重载列车制动特性的试验研究

陈浩，魏伟

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

重载列车制动特性的试验研究

陈浩，魏伟

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

为了减小重载列车因制动及缓解不同步而造成的纵向冲动,研究制动特性对纵向冲动的影响,根据线路试验实测数据分析了单编万吨列车在常用制动及缓解工况下的试验特性.结果表明：单编万吨列车减压50 kPa常用制动时制动波速为163 m/s，减压100 kPa常用制动时制动波速为202 m/s.列车在制动过程中，制动作用沿列车长度方向具有制动起始时间的不同时性和制动缸升压速度的不均匀性.单编万吨列车常用制动不论制动减压量多少，随着车辆序号的增大，勾贝伸出时间均变长，列车管减压量越大，则制动缸勾贝伸出越早，首尾车开始制动的时间差越小，即平均制动波速越高.缓解工况时各车位从列车管开始充气到制动缸开始排气存在一定的时间差，所以列车管开始充气一段时间后列车管缓解曲线才出现明显的尖峰，加速缓解风缸才开始发挥“局部增压”的作用.

重载列车；制动特性；缓解特性；纵向冲动；试验分析

0 引言

随着我国经济实力的不断攀升,我国铁路重载运输事业得到了快速发展,但随着重载列车牵引质量增加、编组增大以及速度的提高，纵向冲动越来越大，较大的纵向冲动很容易使车辆在运行中发生车钩断裂、列车脱轨等问题，所以对列车纵向冲动问题的研究一直受到世界各国科技工作者的高度重视[1-2].制动及缓解不同步是列车产生纵向冲动的根本原因[3]，研究制动及缓解特性与纵向冲动的关系对于理解列车纵向冲动机理，从制动与缓解特性入手降低车钩力具有重要意义.一般认为制动及缓解特性影响列车纵向冲动的因素是制动及缓解波速，波速越高，纵向冲动越小[4-5],对于制动波与缓解波传播的均匀性以及缓解时加速缓解风缸对列车管升压特性的影响还没有明确的定论，本文在线路试验所得数据的基础上，分析单编万吨列车运行时的制动及缓解特性.

1 试验介绍

试验工作在神华集团铁路货车运输公司及包头分公司、榆林分公司的精心组织协调及配合下，于2014年8～10月在神朔铁路和朔黄铁路进行，前后共进行了16次往返的列车线路运行试验.

大连交通大学负责列车纵向动力学试验测试，通过设置车头至车尾10个测试断面，得到车钩力、缓冲器压缩量、制动缸压力、副风缸压力及列车管压力的同步测试数据.

试验车整备工作于2014年8月2～11日在神华包头车辆维修分公司完成.选取10辆新C80型敞车为试验用车，均匀编组于106辆列车中，每辆试验车均在车辆1位端更换测力车钩，安装缓冲器压缩量测试工装及位移传感器，制动缸上安装气体压力传感器，副风缸上安装气体压力传感器；2位端组合式集尘盒上安装气体压力传感器；1位端底板上安装防水仪器箱；1位端手制动机上安装GPS天线.

列车纵向力的测试主要通过测力车钩传感器来实现.测力车钩为齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司提供的17号车钩，钩身上开槽布置电桥，上覆盖板保护桥路.加工好的测力车钩在齐轨道公司实验室完成标定，在神华铁路货车运输有限责任公司包头车辆维修分公司段修车间完成车钩更换.缓冲器压缩量传感器选用OPTEX公司CD33-250NV型激光位移传感器.安装传感器的工装分为一个支撑架和一个反光板.支撑架焊在缓冲器前从板下方，反光板焊在缓冲器箱体处，传感器固定在支撑架上，激光头指向反光板.传感器供桥电压24V，输出电压-5 V～5 V.制动系统压力测试传感器选用Leeg公司生产的SMP131压力变送器.传感器供桥电压12 V，量程1 MPa，输出电压0～5 V.

数据采集设备选用东华测试公司5910型具有GPS芯片同步采集功能的8通道离线数据采集设备采集测试信号.试验中采集频率为1000Hz，1～5通道分别对应测力车钩、位移传感器、制动缸压力、副风缸压力、列车管压力信号.

列车在神朔铁路(神木-朔州)和朔黄铁路(朔州-黄骅港)采用HXD1型机车和SS4b型机车牵引，两种机车不混编运用，58位车后可能加配从控机车.本文根据1台HXD1型机车牵引116辆C80型敞车的1+0编组方式在朔黄铁路所测得的试验数据分析单编万吨列车制动特性.

2 制动特性试验分析

列车制动时,司机将制动阀手把放至制动位,列车管内压缩空气经自动制动阀排气减压, 每个车辆处的列车管压力下降，使车辆分配阀主活塞两侧形成压力差,副风缸内的压缩空气将主活塞推向制动位,从而打开了分配阀上通往制动缸的通路,使副风缸内的压力空气充入制动缸,产生制动作用,所以通过对列车管、副风缸及制动缸内的空气压力进行测试，可得到空气制动系统的制动和缓解特性，进而分析空气制动系统对列车纵向冲动的影响[6].

图1 不同减压量制动时勾贝开始伸出时间曲线

列车在实际运行中发生紧急制动的情况很少,大多数工况下列车制动为常用制动,本次试验过程中发现列车管减压50～120 kPa为列车制动时常用减压量,图1为三种不同减压量常用制动时制动缸开始充气时刻沿车长方向的分布，即制动波的传播过程，从列车管减压50 kPa到减压120 kPa，制动缸勾贝开始伸出时间如表1所示.

表1 不同减压量制动时勾贝开始伸出时间 s

图1中三条不同减压量制动工况下勾贝开始伸出时间曲线形状相似,减压量越大，各车位勾贝开始伸出时间越短，曲线变化更加平滑.结合表1可知无论制动减压量为多少，随着车辆序号的增大，各车位制动缸勾贝开始伸出时间逐渐变晚,制动波从车头向车尾顺次传播；从不同减压量制动工况下的勾贝开始伸出时间曲线和表格可以发现勾贝开始伸出时间会受到列车管减压量的影响，减压量越大，勾贝开始伸出时间越早.由表1中首尾测试车辆勾贝伸出时间差变化规律可知，制动时列车管减压量越大，首尾车开始制动的时间差越小，即平均制动波速越高.制动缸勾贝开始伸出时间曲线斜率随着车辆序号的增大呈现出减小的趋势，说明制动波的传播是先慢后快的，制动波的传播是逐渐加快而不是等速传播，等速传播时上述曲线应该是直线.

图2是单编万吨列车常用制动减压50 kPa各车位的制动缸升压曲线.从图中可以看出制动缸压力上升是从首车位置开始的，然后逐渐向后传递，因此列车中每一辆车的制动作用并不是同时发生的，首测试车4车位的制动缸压力上升时刻最早，最后一辆测试车116车位的制动缸压力上升时刻最晚，这就造成列车前后部分制动开始时刻存在时间差，即制动作用具有制动起始时刻的不同时性.各车位制动缸开始进气后气压先急速增大,即图中压力曲线开始后的直线上升阶段,当进入制动缸内的气体压力增大到能够克服制动缸活塞动作阻抗和缓解弹簧弹力时,勾贝伸出,勾贝伸出后由于缸内体积变大,气体膨胀所以制动缸内气压变小,所以曲线在初跃升之后有一段回落,之后随着进入制动缸内的气体越来越多,气压也随之增大，曲线缓慢上升.

图2 减压50 kPa制动缸升压曲线

3 缓解特性试验分析

我国重载列车主要通过增加车辆编组数量从而提高运输重量和效率，这就造成列车越来越长，列车管总容积越来越大，由于缓解工况列车管的增压完全靠机车总风缸向列车管充风来实现，当列车比较长的时候列车管增压速度就会很低，列车前后部作用存在时间差，使运行中的列车产生强烈的纵向冲动.

缓解工况时，制动缸压力空气经由分配阀或控制阀的排气管路进入加速缓解阀，打开加速缓解风缸到列车管的通路，然后才排入大气.加速缓解风缸具有额定压强的压力空气逆流到列车管，产生局部增压作用，促使其后相邻车辆的分配阀加速缓解，使列车管增压速度不会沿列车长度逐渐严重衰减，使列车前后部缓解作用的时间差得以减小，从而减轻列车在运行中缓解所产生的纵向冲动.

试验中常用制动列车管最小减压量为50 kPa，试验列车所安装的空气制动机为120-1型空气制动机.图3为列车管减压50 kPa制动后的缓解曲线.缓解时来自机车供风系统的压力空气沿列车长度方向由前向后传播，使不同车位列车管压力顺次上升.由于距离机车较近，机车充风能力较强，4车位列车管在254 s最先开始充气，充气前列车管压力为532 kPa，一直到257 s列车管压力曲线斜率都非常大，斜率越大则说明列车管压力上升速度越快，257 s后曲线变平缓，压力上升速度减慢，结合图4中4车位制动缸压力曲线可知此时刻开始制动缸压力曲线开始下降，4车位进入缓解工况，列车管中压力空气进入副风缸所以列车管压力曲线变平缓；34车位列车管在255 s开始充气，压力上升速度较4车位有所减缓，由图4可知34车位制动缸在264 s才开始排气，从列车管开始充气到制动缸开始排气存在一定的时间差，其它后部车辆同样如此，所以列车管开始充气一段时间后列车管压力曲线才出现明显的尖峰，加速缓解风缸才开始发挥“局部增压”的作用；62与84及116车位在列车管再充气开始后的前10 s内曲线形状都比较相近，曲线斜率都较小，列车管气压上升速度都比4车位及34车位慢，说明机车供风系统在小减压量制动后缓解时中后部车辆列车管气压上升缓慢.

图3 列车管减压50 kPa制动后缓解曲线

图4 制动缸排气曲线

图5是单编万吨列车常用制动减压100 kPa后缓解工况下各车位的制动缸降压曲线以及对应车位的列车管升压曲线.从图中可以看出首测试车4车位的制动缸压力下降时刻最早，然后随着车辆序号的增大各车位制动缸压力依次减小，最后一辆测试车116车位的制动缸压力下降时刻最晚，因此列车中每一辆车的缓解作用并不是同时发生的，这就造成列车前后部分缓解开始时刻存在时间差，即缓解作用具有缓解起始时刻的不同时性;不同车位制动缸降压曲线都分为三段，即减压速度呈先快中慢后快的分布规律;各车位制动缸开始排气后气压先快速减小，即图中压力曲线开始下降后的阶段，当制动缸内的气体压力减小到小于缓解弹簧弹力时，即制动缸内气压减小到35 kPa后，勾贝缩回，勾贝缩回后由于缸内体积变小，气体被压缩所以制动缸内气压下降速率变慢，所以曲线在快速下降一段时间之后有所变缓,勾贝缩回之后制动缸内的气体又按照减压开始时的排气速率继续减少，曲线又快速下降；从图中还可以看出列车管缓解升压开始时刻发生在制动缸降压开始之前，列车管缓解开始一段时间后制动缸才开始降压，随后制动缸内压力空气经分配阀的排气管路进入加速缓解阀，打开加速缓解风缸到列车管的通路，使加速缓解风缸内的压力空气逆流到列车管，从而产生局部增压作用，促使其后相邻车辆的分配阀加速缓解，使列车管缓解增压速度不会沿列车长度逐渐严重衰减，从而减小列车前后部缓解作用的时间差，进而减轻列车缓解时的纵向冲动.

图5 列车管减压100 kPa后缓解曲线

4 结论

列车制动及缓解不同步是造成列车纵向冲动的主要原因，本文通过试验所得数据定量的分析了常用制动时列车管减压量与勾贝伸出时间的关系、缓解时列车管升压特性，以及制动与缓解特性对列车纵向冲动的影响，得到的结论如下:

(1)制动时列车管减压量越大，首尾车开始制动的时间差越小，即平均制动波速越高；

(2)常用制动时制动波的传播沿车长方向是先慢后快的而不是等速传播；

(3)列车在制动后缓解工况下，加速缓解风缸对列车管能起到局部增压的作用，后部车辆的增压效果尤其显著.

[1]钱立新.世界重载铁路运输技术的最新发展[J].机车电传动,2010(1)：3-7.

[2]MURTAZA M A，GARG S B L．Parametric study of a railway air brake system[J]．Proceedings Institution Mechanical Engineers，Part F,1992,206(2):213-234.

[3]耿志修. 大秦铁路重载运输技术[M].北京：中国铁道出版社,2009.

[4]蒋益平，池茂儒，朱海燕．两万吨重载组合列车牵引和制动时的车钩力分析[J].机车电传动,2013(1)：23-26.

[5]魏伟，赵连刚．两万吨列车纵向动力学性能预测[J]．大连交通大学学报,2009,30(2):39- 43.

[6]魏伟．两万吨组合列车制动特性[J].交通运输工程学报,2007,7(6):12-16.

Experiment Research on Braking Performance of Heavy Haul Train

CHEN Hao, WEI Wei

(School of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116000, China)

In order to reduce the heavy haul train longitudinal impulse caused by braking and releasing asynchronism and improve brake propagation speed and releasing propagation speed, line experiment analysis is conducfed according to field test data of the single ton train experiment features of braking and releasing. The results demonstrate that the brake propagation is not propagating at a constant speed but rather slowly first and then faster. The more the train brake pipe pressure reduction,the shorter end to the end car starts braking time is, that is, the higher average braking propagation speed. When the train traveling in the downhill road, the maximum train coupler forces occurr in brake releasing conditions and serious pressure on the rear of the vehicle couplers.

heavy haul train; braking performance; releasing performance; longitudinal dynamics; experimental analysis

1673- 9590(2017)02- 0011- 04

2016-02-02

陈浩(1989-)，男，硕士研究生； 魏伟(1963-)，男，教授，博士，从事列车空气制动与纵向动力学的研究

A

E- mail:chenhao890227@126.com.