魏偉，武星宇

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

為了提高鐵路運(yùn)輸?shù)哪芰?，鐵路貨運(yùn)正在向“重載、提速”的方向發(fā)展.但隨著列車載重增加和速度提高，縱向沖動(dòng)越來越大，過大的縱向沖動(dòng)帶來了許多新的問題，如車鉤斷裂、零部件嚴(yán)重磨耗、列車脫軌等問題.過大的縱向沖動(dòng)已成為重載列車發(fā)展的最大障礙，列車縱向動(dòng)力學(xué)研究越來越受到重視.

制動(dòng)不同步是列車縱向沖動(dòng)的根源，研究制動(dòng)特性與列車縱向沖動(dòng)的關(guān)系對(duì)于理解列車縱向沖動(dòng)機(jī)理，從制動(dòng)特性入手降低車鉤力具有重要的意義，同時(shí)為列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)制動(dòng)特性的選取提供基本依據(jù).

多年來，一般認(rèn)為制動(dòng)特性影響列車縱向沖動(dòng)的因素是制動(dòng)波速，波速越高，縱向沖動(dòng)越小.對(duì)于制動(dòng)波傳播的均勻性、制動(dòng)缸升壓特性等制動(dòng)特性對(duì)縱向沖動(dòng)的影響還沒有明確的結(jié)論.按現(xiàn)有的理解水平，對(duì)于長(zhǎng)大列車可以通過設(shè)計(jì)新閥提高制動(dòng)波速，但是制動(dòng)波速已經(jīng)達(dá)到很高水平，再進(jìn)一步提高制動(dòng)波速難度很大，這極大的限制了長(zhǎng)大重載列車的發(fā)展.另一個(gè)觀點(diǎn)就是延長(zhǎng)制動(dòng)缸充氣時(shí)間，其不足之處就是增加了列車制動(dòng)距離.因此既要保證制動(dòng)距離，又要保證列車沖動(dòng)最小，重載列車設(shè)計(jì)已經(jīng)面臨難以克服的困難.是否有其他途徑解決重載列車制動(dòng)與縱向沖動(dòng)的矛盾?有沒有可能在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上找到解決這一矛盾的途徑?這些只有在清晰理解制動(dòng)特性對(duì)縱向沖動(dòng)的影響后才能夠回答，因此全面摸清制動(dòng)系統(tǒng)特性對(duì)縱向沖動(dòng)的影響規(guī)律，對(duì)設(shè)計(jì)重載列車新型制動(dòng)系統(tǒng)具有重要意義，本文工作就是分析制動(dòng)系統(tǒng)特性對(duì)縱向沖動(dòng)影響的嘗試.限于目前的研究手段，分析各種制動(dòng)特性對(duì)縱向沖動(dòng)的影響還有一定難度，其難度主要表現(xiàn)在現(xiàn)有制動(dòng)特性的傳播規(guī)律以及如何構(gòu)造新的制動(dòng)特性.由于列車制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，很難得到制動(dòng)系統(tǒng)規(guī)律，而仿真計(jì)算可以很容易得到制動(dòng)系統(tǒng)特性及其規(guī)律.中國在制動(dòng)仿真研究工作起始于上世紀(jì)90年代，已經(jīng)開發(fā)出可以分析各種管路參數(shù)、閥結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)［1-6］，并對(duì)列車的制動(dòng)特性和列車縱向沖動(dòng)進(jìn)行了探索和研究［7-10］，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了空氣制動(dòng)系統(tǒng)與縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)聯(lián)合仿真系統(tǒng)［11］.

本文使用大連交通大學(xué)開發(fā)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)與縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，在基于氣體流動(dòng)理論的制動(dòng)特性計(jì)算的同時(shí)，計(jì)算列車縱向振動(dòng)過程，系統(tǒng)分析制動(dòng)特性對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響，為未來重載列車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 制動(dòng)特性介紹與分析

因緊急制動(dòng)時(shí)所有車輛的制動(dòng)特性曲線基本一致，所以本文只分析常用制動(dòng)時(shí)的情況.圖1是萬噸列車最大減壓量常用制動(dòng)首、中、尾車的制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線［12］.從圖中明顯可以看出第一車制動(dòng)缸升壓速度明顯快于尾部車輛，第50輛(中間車輛)制動(dòng)缸升壓曲線并不是首尾車制動(dòng)缸壓強(qiáng)平均后的結(jié)果，而是更接近于尾車的曲線，這說明常用制動(dòng)缸時(shí)制動(dòng)波傳播并不是勻速傳播，并且由前部車輛制動(dòng)缸曲線斜率變換到后部車輛制動(dòng)缸曲線斜率并不是線性變化的，制動(dòng)波非均勻傳播特性和制動(dòng)缸升壓曲線的非線性變化特性決定了很難用某種數(shù)學(xué)方法描述任意車輛制動(dòng)缸升壓曲線，因此給縱向動(dòng)力學(xué)仿真中制動(dòng)特性的選取帶來了困難.圖2是列車中每個(gè)車輛的制動(dòng)缸勾貝伸出時(shí)間曲線，也就是制動(dòng)傳播特性曲線.由圖可知制動(dòng)波的傳播不是按某一個(gè)速度傳播，而是先慢后快的傳播特性(先是較斜的線，后來更加平緩).

圖1 試驗(yàn)得到的制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線

圖2 制動(dòng)缸動(dòng)作時(shí)間沿車長(zhǎng)分布

從上面的分析可以看出，制動(dòng)特性曲線主要由制動(dòng)波傳播特性、制動(dòng)缸升壓特性決定，研究制動(dòng)波傳播特性、制動(dòng)缸升壓特性對(duì)縱向沖動(dòng)的影響，為列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真研究選擇合適的制動(dòng)特性提供依據(jù)，為從制動(dòng)入手研究減小縱向力尋找途徑具有現(xiàn)實(shí)意義.

2 制動(dòng)波傳播特性對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響

2.1 制動(dòng)波勻速與非勻速傳播對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響

圖3 兩類傳播特性的制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線

制動(dòng)作用沿列車長(zhǎng)度方向的不同時(shí)性和不均勻性是列車制動(dòng)時(shí)發(fā)生縱向沖動(dòng)的主要根源.但在一般動(dòng)力學(xué)分析中，因?yàn)闆]有適合任意編組的制動(dòng)特性數(shù)據(jù)，往往忽略了制動(dòng)波在列車中的非勻速傳播狀況［13］，通常假設(shè)制動(dòng)波在列車中勻速傳播，但實(shí)際上制動(dòng)波在列車中的傳播并非勻速.為了研究制動(dòng)波勻速傳播和非勻速傳播對(duì)車鉤力分布的影響，首先根據(jù)試驗(yàn)曲線特點(diǎn)構(gòu)造了兩類制動(dòng)特性曲線，一類是由制動(dòng)系統(tǒng)仿真得到的制動(dòng)特性，特點(diǎn)是制動(dòng)波非勻速傳播，波速越來越快;而且制動(dòng)缸升壓速度不同，越是后面的車輛，制動(dòng)缸升壓越慢.另一類制動(dòng)特性是在上述制動(dòng)特性基礎(chǔ)上，假設(shè)制動(dòng)波勻速傳播，但首尾車開始制動(dòng)時(shí)間與原來一致，即兩類制動(dòng)特性的制動(dòng)波速相同，各車輛制動(dòng)缸升壓速度保持與原來對(duì)應(yīng)車輛制動(dòng)缸升壓速度一致.萬噸列車減壓170 kPa制動(dòng)時(shí)兩類制動(dòng)特性的首、中、尾車制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線如圖3所示.圖3中可以看出兩類制動(dòng)特性的首尾車制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線完全重合，說明兩類制動(dòng)特性的制動(dòng)波速完全相同，兩類制動(dòng)特性的中間車輛制動(dòng)缸曲線形狀一致，但是開始充氣時(shí)間有所區(qū)別，這是由制動(dòng)波傳播特性不同引起的，勻速傳播時(shí)中部車輛充氣時(shí)間較早，而非勻速傳播時(shí)中部車輛動(dòng)作時(shí)間較晚.

圖4是上述兩種制動(dòng)特性的萬噸列車在80 km/h初速度制動(dòng)時(shí)最大車鉤力沿車長(zhǎng)分布圖.其中每一類傳播特性得到的最大車鉤力有兩條曲線組成，一條是0 kN以上的最大拉鉤力曲線，一條是0 kN以下的最大壓鉤力曲線.最大拉鉤力和最大壓鉤力是在整個(gè)制動(dòng)過程中每個(gè)車輛承受的最大拉鉤力與最大壓鉤力.從圖4的兩種傳播特性的計(jì)算結(jié)果看，兩者在最大壓鉤力水平，最大壓鉤力發(fā)生位置兩方面都差別不大.從拉鉤力看，制動(dòng)波傳播特性對(duì)拉鉤力有一定影響，最大拉鉤力數(shù)值大小變化不大，但是發(fā)生位置有些變化，制動(dòng)波勻速傳播時(shí)，前部20輛車承受了略大拉鉤力.因?yàn)檎熊嚨睦^力數(shù)值較小，不做重點(diǎn)討論.上述結(jié)果說明此種計(jì)算條件下制動(dòng)波傳播特性對(duì)車鉤力影響較小.為了證實(shí)此結(jié)論對(duì)于其他條件仍然適用，又分別計(jì)算了60輛編組減壓170 kPa和萬噸列車減壓100 kPa的車鉤力，結(jié)果與此情況類似.從上面的分析可以看出，在制動(dòng)波速相同的情況下，制動(dòng)波傳播特性對(duì)列車縱向沖動(dòng)影響很小.由此可以推斷，制動(dòng)波速不改變的情況下，使用勻速傳播替代非勻速傳播的制動(dòng)特性在縱向動(dòng)力學(xué)分析中不會(huì)帶來較大誤差.

圖4 100輛車減壓170 kPa最大車鉤力曲線

2.2 制動(dòng)波速對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響

上面分析了制動(dòng)波傳播均勻性對(duì)列車縱向沖動(dòng)影響，那是在制動(dòng)波速不變的情況下進(jìn)行的比較，并不能說明制動(dòng)波速對(duì)縱向沖動(dòng)的影響.下面以空氣制動(dòng)仿真得到的每節(jié)車輛制動(dòng)缸特性為基礎(chǔ)，通過調(diào)整每節(jié)車輛開始動(dòng)作時(shí)間構(gòu)造出不同制動(dòng)波速的制動(dòng)特性，分析制動(dòng)波速對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響.

分別計(jì)算了制動(dòng)波速從140 m/s增加到230m/s時(shí)的車鉤力，制動(dòng)波速均假設(shè)為勻速傳播.從140～230 m/s的制動(dòng)波速中選出4個(gè)波速，畫出最大車鉤力曲線如圖5所示.從圖5中可以看出，最大壓鉤力變化很大，但是發(fā)生位置基本沒有變化，隨著波速增加，壓鉤力增加.為了看清波速與最大壓鉤力關(guān)系，將不同制動(dòng)波速時(shí)最大壓鉤力繪在圖6中，從圖6中可以看出最大車鉤力與制動(dòng)波速成正比例關(guān)系，在本仿真試驗(yàn)中制動(dòng)波速和最大車鉤力為線性關(guān)系.從上面的分析可以得出，制動(dòng)波速是影響最大壓鉤力的主要因素，波速對(duì)最大壓鉤力發(fā)生位置無影響.拉鉤力最大值約150 kN，并且最大拉鉤力幅值隨制動(dòng)波速變化很小，但是承受拉鉤力的車輛數(shù)目隨著制動(dòng)波速的增加而增加.

圖5 不同制動(dòng)波速時(shí)最大車鉤力曲線

圖6 最大車鉤力隨制動(dòng)波速變化曲線

3 制動(dòng)缸升壓特性對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響

制動(dòng)特性的另一方面是制動(dòng)缸的升壓特性，目前的列車制動(dòng)特性都是前部車輛升壓較快，后部車輛升壓較慢.這主要是由于列車中前部車輛列車管減壓速度較快，后部車輛減壓速度減慢，而制動(dòng)缸充氣速度主要決定于列車管的減壓速度.為了分析制動(dòng)缸升壓特性對(duì)縱向沖動(dòng)的影響，在現(xiàn)有列車制動(dòng)特性基礎(chǔ)上，假設(shè)了幾種制動(dòng)缸升壓特性曲線，并進(jìn)行了列車縱向沖動(dòng)的仿真計(jì)算.

在制動(dòng)波速不變、制動(dòng)波非勻速傳播和制動(dòng)能力相同的條件下(此處制動(dòng)能力相同是指列車具有相同的制動(dòng)距離)，設(shè)計(jì)了三種制動(dòng)特性.三種制動(dòng)特性的首、尾車輛制動(dòng)缸壓強(qiáng)如圖7所示，由圖可以看出此三種方案的特點(diǎn)為，從方案1到方案3首尾車制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線圍成的開口度逐漸減小，即首車的制動(dòng)缸曲線升壓速度逐漸降低，而尾車的制動(dòng)缸曲線升壓速度逐漸增加.列車中其他制動(dòng)缸升壓特性都是由首尾車制動(dòng)缸升壓特性線性插值得到.

圖7 三種方案的制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線

圖8 三種方案最大車鉤力對(duì)比

三種方案在80 km/h速度下萬噸編組列車常用制動(dòng)減壓170 kPa時(shí)，制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間都相等，制動(dòng)距離為1230 m，制動(dòng)時(shí)間為77 s，三種方案的最大車鉤力沿車長(zhǎng)分布對(duì)比如圖8所示.由圖可以看出，隨著首尾車制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線開口度減小，列車中的最大壓鉤力減小.方案1的最大壓鉤力為583 kN，方案2的最大壓鉤力為521 kN，方案3的最大壓鉤力為383 kN，方案3比方案1的最大車鉤力減小了34.5%.從整車的變化規(guī)律看，在1車到83車的范圍內(nèi)，每輛車的最大壓鉤力都在減小，而且最大車鉤力發(fā)生位置隨著最大車鉤力的減小而向列車的后端移動(dòng);83車以后的最大車鉤力沒有隨制動(dòng)特性變化而變化，其主要原因是后部車輛最大車鉤力是由沖擊力產(chǎn)生，沖擊力主要影響因素是車鉤間隙，與制動(dòng)特性關(guān)系不大，而擠壓力與制動(dòng)特密切相關(guān)［10］.從上面的分析可以看出，制動(dòng)缸升壓特性是影響車鉤力的主要因素，在列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真中，不能將所有車輛制動(dòng)特性假設(shè)為具有同樣的上升速度曲線，這樣做的結(jié)果會(huì)給縱向動(dòng)力學(xué)分析帶來極大誤差.幾種制動(dòng)特性結(jié)果表明，在制動(dòng)能力不變的條件下，首尾車制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線合攏(開口度收斂)，也就是前后部列車制動(dòng)能力差減小，可以有效地降低列車縱向沖動(dòng)，這為優(yōu)化制動(dòng)特性提供線索.

4 結(jié)論

列車制動(dòng)不同步性是縱向沖動(dòng)的主要根源.列車制動(dòng)不同步包含制動(dòng)波傳播特性和制動(dòng)缸升壓特性不一致性.本文通過數(shù)值仿真的方法分析制動(dòng)波傳播特性和制動(dòng)缸升壓速度對(duì)列車縱向沖動(dòng)的影響，為縱向動(dòng)力學(xué)制動(dòng)特性的選取提供了理論依據(jù)，也為制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化提供理論指導(dǎo).得到結(jié)論如下:

(1)制動(dòng)波速相同的情況下，制動(dòng)波傳播特性對(duì)縱向沖動(dòng)影響很小;

(2)制動(dòng)波速是影響最大車鉤力幅值的主要因素，但對(duì)最大車鉤力發(fā)生位置影響很小.在車輛的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量提高制動(dòng)波速，有利于減小縱向沖動(dòng);

(3)在列車制動(dòng)能力不變的條件下，制動(dòng)缸升壓特性極大影響列車縱向力水平，列車中首尾車制動(dòng)缸壓強(qiáng)曲線開口度收斂，將有效的降低列車縱向沖動(dòng).

(4)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循降低列車前部車輛制動(dòng)缸升壓速度，加快后部車輛升壓速度的原則;

(5)列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算中，可以假設(shè)制動(dòng)波速具有勻速傳播特性，但是不能假設(shè)所有車輛制動(dòng)缸具有相同升壓速率的制動(dòng)缸曲線.

［1］魏偉，李文輝.120閥列車空氣制動(dòng)性能仿真程序簡(jiǎn)介［J］.鐵道車輛，2004，42(7):34-35.

［2］魏偉，李文輝.列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)值仿真［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2003，25(1):38-42.

［3］徐毅.快速貨車采用104型閥制動(dòng)系統(tǒng)能力的預(yù)測(cè)［J］.鐵道機(jī)車車輛工人，2007(7):21-26.

［4］魏偉，劉濤，張軍.KZ1型控制閥仿真模型及列車制動(dòng)性能仿真研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2010，31(1):105-110.

［5］魏偉.120閥及試驗(yàn)臺(tái)的計(jì)算機(jī)模擬［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2000，22(1):31-35.

［6］刁亮.F8閥列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)值仿真［D］.大連:大連交通大學(xué)，2007.

［7］魏偉.兩萬噸組合列車制動(dòng)特性［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2007，7(6):12-16.

［8］魏偉.長(zhǎng)大列車制動(dòng)系統(tǒng)減壓特性的計(jì)算機(jī)模擬［J］.大連鐵道學(xué)報(bào)，1992，13(4):43-49.

［9］趙連剛.基于制動(dòng)系統(tǒng)仿真的兩萬噸列車縱向動(dòng)力學(xué)分析［D］.大連:大連交通大學(xué)，2008.

［10］魏偉，張東芹，張軍.重載列車縱向沖動(dòng)機(jī)理及參數(shù)影響［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(1):1-6.

［11］魏偉，趙旭寶，姜巖，等.列車空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)集成仿真系統(tǒng)［C］.2010年度全國鐵路機(jī)車車輛動(dòng)態(tài)仿真學(xué)術(shù)會(huì)議，2010:166-172.

［12］姚曉沛.大秦線HXD1機(jī)車牽引2萬噸組合列車檢驗(yàn)報(bào)告［R］.北京:鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，2007.

［13］胡萬華，楊建偉，李繼山.列車縱向沖動(dòng)數(shù)學(xué)模型及仿真研究［J］.太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25(3):170-174.