30 t轴重重载列车电控空气制动试验研究*

段明民

(中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081)

重载铁路技术以其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国的广泛重视，货运重载化也成为铁路货运发展的趋势。对于铁路货运，开行大轴重、长大编组列车是重载铁路的主要运输方式。

长大重载列车的制动技术是重载运输发展的关键问题之一[1]。传统的列车受到空气制动系统的固有特性制约，列车制动、缓解时延较长，导致列车各车辆间的纵向作用力大，给列车运行安全带来隐患。国外的ECP系统已经得到了较为广泛的应用[2-3]，而我国尚缺乏相应的成套技术。近年来我国针对重载列车采用ECP系统进行了大量研究，文献[4-6]针对重载列车的ECP模式和系统设计方案进行了探讨，文献[7-8]建立了ECP系统的仿真模型，对各种制动工况的性能其进行了计算仿真；文献[9-10]利用制动试验台对ECP系统的相关特性进行了系统研究。本试验以瓦日线30 t轴重线路和机车车辆技术平台为基础，对自主化重载列车电控空气制动系统进行技术验证和试验研究。

1 试验方案设计

1.1 试验线路区间

列车制动系统对列车运行安全的重要性主要体现在列车调速和停车等操纵上，而其中以长大下坡道的制动调速尤为关键。因此需要选择典型的线路区段进行试验。

瓦日线瓦塘～汤阴东区段限制坡度为6/13‰(重车上坡/下坡)，汤阴东～日照南区段限制坡度为6‰，速度目标值为120 km/h，设计牵引质量为10 000 t，部分区段为5 000 t，到发线有效长1 700 m，部分区段为1 050 m，自动闭塞。综合瓦日线各方面情况，选择壶关至平顺区间为主要试验线路区间。区间线路纵断面条件如图1所示。

图1 瓦日线壶关至平顺试验区间线路情况

1.2 试验机车车辆

试验采用HXD1F型和HXD2F型八轴交流传动货运电力机车，机车轴重30 t，轴式B0-B0。最高运用速度100 km/h，机车单轴功率1 200 kW，整车牵引轮周功率为9 600 kW，持续速度为50 km/h，起动牵引力为910 kN，机车持续牵引力为691 kN，最大再生制动力510 kN。

试验货车为30 t轴重的C96和C96H型专用敞车，自重24 t，载重96 t，采用DZ4/DZ5型转向架。钩缓装置为16号、17号车钩和RFC型牵引杆，HM-1型缓冲器。制动机采用120-1车辆控制阀，加装电控制动装置，基础制动分别为DAB-1型和BAB-1型集成制动装置，915D型高摩合成闸瓦。

1.3 自主化电控空气制动系统

国产的自主化电控空气制动系统基于既有的120型(120-1型)车辆控制阀，通过在120阀的中间体加装电空制动控制模块，与车辆控制模块相连，再通过连接电缆和车间连接器实现车与车之间的连接，形成电控空气制动系统网络。对于120型(120-1型)控制阀，管路接口和安装尺寸均无需任何变化。同时，当ECP系统发生故障，只需将ECP系统断电，列车制动系统则转换为传统的空气制动系统工作方式。在与未安装ECP系统的车辆编组时，也可采取断电措施实施联挂。因此，自主化ECP系统实现了与现有车辆制动系统的最大程度兼容。

1.4 试验工况设计

为研究30 t轴重重载机车和货车制动系统的性能及其匹配关系，对比分析不同编组列车情况下空气制动与ECP系统的制动性能差异，根据重载列车的操纵特点，结合试验线路条件，设计重载列车的制动试验方案：①不同编组条件下的列车静置试验；②在不同线路工况 (平直道和最大坡度为-11‰的下坡道)下的制动停车试验；③长大下坡道条件下的列车操纵和制动调速试验。

试验列车编组分别为HXD2F/HXD1F牵引66辆C96货车(8 000 t)，HXD1F牵引84辆C96货车(10 000 t)，HXD2F和HXD1F重联牵引100辆C96货车(12 000 t)。

2 试验结果分析

2.1 ECP技术特性研究

与传统的空气制动系统相比，自主化ECP电控制动系统由于其结构原理、作用方式的不同，在制动/缓解同步性、再充风特性、制动缸压力、缓解模式等方面具有明显的技术优势。

2.1.1制动/缓解同步性

(1)出闸时间和开缓时间

传统空气制动采用列车管减压传递制动指令，而列车管的排风在常用制动时主要依赖机车制动机的中继阀和车辆制动机的局减作用，制动/缓解波速受到列车管空气压力波的传播速度限制，目前120-1型空气制动阀的常用制动波速约为210 m/s，紧急制动波速约为250 m/s。而ECP电控制动系统通过内部网络传递制动指令，同步性仅受到网络的时延影响。

考虑列车在运行过程中的调速以较小级别的常用制动为主，选取空气制动的减压70 kPa和ECP系统的15%常用制动来进行对比。HXD2F机车牵引12 000 t列车编组时各个位置的车辆制动缸出闸时间和开缓时间如图2和图3所示。

图2 空气制动与ECP系统制动缸出闸时间

图3 空气制动与ECP系统制动缸开始缓解时间

从图2和图3看出：采用空气制动，制动时各测试断面车辆制动缸依据其在机后位置的远近依次出闸和缓解，机后第1位先动作，列车后部车辆后动作，制动出闸时间的间隔取决于车辆制动控制阀的制动波速和灵敏度。而ECP制动系统采用电缆贯穿全部的机车和车辆，并利用该电缆进行电力和数据的传输，可实现机车和车辆之间进行制动指令传输和双向数据交换。由于采用电指令传输，各车辆的制动和缓解指令传输快，制动动作同步性很好。所有的ECP系统测试结果均保持了极好的一致性，而空气制动时各车制动出闸时间最大相差8 s，缓解时间最大相差20 s。

(2)制动升压时间

ECP制动实施时，各车的车辆制动控制装置能控制各车制动缸基本以同一速率升压，而空气制动受120-1阀的特性决定，其升压时间较长，升压速率较慢。10 000 t 列车编组空气制动和ECP系统紧急制动升压曲线如图4所示。

使用空气制动和ECP系统的不同吨位列车编组常用全制动升压时间对比见图5。

从试验数据对比来看，使用ECP系统制动时的常用全制动和紧急制动升压时间比空气制动时显著缩短，列车制动力建立较迅速。各列车编组使用ECP系统，常用全制动升压时间为11.6～12.8 s，紧急制动的升压时间为8.8～10.7 s，制动缸升压较快，且速率基本一致，可缩短列车制动空走时间和空走距离。

图4 紧急制动升压曲线

图5 不同位置货车常用全制动升压时间对比

2.1.2制动缸最高压力

传统空气制动受副风缸和制动缸容积比例限制，列车管定压500 kPa时，车辆制动缸最高压力为360 kPa。ECP制动系统通过紧急制动按钮施加紧急制动。在紧急制动时，ECP不会排空列车管压力，并且在制动过程中仍然不断给副风缸供风。因此，在列车管定压500 kPa实施紧急制动时，制动缸压力快速上升至约360 kPa后，由于车辆副风缸受到列车管持续充风，副风缸压力不断升高，制动缸最高压力也可达到420 kPa。

图6 ECP系统紧急时的制动缸压力

2.1.3再充风特性

在ECP制动系统中不再依赖列车管减压传递制动指令，列车管作为供风管实时为车辆副风缸充风。ECP系统实施制动时由于副风缸直接往制动缸充风，副风缸压力也会有所降低，ECP制动系统从制动开始实施时就对车辆副风缸进行再充风，而传统空气制动系统需要在列车缓解后才开始对车辆副风缸充风，再充风特性存在明显差异。

对于ECP制动系统，再充风时间为从制动开始至尾部副风缸压力充至定压的时间，而空气制动的再充风时间为列车开始缓解至尾部副风缸压力充至定压的时间。以列车制动力(制动缸压力)为横坐标，列车再充风时间为纵坐标，HXD2F牵引8 000 t列车编组定压500 kPa时的再充风性能对比如图7所示。

图7 制动缸压力-再充风时间曲线

从图7看出，由于ECP制动时列车管本身不减压，减少了压力空气的消耗量，因此对于同样的列车制动力需求，ECP制动的再充风时间小于空气制动，当制动缸压力越高时，其时间差异越显著。

2.1.4缓解模式

相比空气制动的阶段制动、一次缓解模式，ECP制动系统可实现阶段制动和阶段缓解(重车状态)。HXD2F机车牵引8 000 t列车编组分别采用空气制动和ECP系统时的阶段制动和阶段缓解曲线如图8所示。

在长大下坡道进行循环制动调速时，现有的车辆空气制动机采用一次缓解模式，制动后缓解才能再充风，实施制动时如果列车管减压量偏小会控制不住列车速度的增加，而减压量偏大时会造成列车速度快速下降，同时还会使制动后的缓解再充风时间更长，从而大大降低列车的缓解速度。因此，空气制动对司机的要求更高，在操纵时实施列车管减压和缓解时列车的缓解速度要求相对准确。ECP制动系统可实现阶段缓解，使司机在操纵上更加灵活方便，可通过阶段制动和阶段缓解来调节列车制动力，使列车在长大下坡道上的降速过程相对平稳和缓慢，对司机在长大下坡道的操纵要求相应降低，提高了重载列车在通过长大坡道时的安全性。

图8 阶段制动和缓解时压力曲线

2.2 ECP运行性能研究

由于ECP制动系统的上述技术特性，使得装备ECP制动系统的30 t轴重重载列车在运行性能的各项指标也得到明显提高和改善。

2.2.1纵向动力学性能

采用空气制动时列车前后部车辆制动和缓解动作的不一致导致列车纵向动力学性能变差，列车容易产生较大的车钩力和剧烈的纵向冲动，严重时甚至会造成列车断钩和脱轨事故。当重载列车编组越长时，列车纵向冲动的现象越明显。而ECP制动系统的制动/缓解同步性好，车辆与车辆间的相互作用力小，可明显改善列车的纵向动力学性能，车钩力显著减小，纵向冲动明显减小。

不同编组列车在全部制动运行试验工况(循环制动调速、常用制动和紧急制动停车等)下测得的压钩力和纵向加速度最大值如图9所示。

图9 列车纵向动力学性能指标对比

从图9看出，ECP制动系统的各项纵向动力学性能指标均优于空气制动。当编组列车长度越长时，纵向动力学性能改善作用越明显。12 000 t编组时最大压钩力减小53%，最大纵向加速度减小68%。空气制动时，各指标最大值基本都出现在紧急制动工况；ECP制动时各工况出现最大值的机率较为平均，更容易受到试验时的具体操纵影响。使用ECP制动系统的重载列车表现出明显较好的纵向动力学性能。

2.2.2制动距离

空气制动的制动波速相对较慢，而且制动缸升压过程也相对较慢，而ECP制动能够迅速响应司机的制动/缓解操纵。同时，在定压500 kPa时，ECP系统的紧急制动压力不受副风缸和制动缸容积比较的限制，可达到420 kPa。采用ECP制动系统的重载列车制动空走时间较短，缩短了制动空走距离，使列车制动停车距离较空气制动时有较大幅度的缩短。定压600 kPa时各列车编组初速80 km/h平直道紧急制动距离对比如图10所示。

图10 初速80 km/h平直道紧急制动距离对比

试验结果表明，无论常用制动或紧急制动，使用ECP制动系统均可显著缩短列车制动距离。与使用自动空气制动系统相比，其制动距离缩短幅度为8%～14%。

2.2.3长大下坡道通过能力

由于ECP系统的再充风特性使得列车管实时为车辆副风缸充风，列车制动受副风缸再充风时间的限制基本消除，同时装用ECP制动系统的重载列车具有阶段缓解功能，为司机操纵提供了更多的灵活性和便利性，重载列车在长大下坡道的运行安全性得到提高，同时列车的平均运行速度也大幅提高。

8 000 t列车编组使用空气制动和ECP制动在长大下坡道进行限速80 km/h循环制动调速试验的试验结果对比见表1。

表1 长大下坡道平均运行速度对比(8 000 t编组，限速80 km/h)

3 结 论

(1)试验结果表明：电控空气制动系统采用电信号传递制动指令，传输时间短，与空气制动相比，在制动/缓解同步性、制动缸最高压力、再充风特性及缓解模式等方面具有明显的优势。ECP系统的制动/缓解同步性好，列车管作为供风管实时为车辆副风缸充风，制动后再充风时间短，列车再制动能力得到增强，同时具有阶段缓解功能，使重载列车操纵更加灵活。

(2)30 t轴重重载列车采用自主化电控空气制动系统，可减小重载列车的车辆间由于制动和缓解不同步带来的纵向力，紧急制动和常用制动调速过程中车钩力和列车冲动减小，可显著改善列车纵向动力学性能；列车的制动能力进一步增强，制动距离缩短；重载列车在长大下坡道的运行安全性得到提高，同时列车的平均运行速度也大幅提高。

(3)本次试验以瓦日线30 t轴重线路和机车车辆技术平台为基础，对自主化重载列车电控空气制动系统进行技术验证和试验研究。研究成果对今后重载列车装备电控空气制动系统及瓦日线开行30 t轴重载列车具有指导意义。