朔黄铁路重载列车电控空气制动试验研究

王蒙,廖小康,易彩,张兵

(1. 国能铁路装备有限责任公司,北京 100011; 2. 西南交通大学,四川 成都 610031)

0 引言

重载铁路运输有许多优点,如:运输能力强、效率高、货物运输费用低廉和环保等,是现代以及未来货物运输的主力。重载运输是作为铁路现代化的另一个标志,也是铁路发展的一个重要途径[1]。同世界其他重载运输国家一样,重载长、大列车运输也成为我国铁路货运发展的方向。随着铁路运输要求的不断提高,对重载长、大列车的运载能力要求也越来越高,而重载长、大列车安全可靠运行并保障其运载能力的主要因素之一就是列车的制动性能。制动系统是列车的重要组成部分,是列车能否正常运行的关键,也是当前铁路运输发展需要解决的重要难题[2]。

重载列车由分散的多机车和多车辆编组而成,所涉及的控制系统和组件较多,且运行工况复杂多变。重载列车的电控空气制动ECP(electronically controlled pneumatic)系统作为保证重载组合列车安全运行的重要技术,能借助列车网络通信系统,实现所有车辆的同步制动与缓解,有着比传统空气制动系统更卓越的性能[3]。ECP制动系统克服了传统空气制动系统的许多固有限制,通过电子指令传输制动信号、连续的列车管充风和再生制动能力,实现车辆、机车同步制动与缓解,同时改善了列车制动和缓解过程中纵向冲动的问题,减小动力消耗、车轮踏面消耗和闸瓦消耗,降低维护成本并能对每个车辆的制动力进行监控、诊断,使列车获得更好的运行操控性能,特别适用于编组超长的重载列车,在重载货运列车上展现了极高的应用前景。

传统列车的空气制动系统存在一定的缺陷,如:列车制动、缓解存在延迟,会使列车车辆之间产生较大的纵向冲动作用力,这会导致列车的安全性不能被保证,而国外ECP系统发展较早并得到了广泛应用[4]。近些年,我国针对ECP系统也进行了大量研究,文献[5-6]对各种制动工况下的ECP系统性能进行了试验分析;文献[7]采用列车空气制动与纵向动力学进行联合仿真,对朔黄铁路2万t重载组合列车纵向动力学性能进行研究,分析了ECP系统作用下的列车纵向车钩力;文献[8-9]在ECP系统仿真模型的基础上,对各种制动工况下的ECP系统性能进行了计算分析。本试验目的是验证重载长、大列车无线ECP系统的制动性能,判别无线ECP系统的性能指标是否达到设计要求,该研究对今后重载列车装备电控空气制动系统及开行重载列车具有指导意义。

1 试验方案

1.1 试验线路区间

列车制动系统中的列车调速和停车等操纵是保障列车正常安全运行的重要操作,其中,长、大下坡道的制动调速最为关键,故本试验需要在具备长、大下坡道的线路区段进行试验探究。万吨重载列车线路运行试验的试验区间选在朔黄线。综合朔黄线各方面情况,整个测试区间起于神池南止于黄骅港,相关参数如表1所示。其中试验线路特点为:自西向东海拔落差1 500m,有近170km山区铁路,曲线多。

表1 试验线路参数

1.2 试验机车车辆

试验车辆采用C80双浴盆式铝合金运煤专用敞车,如图1所示。牵引机车采用基于LTE-R无线通信传输技术的同步操控系统,编组方式为“1台交流机车+108辆C80货车”。列车制动装置采用120-1型控制阀、203mm×254mm整体旋压密封式制动缸、ST2-250型双向闸瓦间隙自动调整器、KZW-A型无级空重车自动调整装置和高磨合成闸瓦,满足主列车管压力500kPa和600kPa要求。由于列车编组较长,各车辆空气制动、缓解时的同步性会有较大的不同,列车制动力存在较大差异。当采用ECP系统时,系统通电;当不采用ECP系统时,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。

图1 C80运煤专用敞车

1.3 数据采集系统

本试验选用某型号压力传感器PTX5072-TC,用于测量列车管、制动缸和副风缸的压力,采用KFW-5-120-D16型应变片测量车钩左右接触面的受力。为了确保主控制器可以在车上对任意位置进行各个测点的数据采集、对时、参数设置和特征数据接收等操作,将所有测点传感器与无线采集器相连,并利用网络传输速率为250 kB/s的ZigBee网络进行数据传输。数据采集系统及传感器安装位置如图2所示。

图2 数据采集系统及传感器安装位置

1.4 测试工况及内容

为研究ECP系统对重载列车制动性能的影响,根据重载列车的操纵特点,结合试验线路条件,在开启和关闭ECP两种控制条件下对重车常用制动及空车停车制动进行试验对比分析。重车工况为公里标7.9处的试验,空车工况为公里标383处的试验,具体测试工况如表2所示。

表2 测试工况

采用万吨重载列车空气制动系统静置试验以及线路运行试验的方法,结合上述工况对加装无线ECP的万吨列车纵向冲动和制动距离进行分析测试。

2 静置试验结果分析

相比于传统的空气制动系统,由于结构原理、作用方式的不同,ECP电控制动系统具有缓解车钩作用力、同步列车管及制动缸压力和缩短制动距离等优点。

2.1 制动波速分析

在试验地点进行压力测试,制动试验结果如表3和表4所示。由表中数据可以发现,与无ECP系统工况相比,存在ECP系统下的制动时间差明显缩短,制动波速明显增加,加快了近5倍。

表3 开ECP系统时静态制动试验数据统计

表4 关ECP系统时静态制动试验数据统计

图3、图4为有无ECP控制作用下制动缸压力变化曲线图。由图3和图4可以看出,在ECP控制下第1辆和第107辆车的制动时间差明显缩短,这说明ECP系统可以有效对车辆进行制动,以免发生安全事故。

图3 有ECP控制作用下制动缸压力变化曲线图

图4 无ECP控制作用下制动缸压力变化曲线图

2.2 列车制动性能试验

接下来对制动系统泄漏、改变制动减压量等工况的列车制动性能进行试验。在进行列车制动系统泄漏试验时,对列车充风,当列车管达到规定压力后减压100kPa,之后稳定1min,如图5所示。从图中可以看到在1min内,列车管压力下降值最多达到了40kPa左右。

图5 列车制动系统泄漏下列车管压力变化

在进行常规制动时,对列车充风,当列车管达到规定压力后实施规定减压量的常用制动。图6和图7给出了减压量为50kPa和170kPa下各断面制动监测参数的全部变化过程。

图6 常用制动减压量为50kPa下列车管压力变化

图7 常用制动减压量为170kPa下列车管压力变化

在进行保压时,机车制动机开通补气位,减压100kPa后开始进行保压。由于现场试验条件协调的关系,进行了一次短时间的保压然后再进行缓解。最终各断面制动监测参数的全部变化过程如图8所示。

图8 保压情况下列车管压力变化

在进行紧急制动时,首先对列车充风,当列车管达到规定压力后开始实施紧急制动,待制动缸压力稳定后再充风至列车管达到规定压力。最终各断面制动监测参数的全部变化过程如图9所示。由图9可以看出,在实施紧急制动时,列车管压力急剧下降至0,待制动缸压力稳定后,列车管压力又慢慢恢复至规定的水平。

在进行循环制动时,对列车充风,列车管达到规定压力后减压50kPa并进行短时间内的保压,然后再缓慢充风,循环实施常规制动。最终各断面制动监测参数的全部变化过程如图10所示。由图10可以看出,在实施循环制动时,列车管压力出现了明显下降和上升的循环趋势,列车管的循环变化趋势满足列车循环制动试验的要求。

图10 循环制动下列车管压力变化

3 动态试验结果分析

3.1 有无ECP控制作用下的车钩力

列车在停车制动或调速制动时,开始一段时间前后车辆间的制动力不一致,前部车辆制动力较大而明显减速,后部车辆制动力较小而减速不明显,后部车辆在惯性力作用下涌向前方,进而产生列车的纵向冲动,从而易造成车钩的疲劳断裂。有无ECP控制作用下重车和空车各测点车钩力随时间的变化曲线如图11所示,重车和空车各测点车钩力最大值如表5所示。

图11 有无ECP控制作用下重车和空车各测点车钩力

表5 重车/空车各测点车钩力最大值 单位:kN

从图11和表5中可知,ECP制动系统作用下的列车纵向车钩力要明显低于普通空气制动作用下的列车纵向车钩力,ECP制动系统的纵向动力学性能指标均优于空气制动。第28辆车测点处车钩作用力最大,是受力较为复杂的部位,在自身动力和车辆动能作用下,不断承受前后车辆拉拽、挤压作用,产生涌动的可能性最大,钩缓装置也最容易受压失稳和疲劳伤损。

3.2 有无ECP控制作用下的列车管压力

图12为有无ECP控制作用下重车和空车制动时各车列车管压力。从图12中可以看出,在列车制动位信号结束时,第2辆车的列车管压力响应最快并且响应幅度最大。在ECP开启的情况下,其他3辆车的列车管压力也尽快地达到了与第2辆车相一致的压力变化幅度。而在ECP关闭的情况下,其他3辆车的列车管压力幅度变化较慢,并且完全达不到第2辆车的压力变化幅度。这证明在ECP控制的加持下,首尾列车的列车管压力发生了较为接近的变化方式,表明采用ECP系统控制车辆制动时可以保证列车制动及缓解的同步性。

图12 有无ECP控制作用下重车和空车各车列车管压力

3.3 有无ECP控制作用下的制动缸压力

ECP系统在实施制动时,各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,而系统空气制动受120-1型控制阀的特性决定,其升压时间较长,升压速率较慢。图13为有无ECP控制作用下空车制动时各车制动缸压力。从图13中可以看出,开启ECP时测试列车的制动缸压力变化十分同步,特别是在制动结束时,压力曲线呈现出同步下降的趋势。关闭ECP系统测试列车在制动结束时,第2辆车的制动缸压力变化非常灵敏,其他车制动缸压力变化呈现出明显的滞后现象。在无ECP控制的情况下,空车出现了制动缸压力变化不一致的情况,这证明相比传统空气制动系统,ECP制动控制系统可以形成贯穿全列车的均匀制动力分配,不仅能够实现机车和车辆之间的制动指令传输,还可以进行双向数据交换,大大降低了列车的空走时间,降低了列车纵向冲动力。

图13 有无ECP控制作用下空车制动时各车制动缸压力

4 结语

电控空气制动系统采用电信号传递制动指令,传输时间短。相比于空气制动,电控空气制动系统有助于缓解车钩作用力,具有同步列车管及制动缸压力和缩短制动距离等优点。本文结论如下:

1)ECP系统的制动/缓解具有较好的同步性,制动能力较强,其阶段缓解功能可以提高重载列车操纵的灵活性;

2)相比传统纯空气制动,开启ECP控制后列车中的最大车辆纵向车钩力减小17%以上,满足“最大车辆纵向车钩力降低15%(比纯空气制动)”的要求;

3)试验验证了重载长、大列车无线ECP系统的制动性能,判定无线ECP系统的性能指标达到设计要求。