基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理策略研究

钱 铭

(中国国家铁路集团有限公司，北京 100844)

我国客货运列车主要采用机车+车辆的传统组合方式,一般由一台或多台机车牵引无动力的车辆(客车或货车)运行,机车车辆采用各自分工、独立研发制造及运维管理的传统管理模式,形成了“机、客、货”专业化分工管理格局。传统组合方式,列车的主要特征是牵引动力集中设置、制动力分散提供,具有接口简单、编组灵活、维护方便等优点,基本满足早期列车运行速度较低、牵引吨位较小的运输需求;但在实际运营过程中,逐渐暴露出旅客列车运行速度和乘坐舒适性有待提升,货运列车尤其是重载货运列车运行安全性尚需提高等问题。为落实我国铁路实现更安全、更可靠、更高效、更经济等高质量发展新要求,有必要研究与时俱进的机车车辆研发及运维管理策略,提升我国铁路移动装备整体性能和全寿命周期安全可靠性及运输效率效益。

我国动力集中、动力分散动车组作为主要的旅客运载装备,虽有动力车和拖车之分,但告别了机车车辆分别研发制造、运维管理的传统模式,其牵引、制动、通信、控制、车端连接等各子系统和关键部件,是以列车为单元和整体性能提升为目标进行研发设计,解决了传统组合方式列车牵引力受限、制动力一致性较差等技术难题。动车组推行的造修一体化实践经验,为基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理提供了重要参考[1]。

近年来,我国铁路持续推进机车车辆融合改革,有力促进了机车车辆管理整体性和安全性提升;在保有量和铁路运量大幅提升的前提下,列车运行安全持续稳定,连续5年消灭了机车车辆一般B类及以上责任行车事故,设备故障率逐年下降,无一不体现出了顶层设计、统筹管理对生产力的促进作用。

因此,开展基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理策略研究,是解决传统组合方式带来的铁路机车车辆现存主要问题,提高铁路运输本质安全度的现实需求;是完整、准确、全面贯彻新发展理念,奋力推动铁路高质量发展,率先实现铁路机车车辆现代化的必然选择;是深入推进铁路机车车辆融合改革,全面持续提升列车整体性能的应有之意。

1 传统组合模式存在的不足

传统组合方式下,列车解耦了“机车牵引动力”和“车辆载运客货”两大功能[2]。传统管理模式,机车车辆在各自领域分别开展技术研究和产品开发工作,分别达到铁路技术相关管理规程、相关技术标准及技术规范等规定的技术性能即可,没有系统全面地研究机车车辆相互之间的最佳匹配;随着我国列车运行速度、牵引质量的不断提升,也暴露出诸多不适应,主要体现在以下4个方面:

(1)难以解决列车制动一致性较差,纵向冲动较大的问题

传统组合方式下,列车制动缓解指令通过机车充排风实现,制动力由机车和车辆独立提供,因机车排风速度、空气传递波速等限制和机车车辆的制动性能差异,使列车存在制动一致性较差、纵向冲动较大等问题[3]。20世纪80年代,为解决“一票难求”问题,旅客列车从12～14辆扩编到16～20辆,扩编试验中发现:列车紧急制动时,因前后部车辆制动不同步和15号车钩纵向间隙较大(19.5 mm)等原因,相邻车辆间产生了纵向加速度,引起了列车较大纵向冲动,造成了蓄电池、发电机皮带、燃油油箱损坏等故障。

(2)难以满足列车运行速度及牵引质量的提升需求

传统组合方式下,如由单元机车提供牵引力,会受机车轮轨黏着、轴数、轴重及最大轴功率限制;如由多台机车提供牵引力,无法解决相关匹配关系;传统组合方式列车难以适应运行速度及牵引质量的提升需求。以我国货运干线功率最大的HXD1型机车为例,轮周功率为9 600 kW,25 t轴重时最大起动牵引力为760 kN,持续牵引力为531.7 kN,单台机车牵引1 600 t时,在12‰坡道上平衡速度为114.5 km/h,在24‰坡道上平衡速度仅为67.9 km/h[4-5],这成为制约列车运行速度和牵引质量进一步提高的瓶颈。

(3)难以满足进一步提升列车运行安全裕量的需要

传统组合方式下,列车由空气传递制动指令速度慢、制动一致性较差,紧急制动时列车空走时间和紧急制动距离较长,导致列车安全冗余难以进一步提升。如遇到山体滑坡等异常情况实施紧急制动时,因后部车辆制动响应慢、速度降低有限,对前部车辆的撞击动能大,不利于控制异常情况下的危害。相关分析及试验结果表明:采用基于列车的电空制动系统,常用全制动距离可缩短30%～40%,紧急制动距离可缩短约10%[6]。

(4)难以解决零部件运用故障率高、维修量大、检修成本高的问题

传统管理模式下,机车车辆各自独立研发,难以实现列车中空气、载荷、电气等耦合关系的整体优化,造成部分零部件出现结构可靠性、功能稳定性等问题,运用故障率高、维修量大、检修成本高。据统计,大秦线重载列车运行40万km左右时货车钩舌裂纹率高达90%以上,检修时只能全部更换为新品。

2 基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理策略

总体思路是:按照“问题、需求、目标、结果”导向的原则,面向机车车辆全寿命周期,围绕研发、制造、运维等全过程,以工作机制创新和标准体系构建为支撑,通过对列车车间典型耦合关系分析研究和匹配关系整体优化,统筹规划列车的牵引、制动、钩缓、电气等关键部件的研发制造及运维管理,全面提升我国铁路客货运列车整体性能。

2.1 列车典型耦合关系分析

耦合是指系统中两个或两个以上物体/单元/模块或两种运动之间相互联系、相互作用、相互影响的现象。列车是一个复杂的多体系统,相互耦合的因素较多,既包括列车与其外部相关系统间的相互耦合,如列车与线桥的轮轨耦合、与接触网的弓网耦合、与周围空气的流固耦合[7],高速列车与其外部相关系统间的耦合关系模型如图1所示;也包括列车内部相关系统间的相互耦合,如车间的空气耦合、连挂耦合、电磁耦合和车内的机电耦合、热力耦合、液固耦合等。因为研究目标不同,所关注的重点也不同,本文仅针对列车车间的典型耦合进行研究分析。

图1 高速列车耦合系统动力学模型

2.1.1 列车空气耦合分析

我国客货列车均设有自动空气制动系统,通过列车管实现压缩空气全列贯通。如果将每节车制动主管中压缩空气视为1个独立空气单元,当司机对列车实施制动缓解操作时,列车管排出或充入压缩空气形成局部压差,压缩空气沿列车管由后向前或由前向后流动,使相邻两车间的2个空气单元,在贯通的列车管内产生“空气与空气”相互耦合并形成空气涌动[8-9];同时车辆制动阀局部减压或加速缓解局部增压也会引起列车管的局部空气涌动,多个车辆制动阀同时作用时上述空气涌动会产生叠加效应,并与列车管内空气涌动耦合,影响列车制动性能稳定性,因列车不同断面位置耦合存在的差异,也影响列车中各车辆制动的一致性。

2.1.2 列车连挂耦合分析

我国客货列车采用车钩实现车与车之间的可靠连接并形成了连挂耦合。运行时由于机车或动力车牵引与制动特性、列车空气制动和机车同步操纵及线路平纵断面的差异,列车纵向运动会产生各种动态变化,形成纵向力并通过车钩传递[10]。因车钩间存在连挂间隙和缓冲器非线性特性,使相邻两车之间形成了相对加速度,列车产生了纵向冲动和车钩力。

当列车通过竖曲线和水平曲线时,纵向车钩力会产生垂向、横向分力,通过一系、二系悬挂系统传递至轮轨[11],与轮轨垂向、横向力相互耦合叠加[12],引起轮轨力发生变化,进而导致机车车辆轮重减载率、脱轨系数、轮轨或轮轴横向力等安全性指标发生变化[13],加剧列车纵向冲动并增加车钩力,影响列车运行安全性和舒适性。

2.1.3 列车电磁耦合分析

列车中牵引辅助等系统均为大功率复杂开关电源系统,是列车电磁干扰发射的重要来源。列车车载设备的布局、电路结构及控制策略都会对电磁波的发射特征和方式产生影响,这些电磁波与电气设备相互作用并形成电磁耦合,造成列车电气设备故障和通信的不明干扰[14]。我国某型动车组研制初期就曾发生因电磁干扰形成的瞬间脉冲电压过高,导致速度传感器异常故障。

2.2 研发及运维管理策略

2.2.1 以列车为对象的机车车辆一体化研发

通过上述耦合关系分析可知,提升客货运列车性能需要以列车整体为研究对象,对机车车辆牵引、制动、连挂、电气系统等匹配关系进行整体规划,并实现相互之间的最佳匹配。

(1)牵引技术方面。统筹列车牵引力需求和运行品质要求,开展“牵引质量、牵引速度(加速度)、牵引阻力和牵引能力”等要素的顶层设计。如采用动力分散技术将集中的牵引力予以分解,可提高列车起动加速和电制动的一致性,实现列车更大牵引功率和更高运行速度及提高列车爬坡能力,同时满足故障情况下切除部分动力降速运行的应急保障要求。

(2)制动技术方面。通过电子化、网络化、智能化等先进技术的集成运用,解决空气耦合产生的列车制动稳定性和一致性问题,减小列车纵向冲动和车钩力,提升客运列车乘坐舒适性和货运列车特别是重载列车运行安全性和纵向稳定性。

(3)连挂技术方面。统筹列车牵引单元与载运单元,立足不同运用工况下的具体实际,采用小间隙车钩、密接车钩、牵引杆等连接技术及低阻抗、高吸收率缓冲技术,减小车钩连挂间隙、抑制纵向相对加速度,同时统筹优化机车车辆连接结构,减小车钩力的垂向、横向分力,进一步提高列车运行安全性和纵向稳定性。

(4)电气技术方面。统筹规划列车电气系统顶层技术指标及系统配置,从系统顶层指标分解和系统内部参数匹配两个维度,明确对列车控制策略、电磁兼容、接地保护、电气防火等技术要求,提升电磁耦合下电气系统的可靠性,优化列车电气设计和机车车辆电气系统的具体布置和方案设计。

2.2.2 以列车为对象的机车车辆一体化造修

保障铁路客货运列车始终具有良好的整体性能,不仅需要统筹机车车辆一体化研发,也离不开统筹机车车辆一体化造修。

采用传统空气制动的列车,如机车和车辆的制动阀、制动缸、杠杆传力装置等制造精度存在较大差异,在列车不同断面的单机(车)会存在较大制动性能差异,加剧列车产生纵向冲动,同时,也会带来不同列车之间制动性能等差异较大,不利于机车乘务员实施模块化精准操纵。

针对重载组合列车车钩分离故障的仿真分析结果表明:随着钩舌搭接量和摩擦系数的减小,车钩分离风险随之增大[15]。我国机车车辆在空车状态下的车钩高度制造、检修标准均为(880±10) mm,但机车车钩高度仅受车轮运用磨耗的影响,在全寿命周期内车钩高度变化较小;货车车钩高度受空载、重载影响较大,通常情况下空车与重车车钩高度差可达40 mm。因此,解决重载组合列车中部机车车钩分离故障,需统筹机车车辆一体化造修,机车造修时车钩高应尽可能按下限控制,车辆造修时车钩高应尽可能按上限控制,以增加重车工况下机车车辆的钩舌搭接量。

2.2.3 以列车为对象的机车车辆一体化运维

在全寿命周期内机车车辆研发、制造、检修的根本目的,是实现列车更好地运用。动力集中动车组的动力车和拖车,不仅以列车为对象制定了统一的修程修制,更在D1、D2等修程时不解编整列检查维修,这就是以列车为对象实行机车车辆一体化运维的具体体现。

在实际运用中,列车若有一节车出现蛇行失稳,就会影响整列车的运行安全;因此,必须通过运维恢复和保持机车车辆性能良好[16],并对研发及造修进行闭环反馈,不断改进研发及造修质量和列车运行安全可靠性。如由于线路平纵断面固定,列车长期单一方向重车运行则会出现车轮偏磨等问题,在运输组织时可适时让列车调换前进方向,实现车轮磨耗等时变参数的均匀和平衡。

因此,在统筹优化研发、造修的基础上提升列车整体性能,还应以列车为对象全面推进机车车辆一体化运维。

2.2.4 建立以列车为对象的机车车辆一体化工作机制

为实现机车车辆相互之间性能的最佳匹配,实现研发、制造和运维各个阶段统筹优化,必须以列车为对象创新产品研发和运维管理的工作机制,如面向运维的联合创新、源头质量联合整治等,同时搭建基于列车的机车车辆一体化研发制造及运维管理平台,实现机车车辆研发制造单位与运维单位的数据共享和高度协同。

2.2.5 建立以列车为对象的机车车辆一体化标准体系

机车车辆各自是一个复杂的技术系统,传统管理模式下机车和车辆标准自成体系,实现基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理,对机车车辆单机(车)性能、零部件参数和形位公差,应以确保列车整体性能为原则进行科学制定与合理匹配。除了创新工作机制外,还需要建立基于列车的机车车辆一体化标准体系作为支撑,用标准体系规范和促进机车车辆一体化研发、造修及运维管理工作,确保工作质量,提高工作效率,同时通过不断实践促进标准体系的发展。

3 动力集中动车组的成功实践

动力集中动车组是旅客列车的全面技术升级,采用基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理方法,通过采用密接式车钩、微机电空制动系统、整车网络互联等技术手段,使动车组的安全性、运行品质、乘坐舒适度等较传统旅客列车有了质的提升。以微机电空制动系统为例,在车辆制动系统中引入制动缸压力闭环控制,在车辆制动装置上增加微处理器,接收制动网络的指令,对本车制动缸实施制动控制和状态监控。动车组电空制动原理如图2所示。

3.1 减小列车纵向冲动,提高运行品质及乘坐舒适性

由图2可知,列车的制动节点两两互联在同一个控制网中,以电信号发送制动缓解指令,实现车列所有制动节点制动缓解作用的同步。基于列车的动力车与拖车一体化制动力分配方案,可以在制动级位较低时充分发挥动力车电制动的效用,降低拖车空气制动的目标压力,实现轴重各不相同的多车编组列车平稳减速或停车,有利于降低列车的纵向冲动和车钩力。

动力集中动车组全制动工况试验结果表明:采用微机电空制动与原非微机电空制动相比,各节车辆制动动作时间差由2 s以上降低至0.5 s以内,降幅达75%以上。由图3可知,各节车制动缸压力上升过程的差异也明显降低。

图3 动力集中动车组全制动工况下制动缸压力试验曲线

3.2 提高列车运行安全性

动力集中动车组通过快速制动,减少列车空走时间,降低紧急制动距离,提高了异常情况下列车运行安全裕量。另外,通过网络直接向每一个制动节点传递指令,各制动节点可随时根据指令调整制动力的大小,通过独立控制可精确完成制动缓解动作,实现精确的阶段缓解作用,解决了困扰多年的旅客列车无法实现精确阶段缓解和需要多次循环制动的问题,对列车的控制真正达到了“心想事成”,可显著提高列车在长大坡道等特殊路段的操控调速能力和运行安全性。

同时,通过状态检测可实现早发现故障并及时消除安全隐患,提高列车运行安全性。如动车组设置的防火、停放、车门、制动和轴温等5个安全环路,可实现故障预警、报警、自动响应、故障隔离等功能,拖车和动力车都是环路上的一个节点,列车制动系统会因某一个节点的信号丢失集体进行响应,提高了动车组列车运行安全性。

4 重载列车技术提升途径

目前,我国重载组合列车中的机车车辆采用间隙车钩连接,运行过程中因空气耦合、连挂耦合等因素的影响,存在列车纵向冲动大、司机操控精准性要求高等难题。实现列车整体性能提升和技术发展,应采用机车车辆一体化研发及运维管理方法,以列车整体为研究对象,提高列车制动、连挂等性能。

4.1 提升列车制动系统性能

根据前述列车车间连挂耦合分析可知,列车各断面的车钩力主要与司机操纵、线路平纵断面和机车牵引特性及机车车辆制动特性、缓冲器特性、车钩特性等有关,在司机操纵方式、线路条件和机车车辆的缓冲器特性、车钩特性一定的情况下,制动力的变化是影响列车纵向冲动和车钩力的关键因素,列车中各车辆间制动力差异越小,列车制动一致性越好,列车纵向冲动和车钩力也越小。

我国2万t重载组合列车,采用“1+1+可控列尾”编组模式,制动系统采用机车电制动与Locotrol+车辆空气制动系统+可控列尾,实现了各台机车的同步动作,提高了列车制动、缓解波速和充风速度,有效控制了列车纵向力水平。但因仍需通过列车管压缩空气传递制动缓解指令,由于空气波速限制、制动管内壁摩擦阻尼及列车管中压缩空气耦合等因素的综合作用,导致车列内部各车辆的制动阀、制动缸等作用时间无法实现同步,闸瓦压力和制动力也难以实现一致;因可控列尾仅参与制动不参与缓解充风,故列车形成“制动3点排风、缓解2点充风”,尾部车辆缓解时间长,车列缓解同步性差;各车辆制动力仍由车辆制动阀控制,无法从根本上提高列车制动精准性和一致性。由此,造成列车前、中、后部车辆的制动力大小和作用时间差异较大,带来我国重载组合列车纵向冲动大、对操纵精准度要求较高等问题[17-18]。

因空气制动波速一般无法超过300 m/s,为提高列车制动缓解指令传递速度,可考虑利用网络技术和电信号实现列车制动缓解指令的高速精准传递,研制货运列车新型电控空气制动系统(HDK),对机车车辆制动系统实施一体化操纵控制。列车电控空气制动系统为微机控制的电空制动和自动式空气制动两个模块的叠加,在电空制动故障时能自动切换到空气制动模式,在空气制动模式下列车尾部具有充排风功能;自动式空气制动系统,可作为一个独立的模块单独使用,作为提升既有2万t组合列车制动系统性能的一种有效手段。

(1)采用电控制动模式提高制动一致性,显著降低重载列车纵向冲动和车钩力。电控空气制动系统实现了列车制动缓解的指令传递由压力空气信号向电信号的根本转变,从技术提升上确保重载列车实现制动缓解一致性。2014年采用电空制动系统与传统空气制动系统的30 t轴重重载列车,在瓦日线实施紧急制动时的试验结果显示[6],列车牵引质量12 000 t、速度80～100 km/h:在11‰下坡道时压钩力最高降幅为50.9%,最低降幅为46.8%;在平直道时压钩力最高降幅为73.4%,最低降幅为70.7%。测试结果见表1。

表1 紧急制动压钩力最大值

(2)使用空气制动模式提高缓解一致性,降低列车纵向冲动和车钩力。自动式空气制动作为独立模块使用时,通过全列贯通的总风管或尾部车辆设置的容积风缸从尾部实现向列车管补风,通过增加列车尾部的充风点提高缓解一致性。试验台模拟试验表明:2万 t 组合列车减压50 kPa后实施缓解,从控机车延时2 s时采用总风管尾部充风,全列缓解时间差由15.2 s减少至6.1 s,降幅60%,列车前后部车辆缓解一致性明显提升。基于上述试验数据的仿真分析表明:在大秦线K140—K148的长大下坡道区段,最大车钩力从1 395 kN降低至539 kN,降幅61.4%。

综上所述,采用基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理方法,集成运用电子化、网络化等技术,研究应用具有我国特色的自主可控的货运列车新型电控空气制动系统,可显著提升重载列车制动系统性能,大幅降低列车纵向冲动和车钩力。

4.2 优化列车连挂性能

列车运行过程中依靠车钩缓冲装置传递纵向力,货运列车为实现更大牵引质量,必须顺序起动,不宜采用无间隙车钩,故货运列车各车辆间会产生相对运动速度,使相互间存在拉钩力和压钩力的交替变化,一般钩缓间隙越大列车纵向冲动和车钩力也越大。为此,我国重载货车多采用小间隙车钩和牵引杆实现可靠连挂,以降低列车纵向冲动和车钩力,但仍存在重载组合列车中部机车车钩受压稳定性、连挂稳定性等问题,尚需深化研究。

机车车钩受压稳定性方面:以大秦线2万t重载组合列车综合试验为例,循环制动、紧急制动和常用全制动工况下存在部分纵向压钩力大于1 500 kN,甚至接近2 000 kN的情况。在较大的纵向压钩力及列车连挂耦合作用下,中部从控机车钩缓装置一旦发生横向失稳,将产生较大的横向分力,影响列车运行安全[11]。

连挂稳定性研究方面:根据列车纵向动力学仿真分析和大秦线2万t组合列车分离故障研究试验结果,电制动力的垂向分力使机车后钩有被顶起的源动力,如机车车钩安装结构允许车钩向上抬升,车辆车钩安装结构允许车钩向下移动,此时若出现较大的拉钩力,在钩舌搭接量较小和拉钩力较大的共同作用下,机车车钩向上倾斜,车辆车钩向下倾斜,两者钩舌啮合面不能保持平行的面状接触状态,容易被拉开而造成中部机车车钩分离[19]。

从上述分析可知,为进一步提高重载列车连挂可靠性和安全性,应采用基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理方法,深度分析机车车辆钩缓装置结构特点和在列车中连挂后的耦合规律,优化机车车钩结构和参数并控制机车车辆钩高差,优化列车操控方法并科学施加机车电制动力。

4.3 研究建立列车安全监测系统

目前重载列车中只有机车具有部分监测功能,货车没有常态化监测装置,对于与重载列车安全性强相关的制动力、车钩力、轮轨力等,更是缺少常态化监测手段,只有在专项试验时使用传感器和测力车钩等进行监测。现行的测力车钩制造和安装工作复杂,轮轨力直接测试方法不适合大规模用于列车。因货车缺少常态化安全监测装置,无法实现系统研究重载列车运行过程中运行状态与列车制动力、车钩力、轮轨力等因素间的关系。因列车中各车辆的制动精准性、一致性存在差异,且缺少相应的监测装置,无法准确分析列车制动性能对纵向动力学性能和车辆动力学性能的影响;也无法满足提升司机操纵精准性,深化列车辅助驾驶系统等研究的需求。

因此,提升重载列车性能有必要在研究货车车载安全监测装置的基础上建立列车级安全监测系统,实现列车制动性能与典型断面车钩力、轮轨力等常态化在线跟踪监测,为系统研究列车制动性能与列车纵向冲动和车钩力、车钩分力与轮轨力之间的相互作用关系,为优化列车司机操纵、优化机车车辆结构、提升运维标准等提供理论依据和科学试验数据,全面提升重载列车制动性能、连挂性能,进一步提升大秦线等重载列车的运行品质和安全裕量。

5 结论与展望

(1)基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理,需面向机车车辆全寿命周期,从研发、制造、运维全过程统筹规划机车车辆功能、结构、参数和列车整体性能,并以工作机制创新和标准体系构建作为支撑。

(2)基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理,以实现机车车辆性能最佳匹配为目标,是解决客货运列车现存问题,满足机车车辆更安全、更可靠、更高效、更绿色的高质量发展要求的有效手段。

(3)基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理,采用电控空气制动系统等技术可提高重载列车制动一致性、稳定性,同时优化列车连挂性能,通过车载安全监测等手段,实现对列车制动系统等运行状态的实时监测,可有效提升重载列车运行安全性和稳定性。

锚定推动铁路高质量发展、率先实现铁路现代化的目标任务,对机车车辆和列车本质安全度、技术性能、运输保障能力等提出了更高要求,需要持续深化基于列车的机车车辆一体化研发及运维管理策略研究,全面提升机车车辆和列车的科技实力、创新能力和产业链现代化水平。