鄭木火,何溶溶,周根火

（浙江浙大網(wǎng)新集團(tuán)有限公司,310007）

1 本課題的研究背景

重載鐵路運(yùn)輸是在20世紀(jì)70～80年代崛起的一項(xiàng)國(guó)際鐵路運(yùn)輸新技術(shù)，發(fā)源地是在北美，然后在澳大利亞、南非、俄羅斯、巴西、瑞典等鐵路大國(guó)迅速推廣，目前已經(jīng)成為國(guó)際鐵路貨運(yùn)技術(shù)發(fā)展的重要方向。

重載列車是世界各國(guó)鐵路貨運(yùn)發(fā)展的重要方向，此前，世界上只有美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞等少數(shù)幾個(gè)鐵路較為發(fā)達(dá)的國(guó)家開(kāi)行了重載列車。近年來(lái)，我國(guó)鐵路積極開(kāi)展重載列車研究和試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)10余年發(fā)展，重載鐵路已經(jīng)成為我國(guó)鐵路裝備技術(shù)的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，我國(guó)重載鐵路的運(yùn)輸效率也高居世界第一。然而，受既有鐵路線路條件的局限，30噸及以上大軸重的重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)

2 30t軸重重載組合列車的牽引及制動(dòng)系統(tǒng)

2.1 列車運(yùn)行情況簡(jiǎn)介

機(jī)車的運(yùn)行工況分為三種：牽引、惰行和制動(dòng)。一般在以下三種情況中需要使用牽引工況：?jiǎn)?dòng)過(guò)程；從較低限速區(qū)域過(guò)渡到較高限速區(qū)域的加速過(guò)程；非增速坡道上克服阻力運(yùn)行。

制動(dòng)工況包含空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)兩種?？諝庵苿?dòng)時(shí)，列車應(yīng)以能夠確保列車在增速坡道上減速的最小減壓量進(jìn)行空氣制動(dòng)。這樣，可以在制動(dòng)、緩解過(guò)程中減少調(diào)速次數(shù)并且在同樣的調(diào)速次數(shù)下，由于減壓量用風(fēng)少，緩解后充風(fēng)所需時(shí)間減少，列車的緩解速度可以提高，因此提高了列車在增速坡道運(yùn)行的基礎(chǔ)速度。動(dòng)力制動(dòng)的大小受機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)功率的限制，列車在長(zhǎng)大增速下坡道上，合理使用機(jī)車的動(dòng)力制動(dòng)可以調(diào)節(jié)列車的車鉤狀態(tài)，使全列車的車鉤處于受壓縮狀態(tài)，在空氣制動(dòng)中減少?zèng)_動(dòng)水平。

空電聯(lián)合制動(dòng)時(shí)，特別在下坡道，應(yīng)先使用動(dòng)力制動(dòng)，后使用空氣制動(dòng)；緩解時(shí)，應(yīng)先緩解空氣制動(dòng)，再退回動(dòng)力制動(dòng)，動(dòng)力制動(dòng)要慢上慢退。

圖1 仿真示意圖

2.2 列車牽引力計(jì)算

對(duì)列車的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算，根據(jù)牽引功率、黏著牽引力、啟動(dòng)加速度、平均加速度、列車運(yùn)行最高速度等進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)列車的動(dòng)拖比計(jì)算牽引電動(dòng)機(jī)的容量、牽引變流器的容量及牽引變壓器的容量。

列車牽引功率主要與列車最高運(yùn)行速度、列車質(zhì)量、最高速度時(shí)的列車運(yùn)行阻力和剩余加速度有關(guān)：

根據(jù)列車牽引功率、齒輪傳動(dòng)效率、牽引電動(dòng)機(jī)效率、可以計(jì)算出牽引電動(dòng)機(jī)的總功率，

根據(jù)牽引電動(dòng)機(jī)總功率設(shè)計(jì)列車的動(dòng)拖比，計(jì)算出動(dòng)軸數(shù)或電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)N，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的功率為：

PMN=PM/N

式中 PMN-----每臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率

N-----電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)

為保證列車安全運(yùn)行必須滿足上述條件的要求。在確定牽引功率時(shí)還必須考慮傳動(dòng)效率、最大坡道上的最低運(yùn)行速度、故障運(yùn)行時(shí)的要求等多種因素的綜合影響，在確定牽引功率時(shí)一般要略高于上述技術(shù)條件的規(guī)定。

2.3 列車牽引仿真試驗(yàn)

列車牽引仿真試驗(yàn)室根據(jù)初步計(jì)算出的牽引特性，針對(duì)相應(yīng)的線路，列車運(yùn)行方程式進(jìn)行列車運(yùn)行模擬仿真，得到運(yùn)行區(qū)段的列車速度—距離曲線，運(yùn)行時(shí)間，減速度/加速度—時(shí)間曲線，牽引力曲線，坡道最低運(yùn)行速度，不同線路坡度的加速距離和制動(dòng)距離，如圖1所示：

上圖為仿真示意圖，圖像信息能夠輸出列車模型，實(shí)際速度曲線，推薦的速度曲線，以及根據(jù)實(shí)際路面狀況，調(diào)度指令等計(jì)算出的最高限速曲線，圖片根據(jù)路面行駛距離進(jìn)行滾動(dòng)，同時(shí)會(huì)給予文本提示信息。本文同時(shí)還設(shè)計(jì)了HTrainTOD程序，該程序與HTrainSim通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信，采用TCP/IP協(xié)議，安置于司機(jī)駕駛室，用于輸出建議駕駛信息。

2.4 列車牽引特性校驗(yàn)

將其計(jì)算結(jié)果與列車牽引運(yùn)行的技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行 必要的修正直至完全滿足牽引需求，最終設(shè)計(jì)出列車的牽引/制動(dòng)特性曲線。

需要驗(yàn)證的主要技術(shù)參數(shù)包括：

（1）滿功率平直軌道最高速度運(yùn)行時(shí)的剩余加速度驗(yàn)算；

（2）啟動(dòng)時(shí)的加速度和平均加速驗(yàn)算

（3）故障運(yùn)行時(shí)的牽引能力驗(yàn)算

（4）不同坡道上的爬坡能力驗(yàn)算

（5）最大坡度運(yùn)行滿功率運(yùn)行時(shí)的最低速度驗(yàn)算

（6）加速距離和制動(dòng)距離的驗(yàn)算

2.5 列車制動(dòng)力計(jì)算

制動(dòng)力由制動(dòng)裝置產(chǎn)生并與列車運(yùn)行方向相反的外力。重載列車一般采取以下幾種制動(dòng)裝置，閘瓦制動(dòng)，空氣制動(dòng)閥、空重車自動(dòng)調(diào)整裝置、不銹鋼制動(dòng)管系、轉(zhuǎn)向架集成制動(dòng)裝置、并預(yù)留電控制動(dòng)空間。

閘瓦制動(dòng)和一般動(dòng)力制動(dòng)屬于粘著制動(dòng)，均受粘著條件限制，即制動(dòng)力不得大于粘著力，否則車輪就會(huì)“抱死”（不轉(zhuǎn)動(dòng)）而滑行，不僅因輪軌間滑動(dòng)摩擦系數(shù)低延長(zhǎng)了制動(dòng)距離而危及安全，還可能造成車輪踏面擦傷。

閘瓦制動(dòng)產(chǎn)生的列車制動(dòng)力可按下列兩種方式計(jì)算：

（1）實(shí)算法∶

上述兩式中，B為列車制動(dòng)力（單位：kN）；k為實(shí)算閘瓦力（單位：kN）；kh為換算閘瓦力（單位：kN）；φk為閘瓦實(shí)算摩擦系數(shù)；φh為閘瓦換算摩擦系數(shù)。

機(jī)車車輛每塊閘瓦的實(shí)算閘瓦力k因制動(dòng)機(jī)類型、制動(dòng)倍率等不同而異，而閘瓦實(shí)算摩擦系數(shù)φk又是實(shí)算閘瓦k與運(yùn)行速度υ的兩元綜合函數(shù)，即使是采用同一材質(zhì)閘瓦，也因機(jī)車車輛類型不同，實(shí)算閘瓦力各不相同，連帶閘瓦實(shí)算摩擦系數(shù)也各不相同，這樣采用實(shí)算法計(jì)算列車制動(dòng)力，只能逐一對(duì)應(yīng)，最終累計(jì)，相當(dāng)繁瑣而不利于實(shí)用，尤其當(dāng)全列車中機(jī)車車輛類型較多或采用不同材質(zhì)閘瓦時(shí)更是如此。

換算法是采用不隨閘瓦力而變的換算摩擦系數(shù)φh來(lái)取代實(shí)算摩擦系數(shù)φk,同時(shí)為使計(jì)算結(jié)果與實(shí)算法基本一致，根據(jù)等效處理原則，按kh·φh＝k·φk的條件，將各種閘瓦的實(shí)算閘瓦力k轉(zhuǎn)化成換算閘瓦力kh，這樣就可將機(jī)車車輛的換算閘瓦力加在一起，乘以換算摩擦系數(shù)就可得出列車制動(dòng)力。

中國(guó)各型閘瓦和閘才的換算摩系數(shù)琳按下列各式計(jì)算

中磷閘瓦：

上述各式中，υ為運(yùn)行速度（單位：km/h）；υ0 為制動(dòng)初速（單位 ：km/h）。

2.6 列車制動(dòng)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)指令發(fā)生及傳輸系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)(微機(jī)控制單元EBCU、制動(dòng)控制單元、停放控制單元)、防滑控制系統(tǒng)、單元制動(dòng)器、風(fēng)源系統(tǒng)、緊急制動(dòng)閥、風(fēng)缸、制動(dòng)管路、塞門和軟管等組成。制動(dòng)方式包括常用制動(dòng)、快速制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)和保持制動(dòng)，其中，常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)和停放制動(dòng)完全單獨(dú)控制。常用制動(dòng)和快速制動(dòng)時(shí)，優(yōu)先采用動(dòng)力制動(dòng)，當(dāng)動(dòng)力制動(dòng)力不能滿足制動(dòng)力需求時(shí)，空氣制動(dòng)能夠自動(dòng)補(bǔ)償。緊急制動(dòng)為純空氣制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)完成空氣制動(dòng)作用。

該仿真模型采用AMESim，基于基本元素的建模理念，將制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)控制單元、單元制動(dòng)器等復(fù)雜的氣動(dòng)部件分解為各種不同的基本結(jié)構(gòu)單元，如節(jié)流邊、活塞、容腔、質(zhì)量塊等，再按照一定的邏輯關(guān)系將對(duì)應(yīng)的模塊組合在一起，即可構(gòu)建響應(yīng)的部件子模型，將以各子模型綜合起來(lái)，即可得到完整的制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。其仿真模型如圖2。

下圖2是仿真程序界面圖。HTrainSim的程序界面是控制輸入端，在這個(gè)窗口可以啟動(dòng)列車牽引力，改變前方信號(hào)燈狀態(tài)，并施加空氣制動(dòng)或者緩解空氣制動(dòng)，如圖2中包含信號(hào)燈控制區(qū)，列車啟動(dòng)添加牽引力，列車實(shí)際狀況，管壓、推薦牽引、推薦減壓值顯示，以及列車模型實(shí)際速度曲線，坡度等信息，最高限速及最低緩解速度曲線，文本提示區(qū)等等。

本仿真程序界面圖中的制動(dòng)仿真主要是50KP空氣制動(dòng)，以及緩解空氣制動(dòng)。50KP空氣制動(dòng)是通過(guò)排風(fēng)實(shí)現(xiàn)，仿真界面采用以秒為單位的倒計(jì)時(shí)；同樣，緩解空氣制動(dòng)是通過(guò)充風(fēng)實(shí)現(xiàn)的，采用以秒為單位的倒計(jì)時(shí)，在具體仿真試驗(yàn)時(shí)可按照規(guī)程自行設(shè)定時(shí)間，初始值為0S，如下圖顯示。

圖2 仿真程序界面圖

3 仿真研究結(jié)果及總結(jié)

通過(guò)以上計(jì)算及仿真試驗(yàn)的進(jìn)行，30t軸重重載列車的牽引及制動(dòng)系統(tǒng)能夠通過(guò)仿真軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，按照國(guó)內(nèi)目前正在運(yùn)行的列車的軸重來(lái)算，30t軸重已經(jīng)已經(jīng)超過(guò)世界重載列車規(guī)定的27t，也超過(guò)國(guó)內(nèi)運(yùn)行的23、25t。

軸重是機(jī)車牽引性能的重要指標(biāo)，軸重越大機(jī)車的牽引能力越強(qiáng)。目前我國(guó)鐵路現(xiàn)役機(jī)車軸重均為23至25噸，繼續(xù)提升其重載能力，提高軸重技術(shù)是主要途徑。而30t噸軸重的列車，其重載牽引能力比現(xiàn)有機(jī)車增加了20%。在實(shí)際工作中，難以獲得30t軸重重載列車實(shí)際模型，由此產(chǎn)生了仿真研究系統(tǒng)的必要，該課題研究結(jié)果表明，30t軸重重載列車的牽引力與制動(dòng)力能夠符合其運(yùn)載能力，同時(shí)對(duì)多項(xiàng)不同路段、路況進(jìn)行測(cè)試，其得到的數(shù)據(jù)結(jié)果均在可預(yù)測(cè)范圍內(nèi)， 30t軸重重載列車牽引及制動(dòng)系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)已經(jīng)取得了階段性的成果，并且日趨完善。

重載是世界鐵路貨運(yùn)技術(shù)發(fā)展的重要方向，大軸重列車重載運(yùn)行試驗(yàn)取得成功，顯示我國(guó)在建鐵路重載列車牽引重量達(dá)到質(zhì)的飛躍，是我國(guó)鐵路重載技術(shù)創(chuàng)新的重大突破。

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