錢 銘

(中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844)

我國客貨運列車主要采用機車+車輛的傳統(tǒng)組合方式,一般由一臺或多臺機車牽引無動力的車輛(客車或貨車)運行,機車車輛采用各自分工、獨立研發(fā)制造及運維管理的傳統(tǒng)管理模式,形成了“機、客、貨”專業(yè)化分工管理格局。傳統(tǒng)組合方式,列車的主要特征是牽引動力集中設置、制動力分散提供,具有接口簡單、編組靈活、維護方便等優(yōu)點,基本滿足早期列車運行速度較低、牽引噸位較小的運輸需求;但在實際運營過程中,逐漸暴露出旅客列車運行速度和乘坐舒適性有待提升,貨運列車尤其是重載貨運列車運行安全性尚需提高等問題。為落實我國鐵路實現(xiàn)更安全、更可靠、更高效、更經濟等高質量發(fā)展新要求,有必要研究與時俱進的機車車輛研發(fā)及運維管理策略,提升我國鐵路移動裝備整體性能和全壽命周期安全可靠性及運輸效率效益。

我國動力集中、動力分散動車組作為主要的旅客運載裝備,雖有動力車和拖車之分,但告別了機車車輛分別研發(fā)制造、運維管理的傳統(tǒng)模式,其牽引、制動、通信、控制、車端連接等各子系統(tǒng)和關鍵部件,是以列車為單元和整體性能提升為目標進行研發(fā)設計,解決了傳統(tǒng)組合方式列車牽引力受限、制動力一致性較差等技術難題。動車組推行的造修一體化實踐經驗,為基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理提供了重要參考[1]。

近年來,我國鐵路持續(xù)推進機車車輛融合改革,有力促進了機車車輛管理整體性和安全性提升;在保有量和鐵路運量大幅提升的前提下,列車運行安全持續(xù)穩(wěn)定,連續(xù)5年消滅了機車車輛一般B類及以上責任行車事故,設備故障率逐年下降,無一不體現(xiàn)出了頂層設計、統(tǒng)籌管理對生產力的促進作用。

因此,開展基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理策略研究,是解決傳統(tǒng)組合方式帶來的鐵路機車車輛現(xiàn)存主要問題,提高鐵路運輸本質安全度的現(xiàn)實需求;是完整、準確、全面貫徹新發(fā)展理念,奮力推動鐵路高質量發(fā)展,率先實現(xiàn)鐵路機車車輛現(xiàn)代化的必然選擇;是深入推進鐵路機車車輛融合改革,全面持續(xù)提升列車整體性能的應有之意。

1 傳統(tǒng)組合模式存在的不足

傳統(tǒng)組合方式下,列車解耦了“機車牽引動力”和“車輛載運客貨”兩大功能[2]。傳統(tǒng)管理模式,機車車輛在各自領域分別開展技術研究和產品開發(fā)工作,分別達到鐵路技術相關管理規(guī)程、相關技術標準及技術規(guī)范等規(guī)定的技術性能即可,沒有系統(tǒng)全面地研究機車車輛相互之間的最佳匹配;隨著我國列車運行速度、牽引質量的不斷提升,也暴露出諸多不適應,主要體現(xiàn)在以下4個方面:

(1)難以解決列車制動一致性較差,縱向沖動較大的問題

傳統(tǒng)組合方式下,列車制動緩解指令通過機車充排風實現(xiàn),制動力由機車和車輛獨立提供,因機車排風速度、空氣傳遞波速等限制和機車車輛的制動性能差異,使列車存在制動一致性較差、縱向沖動較大等問題[3]。20世紀80年代,為解決“一票難求”問題,旅客列車從12～14輛擴編到16～20輛,擴編試驗中發(fā)現(xiàn):列車緊急制動時,因前后部車輛制動不同步和15號車鉤縱向間隙較大(19.5 mm)等原因,相鄰車輛間產生了縱向加速度,引起了列車較大縱向沖動,造成了蓄電池、發(fā)電機皮帶、燃油油箱損壞等故障。

(2)難以滿足列車運行速度及牽引質量的提升需求

傳統(tǒng)組合方式下,如由單元機車提供牽引力,會受機車輪軌黏著、軸數(shù)、軸重及最大軸功率限制;如由多臺機車提供牽引力,無法解決相關匹配關系;傳統(tǒng)組合方式列車難以適應運行速度及牽引質量的提升需求。以我國貨運干線功率最大的HXD1型機車為例,輪周功率為9 600 kW,25 t軸重時最大起動牽引力為760 kN,持續(xù)牽引力為531.7 kN,單臺機車牽引1 600 t時,在12‰坡道上平衡速度為114.5 km/h,在24‰坡道上平衡速度僅為67.9 km/h[4-5],這成為制約列車運行速度和牽引質量進一步提高的瓶頸。

(3)難以滿足進一步提升列車運行安全裕量的需要

傳統(tǒng)組合方式下,列車由空氣傳遞制動指令速度慢、制動一致性較差,緊急制動時列車空走時間和緊急制動距離較長,導致列車安全冗余難以進一步提升。如遇到山體滑坡等異常情況實施緊急制動時,因后部車輛制動響應慢、速度降低有限,對前部車輛的撞擊動能大,不利于控制異常情況下的危害。相關分析及試驗結果表明:采用基于列車的電空制動系統(tǒng),常用全制動距離可縮短30%～40%,緊急制動距離可縮短約10%[6]。

(4)難以解決零部件運用故障率高、維修量大、檢修成本高的問題

傳統(tǒng)管理模式下,機車車輛各自獨立研發(fā),難以實現(xiàn)列車中空氣、載荷、電氣等耦合關系的整體優(yōu)化,造成部分零部件出現(xiàn)結構可靠性、功能穩(wěn)定性等問題,運用故障率高、維修量大、檢修成本高。據(jù)統(tǒng)計,大秦線重載列車運行40萬km左右時貨車鉤舌裂紋率高達90%以上,檢修時只能全部更換為新品。

2 基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理策略

總體思路是:按照“問題、需求、目標、結果”導向的原則,面向機車車輛全壽命周期,圍繞研發(fā)、制造、運維等全過程,以工作機制創(chuàng)新和標準體系構建為支撐,通過對列車車間典型耦合關系分析研究和匹配關系整體優(yōu)化,統(tǒng)籌規(guī)劃列車的牽引、制動、鉤緩、電氣等關鍵部件的研發(fā)制造及運維管理,全面提升我國鐵路客貨運列車整體性能。

2.1 列車典型耦合關系分析

耦合是指系統(tǒng)中兩個或兩個以上物體/單元/模塊或兩種運動之間相互聯(lián)系、相互作用、相互影響的現(xiàn)象。列車是一個復雜的多體系統(tǒng),相互耦合的因素較多,既包括列車與其外部相關系統(tǒng)間的相互耦合,如列車與線橋的輪軌耦合、與接觸網的弓網耦合、與周圍空氣的流固耦合[7],高速列車與其外部相關系統(tǒng)間的耦合關系模型如圖1所示;也包括列車內部相關系統(tǒng)間的相互耦合,如車間的空氣耦合、連掛耦合、電磁耦合和車內的機電耦合、熱力耦合、液固耦合等。因為研究目標不同,所關注的重點也不同,本文僅針對列車車間的典型耦合進行研究分析。

圖1 高速列車耦合系統(tǒng)動力學模型

2.1.1 列車空氣耦合分析

我國客貨列車均設有自動空氣制動系統(tǒng),通過列車管實現(xiàn)壓縮空氣全列貫通。如果將每節(jié)車制動主管中壓縮空氣視為1個獨立空氣單元,當司機對列車實施制動緩解操作時,列車管排出或充入壓縮空氣形成局部壓差,壓縮空氣沿列車管由后向前或由前向后流動,使相鄰兩車間的2個空氣單元,在貫通的列車管內產生“空氣與空氣”相互耦合并形成空氣涌動[8-9];同時車輛制動閥局部減壓或加速緩解局部增壓也會引起列車管的局部空氣涌動,多個車輛制動閥同時作用時上述空氣涌動會產生疊加效應,并與列車管內空氣涌動耦合,影響列車制動性能穩(wěn)定性,因列車不同斷面位置耦合存在的差異,也影響列車中各車輛制動的一致性。

2.1.2 列車連掛耦合分析

我國客貨列車采用車鉤實現(xiàn)車與車之間的可靠連接并形成了連掛耦合。運行時由于機車或動力車牽引與制動特性、列車空氣制動和機車同步操縱及線路平縱斷面的差異,列車縱向運動會產生各種動態(tài)變化,形成縱向力并通過車鉤傳遞[10]。因車鉤間存在連掛間隙和緩沖器非線性特性,使相鄰兩車之間形成了相對加速度,列車產生了縱向沖動和車鉤力。

當列車通過豎曲線和水平曲線時,縱向車鉤力會產生垂向、橫向分力,通過一系、二系懸掛系統(tǒng)傳遞至輪軌[11],與輪軌垂向、橫向力相互耦合疊加[12],引起輪軌力發(fā)生變化,進而導致機車車輛輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軌或輪軸橫向力等安全性指標發(fā)生變化[13],加劇列車縱向沖動并增加車鉤力,影響列車運行安全性和舒適性。

2.1.3 列車電磁耦合分析

列車中牽引輔助等系統(tǒng)均為大功率復雜開關電源系統(tǒng),是列車電磁干擾發(fā)射的重要來源。列車車載設備的布局、電路結構及控制策略都會對電磁波的發(fā)射特征和方式產生影響,這些電磁波與電氣設備相互作用并形成電磁耦合,造成列車電氣設備故障和通信的不明干擾[14]。我國某型動車組研制初期就曾發(fā)生因電磁干擾形成的瞬間脈沖電壓過高,導致速度傳感器異常故障。

2.2 研發(fā)及運維管理策略

2.2.1 以列車為對象的機車車輛一體化研發(fā)

通過上述耦合關系分析可知,提升客貨運列車性能需要以列車整體為研究對象,對機車車輛牽引、制動、連掛、電氣系統(tǒng)等匹配關系進行整體規(guī)劃,并實現(xiàn)相互之間的最佳匹配。

(1)牽引技術方面。統(tǒng)籌列車牽引力需求和運行品質要求,開展“牽引質量、牽引速度(加速度)、牽引阻力和牽引能力”等要素的頂層設計。如采用動力分散技術將集中的牽引力予以分解,可提高列車起動加速和電制動的一致性,實現(xiàn)列車更大牽引功率和更高運行速度及提高列車爬坡能力,同時滿足故障情況下切除部分動力降速運行的應急保障要求。

(2)制動技術方面。通過電子化、網絡化、智能化等先進技術的集成運用,解決空氣耦合產生的列車制動穩(wěn)定性和一致性問題,減小列車縱向沖動和車鉤力,提升客運列車乘坐舒適性和貨運列車特別是重載列車運行安全性和縱向穩(wěn)定性。

(3)連掛技術方面。統(tǒng)籌列車牽引單元與載運單元,立足不同運用工況下的具體實際,采用小間隙車鉤、密接車鉤、牽引桿等連接技術及低阻抗、高吸收率緩沖技術,減小車鉤連掛間隙、抑制縱向相對加速度,同時統(tǒng)籌優(yōu)化機車車輛連接結構,減小車鉤力的垂向、橫向分力,進一步提高列車運行安全性和縱向穩(wěn)定性。

(4)電氣技術方面。統(tǒng)籌規(guī)劃列車電氣系統(tǒng)頂層技術指標及系統(tǒng)配置,從系統(tǒng)頂層指標分解和系統(tǒng)內部參數(shù)匹配兩個維度,明確對列車控制策略、電磁兼容、接地保護、電氣防火等技術要求,提升電磁耦合下電氣系統(tǒng)的可靠性,優(yōu)化列車電氣設計和機車車輛電氣系統(tǒng)的具體布置和方案設計。

2.2.2 以列車為對象的機車車輛一體化造修

保障鐵路客貨運列車始終具有良好的整體性能,不僅需要統(tǒng)籌機車車輛一體化研發(fā),也離不開統(tǒng)籌機車車輛一體化造修。

采用傳統(tǒng)空氣制動的列車,如機車和車輛的制動閥、制動缸、杠桿傳力裝置等制造精度存在較大差異,在列車不同斷面的單機(車)會存在較大制動性能差異,加劇列車產生縱向沖動,同時,也會帶來不同列車之間制動性能等差異較大,不利于機車乘務員實施模塊化精準操縱。

針對重載組合列車車鉤分離故障的仿真分析結果表明:隨著鉤舌搭接量和摩擦系數(shù)的減小,車鉤分離風險隨之增大[15]。我國機車車輛在空車狀態(tài)下的車鉤高度制造、檢修標準均為(880±10) mm,但機車車鉤高度僅受車輪運用磨耗的影響,在全壽命周期內車鉤高度變化較小;貨車車鉤高度受空載、重載影響較大,通常情況下空車與重車車鉤高度差可達40 mm。因此,解決重載組合列車中部機車車鉤分離故障,需統(tǒng)籌機車車輛一體化造修,機車造修時車鉤高應盡可能按下限控制,車輛造修時車鉤高應盡可能按上限控制,以增加重車工況下機車車輛的鉤舌搭接量。

2.2.3 以列車為對象的機車車輛一體化運維

在全壽命周期內機車車輛研發(fā)、制造、檢修的根本目的,是實現(xiàn)列車更好地運用。動力集中動車組的動力車和拖車,不僅以列車為對象制定了統(tǒng)一的修程修制,更在D1、D2等修程時不解編整列檢查維修,這就是以列車為對象實行機車車輛一體化運維的具體體現(xiàn)。

在實際運用中,列車若有一節(jié)車出現(xiàn)蛇行失穩(wěn),就會影響整列車的運行安全;因此,必須通過運維恢復和保持機車車輛性能良好[16],并對研發(fā)及造修進行閉環(huán)反饋,不斷改進研發(fā)及造修質量和列車運行安全可靠性。如由于線路平縱斷面固定,列車長期單一方向重車運行則會出現(xiàn)車輪偏磨等問題,在運輸組織時可適時讓列車調換前進方向,實現(xiàn)車輪磨耗等時變參數(shù)的均勻和平衡。

因此,在統(tǒng)籌優(yōu)化研發(fā)、造修的基礎上提升列車整體性能,還應以列車為對象全面推進機車車輛一體化運維。

2.2.4 建立以列車為對象的機車車輛一體化工作機制

為實現(xiàn)機車車輛相互之間性能的最佳匹配,實現(xiàn)研發(fā)、制造和運維各個階段統(tǒng)籌優(yōu)化,必須以列車為對象創(chuàng)新產品研發(fā)和運維管理的工作機制,如面向運維的聯(lián)合創(chuàng)新、源頭質量聯(lián)合整治等,同時搭建基于列車的機車車輛一體化研發(fā)制造及運維管理平臺,實現(xiàn)機車車輛研發(fā)制造單位與運維單位的數(shù)據(jù)共享和高度協(xié)同。

2.2.5 建立以列車為對象的機車車輛一體化標準體系

機車車輛各自是一個復雜的技術系統(tǒng),傳統(tǒng)管理模式下機車和車輛標準自成體系,實現(xiàn)基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理,對機車車輛單機(車)性能、零部件參數(shù)和形位公差,應以確保列車整體性能為原則進行科學制定與合理匹配。除了創(chuàng)新工作機制外,還需要建立基于列車的機車車輛一體化標準體系作為支撐,用標準體系規(guī)范和促進機車車輛一體化研發(fā)、造修及運維管理工作,確保工作質量,提高工作效率,同時通過不斷實踐促進標準體系的發(fā)展。

3 動力集中動車組的成功實踐

動力集中動車組是旅客列車的全面技術升級,采用基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理方法,通過采用密接式車鉤、微機電空制動系統(tǒng)、整車網絡互聯(lián)等技術手段,使動車組的安全性、運行品質、乘坐舒適度等較傳統(tǒng)旅客列車有了質的提升。以微機電空制動系統(tǒng)為例,在車輛制動系統(tǒng)中引入制動缸壓力閉環(huán)控制,在車輛制動裝置上增加微處理器,接收制動網絡的指令,對本車制動缸實施制動控制和狀態(tài)監(jiān)控。動車組電空制動原理如圖2所示。

3.1 減小列車縱向沖動,提高運行品質及乘坐舒適性

由圖2可知,列車的制動節(jié)點兩兩互聯(lián)在同一個控制網中,以電信號發(fā)送制動緩解指令,實現(xiàn)車列所有制動節(jié)點制動緩解作用的同步?；诹熊嚨膭恿嚺c拖車一體化制動力分配方案,可以在制動級位較低時充分發(fā)揮動力車電制動的效用,降低拖車空氣制動的目標壓力,實現(xiàn)軸重各不相同的多車編組列車平穩(wěn)減速或停車,有利于降低列車的縱向沖動和車鉤力。

動力集中動車組全制動工況試驗結果表明:采用微機電空制動與原非微機電空制動相比,各節(jié)車輛制動動作時間差由2 s以上降低至0.5 s以內,降幅達75%以上。由圖3可知,各節(jié)車制動缸壓力上升過程的差異也明顯降低。

圖3 動力集中動車組全制動工況下制動缸壓力試驗曲線

3.2 提高列車運行安全性

動力集中動車組通過快速制動,減少列車空走時間,降低緊急制動距離,提高了異常情況下列車運行安全裕量。另外,通過網絡直接向每一個制動節(jié)點傳遞指令,各制動節(jié)點可隨時根據(jù)指令調整制動力的大小,通過獨立控制可精確完成制動緩解動作,實現(xiàn)精確的階段緩解作用,解決了困擾多年的旅客列車無法實現(xiàn)精確階段緩解和需要多次循環(huán)制動的問題,對列車的控制真正達到了“心想事成”,可顯著提高列車在長大坡道等特殊路段的操控調速能力和運行安全性。

同時,通過狀態(tài)檢測可實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)故障并及時消除安全隱患,提高列車運行安全性。如動車組設置的防火、停放、車門、制動和軸溫等5個安全環(huán)路,可實現(xiàn)故障預警、報警、自動響應、故障隔離等功能,拖車和動力車都是環(huán)路上的一個節(jié)點,列車制動系統(tǒng)會因某一個節(jié)點的信號丟失集體進行響應,提高了動車組列車運行安全性。

4 重載列車技術提升途徑

目前,我國重載組合列車中的機車車輛采用間隙車鉤連接,運行過程中因空氣耦合、連掛耦合等因素的影響,存在列車縱向沖動大、司機操控精準性要求高等難題。實現(xiàn)列車整體性能提升和技術發(fā)展,應采用機車車輛一體化研發(fā)及運維管理方法,以列車整體為研究對象,提高列車制動、連掛等性能。

4.1 提升列車制動系統(tǒng)性能

根據(jù)前述列車車間連掛耦合分析可知,列車各斷面的車鉤力主要與司機操縱、線路平縱斷面和機車牽引特性及機車車輛制動特性、緩沖器特性、車鉤特性等有關,在司機操縱方式、線路條件和機車車輛的緩沖器特性、車鉤特性一定的情況下,制動力的變化是影響列車縱向沖動和車鉤力的關鍵因素,列車中各車輛間制動力差異越小,列車制動一致性越好,列車縱向沖動和車鉤力也越小。

我國2萬t重載組合列車,采用“1+1+可控列尾”編組模式,制動系統(tǒng)采用機車電制動與Locotrol+車輛空氣制動系統(tǒng)+可控列尾,實現(xiàn)了各臺機車的同步動作,提高了列車制動、緩解波速和充風速度,有效控制了列車縱向力水平。但因仍需通過列車管壓縮空氣傳遞制動緩解指令,由于空氣波速限制、制動管內壁摩擦阻尼及列車管中壓縮空氣耦合等因素的綜合作用,導致車列內部各車輛的制動閥、制動缸等作用時間無法實現(xiàn)同步,閘瓦壓力和制動力也難以實現(xiàn)一致;因可控列尾僅參與制動不參與緩解充風,故列車形成“制動3點排風、緩解2點充風”,尾部車輛緩解時間長,車列緩解同步性差;各車輛制動力仍由車輛制動閥控制,無法從根本上提高列車制動精準性和一致性。由此,造成列車前、中、后部車輛的制動力大小和作用時間差異較大,帶來我國重載組合列車縱向沖動大、對操縱精準度要求較高等問題[17-18]。

因空氣制動波速一般無法超過300 m/s,為提高列車制動緩解指令傳遞速度,可考慮利用網絡技術和電信號實現(xiàn)列車制動緩解指令的高速精準傳遞,研制貨運列車新型電控空氣制動系統(tǒng)(HDK),對機車車輛制動系統(tǒng)實施一體化操縱控制。列車電控空氣制動系統(tǒng)為微機控制的電空制動和自動式空氣制動兩個模塊的疊加,在電空制動故障時能自動切換到空氣制動模式,在空氣制動模式下列車尾部具有充排風功能;自動式空氣制動系統(tǒng),可作為一個獨立的模塊單獨使用,作為提升既有2萬t組合列車制動系統(tǒng)性能的一種有效手段。

(1)采用電控制動模式提高制動一致性,顯著降低重載列車縱向沖動和車鉤力。電控空氣制動系統(tǒng)實現(xiàn)了列車制動緩解的指令傳遞由壓力空氣信號向電信號的根本轉變,從技術提升上確保重載列車實現(xiàn)制動緩解一致性。2014年采用電空制動系統(tǒng)與傳統(tǒng)空氣制動系統(tǒng)的30 t軸重重載列車,在瓦日線實施緊急制動時的試驗結果顯示[6],列車牽引質量12 000 t、速度80～100 km/h:在11‰下坡道時壓鉤力最高降幅為50.9%,最低降幅為46.8%;在平直道時壓鉤力最高降幅為73.4%,最低降幅為70.7%。測試結果見表1。

表1 緊急制動壓鉤力最大值

(2)使用空氣制動模式提高緩解一致性,降低列車縱向沖動和車鉤力。自動式空氣制動作為獨立模塊使用時,通過全列貫通的總風管或尾部車輛設置的容積風缸從尾部實現(xiàn)向列車管補風,通過增加列車尾部的充風點提高緩解一致性。試驗臺模擬試驗表明:2萬 t 組合列車減壓50 kPa后實施緩解,從控機車延時2 s時采用總風管尾部充風,全列緩解時間差由15.2 s減少至6.1 s,降幅60%,列車前后部車輛緩解一致性明顯提升。基于上述試驗數(shù)據(jù)的仿真分析表明:在大秦線K140—K148的長大下坡道區(qū)段,最大車鉤力從1 395 kN降低至539 kN,降幅61.4%。

綜上所述,采用基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理方法,集成運用電子化、網絡化等技術,研究應用具有我國特色的自主可控的貨運列車新型電控空氣制動系統(tǒng),可顯著提升重載列車制動系統(tǒng)性能,大幅降低列車縱向沖動和車鉤力。

4.2 優(yōu)化列車連掛性能

列車運行過程中依靠車鉤緩沖裝置傳遞縱向力,貨運列車為實現(xiàn)更大牽引質量,必須順序起動,不宜采用無間隙車鉤,故貨運列車各車輛間會產生相對運動速度,使相互間存在拉鉤力和壓鉤力的交替變化,一般鉤緩間隙越大列車縱向沖動和車鉤力也越大。為此,我國重載貨車多采用小間隙車鉤和牽引桿實現(xiàn)可靠連掛,以降低列車縱向沖動和車鉤力,但仍存在重載組合列車中部機車車鉤受壓穩(wěn)定性、連掛穩(wěn)定性等問題,尚需深化研究。

機車車鉤受壓穩(wěn)定性方面:以大秦線2萬t重載組合列車綜合試驗為例,循環(huán)制動、緊急制動和常用全制動工況下存在部分縱向壓鉤力大于1 500 kN,甚至接近2 000 kN的情況。在較大的縱向壓鉤力及列車連掛耦合作用下,中部從控機車鉤緩裝置一旦發(fā)生橫向失穩(wěn),將產生較大的橫向分力,影響列車運行安全[11]。

連掛穩(wěn)定性研究方面:根據(jù)列車縱向動力學仿真分析和大秦線2萬t組合列車分離故障研究試驗結果,電制動力的垂向分力使機車后鉤有被頂起的源動力,如機車車鉤安裝結構允許車鉤向上抬升,車輛車鉤安裝結構允許車鉤向下移動,此時若出現(xiàn)較大的拉鉤力,在鉤舌搭接量較小和拉鉤力較大的共同作用下,機車車鉤向上傾斜,車輛車鉤向下傾斜,兩者鉤舌嚙合面不能保持平行的面狀接觸狀態(tài),容易被拉開而造成中部機車車鉤分離[19]。

從上述分析可知,為進一步提高重載列車連掛可靠性和安全性,應采用基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理方法,深度分析機車車輛鉤緩裝置結構特點和在列車中連掛后的耦合規(guī)律,優(yōu)化機車車鉤結構和參數(shù)并控制機車車輛鉤高差,優(yōu)化列車操控方法并科學施加機車電制動力。

4.3 研究建立列車安全監(jiān)測系統(tǒng)

目前重載列車中只有機車具有部分監(jiān)測功能,貨車沒有常態(tài)化監(jiān)測裝置,對于與重載列車安全性強相關的制動力、車鉤力、輪軌力等,更是缺少常態(tài)化監(jiān)測手段,只有在專項試驗時使用傳感器和測力車鉤等進行監(jiān)測?，F(xiàn)行的測力車鉤制造和安裝工作復雜,輪軌力直接測試方法不適合大規(guī)模用于列車。因貨車缺少常態(tài)化安全監(jiān)測裝置,無法實現(xiàn)系統(tǒng)研究重載列車運行過程中運行狀態(tài)與列車制動力、車鉤力、輪軌力等因素間的關系。因列車中各車輛的制動精準性、一致性存在差異,且缺少相應的監(jiān)測裝置,無法準確分析列車制動性能對縱向動力學性能和車輛動力學性能的影響;也無法滿足提升司機操縱精準性,深化列車輔助駕駛系統(tǒng)等研究的需求。

因此,提升重載列車性能有必要在研究貨車車載安全監(jiān)測裝置的基礎上建立列車級安全監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)列車制動性能與典型斷面車鉤力、輪軌力等常態(tài)化在線跟蹤監(jiān)測,為系統(tǒng)研究列車制動性能與列車縱向沖動和車鉤力、車鉤分力與輪軌力之間的相互作用關系,為優(yōu)化列車司機操縱、優(yōu)化機車車輛結構、提升運維標準等提供理論依據(jù)和科學試驗數(shù)據(jù),全面提升重載列車制動性能、連掛性能,進一步提升大秦線等重載列車的運行品質和安全裕量。

5 結論與展望

(1)基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理,需面向機車車輛全壽命周期,從研發(fā)、制造、運維全過程統(tǒng)籌規(guī)劃機車車輛功能、結構、參數(shù)和列車整體性能,并以工作機制創(chuàng)新和標準體系構建作為支撐。

(2)基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理,以實現(xiàn)機車車輛性能最佳匹配為目標,是解決客貨運列車現(xiàn)存問題,滿足機車車輛更安全、更可靠、更高效、更綠色的高質量發(fā)展要求的有效手段。

(3)基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理,采用電控空氣制動系統(tǒng)等技術可提高重載列車制動一致性、穩(wěn)定性,同時優(yōu)化列車連掛性能,通過車載安全監(jiān)測等手段,實現(xiàn)對列車制動系統(tǒng)等運行狀態(tài)的實時監(jiān)測,可有效提升重載列車運行安全性和穩(wěn)定性。

錨定推動鐵路高質量發(fā)展、率先實現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化的目標任務,對機車車輛和列車本質安全度、技術性能、運輸保障能力等提出了更高要求,需要持續(xù)深化基于列車的機車車輛一體化研發(fā)及運維管理策略研究,全面提升機車車輛和列車的科技實力、創(chuàng)新能力和產業(yè)鏈現(xiàn)代化水平。