基于縱向動力學的大軸重機車在朔黃鐵路適應性探究

伍泓樺， 羅世輝， 楊相健， 湯　誠

(1　西南交通大學　牽引動力國家重點試驗室， 四川成都 610031；2　中車株洲電力機車有限公司　技術中心， 湖南株洲 412001)

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基于縱向動力學的大軸重機車在朔黃鐵路適應性探究

伍泓樺1， 羅世輝1， 楊相健2， 湯誠2

(1西南交通大學牽引動力國家重點試驗室， 四川成都 610031；2中車株洲電力機車有限公司技術中心， 湖南株洲 412001)

隨著重載鐵路的發展，縱向動力學問題顯得越來越突出。總結了研究機車線路適應性的方法，分析了列車縱向動力學原理。利用已開發的縱向動力學軟件TDEAS模擬仿真30 t軸重某型電力機車在朔黃線上進行貨物運輸，具體編組為：2臺30 t軸重某型電力機車，‘1+1’編組在朔黃線上牽引2萬t。計算機車牽引能力、列車縱向沖動以及列車能耗，從效率性、安全性和經濟性方面研究大軸重機車對線路的適應性。結果表明：30 t軸重機車牽引能力滿足朔黃鐵路運用要求；運行過程中，車鉤力最大值均出現在中部機車車鉤，最大拉鉤力和最大壓鉤力分別為1 300,1 650 kN，在安全范圍之內；在長大下坡采用循環制動，機車電制動回收能量超過機車牽引耗能，節能效果明顯。

縱向動力學； 30 t軸重機車； 線路適應性； 動力學仿真；

為提高鐵路貨運能力，滿足重載運輸的快速發展的要求，擴大列車編組長度、提高機車和貨車軸重、增加機車軸式以及采用雙機或多機大功率機車牽引是重載鐵路可行的發展思路。2014年中國鐵路總公司在大秦鐵路已經成功實現3萬t重載列車試驗運行[1]，神華集團承擔了國家科技支撐計劃項目“軸重30 t以上煤炭運輸重載鐵路關鍵技術與核心裝備研制”并在朔黃鐵路成功開行30t軸重萬噸重載列車[2-3]。然而隨著列車編組和牽引質量不斷增加，帶來的縱向動力學問題也越來越突出。在線路適應性方面，郭鍇[4]研究了重載列車線路通過能力計算的方法。李海濱[5]研究了DF7B機車在黔桂線運用的適應性。馬大煒[6]研究了大秦線2萬t列車運行過程中縱向最大車鉤力及運行安全性。李曉春[7]研究了電力機車進行重載運輸的能量消耗。以上研究表明，應當對機車的牽引效率，列車運行的安全性和能耗問題給予更多重視。本文從效率性、安全性和經濟性方面研究大軸重機車對線路的適應性。

1　列車縱向動力學和TDEAS軟件介紹

在列車縱向動力學研究中，根據研究重點的不同對列車模型作一定的簡化。當以縱向沖動為研究目標時，通常忽略列車的橫向和垂向運動，只考慮列車的縱向自由度[8]。將機車車輛看作剛體，受力如圖1所示 。因此列車縱向動力學運動方程寫為：

(1)

式中mi為第i車的質量；X″i為第i車的加速度；Fci為第i對車鉤的車鉤力；Fwi為運行總阻力(包括：運行阻力、空氣阻力、坡道阻力和曲線阻力等)；FTEi為牽引力；FDBi為機車電制動力；FBi為空氣制動力。

圖1　列車中某機車車輛受力圖

TDEAS縱向動力學仿真軟件是西南交通大學牽引動力國家重點試驗室機輛所相關研究人員以列車縱向動力學、列車牽引制動和列車能耗等理論為基礎開發的動力學及能量仿真平臺[9]。軟件主要功能為：①列車的縱向動力學及牽引計算；②不同編組列車、線路條件、裝備條件及司機操控方法的模擬；③列車能量及能耗仿真；④調車作業及列車碰撞的模擬；⑤列車模擬架駛；⑥仿真結果的后處理。

將機車車輛基本參數、機車牽引制動特性曲線、鉤緩裝置特性、機車操控和線路狀況等條件導入軟件，則可以仿真模擬列車運行。

2　大軸重機車朔黃線適應性仿真條件

2.1列車編組模式及機車牽引制動特性

仿真模擬采用的列車編組模式為：2臺30 t軸重某型電力機車，‘1+1’編組牽引2萬t，即1主控機車+105C80+1從控機車+105C80+可控列尾。鉤緩裝置均采用牽引桿與16號17號連鎖車鉤并用(3車一組)，配備MT-2緩沖器。30 t軸重某型電力機車牽引力大小取25 t軸重的HXD1型電力機車的1.2倍，牽引制動特性如圖2所示。

圖2　30 t軸重某型電力機車牽引制動特性曲線

2.2仿真線路條件

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相聯，東至河北省黃驊市黃驊港口貨場。圖3和圖4分別為朔黃線路落差和坡度設置。該線路全程588 km，最大坡度為4‰，最小坡度為-12‰。線路最大落差達到1 536 m。重載列車試驗區間主要為：神池南—肅寧北。線路從神池南到肅寧北為上行，主要為下坡路段，對機車的牽引制動能力提出較高要求。因此仿真模擬的線路取神池南(K0)到肅寧北(K405.9)。

圖3　朔黃線落差設置

圖4　朔黃線坡度設置(神池南到肅寧北)

圖5為朔黃線路的曲線設置。該線路段曲線半徑以曲率表示，其中最小半徑為395.6 m，最大半徑為10 000 m，曲線半徑多為500 m至2 000 m之間，左曲線與右曲線的設置大致相當。

圖5　朔黃線曲率設置(神池南到肅寧北)

3　大軸重機車朔黃線適應性仿真結果

重載列車在朔黃線運行的機車牽引運行速度、車鉤力以及列車能耗如圖6～圖8。

圖6　列車運行速度

圖6為列車運行速度，圖中所標里程和速度均對應頭部機車。從結果可以看出，在駛出神池南站后，機車由0檔位調到最高牽引檔位，列車的運行速度迅速提高，達到了80 km/h；由于該線路為長大下坡，列車采用機車電制動的同時配合有空氣減壓的多次調速制動(又稱循環制動)，確保列車速度不超過坡道限速要求。具體操作為：先使用機車電制動，在列車速度接近坡道限速80 km/h時再使用列車空氣制動(空氣制動減壓量為50 kPa)并保壓，并依據列車速度下降情況調節機車電制動，待列車減速到45 km/h后實施緩解，空氣制動緩解后，列車在下坡道又開始自然增速，速度接近限速時實施下一次循環制動。因此，列車運行時速度在40～80 km/h之間頻繁變化。

圖7　車鉤力時間歷程

圖7為列車各位車鉤受力時間歷程，車鉤力為正表示車鉤受壓，車鉤力為負表示車鉤受拉；C108對應中部機車重聯處車鉤，C109對應中部機車與貨車相連車鉤。由圖可知。‘1+1’編組組合列車在啟動牽引時，最大拉鉤力出現在中部機車車鉤(C109),最大值為1 200 kN。在運行過程中，列車的最大拉鉤力和最大壓鉤力分別為1 300 kN和1 650 kN，在安全范圍之內。最大拉鉤力發生時，中部機車處于K117附近的魚背型坡道，列車為牽引工況；列車在K170～K174的長大下坡進行調速制動，緩解信號發出約20 s后，中部機車壓鉤力達到最大值。整體來看，‘1+1’編組組合列車的車鉤力最大值均出現在中部機車車鉤(C109)，且列車間的車鉤力的規律是與機車相鄰的車鉤縱向沖動大，車鉤位置與機車車鉤越遠，車鉤力越小。由于列車頻繁的進行電制動、空氣制動和空氣制動緩解操作，所以車鉤力也是在正負值之間交替，并伴隨一定的縱向沖動。

圖8　列車能量時間歷程

圖8為列車系統動能及各種作用力做功的時間歷程。由圖可知，機車牽引做功隨著運行時間不斷累積，仿真中機車牽引力做功2.48×104kW·h。列車動能的變化與速度的變化趨勢一致。列車基本阻力所消耗的能量在列車能耗中占主導地位，耗能4.46×104kW·h。彎道阻力耗能5.72×103kW·h，鉤緩裝置耗能極小，可以忽略。由于朔黃線重載運輸方向以長大下坡為主，落差超過1 500 m，蘊藏巨大勢能在上圖可以體現，坡道阻力做正功，消耗能量達-8.87 ×104kW·h。與此同時，列車在長大下坡采用循環制動，機車電制動回收的能量達到了3.45 ×104kW·h，空氣制動耗能2.61 ×104kW·h。機車電制動回收能量已超過機車牽引耗能。由此可見，列車節能操縱對于回收朔黃線蘊藏的巨大可回收勢能有著重要的學術價值和經濟意義。

4　結論與展望

運用列車縱向動力學仿真軟件研究30 t軸重機車，‘1+1’編組牽引2萬 t在朔黃鐵路(神池南到肅寧北段)運用的線路適應性。

(1)30 t軸重機車牽引能力滿足朔黃鐵路運用要求，全路段列車的運行速度可以保持在40～80 km/h。

(2)‘1+1’編組組合列車在運行過程中，車鉤力最大值均出現在中部機車車鉤，最大拉鉤力和最大壓鉤力分別為1 300 kN和1 650 kN，若操縱得當，縱向力在安全范圍之內。

(3)仿真全程機車牽引力做功2.48×104kW·h，基本阻力耗能4.46 ×104kW·h，彎道阻力耗能5.72 ×103kW·h，坡道阻力做正功，消耗能量達-8.87 ×104kW·h，機車電制動回收的能量3.45×104kW·h，空氣制動耗能2.61×104kW·h。在長大下坡采用循環制動，機車電制動回收能量超過機車牽引耗能，節能效果明顯。

(4)利用縱向動力學仿真軟件研究30 t軸重重載組合列車的最優編組和在魚腹型坡道、魚背型坡道以及長大下坡的列車最優操縱，減小縱向沖動。

(5)大秦線和朔黃線作為我國兩條西煤東運的能源骨干專線，在重載運輸方向均以長大下坡為主，其中大秦線落差約1 000 m，朔黃線落差超過1 500 m，因此蘊藏巨大勢能。利用縱向動力學仿真軟件研究列車節能優化操縱對于回收重載線路蘊藏的巨大可回收勢能有著重要的學術價值和經濟意義。

[1]我國鐵路成功實現3萬t重載列車試驗運行[J]. 鐵道貨運，2014,(4)：47.

[2]薛繼連. 神華重載鐵路核心裝備與關鍵技術創新[J]. 中國鐵路，2014,(3):6-11.

[3]神華集團有限責任公司.國內首列30噸軸重萬噸重載列車在朔黃鐵路開行[EB/OL].[2014-08-28]. http:∥www.sasac.gov.cn/n1180/n1226/n2410/n314244/16028247.html.

[4]郭鍇.重載運輸的通過能力研究[D]. 中南大學，2007.

[5]李海濱. 東風7B型機車在黔桂線運用的適應性分析[J]. 內燃機車，1995,(9)：9-14.

[6]馬大煒，王成國，張波. 2萬t級重載列車的技術對策及其縱向力研究[J]. 鐵道機車車輛，2008，28(S1)：212-216.

[7]李曉春，王位，李希寧. 大秦線重載運輸機車的能耗分析[J]. 電力機車與城軌車輛，2010，33(3)：20-24.

[8]丁莉芬. 重載列車縱向動力學建模研究[D]. 北京交通大學. 2012：5-18.

[9]羅世輝，吳慶，杜志輝，等. 基于縱向動力學的列車能量及能耗分析[J].鐵道機車車輛，2013，33(2)：52-55.

Exploration of Shuo-Huang Railway Adaptability of Heavy Axle Load Locomotive Based on Longitudinal Train Dynamics

WUHonghua1，LUOShihui1，YANGXiangjian2，TANGcheng2

(1State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiao Tong University, Chengdu 610031 Sichuan, China; 2R&D Center, CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co., Ltd., Zhuzhou 412001 Hunan, China)

With the development of heavy haul railway, the longitudinal train dynamics becomes more and more prominent. This paper summarized the research methods of railway adaptability of locomotive and analyzed the longitudinal train dynamics. The self-developed TDEAS software has been used to simulate a certain 30 t axle electric locomotive transporting goods on the Shuo-Huang railway. Two 30 t axle electric locomotives pull twenty thousand tons of goods with ′1 + 1′ marshalling mode. The traction capability, longitudinal impulse and energy consumption was calculated. From the efficiency, safety and economy, the railway adaptability of heavy axle load locomotive was researched. The results show that 30 t axle load locomotive's traction capacity can meet the application requirements of the Shuo-Huang railway. During operation, the maximum coupler forces are present in the middle of the locomotive, the maximum coupler-pulling force and maximum coupler-pressing force were 1 300 kN and 1650kN, which are within the safe range. Using a method of cycle braking on long heavy down grade section, the recovered energy through the electro-dynamic braking is more than the traction consumption energy.

Longitudinal train dynamics; 30 t axle load locomotive; railway adaptability; dynamics simulation

1008-7842 (2016) 04-0085-04

??)男，碩士生(

2015-12-18)

U260.1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.21