制动操纵对既有2万吨重载列车纵向冲动影响的研究

摘要：为分析不同制动操作对现有2万吨重载列车纵向冲动的影响，基于重载列车纵向动力学理论和车辆动力学理论，考虑了2万吨重载列车的牵引与动力制动特性、空气制动系统以及钩缓装置等多方面因素，建立了一个适用于2万吨重载组合列车的纵向动力学计算模型，并通过现场测试数据对其进行了有效验证。该模型被进一步用于对比分析运行线路条件、空气制动压力、同步控制延时以及机车电制动力等多个参数对列车纵向冲动的影响程度。研究发现，当列车从陡坡过渡到缓坡的线路条件下制动时，纵向冲动的影响最为显著。此外，坡度差越大，产生的纵向压钩力也越大。同步控制延时的长度以及机车电制动力的大小也对列车的纵向冲动有显著影响：延时越短，电制动力越小，纵向冲动越小。在列车通过曲线轨道时，若将纵向冲动力控制在安全范围内，能有效提升重载列车的行车安全性。这一研究成果为重载列车制动策略的优化提供了重要的理论依据和实践指导。

关键词：2万吨重载列车；纵向冲动；空气制动；同步控制延时；电制动；动力学性能

中图分类号：TB115 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.10.006

文章编号：1006-0316 （2024） 10-0044-08

Research on the Influence of Brake Control on the Longitudinal Impulse of

Existing 20000-Ton Heavy-Haul Train

ZHAO Dedong

（ CHN Energy Xinshuo Railway Co.， Ltd.， Hohhot 010000， China ）

Abstract：To analyze the impact of different braking controls on the longitudinal impulse of the existing 20000-ton heavy-haul train， a longitudinal dynamic model of a 20000-ton heavy-haul train is established in MATLAB based on the theories of longitudinal dynamics and vehicle dynamics. In this model， the relevant factors of train longitudinal motion， including the traction and dynamic braking characteristics of the locomotive， the air braking system of the train and the characteristics of the coupler-buffer device are taken into account. The effects of line conditions， air braking pressure， synchronous control delay， the electric braking force of the locomotive and other parameters on the longitudinal impulse of the 20000-ton heavy-haul train are analyzed. The analysis results indicate that the line conditions of steep to gentle slopes have the most significant impact on the longitudinal impulse when the 20000-ton heavy-haul train employs braking. And the coupler compressive forces would increase with the increase of the slope difference. The synchronous control delay and the electric braking force of the locomotive have a significant impact on the longitudinal impulse of the 20000-ton heavy-haul train during braking. The longitudinal impulse would reduce with the decrease of the synchronous control delay and the electric braking force. And controlling the longitudinal coupler force within a safe range can enhance the safety of the vehicle operation. The result provides significant theoretical support and practical guidance for optimizing the braking strategies of heavy-haul trains.

Key words：20000-ton heavy-haul train；longitudinal impulse；air braking；synchronous control delay；dynamic braking；dynamic performance

2万吨重载列车的操纵模式直接影响列车运行品质，对纵向冲动的影响尤为显著[1]。重载列车的牵引和制动性能决定了列车运行安全性，车辆之间行车速度的差异是导致列车纵向冲动的根本原因。随着重载铁路的发展，列车编组增长、轴重增大，空气制动波传递时间变长，导致前后车辆的制动同步性降低，车辆之间的相互作用力增加，从而造成更加严重的列车纵向冲动，进而导致列车发生脱钩、断钩和脱轨事故。由于重载铁路线路条件复杂，长大下坡道多，2万吨重载列车在制动调速过程中的纵向冲动问题尤为突出，极大威胁列车运行安全性[2]。因此，研究2万吨重载组合列车运行过程中的纵向冲动水平，对提升车辆运行安全性有重要意义[3]。

20世纪80年代起国内就有学者着重研究重载铁路空气制动特性。孙翔等[4]在国内最早提出列车纵向动力学理论，并研究了相应数学模型，利用该模型分析列车采取制动和缓解操纵时的纵向冲动水平。廖洪涛等[5]研究了万吨组合列车中机车与货车、货车与货车间的相互作用，涉及到机车控制系统、轴重选择、机车分布方式、制动等因素对钩缓受力情况的影响。此外，通过现场试验发现，机车操控人员的现场操作对纵向冲动有重要影响。常崇义等[6]开发出了纵向冲动计算程序，其计算结果与试验结果基本一致，并提出缩短主控与从控机车的同步响应时间可以缓解紧急制动时的纵向冲动。杨万坤等[7]进行了大秦线2万吨组合列车现场试验，从中部试验车上获取到了纵向力测试结果，并指出空气制动是造成列车中部纵向力较大的根本原因。目前关于空气制动减压量、同步控制延时和机车电制动力对列车纵向冲动影响的研究文献较少，影响规律的认识和理解不够深入。因此，本文基于理论研究和数值仿真计算，研究了2万吨重载列车的不同操纵方式对列车纵向冲动的影响，以期为2万吨重载组合列车的安全运行提供技术支撑。

1 2万吨重载列车动力学建模

1.1 列车纵向动力学模型

列车纵向动力学主要研究不同车辆编组、配置、运行工况和线路条件下，重载组合列车各车辆之间的相互作用[8]。如图1所示，在列车纵向动力学模型中，将每节机车车辆视为一个独立的刚体，因此，整个列车的自由度等同于车辆总数[9]。借助建立的纵向动力学模型，本文分析了列车的牵引特性、制动特性、空气制动系统对列车纵向冲动的影响。建模过程中，车辆被简化成仅有纵向自由度的质点，而车钩缓冲器则通过非线性的刚度－阻尼单元进行模拟。机车的钩缓系统采用100型车钩与QKX100弹性胶泥缓冲器[10]，货车钩缓系统采用16/17号联锁式车钩搭配MT-2摩擦式缓冲器。

α为所处线路纵断面的坡度。

以第i辆车的受力为例，列出其纵向动力学方程为：

（1）

式中：i＝1～N，为车的位置编号；N为车辆总数； 为车的质量； 为车的加速度； 为前部车钩的车钩力，i＝0时， ＝0； 为后部车钩的车钩力，i＝N时， ＝0； 为运行阻力； 为机车牵引力； 为机车的动力制动力； 为空气制动力。

1.2 钩缓装置力学特性

朔黄铁路货运列车中，常用的C80敞车采用摩擦式缓冲器车钩，机车主要采用QKX100胶泥缓冲器车钩。各缓冲器主要性能参数如表1所示。

纵向动力学仿真的关键是计算机车的车钩力。为获取准确的计算结果，必须考虑车钩间隙变化[11]、缓冲器组合的串联阻抗特性[12]、弹性胶泥缓冲器特性、初压力、最大行程、缓冲器刚性冲击等元素[13]对车钩力的影响。其中，缓冲器的特性曲线根据静压试验、落锤试验特性得出。加载、卸载时，车钩缓冲器按不同曲线进行插值。当缓冲器从加载曲线跳转到卸载曲线时，两条曲线存在差值，从而间断数值积分，采用式（2）和式（3）方法对相邻车的位移差Δx和速度差Δv进行处理，最终得到缓冲器特性曲线，如图2所示。

（2）

（3）

式中： 为加载曲线； 为卸载曲线； 为转换曲线； 为阻抗力： 为定义缓冲器转换速度。

1.3 重载列车相互作用模型

如图3所示，采用SIMPACK软件建立由2节B0-B0机车、2节重载货车和2节虚拟货车组成的“1＋1”牵引2万吨重载组合列车的动力学分析模型[14]。在该列车系统中，两节机车之间使用13A型车钩连接，机车与货车之间采用13A型车钩及对应的16/17号联锁式车钩连接。由于重载列车由多节车辆组成，导致动力学模型的自由度较多，为提高仿真计算速度，

对模型做出如下简化：

（1）通过在前部虚车体钩尾销处施加力F，模拟“1＋1”编组列车中间机车所承受的纵向载荷；

（2）虚车体只设置纵向自由度，后部虚车体的运行速度保持恒定。

1.4 模型验证

本研究通过2万吨1＋1＋可控列尾编组列车制动缓解试验的测试结果[15-17]来验证纵向动力学模型的准确性。测试时，在1、27、55、81、108、109、135、163、189和216位货车断面设置制动测点，测试机车均衡风缸压力、列车管压力、制动缸压力等内容。试验工况分为常用制动及缓解试验和紧急制动试验。常用制动试验工况主要包括常用制动减压50 kPa、70 kPa、100 kPa和全制动。

制动缓解时间试验与仿真结果对比如表2所示，制动缸出闸时间和制动缸开缓时间曲线如图4所示。可以看出，仿真与试验结果较为接近，验证效果良好。制动缸出闸时间、开缓时间的仿真与试验均值误差分别为1.9%、4.7%，表明该仿真模型能够较好地模拟2万吨重载列车的空气制动性能。

2 制动操纵对2万吨列车纵向冲动影响

影响2万吨重载列车制动操纵的常见参数有空气制动减压量、同步控制延时和机车电制动力等。这些参数对列车纵向冲动的影响各不相同。分别计算在不同线路条件下采用不同制动模式对2万吨重载列车纵向冲动的影响。计算条件为：列车制动速度72 km/h，缓解速度35 km/h，不考虑轨道不平顺的影响。其中，列车运行线路条件如表3所示。

（1）空气制动减压量

2万吨重载列车的制动由司机手动操纵。由于司机操纵方式不同，制动时所采取的空气制动减压量有50 kPa和60 kPa两种。本文通过仿真计算研究了两种减压量对2万吨重载列车纵向冲动的影响，如图5所示。可以看出，减压60 kPa造成的纵向冲动力最大值为1573 kN，略微大于减压50 kPa的1531 kN，但两者差异并不显著。列车运行在陡坡变缓坡条件下会造成更大的纵向冲动，且坡度差越大，纵向压钩力越大，减压50 kPa时线路4最大压钩力为1500 kN，线路5最大压钩力为1531 kN。列车运行在缓坡变陡坡条件下则会造成较大的拉钩力，线路6最大拉钩力为1355 kN，线路7最大拉钩力为1311 kN。固定长大下坡道对2万吨重载列车纵向冲动的影响非常小。

（2）同步控制延时

同步控制延时是造成2万吨重载列车纵向冲动的主要原因。采用列车纵向动力学模型分析了同步控制延时为1 s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s对2万吨重载列车纵向冲动影响，如图6所示。可以看出，同步控制延时时长对2万吨重载列车纵向冲动影响较大，同步控制延时时长越长，纵向压钩力越大。在线路5条件下1 s延时对应的纵向压钩力为1399 kN，而3 s延时对应的纵向压钩力为1583 kN。但同步控制延时时长对纵向拉钩力基本无影响，只有坡度变化才对列车拉钩力有影响。

（3）机车电制动力

不同机车电制动力对列车纵向冲动影响结果如图7所示。可以看出，在线路5条件下，随着机车电制动力从200 kN增大至400 kN，列车纵向压钩力从1193 kN增大至1531 kN，但拉钩力仅从331 kN增大至352 kN。电制动力仅对列车纵向冲动影响显著。

3 纵向压钩力对车辆动力学性能影响

本节分析上文得到的纵向车钩力在不同线路条下对2万吨重载列车动力学性能的影响，分别计算2万吨重载列车在承受纵向压钩力条件下通过直线、不同半径曲线时列车动力学性能的变化情况。其中计算条件为：列车运行速度70 km/h、采用AAR5级轨道不平顺激励；车钩力在列车运行5 s后开始施加，5～15 s逐步增至最大后保持稳定。

2万吨重载列车在承受1000 kN和1050 kN纵向压钩力时列车动力学性能变化情况如图8所示。可以看出，承受1000 kN纵向压钩力时，车钩发生偏转，最大偏转角为8°，此时的脱轨系数、轮重减载率与轮轴横向力最大值分别为0.5、0.68、94 kN；当列车纵向压钩力增大至1050 kN时，车钩偏转角增大为11°，此时的脱轨系数、轮重减载率与轮轴横向力最大值分别为0.63、0.72、109 kN（超过安全限值97 kN）。由前文已知，列车在极度恶劣环境下采取制动操纵产生的最大纵向压钩力为1583 kN，在该纵向压钩力作用下会导致中部机车车钩失稳，很大可能导致列车动力学指标超过安全限值。

计算2万吨重载列车通过不同线路条件时所能承受的最大纵向压钩力，结果如表4所示。当2万吨重载列车通过各线路时承受的纵向压钩力超过表中对应值，则可能导致轮轴横向力超过安全限值。

4 结论

（1）陡坡变缓坡线路条件对2万吨重载列车制动时产生的纵向冲动影响最显著，且坡度差越大纵向压钩力越大。缓坡变陡坡线路条件对2万吨重载列车制动产生的拉钩力影响显著。长大下坡道坡度变化对列车纵向冲动影响较小。

（2）同步控制延时时长与机车电制动力对2万吨重载列车制动时的纵向冲动影响显著，

缩短机车间同步控制延时与减小机车电制动力能降低列车纵向冲动水平。

（3）车钩失稳是导致列车动力学性能指标超过安全限值的主要原因。列车在通过R400、R600、R800、R1000半径曲线和直线轨道时，将压钩力分别控制在650 kN、750 kN、850 kN、1000 kN、1000 kN以下，有助于提升2万吨重载列车的运行安全性。

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