装用电空制动的重载列车制动波速试验研究

吴吉恒，肖维远，蒋 勇，刘 灿

（1 眉山中车制动科技股份有限公司，四川 眉山 620010；2 中车眉山车辆有限公司，四川 眉山 620010）

重载列车代表着当今世界铁路货运的先进水平和重要发展方向，是提高货物运输能力的重要手段之一。我国铁路重载运输近些年一直处于快速发展状态，牵引质量大幅度增加、编组增长、运行速度提高都会导致车辆间的纵向冲动变大。纵向冲动的增加会增大钩缓、轮轨的损伤几率，甚至会更容易发生断钩、车辆脱轨等运输事故［1］。

重载列车纵向冲动分析研究一直受到业内外科技工作者的高度重视，制动和缓解不同步是纵向冲动增大的主要诱因。制动波速作为制动技术中一项最基本的技术参数，是评价列车制动性能的一个重要指标，也是评定车辆制动控制机构性能优劣的一项综合性指标。提升制动波速、增加制动缓解同步性是降低长大重载列车纵向冲动的主要手段之一。

文中针对朔黄线C80型万吨编组重载列车进行了常用制动、循环调速、全制动等工况的制动波速研究分析，同时对一种能提高制动波速的无线电空制动技术进行了试验研究分析。通过试验对朔黄线单元万吨重载列车在不同制动操作下的实际制动波速有了进一步了解，仿真分析了该技术对列车制动距离及车钩力带来的影响。

1 制动波速计算方法

文中所指制动波速为三通阀（或分配阀）制动波速，指的是不包括机车制动管长度的车列制动管总长除以制动力传播时间所得值。传播时间为列车首辆车制动缸压力开始上升到最末一辆车制动缸压力开始上升时所经历的时间。制动波速越高，说明列车前后车辆制动机作用同步性越好。具体计算方法如下：

制动波总传输距离为式（1）：

式中：n为编组辆数；L为单辆车制动主管长度。

列车制动波速为式（2）：

式中：Δt为首尾车制动压力上升时间差；t1、t2…tn为第n辆车制动缸压力开始上升时间。

文中所述缓解波速亦通过式（2）计算得出，所指为列车缓解时首尾车的缓解执行响应速度。

2 电空制动技术

电空制动机又称ECP（Electronically Controlled Pneu-matic brake 电子控制空气制动机），以电信号通讯传递并执行机车实施的制动缓解命令，其主要特征就是缩短了列车前后部车辆制动缸动作时间差。

电空制动降低了列车中首尾车制动缸压力上升的时间差，增大了列车制动波速，从而减小了列车的纵向冲动力。

电空制动按通讯方式可分为有线和无线2 种。有线电空制动系统是在整列车安装一根双股电缆贯穿所有机车车辆，利用线缆接引机车电源到各车辆并传输制动缓解指令，任一节点发生故障则整套系统瘫痪。有线电空制动提供了直接稳定的车辆供电，但任一车辆连接中断都会导致系统失效，列车编组时反复插拔电缆会逐渐降低接头可靠性；无线电空制动系统的控制网络由各车辆上的控制子系统组成，制动、缓解指令在该控制网络内以无线形式传输并执行，个别节点故障不会影响系统运行，车辆电源可使用蓄电池或发电装置，其主要特点在于管理灵活、有一定容错率但需要解决好车辆的电源供给和网络的稳定性等问题［2-7］。

应用电空制动技术带来的效益主要体现在以下几点：

（1）提高列车运行品质，运行更安全

列车开行过程中纵向冲动力的降低能减少断钩、脱轨等行车事故。

（2）提高列车开行速度，周转率更高

运用电空制动技术能提高制动缓解同步性，缩短空走时间和制动距离，停车制动更加精准，可提升车流密度和运输周转率。

（3）降低车辆磨损，维修成本更低

制动同步性提高使得车辆间的纵向冲动减小，降低车钩劳损和车体疲劳载荷。

（4）实时监测制动系统状态，故障及时掌握

电空制动系统能收集空气制动系统各部位的运行数据，通过网络自动对每一辆车制动机工作状态进行扫描检查，监测以及诊断故障后及时回传信息，实时掌握列车运行品质［8-10］。

3 制动波速试验

3.1 试验介绍

试验工作于2020 年1 月在朔黄铁路沧州站进行，前后共进行多项不同工况的制动波速测试。试验列车先期进行了无线电空制动技术改造，编组形式为108 辆C80型敞车组成单元万吨列车，列车换长118.8，单辆车主管长度13.49 m（含软管）。试验机车为DF 型内燃机车。本次试验在制动波速测试之外对列车空气制动系统特性也进行了测试，所有试验项均为站场线路静置实施，制动管定压600 kPa，见表1。

表1 试验项

3.2 试验方法

列车实施制动时，制动管内压缩空气经控制阀排气减压，每个车辆的制动管压力下降使控制阀主活塞两侧形成压差，副风缸内的压缩空气将主活塞推向制动位，从而使控制阀进入制动位并控制副风缸内压缩空气充入制动缸，制动缸压力上升使活塞推出，产生制动作用。

制动管充风缓解时，控制阀感应制动管压力上升后进入缓解位，制动管向副风缸充气的同时制动缸内空气排向大气，同时加速缓解风缸内空气流向制动管，加快列车缓解。

通过对制动管、制动缸、副风缸、加缓风缸的压力进行测试，在计算制动波速的同时也可以得到空气制动系统的制动缓解特性，进而分析重载列车开行过程中空气制动系统的工作特性［11］。

试验列车中共布置5 个测试断面，如图1 所示，分别位于列车前、中、后位置及1/3、3/4 处，分布于机次第1、36、54、81、108 辆车。无线采集器通过ZigBee 网络控制各个测点采集测试数据、时钟校准、参数设置、特征数据接收，压力采集频率102 Hz。采集系统传输速率为250 kbps，其功耗仅为1～2 W。每个测点采用锂电池供电，每个通道的采集频率可达4 kHz，具有8 GB 的非易失数据存储空间。

图1 测试方案

3.3 空气制动波速测试

试验项包括初制动、全制动、循环制动、追加制动、意外紧急制动等，记录各测试断面压力数据，见表2。表中“追加制动”项数据为第2 次减压50 kPa 时测得。

表2 空气制动波速

试验结果显示：重载列车的常用制动波速在175～235 m/s 之间，1 个单元万吨列车首尾车制动缸开始升压时间差基本在6～8 s；意外紧急制动时首尾车制动开始升压时间差为6.3 s，折合制动波速为229 m/s；追加制动时控制阀的滑阀已经处于制动位，节制阀动作后制动缸升压，制动波速稍高于常用制动工况，达到310 m/s。初制动缓解时列车首尾车制动缸动作时间差7.9 s，折合缓解波速184 m/s，如图2 所示。列车前后部位出现的制动缸升降压时间差就是制动缓解不同步的表现，也是车辆间纵向冲动力的主要诱发因素，首尾车时间差越大纵向冲动力越高。纵向冲动力越大，车钩劳损和车体静强度载荷也就越大。

图2 初制动压力曲线（空气制动）

3.4 电空制动波速测试

电空制动系统由列车现有空气制动系统和无线控制系统组成，采用无线网络信号快速传递并执行制动缓解指令。试验项包括初制动、全制动、循环制动、追加制动、初制动缓解等，见表3。表中“追加制动”项数据为第2 次减压50 kPa 时测得。

表3 电空制动波速统计

试验结果显示：使用电空制动系统的重载列车常用制动波速处于1 000 m/s 以上水平，1 个单元万吨列车首尾车制动缸升压时间差最快不足1 s；初制动缓解波速达到接近1 300 m/s 水平，如图3 所示，电空制动能有效提高重载列车的制动波速。

图3 初制动压力曲线（电空制动）

3.5 制动波速对比分析

对比列车空气制动波速及电空制动波速，如图4 所示，结果显示电空制动对于列车制动波速有着明显的提升效果。几种制动工况下的电空制动波速都达到了纯空气制动波速的3 倍以上水平，电空制动的初制动缓解波速达到空气制动波速5 倍以上。

图4 空气制动波速与电空制动波速对比分析

4 制动距离及车钩力仿真计算

联合大连交通大学开展了空气制动与电空制动比较仿真计算，如图5 所示。计算内容包括万吨列车制动距离及车钩力比较计算、2 万吨列车制动距离及车钩力比较计算。仿真时列车组成以朔黄铁路的万吨列车及2 万吨列车为原型，制动距离计算线路为平直路线，车钩力计算为平直路及长大坡道循环制动（朔黄K16+590 ～K35+520）。制动距离和平道车钩力计算的列车初始速度输入为70 km/h，循环制动车钩力计算使用列车真实初速度。得出计算结果如下：

图5 制动仿真软件界面

（1）电空制动能缩短常用制动距离，缩短的距离和减压量有关，减压量越大，缩短的距离越明显，但随着减压量增大，增加速率逐渐减小。

（2）电空制动能降低车钩力，万吨列车和2 万吨列车常用制动时降低车钩力非常明显。

（3）万吨列车减压100 kPa、170 kPa 制动车钩力降低约38%、61%。

（4）2 万吨列车减压100 kPa、170 kPa 制动车钩力降低约56%、62%。

（5）2 万吨列车循环制动降低拉伸车钩力和压缩车钩力分别为72%、28%。

5 结束语

针对朔黄线万吨列车，通过试验测量分析了纯空气制动波速及电空制动波速特性。针对朔黄线万吨及2 万吨列车，利用仿真技术对比分析了电空制动带来的制动距离、车钩力变化，得出以下结论：

（1）试验结果显示朔黄线C80型单元万吨重载列车的常用制动波速在180～230 m/s 之间，紧急制动时制动波速为230 m/s 左右，追加制动时制动波速能达到310 m/s。

（2）电空制动技术能使重载列车常用制动及小减压的缓解波速达到1 000 m/s 以上水平，较空气制动系统有着翻倍式明显提升。

（3）仿真结果显示电空制动技术能有效降低长大重载列车常用制动时车辆间的车钩力，缩短常用制动距离。