钩钩头中心面距离轨面高度差出现两处峰值区,出现在动力制动起始和结束阶段,最大峰值可以达到16 mm左右。中部机车车钩力由压钩到拉钩的转换过程中实施第2次动力制动后,在278.8 km附近同样出现了一定的明显压钩力,中部机车速度也出现了急速下降的过程。在列车第2次动力制动结束,车钩力则出现了明显的压拉转换,速度同样出现小幅升高的突变。第2次动力制动起始至结束时,车速在从40 km/h左右升高至58 km/h左右,车钩力由初始拉钩状态转向压钩状态。连挂车钩钩头中心面距离轨面高度差在动力制动实施和结束阶段同样出现两处峰值,不同的是整体峰值分布明显高于第1次动力制动峰值分布。在经历过拉压车钩力转换后,在280 km附近车钩钩头中心面距轨面垂向位移差峰值最高值达到60 mm,此处对应压钩力接近192 kN。

图4 制动操纵档位随里程变化

图5 中部机车缓冲器作用力

图6 首车运行速度

图7 中部机车钩头中心距离轨面垂向位移差

显然,列车运行在长大坡道实施动力制动后,致使中部机车与前后车辆动力学行为关系发生突变。机车垂向刚度低导致加大了点头效应,同时受到线路激励的耦合作用,促使车钩钩头中心面距离轨面的高度差变大。综合比较仿真中2次动力制动车钩钩头中心面距离轨面高度差发现,高度差突变发生时刻均处于动力制动之后,2次动力制动中部机车位置均处在坡道变化点附近。综上,各影响因素对脱钩的影响还需要进一步展开,但车钩钩头中心面距离轨面高度差产生较大差异的主要原因可初步归纳为两点:一是与实施动力制动能力有关;二是实施动力制动的时机与关键位置耦合有关。

5 动力制动对跳钩的影响

动力制动作为重载列车的辅助制动,它发挥着重要作用。但动力制动在制动过程中制动力曲线上升较快,作用在机车上形成了较大的突变激励力,致使机车与前后车辆产生突变惯性冲击,成为脱钩的一个重要因素。在整列车受到空气制动不均匀动力学行为影响下,中部机车在线路中发生动力制动的时机也是一个关键要素。因此,很有必要进一步确认改变动力制动大小和制动时机对连挂车钩钩头中心面距离轨面高度差的影响效果,进而探索预防脱钩的可行性措施。

5.1 降低动力制动档位

将中部机车处在280 km附近实施动力制动操纵作为重点分析对象。改变第2次动力制动,动力制动能力由原来100%降低至80%,图8为降低动力制动档位后随里程的变化,发现在动力制动实施开始至结束两处峰值均有所降低(动力制动档位降低对中部机车钩头垂向位移差的影响如图9),第1处峰值在10 mm左右,相比改变操纵前降低了10 mm;第2处峰值达到26 mm左右,相比改变操纵前降低了34 mm。显然,通过对比改变动力制动能力能够有效降低中部机车跳钩的风险。

图8 降低动力制动档位后随里程变化

图9 动力制动档位降低对中部机车钩头垂向位移差的影响

5.2 改变动力制动操纵时机

在保持制动能力不变的情况下观察动力制动时机对脱钩的影响,在第1次空气制动缓解后列车惰行1 km后开始实施动力制动,图10为改变动力制动时机后制动档位随里程的变化,第2次动力制动能力80%。发现第2次动力制动连挂车钩钩头中心距离轨面高度差最值分布规律依然与动力制动实施的整个过程相吻合(改变动力制动时机对中部机车钩头垂向位移差的影响如图11所示),最大值接近100 mm。并且在281.4～281.6 km处出现了新的峰值分布区域,最大值也达到了10 mm。该处出现的峰值尚有待于进一步探讨。显然,实施动力制动时机不同也会触发脱钩的风险。