摘要：探討了牽引列車制動(dòng)滯后導(dǎo)致半掛車折疊的力學(xué)原理與應(yīng)對(duì)策略。通過(guò)分析制動(dòng)滯后的定義、牽引力與制動(dòng)力的不平衡以及慣性力對(duì)半掛車的影響，揭示了折疊現(xiàn)象發(fā)生的條件及其力學(xué)過(guò)程。研究表明，優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、加強(qiáng)車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提升駕駛操作與應(yīng)急措施是防止折疊事故的有效手段。研究結(jié)論為提高列車行車安全性提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：牽引列車；制動(dòng)滯后；半掛車折疊；力學(xué)原理

中圖分類號(hào)：U469.5 收稿日期：2024-06-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.013

1 牽引列車制動(dòng)滯后的力學(xué)原理

1.1 制動(dòng)滯后的定義與表現(xiàn)

牽引列車的制動(dòng)滯后現(xiàn)象通常是指列車在啟動(dòng)制動(dòng)操作后，制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際開(kāi)始減速的時(shí)間延遲。這種滯后主要源自液壓、氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)中的壓力傳遞延時(shí)，或是由電磁制動(dòng)系統(tǒng)的電信號(hào)響應(yīng)時(shí)間不足引發(fā)的。在這種情況下，制動(dòng)器未能在第一時(shí)間對(duì)所有車廂和半掛車施加制動(dòng)力，導(dǎo)致整個(gè)列車系統(tǒng)的減速行為不均勻，增加了列車在行駛中的不穩(wěn)定性。制動(dòng)滯后現(xiàn)象不僅影響列車的整體制動(dòng)效率，還會(huì)導(dǎo)致某些特定條件下的半掛車發(fā)生危險(xiǎn)的折疊現(xiàn)象，尤其在濕滑路面或陡坡情況下，這種滯后會(huì)放大慣性力的影響，致使列車與半掛車間的牽引力與制動(dòng)力之間出現(xiàn)明顯的時(shí)間差，從而引發(fā)折疊事故［1］。圖1為牽引車與半掛車碰撞圖。此外，滯后的制動(dòng)表現(xiàn)還與列車的總重量、速度以及半掛車的載荷分布密切相關(guān)，當(dāng)這些因素達(dá)到臨界值時(shí)，制動(dòng)滯后帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)將成倍增加。因此，研究和解決制動(dòng)滯后現(xiàn)象對(duì)于提升列車行車安全性至關(guān)重要。

1.2 牽引力與制動(dòng)力的不平衡分析

牽引力與制動(dòng)力的不平衡是牽引列車制動(dòng)滯后導(dǎo)致半掛車折疊的核心問(wèn)題之一。牽引力是指由牽引車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出并通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞至車輪的驅(qū)動(dòng)力，而制動(dòng)力是由制動(dòng)系統(tǒng)施加在車輪上的阻力。圖2所示為牽引車模型。在理想狀態(tài)下，這兩種力應(yīng)在列車的運(yùn)行過(guò)程中保持平衡，以確保整個(gè)列車系統(tǒng)在加速和減速過(guò)程中均能平穩(wěn)運(yùn)行。然而，在實(shí)際操作中，特別是在制動(dòng)滯后發(fā)生時(shí)，牽引力與制動(dòng)力的平衡往往會(huì)被打破。制動(dòng)滯后會(huì)導(dǎo)致前部車廂首先受到制動(dòng)力作用，而后部半掛車由于慣性力的影響仍以較高速度前行，此時(shí)，牽引車的牽引力不足以抵消半掛車的慣性力，產(chǎn)生的力矩作用在連接處，使得半掛車有向前折疊的趨勢(shì)。

為了更好地理解這種不平衡的影響，可以通過(guò)具體的數(shù)據(jù)分析加以說(shuō)明。假設(shè)一輛牽引列車的總質(zhì)量為30 t，其中牽引車的質(zhì)量為10 t，半掛車的質(zhì)量為20 t。當(dāng)列車以60 km/h的速度行駛并突然啟動(dòng)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)滯后導(dǎo)致前部車廂在0.5 s內(nèi)減速到40 km/h，而此時(shí)半掛車的速度依然接近60 km/h，如表1所示。根據(jù)慣性力公式計(jì)算，半掛車在減速過(guò)程中的慣性力可達(dá)40 kN，這一巨大慣性力作用于牽引連接處，將牽引力與制動(dòng)力的不平衡進(jìn)一步放大，最終導(dǎo)致半掛車折疊。

由此可見(jiàn)，隨著車速的增加，制動(dòng)滯后時(shí)間對(duì)慣性力的影響顯著增大，而慣性力的不平衡將直接威脅列車的安全運(yùn)行。為了解決這一問(wèn)題，優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，提高制動(dòng)力的傳遞效率，是確保牽引力與制動(dòng)力平衡的關(guān)鍵。

1.3 慣性力對(duì)半掛車的影響

慣性力在牽引列車制動(dòng)滯后情境下對(duì)半掛車的影響至關(guān)重要，是導(dǎo)致半掛車折疊事故的主要力學(xué)因素之一。根據(jù)牛頓第二定律，慣性力可以通過(guò)公式：

F=ma （1）

式中，F(xiàn)為慣性力；m為物體的質(zhì)量；a為物體的加速度。

對(duì)于一輛重達(dá)20 t的半掛車，當(dāng)其在制動(dòng)滯后過(guò)程中未能及時(shí)獲得制動(dòng)力時(shí)，其保持原有速度的慣性力將顯著作用于車輛連接處。如果牽引車已因制動(dòng)而減速，半掛車仍在慣性力的作用下繼續(xù)前行，這種不一致性會(huì)產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，可能會(huì)超過(guò)牽引設(shè)備和連接部件的承載能力，導(dǎo)致半掛車發(fā)生折疊。

這種力學(xué)現(xiàn)象在下坡路段或濕滑路面上尤為顯著。假設(shè)半掛車的質(zhì)量為20 000 kg，且在平直道路上以80 km/h的速度行駛，當(dāng)牽引車因制動(dòng)滯后而減速至60 km/h時(shí)，半掛車因慣性產(chǎn)生的力為：

F=20 000Δv/t （2）

式中，Δv為速度差；t為制動(dòng)滯后時(shí)間。

如果滯后時(shí)間為0.5 s，速度差為20 km/h（約等于5.56 m/s），則慣性力將達(dá)到222 400 N。這種巨大的力直接作用于半掛車的前端連接處，容易使連接部位失去穩(wěn)定性，導(dǎo)致折疊現(xiàn)象的發(fā)生。

慣性力的影響不僅取決于半掛車的質(zhì)量和速度，還與制動(dòng)滯后的時(shí)間密切相關(guān)。滯后時(shí)間越長(zhǎng)，慣性力的作用時(shí)間越長(zhǎng)，累積的內(nèi)應(yīng)力越大，最終導(dǎo)致的力學(xué)失衡也越嚴(yán)重。因此，減小制動(dòng)滯后時(shí)間、優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，以及合理分配半掛車的載荷分布，都是減小慣性力負(fù)面影響的重要手段［2］。通過(guò)引入先進(jìn)的制動(dòng)控制技術(shù)，如電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)，可以有效減少慣性力的作用時(shí)間，從而提高牽引列車的行車安全性，避免因慣性力過(guò)大而導(dǎo)致的半掛車折疊事故。

2 半掛車折疊的力學(xué)過(guò)程

2.1 半掛車折疊的發(fā)生條件

半掛車折疊的發(fā)生條件復(fù)雜且多樣，主要受制于車輛運(yùn)行中的力學(xué)狀態(tài)和外部環(huán)境因素的共同影響。在牽引列車制動(dòng)過(guò)程中，半掛車折疊的一個(gè)關(guān)鍵條件是牽引力與慣性力之間的失衡。當(dāng)列車啟動(dòng)制動(dòng)操作時(shí)，制動(dòng)滯后導(dǎo)致半掛車因慣性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，這種慣性力與牽引車減速所產(chǎn)生的牽引力相反，形成了一個(gè)巨大的內(nèi)應(yīng)力。如果牽引車和半掛車之間的連接結(jié)構(gòu)未能有效分擔(dān)或吸收這種應(yīng)力，就會(huì)使得半掛車在力的作用下發(fā)生折疊。此時(shí)，折疊的發(fā)生與車輛的載荷分布、路面狀況、制動(dòng)力分配等因素密切相關(guān)。重心較高、載荷不均勻的半掛車更容易在慣性力的作用下失穩(wěn)，發(fā)生折疊。此外，路面的濕滑、坡度變化等外部條件也會(huì)加劇這種不平衡狀態(tài)的發(fā)生概率。例如，在下坡路段，半掛車的慣性力增大，牽引車的制動(dòng)力相對(duì)不足，導(dǎo)致連接部位的受力增加，極易觸發(fā)折疊事故。因此，半掛車折疊的發(fā)生不僅僅是力學(xué)力作用的結(jié)果，還受到外部環(huán)境和車輛設(shè)計(jì)等多重因素的綜合影響。圖3所示為半掛模型，對(duì)其優(yōu)化車輛設(shè)計(jì)，合理分配載荷，改善制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，可以有效降低其折疊的發(fā)生概率，提高車輛行駛的安全性。

2.2 折疊過(guò)程中力的傳遞與分布

掛車在制動(dòng)滯后引發(fā)的折疊過(guò)程中，慣性力首先作用于掛車的前部連接裝置，使得連接處承受極大的拉伸或壓縮應(yīng)力。當(dāng)這種應(yīng)力超過(guò)連接裝置的設(shè)計(jì)極限時(shí)，力開(kāi)始沿著車架和懸掛系統(tǒng)向后傳遞，逐漸影響到整個(gè)車體結(jié)構(gòu)。此時(shí)，車架承受的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力迅速增加，車身可能出現(xiàn)局部變形，尤其是在力集中作用的部位，如車架的中段或靠近車輪的部分，更容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞。隨著力的繼續(xù)傳遞，折疊現(xiàn)象可能會(huì)沿著半掛車的縱向軸線擴(kuò)展，形成“折刀”狀的結(jié)構(gòu)斷裂，導(dǎo)致車廂在強(qiáng)烈的應(yīng)力作用下產(chǎn)生顯著的變形和位移。此外，折疊過(guò)程中，懸掛系統(tǒng)和輪胎也會(huì)受到劇烈的應(yīng)力沖擊，導(dǎo)致輪胎失穩(wěn)或懸掛系統(tǒng)損壞，從而加劇折疊現(xiàn)象的嚴(yán)重性。力的分布在這個(gè)過(guò)程中并非均勻，而是隨著結(jié)構(gòu)形態(tài)和材質(zhì)的變化呈現(xiàn)出不同的傳遞路徑。因此，為了減輕折疊過(guò)程中力的破壞效應(yīng)，必須在設(shè)計(jì)和制造階段考慮力的合理分布與緩沖機(jī)制，如加強(qiáng)車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化懸掛系統(tǒng)的彈性特性，確保連接部位的力學(xué)性能達(dá)到較高水平。這些措施可以有效分散和吸收折疊過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，降低結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險(xiǎn)，提升半掛車的整體抗折疊能力。

2.3 車輛結(jié)構(gòu)與折疊的關(guān)系

車輛結(jié)構(gòu)與半掛車折疊之間存在密切的力學(xué)關(guān)系，直接影響了折疊現(xiàn)象的發(fā)生概率和破壞程度。半掛車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括車架的材料強(qiáng)度、連接部件的設(shè)計(jì)以及懸掛系統(tǒng)的配置等，這些因素共同決定了車輛在受到外力作用時(shí)的應(yīng)力分布和形變能力。在牽引列車制動(dòng)滯后的情況下，慣性力作用于半掛車前端連接裝置，這一部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將直接影響折疊的發(fā)生。如果連接部件的材料強(qiáng)度不足或設(shè)計(jì)不合理，容易在大應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂或過(guò)度形變，導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性喪失。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，當(dāng)車架采用高強(qiáng)度鋼材時(shí)，其抗折疊能力顯著提高，能夠承受的最大應(yīng)力達(dá)到800 MPa，而普通鋼材的抗應(yīng)力極限則僅為500 MPa，這種差異在半掛車折疊過(guò)程中尤為明顯。

此外，車架的幾何設(shè)計(jì)也是影響折疊的重要因素之一。車架的縱向軸線設(shè)計(jì)如果存在過(guò)多的連接節(jié)點(diǎn)或薄弱點(diǎn)，力在傳遞過(guò)程中會(huì)形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部區(qū)域的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)斷裂。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在應(yīng)力集中區(qū)域，車架的局部應(yīng)力峰值可達(dá)1 200 MPa，遠(yuǎn)高于材料的設(shè)計(jì)極限，這種情況下，折疊現(xiàn)象幾乎不可避免。優(yōu)化車架設(shè)計(jì)，減少不必要的連接節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)關(guān)鍵部位的材料選擇與加工精度，可以有效分散應(yīng)力，降低折疊的風(fēng)險(xiǎn)。

懸掛系統(tǒng)對(duì)折疊的影響同樣不容忽視。懸掛系統(tǒng)的彈性特性直接關(guān)系到車輛在受到?jīng)_擊力時(shí)的緩沖能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用高彈性懸掛系統(tǒng)的半掛車在遭受慣性力沖擊時(shí)，懸掛系統(tǒng)能夠吸收約30%的沖擊力，顯著降低車架的受力強(qiáng)度，從而減少折疊的可能性［3］。通過(guò)優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升關(guān)鍵部位的材料強(qiáng)度和應(yīng)力分布合理性，能夠有效提高半掛車的抗折疊能力，確保車輛在復(fù)雜工況下的安全運(yùn)行。

3 應(yīng)對(duì)牽引列車制動(dòng)滯后的策略

3.1 優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間直接影響車輛在緊急情況下的減速和?？磕芰Γ绕鋵?duì)于長(zhǎng)列車而言，前后車廂之間的響應(yīng)同步性至關(guān)重要。提高制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，首先需要從技術(shù)層面入手，包括升級(jí)制動(dòng)器材質(zhì)、優(yōu)化液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)效率，減少制動(dòng)信號(hào)在系統(tǒng)中的延遲。同時(shí)，現(xiàn)代制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，如電子控制制動(dòng)系統(tǒng)（EBS），能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各車廂的速度和制動(dòng)力需求，通過(guò)電子控制器進(jìn)行瞬時(shí)調(diào)節(jié)，確保整個(gè)列車系統(tǒng)的制動(dòng)同步性。通過(guò)這種精確的控制，制動(dòng)滯后現(xiàn)象將大大減少，降低慣性力對(duì)半掛車的影響。此外，優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)還可以從系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)入手，通過(guò)減少機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高整體制動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)速度。集成化的制動(dòng)系統(tǒng)不僅減少了部件之間的摩擦和能量損耗，還能夠有效提升系統(tǒng)的可靠性和耐用性。在列車的日常維護(hù)中，定期檢測(cè)和維護(hù)制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵部件，確保其處于最佳工作狀態(tài)，也是避免制動(dòng)滯后現(xiàn)象的重要手段。

3.ce367803a6960d40d65f2d87c773dad43e96f0b6197c8aa8a6004ea83a53dbf02 加強(qiáng)車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加強(qiáng)車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是應(yīng)對(duì)半掛車折疊現(xiàn)象的重要策略，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效分散和抵消外力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

a.車架材料的選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，高強(qiáng)度合金鋼或復(fù)合材料的應(yīng)用能夠提高車架的抗壓抗拉強(qiáng)度，從而在受到慣性力作用時(shí)，能夠更好地保持整體穩(wěn)定性。

b.車架幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵，通過(guò)減少車架中的薄弱節(jié)點(diǎn)和力學(xué)應(yīng)力集中的部位，可以降低結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)同樣需要精細(xì)考慮，彈性與阻尼的合理配置能夠在車輛受到外力沖擊時(shí)，起到緩沖作用，減少力的直接傳遞。此外，牽引裝置的設(shè)計(jì)也需要特別關(guān)注，牽引桿的長(zhǎng)度、角度以及連接部件的強(qiáng)度直接關(guān)系到半掛車與牽引車之間的力傳遞效率。一個(gè)合理的牽引裝置設(shè)計(jì)，能夠在制動(dòng)過(guò)程中有效吸收部分慣性力，減輕牽引車和半掛車之間的應(yīng)力差，避免折疊事故的發(fā)生。

c.整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮到車輛的重心分布，通過(guò)合理的載荷分配和設(shè)計(jì)，使車輛在行駛過(guò)程中保持穩(wěn)定，減少因載荷不均而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3.3 提升駕駛操作與應(yīng)急措施

駕駛員的操作技能和應(yīng)急反應(yīng)能力在復(fù)雜路況和緊急情況下直接關(guān)系到車輛的安全。

a.駕駛員需要具備充分的專業(yè)知識(shí)和技能，了解牽引列車的特性和制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，能夠在不同的駕駛條件下做出最優(yōu)的操作決策。

b.定期進(jìn)行應(yīng)急操作培訓(xùn)是提升駕駛員應(yīng)急反應(yīng)能力的有效手段，通過(guò)模擬各種緊急情況，讓駕駛員熟悉在不同情境下的應(yīng)對(duì)措施，例如在制動(dòng)滯后情況下，如何通過(guò)合理的操作減少慣性力對(duì)半掛車的影響［4］。

c.駕駛員還需掌握車輛的日常維護(hù)技能，特別是對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的檢查和維護(hù)，確保車輛在出發(fā)前處于最佳狀態(tài)，減少由于機(jī)械故障導(dǎo)致的制動(dòng)滯后。

d.提高駕駛員的操作水平還需要結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段，例如通過(guò)安裝智能輔助駕駛系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的運(yùn)行狀態(tài)，提示駕駛員可能的風(fēng)險(xiǎn)，并提供操作建議。在緊急情況下，自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEB）的應(yīng)用也可以在駕駛員反應(yīng)不足時(shí)自動(dòng)介入，減少事故發(fā)生的概率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)牽引列車制動(dòng)滯后導(dǎo)致半掛車折疊的力學(xué)原理進(jìn)行深入分析，提出了有效的應(yīng)對(duì)策略。這些策略不僅有助于減少制動(dòng)滯后對(duì)列車行車安全的影響，還能在實(shí)際操作中提供參考，優(yōu)化列車運(yùn)行的整體安全性。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探討新型制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用和智能駕駛技術(shù)的整合，以進(jìn)一步提升列車的安全性能和運(yùn)行效率。

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作者簡(jiǎn)介：

霍加雄，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚈z驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證。