制動(dòng)充氣時(shí)間對(duì)快捷列車縱向沖動(dòng)影響研究

張淵，魏偉，趙旭寶，張軍

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

制動(dòng)系統(tǒng)作為快捷貨車重要組成部分，其性能影響列車的行車安全與縱向沖動(dòng).文獻(xiàn)[1]介紹了我國(guó)快捷貨車制動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀，并提出了制動(dòng)技術(shù)發(fā)展遇到的問(wèn)題，從標(biāo)準(zhǔn)體系、制動(dòng)特性、縱向沖動(dòng)等方面討論了我國(guó)快捷貨車制動(dòng)技術(shù)發(fā)展方向.文獻(xiàn)[2]指出快捷貨車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)為適應(yīng)短編組和混編需要，制動(dòng)缸充氣時(shí)間應(yīng)在5～7s.文獻(xiàn)[3]對(duì)快捷貨車制動(dòng)機(jī)選型進(jìn)行討論，分析了120閥與104閥的適用性，根據(jù)快速貨車制動(dòng)機(jī)特點(diǎn)確定采用KZ1閥.文獻(xiàn)[4]介紹了國(guó)外快捷貨車制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)缸充氣時(shí)間應(yīng)在3～5s，并以P160D快捷貨車為例進(jìn)行了制動(dòng)能力核算.由于制動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及計(jì)算機(jī)能力的提升，實(shí)驗(yàn)的耗時(shí)、費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)性大，促使人們轉(zhuǎn)向模擬研究制動(dòng)系統(tǒng)性能與列車縱向沖動(dòng)之間影響.文獻(xiàn)[5-6]將列車空氣制動(dòng)仿真系統(tǒng)與縱向動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)進(jìn)行融合，同步計(jì)算制動(dòng)系統(tǒng)特性和列車縱向沖動(dòng)，大大地提高了系統(tǒng)的廣泛適用性與準(zhǔn)確性.文獻(xiàn)[7]采用仿真方法模擬并研究了制動(dòng)缸充氣特性對(duì)貨運(yùn)列車性能的影響.文獻(xiàn)[8]根據(jù)列車縱向動(dòng)力學(xué)理論和模型，采用MATLAB軟件編寫縱向動(dòng)力學(xué)程序，對(duì)列車的起動(dòng)、緊急制動(dòng)兩種工況進(jìn)行計(jì)算.本文采用列車空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，對(duì)20輛快捷貨車P160D編組列車進(jìn)行緊急制動(dòng)工況仿真計(jì)算，并詳細(xì)比較分析了不同制動(dòng)缸充氣時(shí)間對(duì)列車在縱向動(dòng)力學(xué)性能上的差異.

1 快捷列車縱向動(dòng)力學(xué)仿真模型

根據(jù)列車縱向動(dòng)力學(xué)分析理論，將列車中每個(gè)機(jī)車車輛模型化為一個(gè)集中質(zhì)量，僅考慮每個(gè)質(zhì)量塊的縱向自由度，各質(zhì)量塊間由彈簧阻尼器連接，每個(gè)車輛的運(yùn)動(dòng)方程式為：

(i=1，2,…，n)

(1)

通過(guò)求解方程(1)，獲得列車中每個(gè)車輛的加速度，再通過(guò)加速度與速度、位移之間的關(guān)系，計(jì)算出列車在發(fā)生縱向沖動(dòng)時(shí)車輛的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù).

本文快捷貨車采用P160D車型，制動(dòng)系統(tǒng)采用空氣制動(dòng).制動(dòng)仿真包括氣體流動(dòng)的計(jì)算和閥內(nèi)移動(dòng)部件位置計(jì)算兩部分內(nèi)容.氣體流動(dòng)的計(jì)算根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)求解列車制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)瞬態(tài)方程獲得列車制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)與緩解過(guò)程中氣體流動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)過(guò)程[6].

(2)

式中，u為流體速度，ρ為流體密度，p為流體壓力，F(xiàn)為管路截面積，a為聲速，f為管內(nèi)壁摩擦系數(shù)，q為單位時(shí)間內(nèi)氣體與外界交換的熱量，k為比熱比，D為流體水力直徑，t為時(shí)間，x為距離.

快捷貨車采用KZ1車輛閥物理模型，通過(guò)分配閥機(jī)理編制了各種分配閥動(dòng)作邏輯程序，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛閥復(fù)雜氣動(dòng)部件的各種功能.每個(gè)車輛制動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)模型如圖1所示[9].

第三，古村古鎮(zhèn)群的個(gè)性特征是差異化發(fā)展的基礎(chǔ)。小尺度空間上文化景觀形態(tài)相似的旅游景區(qū)的聚集，必須發(fā)現(xiàn)各自的顯著差異，為差異化共生關(guān)系的構(gòu)建打好基礎(chǔ)。懷化市中部的古村古鎮(zhèn)群的實(shí)際情況及其分析依據(jù)實(shí)現(xiàn)了差異的個(gè)性化識(shí)別，事實(shí)上，“中國(guó)南方喀斯特世界自然遺產(chǎn)”“中國(guó)丹霞世界自然遺產(chǎn)”等也可以依法推演。

圖1 單車制動(dòng)系統(tǒng)模型

緩沖器特性對(duì)列車的縱向沖動(dòng)有著極大的影響，本文快捷貨車緩沖器采用JN30型膠泥緩沖器.緩沖器動(dòng)力學(xué)模型方程可表示為：

F=F0+Fk+Fd

(3)

其中：F0為緩沖器的初壓；Fk為彈性元件的彈性力，彈性力包括環(huán)簧組的彈性力和缸體內(nèi)膠泥的彈性回復(fù)力；Fd為阻尼元件的阻尼力；F為緩沖器總的阻抗力.

2 快捷列車縱向沖動(dòng)仿真分析

鑒于快捷運(yùn)輸采用快捷貨車整編運(yùn)營(yíng)的方式，本文以一輛SS9型機(jī)與20輛P160D敞車組成的快捷列車為例[2]，分析其在160 km/h制動(dòng)初速度下，緊急制動(dòng)工況時(shí)列車縱向沖動(dòng).通過(guò)調(diào)整程序副風(fēng)缸與制動(dòng)缸充氣空面積來(lái)改變制動(dòng)缸充氣速度，實(shí)現(xiàn)快捷貨車制動(dòng)缸充氣時(shí)間在3～7 s之間變動(dòng).

圖2(a)是滿載快捷貨車制動(dòng)缸充氣過(guò)程，由于制動(dòng)缸活塞背后存在緩解彈簧的彈力，故制動(dòng)缸壓力曲線在上升到約40 kPa時(shí)出現(xiàn)一個(gè)小的平臺(tái)，待制動(dòng)缸活塞伸出后制動(dòng)缸壓強(qiáng)繼續(xù)上升，最終穩(wěn)定在442 kPa；制動(dòng)缸充氣時(shí)間在5～7 s時(shí)，制動(dòng)缸升壓先快后慢特性明顯.由于快捷貨車空重車調(diào)整裝置采用截流設(shè)計(jì)，制動(dòng)缸壓力隨時(shí)間變化過(guò)

(a) 滿載

(b) 空載

程如圖2(b)，在制動(dòng)缸鉤貝伸出后制動(dòng)缸壓力基本呈直線上升，最終穩(wěn)定在162 kPa，空載快捷貨車制動(dòng)缸充氣時(shí)間分別是1.1～1.7 s.表1列出了不同制動(dòng)缸充滿時(shí)間快捷列車緊急制動(dòng)距離，隨著制動(dòng)缸充滿時(shí)間從3 s增加到7 s，滿載快捷列車制動(dòng)距離從1 012 m增加到1 070 m，空載快捷列車的制動(dòng)距離從1 202 m增加到1 222 m.

表1 制動(dòng)缸不同充氣時(shí)間快捷列車緊急制動(dòng)距離 m

車輛運(yùn)行中過(guò)大車鉤力會(huì)造成車輛損傷，而縱向加速度會(huì)影響車輛運(yùn)行平穩(wěn)性.圖3為滿載快捷列車在平直道進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，車輛間最大車鉤力與車輛最大加速度列車分布情況.從圖3(a)中可以看出，列車中車鉤力以壓鉤力為主，最大壓鉤力出現(xiàn)在列車中部，最大拉鉤力出現(xiàn)在列車前部.制動(dòng)缸充滿時(shí)間對(duì)快捷列車車鉤力分布總體趨勢(shì)沒(méi)有影響，但隨著制動(dòng)缸充滿時(shí)間的增加，列車最大壓鉤力從-260 kN減小到-171 kN，最大拉鉤力從123 kN減小到66 kN.

(a) 最大車鉤力

(b)最大加速度

在圖3(b)加速度分布圖中，制動(dòng)過(guò)程中列車最大瞬時(shí)加速度主要以減速度為主，但是由于車輛間緩沖器反彈作用也出現(xiàn)了正向加速度，但是數(shù)值略小，隨著制動(dòng)缸充氣速度的增大，車輛最大瞬時(shí)減速度從-3.6 m/s2減小到-2.9 m/s2.

圖4是當(dāng)快捷貨車分別為滿載和空載兩種狀態(tài)下，制動(dòng)缸充氣時(shí)間對(duì)列車間最大車鉤力與車輛最大加速度之間的影響.從圖中可以看出隨著制動(dòng)缸充氣時(shí)間延長(zhǎng)，滿載的快捷列車最大車鉤力與加速度均有所減?。欢蛰d快捷貨車由于空重車調(diào)整裝置，制動(dòng)缸充滿時(shí)間變化不足1 s，空載列車最大車鉤力與加速度基本沒(méi)有變化.由于快捷列車主要運(yùn)送貴重物品為主，在列車車鉤力較小的情況下，需要控制車輛的最大振動(dòng)加速度，防止貨物損壞.

圖4 制動(dòng)缸充氣時(shí)間對(duì)列車車鉤力與加速度的影響

3 空重混編情況快捷列車縱向沖動(dòng)

由于快捷列車空載車輛制動(dòng)缸先于滿載車輛制動(dòng)缸充滿，而空載車輛制動(dòng)能力又低于滿載車輛，故當(dāng)快捷列車存在空重混編時(shí)列車縱向沖動(dòng)更為復(fù)雜.為了分析不同制動(dòng)缸充氣性能對(duì)混編列車縱向沖動(dòng)的影響，快捷混編列車由15輛滿載車輛+5輛空載車輛編組而成.

快捷混編列車以160 km/h速度運(yùn)行實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，各車輛制動(dòng)缸充滿時(shí)間隨車輛位置的變化情況如圖5所示.從圖中可以看出，前15輛滿載車輛制動(dòng)缸充滿時(shí)間隨著車輛編組位置呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是制動(dòng)作用沿車長(zhǎng)向后傳遞以及制動(dòng)缸充氣過(guò)程共同作用的結(jié)果；但在第16車以后是空載快捷貨車，制動(dòng)缸充滿時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前面滿載快捷貨車，故制動(dòng)開(kāi)始初期，位于尾部的空載快捷貨車先于前部車輛達(dá)到穩(wěn)定，列車后部以較大制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng).

圖5 混編快捷列車制動(dòng)缸充滿時(shí)刻隨車位分布

圖6是緊急制過(guò)程中混編列車中最大車鉤力和車輛最大加速度分布.從圖6(a)中可以看到混編列車在進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，車輛最大車鉤力總體上隨著車輛編組位置逐步增大，但最大壓鉤力在空載車輛和滿載車輛的連接位置快速降低，這主要是位于尾部的空載車輛制動(dòng)缸較快充滿，制動(dòng)初期制動(dòng)力較大減弱了車輛前涌帶來(lái)的沖擊.而隨著制動(dòng)缸充氣時(shí)間的增加，快捷混編列車最大車鉤力從-151 kN 降低到-134 kN，下降了11.3%.圖6(b)中可以看出混編列車中空載車輛的縱向加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滿載車輛.隨著制動(dòng)缸充氣時(shí)間的從7 s縮短到3 s，混編列車中，滿載車輛最大加速度變化不大，在-2.2 m/s2左右，空載車輛從-3.9 m/s2減少到-2.5 m/s2.

(a) 最大車鉤力

(b)最大加速度

表2列出了20輛快捷列車編組中，5輛空載車輛置于不同位置進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸采用不同的充氣時(shí)間，混編列車最大車鉤力與最大加速度數(shù)值.從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著快捷貨車制動(dòng)缸充氣時(shí)間延長(zhǎng)，混編列車制動(dòng)距離增大，但均在1 400 m緊急制動(dòng)距離內(nèi)，列車間最大車鉤力和滿載車輛最大加速度有所降低， 最大車鉤力都發(fā)生在列車中部，且小于250 kN，滿載車輛最大加速度達(dá)到2.5 m/s2，均是空載和滿載車輛銜接附近車輛；而空載快捷貨車在列車中編組位置也會(huì)影響車輛間縱向沖動(dòng)，在車輛制動(dòng)缸充氣性能確定后，5輛空載快捷貨車編組位置從列車首部移動(dòng)到后部過(guò)程中，全列車制動(dòng)缸充滿時(shí)間有所減少，最大車鉤力有所降低，但是滿載車輛最大加速度卻先減小后增大.

表2 空車編組位置不同的空重混編列車縱向沖動(dòng)比較

4 結(jié)論

本文利用列車空氣制動(dòng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，建立快捷列車模型，研究了列車在平直道緊急制動(dòng)工況下，不同制動(dòng)缸充氣時(shí)間對(duì)滿載和空載狀態(tài)快捷列車、空重混編快捷列車縱向沖動(dòng)的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)制動(dòng)缸充氣時(shí)間影響快捷列車制動(dòng)距離.滿載快捷貨車制動(dòng)缸充氣時(shí)間從3 s增長(zhǎng)到7 s，快捷滿載列車制動(dòng)距離延長(zhǎng)58 m；對(duì)應(yīng)空載狀態(tài)下快捷貨車充氣時(shí)間則從1.1s增長(zhǎng)到1.7 s，空載快捷空載列車制動(dòng)距離延長(zhǎng)了20 m；5輛空車和15輛重車組成的混編快捷列車制動(dòng)距離延長(zhǎng)了55 m；

(2)快捷貨車制動(dòng)缸充氣時(shí)間對(duì)快捷列車縱向沖動(dòng)的影響與快捷列車載重狀態(tài)有關(guān).制動(dòng)缸充氣時(shí)間從3 s增長(zhǎng)到7 s，快捷滿載列車最大壓鉤力從260 kN減小到171 kN，降低了34.6%；最大瞬時(shí)加速度從-3.6 m/s2減小到-2.9 m/s2下降了19.4%.空載快捷列車最大車鉤力與最大加速度基本不變，分別為-192 kN和-3.3 m/s2；

(3)5輛空車和15輛重車組成的空重混編快捷列車緊急制動(dòng)下，空載車輛先于滿載車輛制動(dòng)缸充滿，混編列車最大車鉤力低于250 kN，滿載快捷車輛最大加速度低于2.5 m/s2.制動(dòng)缸充氣時(shí)間從3s增長(zhǎng)到7s，混編列車最大車鉤力降幅最大為21%，混編列車中滿載車輛最大加速度降幅最大為26%.