4萬噸列車撥車機(jī)牽引載荷仿真計算

王 廠，魏 偉

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

重載運(yùn)輸是現(xiàn)代化鐵路的標(biāo)志之一，代表鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域的先進(jìn)生產(chǎn)力.在重載運(yùn)輸中，有一種列車操作方式是撥車機(jī)牽引列車作業(yè).撥車機(jī)是翻車機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分，撥車機(jī)牽引列車作業(yè)是指撥車機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的速度曲線，牽引列車至翻車位置，在這個過程中，撥車機(jī)提供列車運(yùn)行全部的牽引載荷，并且需要讓列車在確定時間內(nèi)運(yùn)行確定距離.撥車機(jī)牽引載荷的大小不僅關(guān)系到翻車機(jī)系統(tǒng)的卸載能力，而且對撥車機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、撥車機(jī)成本、價格和壽命都有顯著的影響.因此，撥車機(jī)牽引載荷的研究至關(guān)重要.文獻(xiàn)［1］以齒條傳動的撥車機(jī)為例對撥車機(jī)載荷譜的確定及電機(jī)功率的確定和匹配進(jìn)行了分析和探討;文獻(xiàn)［2-3］利用機(jī)械系統(tǒng)振動理論等相關(guān)理論進(jìn)行了撥車機(jī)系統(tǒng)的阻力分析，建立了撥車機(jī)牽引列車的動態(tài)模型，并給出了求解方法，將模型用MATLAB語言進(jìn)行編程計算，利用Pro/E實(shí)體建模并模擬仿真，然后用Visual Basic編程計算求解最大撥車力;文獻(xiàn)［4-5］建立了包含撥車機(jī)在內(nèi)的重載列車縱向動力學(xué)模型，對撥車機(jī)撥車過程進(jìn)行了動力學(xué)分析，并利用響應(yīng)面法對撥車機(jī)牽引速度模式進(jìn)行了優(yōu)化.然而這些研究最大也只分析到了撥車機(jī)牽引兩萬噸列車的情況，對于撥送更長列車缺乏研究.某公司與澳大利亞簽訂的“撥車機(jī)牽引4萬噸大列載荷計算”合同使4萬噸列車撥車載荷的研究迫在眉睫.本文利用撥車機(jī)動態(tài)載荷仿真系統(tǒng)，分析了車鉤間隙、速度曲線對撥車載荷的影響，在此基礎(chǔ)上對4萬噸列車撥車載荷進(jìn)行了仿真計算，并以提高撥車效率、充分利用撥車機(jī)撥車能力為目標(biāo)，對撥車機(jī)速度曲線進(jìn)行了優(yōu)化.

1 撥車機(jī)動態(tài)載荷仿真系統(tǒng)

1.1 仿真模型

仿真模型是仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有建立合理的仿真模型，才能進(jìn)行合理的仿真分析，得到有價值的結(jié)論.在建立撥車機(jī)動態(tài)載荷仿真模型時，忽略車輛橫向力和垂向力的影響，只考慮縱向自由度，根據(jù)剛體動力學(xué)基本原理，將列車離散成一系列質(zhì)量-彈簧阻尼系統(tǒng)，每個車輛模型化為一個集中質(zhì)量，任意車輛受力如圖1所示.

圖1 單個車輛受力圖

每個車輛力平衡方程式為:

式中，n(i=1～n)為列車中包含的機(jī)車車輛總數(shù)，miai為第i節(jié)車的慣性力，F(xiàn)Gi為第i對車鉤的車鉤力，F(xiàn)Ai為第i節(jié)車的運(yùn)行阻力，F(xiàn)Wi為第i節(jié)車所受的坡道阻力，F(xiàn)Ri為第i節(jié)車所受的曲線阻力，F(xiàn)Li是撥車機(jī)所在位置的撥車機(jī)撥車力.

1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

仿真系統(tǒng)的精度需要經(jīng)過試驗(yàn)檢驗(yàn)，并且經(jīng)過試驗(yàn)不斷完善與修正，本仿真系統(tǒng)在現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量調(diào)試.為了驗(yàn)證仿真程序的正確性，根據(jù)試驗(yàn)條件，仿真計算了萬噸列車的撥車運(yùn)行情況，并以最大撥車力這個重要指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比.圖2是撥車機(jī)牽引全重車、半重車和尾部車時的最大撥車力與試驗(yàn)值的比較.

圖2 最大撥車力仿真與試驗(yàn)對比圖

由圖2可知，三種情況下仿真計算結(jié)果的最大撥車力與試驗(yàn)值吻合很好，撥車機(jī)牽引全重車時最大撥車力誤差為1.2% ，半重車時最大撥車力誤差為7.5%，尾部車時最大撥車力誤差為7.7%.因此可知，利用撥車機(jī)動態(tài)仿真系統(tǒng)計算撥車機(jī)牽引載荷是可信的.

2 4萬噸列車撥車機(jī)在原設(shè)計速度曲線下的撥車力

本文使用的4萬噸列車由3臺機(jī)車+240輛重車組成，其中機(jī)車自重196 t，長度23.165 m，重車重量 160 t，長度 11 m，空車重量 21.8 t，3 臺機(jī)車位于列車頭部，整列車總重38988 t.廠家提供的原始速度曲線如表1所示.其加速段由1.5 s加速到 4.99 s，最高運(yùn)行速度為 0.349 m/s，在該速度下勻速運(yùn)行59.02 s，接著兩個減速階段，第一個減速階段為 2.49 s，減速到 0.1 m/s，在此速度下運(yùn)行2s后進(jìn)入第二個持續(xù)1 s的減速階段，該階段速度減到0，停車，完整撥車時間為69.5 s，一次撥車走行距離為22 m.撥車機(jī)一次撥兩節(jié)車，4萬噸列車一共撥車120次.

表1 原始速度曲線

撥車機(jī)在原始速度曲線下牽引4萬噸列車的最大撥車力情況如圖3所示.圖中橫坐標(biāo)表示撥車次數(shù)，縱坐標(biāo)表示撥車力，單位為kN，圖中曲線代表按照原始速度曲線的120次撥車過程的最大撥車力.

圖3 最大撥車力曲線

從圖3中可以看出，最大撥車力曲線可以分為五部分，第一部分是第1-5次撥車過程，最大撥車力變化不大;第二部分是第6～58次撥車過程，最大撥車力逐漸降低;第三部分是59～82次撥車過程，最大撥車力變化不大;第四部分是第83～114次撥車過程，最大撥車力在這段逐漸降低;第五部分是115～120次撥車過程，這一段最大撥車力急劇下降.隨著撥車過程的進(jìn)行，最大撥車力總的變化趨勢是逐漸降低的.在第一部分，列車中重車數(shù)較多，每次撥車重車數(shù)減少造成的影響很小，故最大撥車力變化不大;在第二部分，重車數(shù)減少造成的影響已經(jīng)體現(xiàn)出來，故最大撥車力隨著撥車過程的進(jìn)行逐漸降低;在第三部分，重車數(shù)和空車數(shù)相差不多，撥車機(jī)處于列車中部，在撥車力達(dá)到最大值時，重車和空車都在加速，隨著撥車過程的進(jìn)行，加速的重車數(shù)減少，但是加速的空車數(shù)增多，重車數(shù)的減少造成的影響變小，故最大撥車力變化不大;在第四部分，列車總重已經(jīng)很小，重車數(shù)減少造成的影響凸顯，故隨著撥車過程的進(jìn)行，最大撥車力逐漸降低;在第五部分，列車總重非常小，每次撥車過程重車數(shù)的減少都對列車總重的減小有很大影響，故最大撥車力會隨著撥車過程的進(jìn)行急劇下降.

圖3中，120次撥車過程的最大撥車力為1679kN，撥車機(jī)最少可以提供1 679 kN的力，而隨著撥車過程的進(jìn)行，最大撥車力逐漸減小.此時如果能適時的提高撥車機(jī)速度，不僅能充分發(fā)揮撥車機(jī)的撥車能力，還能大幅度的提高撥車效率，因而需要根據(jù)撥車情況適時的優(yōu)化速度曲線.

在優(yōu)化速度曲線時，不僅需要分析速度曲線對撥車力的影響，還要知道車鉤間隙的影響.因?yàn)椴煌能囥^間隙會影響列車的縱向沖動，進(jìn)而影響撥車力.因此，在優(yōu)化速度曲線之前，確定合適的車鉤間隙非常必要.

3 車鉤間隙的影響

車鉤間隙的存在，是為了滿足列車通過曲線和牽引時逐步啟動的需要.然而車輛在使用過程中可能會產(chǎn)生磨耗，隨著車輛使用時間加長，車鉤間隙會越來越大.車鉤間隙是影響撥車力的重要因素之一.為了了解車鉤間隙的影響，仿真分析了五種間隙條件下?lián)苘嚈C(jī)牽引4萬噸列車的撥車力變化情況.五種車鉤間隙分別是20、30、40、50 和60 mm，五種車鉤間隙下?lián)苘嚵τ嬎憬Y(jié)果如圖4所示.

圖4 不同車鉤間隙的車鉤力

從圖4中可以看出，車鉤間隙對勻速運(yùn)行時的撥車力影響較大，在勻速階段小車鉤間隙對應(yīng)的撥車力基本上在大車鉤間隙對應(yīng)的撥車力上方，隨著車鉤間隙的增大，撥車力呈減小趨勢.五種車鉤間隙下的最大撥車力如表2所示.從表2中可以看出，最大撥車力隨車鉤間隙的增大而減小，車鉤間隙每增加10 mm最大撥車力分別減小58、59、47 和44 kN，分別減小了 3.3%、3.5%、2.9%和2.7%.說明車鉤間隙小于40 mm時，增大車鉤間隙能有效減小最大撥車力;而當(dāng)車鉤間隙大于40 mm時，增大車鉤間隙減小最大撥車力的效果降低.這是因?yàn)楫?dāng)車鉤間隙增大后，單位時間內(nèi)啟動的車輛數(shù)減少，故最大撥車力降低.而當(dāng)車鉤間隙大于40 mm后，再增大間隙，單位時間內(nèi)啟動的車輛數(shù)并沒有明顯減少，故最大撥車力減小不明顯.因此，在優(yōu)化撥車機(jī)牽引速度曲線時，將車鉤間隙設(shè)為40 mm較為合理.

表2 不同車鉤間隙對應(yīng)的最大撥車力

4 速度曲線的影響

速度曲線是撥車機(jī)最重要的參數(shù)之一，撥車機(jī)牽引同樣編組的列車以不同的速度曲線運(yùn)行，所用的撥車力是不同的.提升速度固然可以提高撥車效率，但是不可避免的會增加撥車力，提高成本;降低速度可以減小撥車力，降低成本，但是會導(dǎo)致?lián)苘囆式档?要合理的設(shè)計速度曲線來同時滿足撥車效率和撥車力的要求，就要了解速度曲線對撥車力的影響.以下給出了三種速度曲線下?lián)苘嚈C(jī)牽引4萬噸列車的撥車力變化情況.仿真時除速度曲線外其它參數(shù)相同.三種速度曲線如圖5所示.

圖5 三種速度曲線

圖5中三種速度曲線勻速階段持續(xù)時間不同，最高速度不同.速度曲線1勻速階段最長，最大速度最小;速度曲線3勻速階段最短，最大速度最大;速度曲線2勻速階段和最大速度均居中.三種速度曲線下?lián)苘嚈C(jī)運(yùn)行的時間和運(yùn)行距離相同.三種速度曲線下的撥車力如圖6所示.

圖6 三種速度曲線對應(yīng)的撥車力

從圖6中可以看出，盡管是牽引同一編組列車，不同的速度曲線對應(yīng)的撥車力差異很大.速度曲線1下的最大撥車力為1 679 kN，出現(xiàn)在第一個勻速階段末端;速度曲線2下的最大撥車力為1 331 kN，也出現(xiàn)在第一個勻速階段末端;速度曲線3下的最大撥車力為1 320 kN，出現(xiàn)在第一個減速階段.當(dāng)?shù)谝粋€勻速階段較長時，最大撥車力出現(xiàn)在勻速階段末端，這一時刻的加速車輛最多(雖然撥車機(jī)勻速，但是由于車鉤間隙的影響，所有車并不是同時同步運(yùn)動的，后面的車在撥車機(jī)由加速變?yōu)閯蛩俸筮€在加速)，因此撥車力最大.當(dāng)縮短勻速階段后，勻速階段末端時刻的加速車輛將會減少，最大撥車力降低.當(dāng)勻速階段較短時，加速車輛最多的時刻就出現(xiàn)在第一個減速階段，此時再縮短勻速階段，最大撥車力減小的幅度變小.因此，合理的縮短速度曲線中的勻速階段能有效的減小最大撥車力，是優(yōu)化撥車機(jī)速度曲線的一種有效方法.

5 4萬噸列車撥車機(jī)速度曲線的優(yōu)化

對撥車機(jī)速度曲線進(jìn)行優(yōu)化時，車鉤間隙取40 mm，撥車機(jī)運(yùn)行距離不變，在此基礎(chǔ)上盡可能的降低撥車力，縮短撥車機(jī)撥車時間.

圖7是4萬噸列車撥車機(jī)速度曲線，圖7中速度曲線下方的面積S是撥車機(jī)運(yùn)行距離.S由S1、S2、S3組成.其各自計算公式如下.

圖7 4萬噸列車撥車機(jī)速度曲線

優(yōu)化速度曲線時需要滿足如下約束條件:

在現(xiàn)代化的翻車機(jī)系統(tǒng)中，配備的夾輪器完全可以使得車輛靜止不動，在這種情況下，DE段可以去掉，形成ABCF所示的牽引速度模式.此時

在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，對4萬噸列車撥車過程按圖3所示五部分進(jìn)行分段優(yōu)化，由速度曲線影響結(jié)果可知，勻速階段之前對最大撥車力影響不大，故保持t0、t1不變.

第一部分重車數(shù)最多，提高速度勢必會造成撥車力的增加，因此優(yōu)化時保持vm不變，此段優(yōu)化主要考慮降低最大撥車力，因此t5保持不變，這樣可以求得t2=63.156 s.優(yōu)化后的速度曲線如表3所示.

表3 優(yōu)化速度曲線1

優(yōu)化速度曲線1的加速段由1.5 s加速到4.99 s，最高運(yùn)行速度為 0.349 m/s，在該速度下勻速運(yùn)行58.166 s，接著進(jìn)入減速階段，減速階段為6.335 s，速度減到0，停車，完整撥車時間為69.5s，一次撥車走行距離為22 m.優(yōu)化后1～5次撥車過程中的最大撥車力為1 650 kN，比優(yōu)化前五次中的最大撥車力1 679 kN，降低了1.72%.

后面四部分，最大撥車力較之第一部分都有所降低.可以通過提高撥車機(jī)速度，適當(dāng)提高撥車力(不能超過1 650 kN)，充分利用撥車機(jī)的撥車能力，來降低撥車時，提高撥車效率.在進(jìn)行優(yōu)化時，通過減小t2增大vm控制最大撥車力，然后利用式(8)和式(9)來求出t5.從而得到優(yōu)化速度曲線.

基于上述優(yōu)化方法，經(jīng)過多次的仿真計算后，發(fā)現(xiàn)第二部分的最佳速度曲線在t2=41.2 s，vm=0.52 ms-1時，如表4 所示.

表4 優(yōu)化速度曲線2

優(yōu)化速度曲線2的加速段由1.5 s加速到4.99 s，最高運(yùn)行速度為 0.52 m/s，在該速度下勻速運(yùn)行36.21 s，接著進(jìn)入減速階段，減速階段為8.8s，速度減到 0，停車，完整撥車時間為 50 s，一次撥車走行距離為22 m.優(yōu)化后第二部分的最大撥車力為1 516 kN，小于1 650 kN.每次撥車過程撥車時間降低了19.5 s.

第三部分的最佳速度曲線出現(xiàn)在t2=34.9s，vm=0.6 ms-1時，如表5 所示.

表5 優(yōu)化速度曲線3

優(yōu)化速度曲線3的加速段由1.5 s加速到4.99 s，最高運(yùn)行速度為 0.6 m/s，在該速度下勻速運(yùn)行29.91 s，接著進(jìn)入減速階段，減速階段為10.1 s，速度減到 0，停車，完整撥車時間為 45 s，一次撥車走行距離為22 m.優(yōu)化后59～82次撥車過程的最大撥車力為1 520 kN，小于1 650 kN.每次撥車過程撥車時間降低了24.5 s.

第四部分的最佳速度曲線出現(xiàn)在t2=34.537s，vm=0.62 ms-1時，如表6 所示.

表6 優(yōu)化速度曲線4

優(yōu)化速度曲線4的加速段由1.5 s加速到4.99 s，最高運(yùn)行速度為 0.62 m/s，在該速度下勻速運(yùn)行29.547s，接著進(jìn)入減速階段，減速階段為8.463 s，速度減到0，停車，完整撥車時間為 43 s，一次撥車走行距離為22 m.優(yōu)化后83～114次撥車過程的最大撥車力為1 641 kN，小于1 650 kN.每次撥車過程撥車時間降低了26.5 s.

第五部分的最佳速度曲線出現(xiàn)在t2=29.417s，vm=0.7 ms-1時，如表7 所示.

表7 優(yōu)化速度曲線5

優(yōu)化速度曲線5的加速段由1.5 s加速到4.99 s，最高運(yùn)行速度為 0.7 m/s，在該速度下勻速運(yùn)行24.427 s，接著進(jìn)入減速階段，減速階段為10.583 s，速度減到0，停車，完整撥車時間為40 s，一次撥車走行距離為22 m.優(yōu)化后115～120次撥車過程的最大撥車力為1 375 kN，小于1 650 kN.每次撥車過程撥車時間降低了29.5 s.

原始速度曲線和五種優(yōu)化速度曲線的對比如表8所示.

表8 速度曲線對比表

按原始速度曲線運(yùn)行，4萬噸列車120次撥車過程共需要69.5×120=8 340 s.按照優(yōu)化速度曲線運(yùn)行，總撥車時間由五部分組成，第一部分總撥車時間為69.5×5=347.5 s，第二部分總撥車時間為50×53=2 650 s第三部分總撥車時間為45×24=1 080 s，第四部分總撥車時間為43×32=1376 s，第五部分總撥車時間為40×6=240 s，五部分總的撥車時間為5 693.5 s.

與按原始速度曲線撥送四萬噸列車8340s相比，按照新的速度曲線撥送這列車僅需5693.5s，縮短了2 646.5 s，縮短31.7%.因此使用五種新速度曲線可以有效提升撥車效率，充分發(fā)揮撥車機(jī)撥車能力.

6 結(jié)論

本文利用撥車機(jī)動態(tài)載荷仿真系統(tǒng)，仿真計算了撥車機(jī)牽引4萬噸列車的撥車載荷，并以4萬噸列車為研究目標(biāo)，分析了車鉤間隙及速度曲線對撥車力的影響，在此基礎(chǔ)上對4萬噸列車撥車機(jī)速度曲線進(jìn)行了分段優(yōu)化，得到如下結(jié)論:

(1)撥車機(jī)牽引4萬噸列車按原始速度曲線運(yùn)行，最大撥車力為1 679 kN;

(2)車鉤間隙小于40mm時，增大車鉤間隙能有效減小最大撥車力;而當(dāng)車鉤間隙大于40 mm時，增大車鉤間隙減小最大撥車力的效果降低;

(3)對于4萬噸列車，使用不同的速度曲線，撥車力是不同的，縮短速度曲線中的勻速階段有助于減小最大撥車力，隨著勻速階段的減短，最大撥車力減小的幅度會變小;

(4)將4萬噸列車撥車過程適當(dāng)?shù)姆殖蓭撞糠?，每部分采用不同的速度曲線，可以充分利用撥車機(jī)撥車能力，大幅度的提高撥車效率.本文中提出的五段速度曲線，將撥車效率提高了31.7%.

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