劉 凡，王風(fēng)洲，李培署

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

隨著物流業(yè)迅猛發(fā)展，鐵路貨物運(yùn)輸也將與時(shí)俱進(jìn)，開(kāi)行快捷貨運(yùn)列車勢(shì)在必行。與快捷貨車配套的制動(dòng)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，將直接影響該車的使用效果。對(duì)于快捷貨車來(lái)說(shuō)，與普通貨車的不同之處主要是：(1)速度高；(2)基本固定編組；(3)運(yùn)輸?shù)呢浳锵鄬?duì)怕碰撞；(4)貨物偏載情況較為普遍。

目前新造貨車均裝有空重車調(diào)整裝置，根據(jù)車輛載重變化調(diào)整車輛的制動(dòng)力，可使車輛制動(dòng)率在不同載重狀態(tài)下保持恒定，從而有效地改善車輛制動(dòng)性能，提高了車輛運(yùn)行品質(zhì)。一般普通貨車，單輛車裝載貨物種類通常比較單一，特別是用量較大的敞車和罐車，主要裝載煤、礦石等粉料，以及油等液體，車輛裝載比較均勻，基本不會(huì)出現(xiàn)車輛前后質(zhì)量相差較大的情況，既有的空重車調(diào)整方式可較好地解決不同載重下的制動(dòng)力調(diào)整問(wèn)題。而快捷貨車由于所運(yùn)的貨物品種較為繁雜，貨物體積與質(zhì)量比有可能相差較大，從而導(dǎo)致一輛車的前后載重相差會(huì)較大，形成車輛偏載。如果仍采用既有的空重車調(diào)整方式，即車輛前后轉(zhuǎn)向架施加相同的制動(dòng)力，會(huì)使增載轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)力偏小，減載轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)力偏大，在輪軌黏著不良的情況下，易造成減載轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)滑行，防滑器頻繁動(dòng)作，因此導(dǎo)致整車制動(dòng)力損失，造成制動(dòng)距離延長(zhǎng)，危及行車安全。

因此，需要結(jié)合快捷貨車裝載貨物的特點(diǎn)，采用合理的空重車調(diào)整方式，降低偏載對(duì)車輛制動(dòng)性能的影響，確保行車安全。

1 快捷貨車偏載引起的轉(zhuǎn)向架增減載計(jì)算分析

普通貨車裝載比較均勻，車輛重心通常處于水平方向的中間位置，靜止?fàn)顟B(tài)下兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的承重基本相同，制動(dòng)或牽引過(guò)程中，因慣性力的影響，車輛前后轉(zhuǎn)向架會(huì)出現(xiàn)一定的增減載，但總體上差別不大。而快捷貨車易出現(xiàn)偏載情況，再加上制動(dòng)或牽引過(guò)程慣性力的影響，會(huì)進(jìn)一步加劇車輛前后轉(zhuǎn)向架的增減載。圖1為制動(dòng)過(guò)程中車體受力情況。

V.車輛運(yùn)行速度；F.制動(dòng)減速力產(chǎn)生的水平慣性力；G.車體質(zhì)量；F1.前轉(zhuǎn)向架心盤(pán)上的水平反作用力；G1.前轉(zhuǎn)向架心盤(pán)上的有效質(zhì)量；F2.后轉(zhuǎn)向架心盤(pán)上的水平反作用力；G2.后轉(zhuǎn)向架心盤(pán)上的有效質(zhì)量；F3、F4.分別為前、后車鉤力；L.車輛定距(兩轉(zhuǎn)向架的中心距離)；L1.車鉤中心線距心盤(pán)面的距離；L2.車體重心距前轉(zhuǎn)向架中心的距離；L3.車體重心距心盤(pán)面的高度。圖1 制動(dòng)過(guò)程中車體受力情況

如圖1所示，車輛向右方行駛，制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)減速力產(chǎn)生的水平慣性力：

(1)

式中：g—重力加速度；

a—制動(dòng)減速度。

車輛水平方向受力：

(2)

心盤(pán)受到的水平反作用力為：

(3)

通常情況下，同一輛車受到前后車的車鉤力相差不大，(F3-F4)一般很小，所以

(4)

在計(jì)算心盤(pán)所受到的垂直反作用力G1、G2時(shí)，應(yīng)考慮車體慣性力的傾覆作用，此慣性力試圖繼續(xù)保持車體的原始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)自由體處于平衡狀態(tài)時(shí)，作用于其上的各力乘以各力相對(duì)于任一參考點(diǎn)的假想杠桿力臂的代數(shù)和應(yīng)等于0，如果選擇前轉(zhuǎn)向架心盤(pán)面上水平力與垂直力的交點(diǎn)，即F1與G1的交點(diǎn)作為參考點(diǎn)，則各力相對(duì)于此點(diǎn)的力矩為：

(5)

上式經(jīng)簡(jiǎn)化后，得出作用于后轉(zhuǎn)向架心盤(pán)的垂直反作用力為：

(6)

同理，如果參考點(diǎn)選在后轉(zhuǎn)向架心盤(pán)上，可得出作用于前轉(zhuǎn)向架心盤(pán)的垂直反作用力為：

(7)

按照快捷貨車軸重為18 t、轉(zhuǎn)向架自重6 t、車輛定距18 m、緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)減速度0.56 m/s2(制動(dòng)初速120 km/h時(shí)制動(dòng)距離1 100 m)計(jì)算，制動(dòng)過(guò)程中兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的載重隨車輛重心變化而變化的情況如圖2所示。由圖2可知，緊急制動(dòng)時(shí)，如果車輛重心的水平位置位于前進(jìn)方向前轉(zhuǎn)向架的中心上，車輛載荷將全部由前轉(zhuǎn)向架承擔(dān)，由于制動(dòng)慣性力的影響，該載荷超過(guò)了車重，隨著重心離前轉(zhuǎn)向架中心的距離變大，前轉(zhuǎn)向架的載荷逐漸變小，后轉(zhuǎn)向架的載荷逐漸變大，在距離接近11 m時(shí)，兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的載荷相等，也就是說(shuō)在距離為9 m即重心處于車體水平位置的中心時(shí)(不偏載)，前轉(zhuǎn)向架的載荷稍大于后轉(zhuǎn)向架。

圖2 制動(dòng)過(guò)程中兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的載重隨車輛重心位置L2變化而變化的情況

進(jìn)一步分析可知，制動(dòng)過(guò)程中同一轉(zhuǎn)向架的兩根輪對(duì)，因所處位置的不同，也會(huì)形成增減載。圖3為制動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)向架的受力情況。

F1.作用于車體上減速力對(duì)轉(zhuǎn)向架心盤(pán)產(chǎn)生的水平反作用力；G1.車體載荷在心盤(pán)上產(chǎn)生的垂直作用力；GZ1.轉(zhuǎn)向架總重；FZ1.減速度在轉(zhuǎn)向架上產(chǎn)生的慣性力；FB1、FB2.車輪踏面處的制動(dòng)減速力；F11、F12.車輪踏面處的制動(dòng)減速力；G11、G12.分別為前、后輪對(duì)上每個(gè)車輪所受到的垂直反作用力。圖3 制動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)向架的受力情況

如圖3所示，設(shè)轉(zhuǎn)向架為一受若干力作用的自由體，并且由制動(dòng)減速度所產(chǎn)生的慣性力作用于其重心上。制動(dòng)時(shí)，閘瓦產(chǎn)生的減速力FB1和FB2被輪軌接觸面間與上述慣性力大小相等、方向相反的黏著力所抵消。此減速力通過(guò)各轉(zhuǎn)向架心盤(pán)作用于車體。所形成的車體慣性力，在前轉(zhuǎn)向架心盤(pán)上產(chǎn)生水平反作用力F1，此力有使轉(zhuǎn)向架翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；轉(zhuǎn)向架本身質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力FZ1，此慣性力通過(guò)轉(zhuǎn)向架重心，也有使轉(zhuǎn)向架翻轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。這兩個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，被作用于前車輪向上當(dāng)量力產(chǎn)生的相反方向力矩所平衡，從而增加了前車輪的載荷。同理，后車輪上的有效載荷相應(yīng)減少。

相對(duì)于任一參考點(diǎn)的力矩之和都應(yīng)等于0，首先以前輪輪軌接觸點(diǎn)作為參考點(diǎn)，則：

(8)

由此可得：

(9)

同理可得，前輪上的有效載荷為：

(10)

從式(9)、(10)可以看出，前轉(zhuǎn)向架的前輪對(duì)車輪有效載荷G11大于后輪對(duì)車輪有效載荷G12。

同理可得，后轉(zhuǎn)向架的前輪對(duì)車輪有效載荷G21大于后輪對(duì)車輪有效載荷G22，且：

(11)

(12)

綜上可以看出，快捷貨車偏載對(duì)前后兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的載重影響較大，造成前后兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的黏著需求差異變大，特別是快捷貨車的制動(dòng)減速度大于普通貨車，偏載工況下造成的轉(zhuǎn)向架增減載尤為明顯，如果按照既有貨車的空重車調(diào)整方式，即根據(jù)車輛載重變化對(duì)兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架施加相同的制動(dòng)力，兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)率將不同，并會(huì)加大減載轉(zhuǎn)向架車輪出現(xiàn)滑行的風(fēng)險(xiǎn)，一旦滑行將導(dǎo)致防滑器動(dòng)作，造成車輛制動(dòng)力損失。同時(shí)，同一轉(zhuǎn)向架的兩根輪對(duì)也存在增減載情況，減載轉(zhuǎn)向架的減載輪對(duì)所需黏著力最小，在施加同樣制動(dòng)力的情況下，最易出現(xiàn)滑行。因此采用軸控方式效果應(yīng)更好，但實(shí)現(xiàn)軸控系統(tǒng)將更為復(fù)雜，通常需要電子部件參與控制，考慮到快捷貨車實(shí)際情況，采用架控方式為最佳選擇，一是簡(jiǎn)單易行，二是性價(jià)比高。

2 快捷貨車空重車調(diào)整方式探討

通過(guò)以上計(jì)算和分析可知，因快捷貨車偏載所造成的同一輛車兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架增減載，使得兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)力需求不一致，所以在保持不同載重條件下車輛制動(dòng)率恒定的前提下，應(yīng)能根據(jù)每臺(tái)轉(zhuǎn)向架載荷的變化調(diào)整其制動(dòng)力，使兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)率也相同，并能充分利用輪軌黏著。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，快捷貨車的空重車調(diào)整可采用“架控”方式，即每輛車的制動(dòng)力以轉(zhuǎn)向架為單位進(jìn)行調(diào)整(圖4)，每臺(tái)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)缸壓力根據(jù)本轉(zhuǎn)向架的稱重閥發(fā)出的壓力信號(hào)進(jìn)行控制，載荷較大的轉(zhuǎn)向架，其對(duì)應(yīng)的制動(dòng)缸壓力也大，反之就小，這樣就保證了同一輛車前后兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)率基本相同，也提高了快捷貨車運(yùn)行的安全性和可靠性。

圖4 架控調(diào)整方式示意圖

另外，與圖5所示的“車控”調(diào)整方式相比，采用架控方式，制動(dòng)系統(tǒng)的管路連接更為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造、檢修維護(hù)更為方便，同時(shí)也應(yīng)能縮短制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，有利于提高制動(dòng)性能。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，增加了一個(gè)調(diào)整閥，但減少了平均閥，制造成本基本相同。

圖5 車控調(diào)整方式示意圖

通過(guò)對(duì)空重車調(diào)整的“車控”和“架控”方式的分析，從車輛制動(dòng)性能上講，“架控”應(yīng)更能滿足快捷貨車的制動(dòng)需求；從安全角度講，能更好地保障列車運(yùn)行的安全。因此，建議快捷貨車空重車調(diào)整采用“架控”方式。

3 尚需探討的問(wèn)題

本文主要從車輛偏載的影響探討了單輛車制動(dòng)力的調(diào)整問(wèn)題，實(shí)際上，列車編組后，如果相鄰的多輛車存在偏載、且重心位置不盡相同的現(xiàn)象，即使采用架控方式調(diào)整每臺(tái)轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)力，解決了單輛車制動(dòng)率恒定和充分利用黏著的問(wèn)題，但對(duì)于列車綜合性能來(lái)說(shuō)，仍有許多問(wèn)題需要探討。

圖6為相鄰3輛車偏載情況下的車輛受力情況。如圖6所示，按照列車運(yùn)行方向，從右往左列車編組中的相鄰三輛車均存在偏載情況，且每輛車的重心位置不同，根據(jù)前面的計(jì)算不難得出，在3輛車總重相同的情況下，Gi2Gi+21，因此制動(dòng)過(guò)程中，因制動(dòng)慣性力的作用和偏載的原因，第i輛車和第i+1輛車連接處，第i輛車存在向右端傾覆的趨勢(shì)，即兩輛車鉤緩連接裝置等除了受縱向作用力外，還有可能受相反方向的垂向作用力；第i+1輛車和第i+2輛車連接處，第i+1輛車存在向右端傾覆的趨勢(shì)，第i+2輛車存在向左端傾覆的趨勢(shì)，兩輛車鉤緩連接裝置等除了受縱向作用力外，還有可能均受到向上的垂向作用力；在這種情況下，有可能對(duì)鉤緩連接裝置等設(shè)備造成不良影響，也有可能影響到車輛的動(dòng)力學(xué)性能。因此除了研究車輛偏載對(duì)制動(dòng)性能的影響及采取相應(yīng)的解決措施外，還需要研究對(duì)車輛或列車綜合性能的影響。

圖6 相鄰3輛車偏載情況下的車輛受力情況

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析快捷貨車偏載的影響，建議快捷貨車的空重車調(diào)整采用“架控”方式，可以使車輛制動(dòng)率的控制更為精確，管路布置更為簡(jiǎn)單，有利于充分利用輪軌黏著，減小車輪滑行幾率，縮短制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，提高車輛的制動(dòng)性能，并能更好地確保行車安全。

另外，建議進(jìn)一步研究車輛偏載對(duì)列車鉤緩連接裝置等設(shè)備及縱向動(dòng)力學(xué)的影響，改善車輛或列車的綜合性能。