一種新型列車分組電空制動系統的研制

魏偉，蔣勇，張淵，趙旭寶，張軍

(1.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；2.眉山中車制動科技有限公司，四川 眉山 620010；3.大連交通大學 軟件學院，遼寧 大連116028)*

重載列車以高效率、低成本在世界鐵路貨運中被廣泛采用，在大宗貨物長距離運輸中發揮了重要作用.因重載列車列車長、重量大，其突出的問題是列車縱向沖動明顯加劇，零部件過早疲勞損壞，甚至脫軌、斷鉤事故時有發生，因此降低列車縱向沖動是重載列車重點研究課題.

列車空氣制動系統特性的不同步是列車縱向沖動主要根源，純空氣傳播的制動系統依靠壓縮空氣傳遞控制信號，因受空氣傳播速度的限制，通過提升純空氣制動系統的制動波速不能徹底解決列車縱向沖動問題.為解決制動系統不同步問題，美國等國家開發了電控制動系統(ECP)，該系統使用電信號傳播控制指令，極大地提升了信號傳遞速度，改善了列車制動同步性，電控制動系統目前已經在許多國家廣泛使用，取得了很好的效果[1].美國的電控制動系統是直通式電控制動系統，與我國列車空氣制動系統不兼容，采用美國式ECP需要對我國的車輛制動系統徹底改造，費用高，周期長，因此ECP制動系統在我國一直沒有得到應用.通過仿真系統研究新型電空制動系統，從而確定新型電空制動系統原理的正確性以及降低縱向沖動效果對于新型電空制動系統設計具有重要意義.

美國在2012年提出了新的機車及車輛空氣制動仿真系統[2-3].韓國使用制動系統建模方法研究貨運列車緩解性能的改進[4]，意大利建立了貨運列車空氣制動系統模型[5-6]，波蘭建立制動系統仿真模型，它們使用了有限元方法求解氣體流動方程[7].中國在上個世紀90年代開始列車空氣制動系統仿真研究工作[8]，并且隨后建立了貨車使用的GK、KZ1、120等分配閥組成的列車空氣制動仿真系統[9-12].意大利針對歐洲貨運列車開發了縱向動力學仿真系統[13]，意大利開展了ECP模型及對應縱向動力學分析[14]，2017年澳大利亞中昆士蘭大學發布縱向動力學標準試題，對6個國家9套仿真系統進行了評測[15].到目前為止，空氣制動系統建模研究僅限于對已有的空氣制動系統，對于新型的分組式電空制動及其對應的縱向動力學行為開展模型研究還沒有先例.

本文提出了一種分組式電空制動系統，能夠與我國列車空氣制動系統完全兼容，具有改造成本低，改造期間未改造和改造車輛可以兼容等特點.本文使用文獻[16]中參加評測的TABLDSS仿真系統對新型電空制動系統和縱向動力學進行分析，為新型電空制動系統設計提供指導.

1 分組式電空制動系統原理

分組式電空制動是一種新的電控制空氣制動新方式，它通過在部分車輛中安裝電控裝置實現部分車輛快速排風能力，加速列車制動同步性.與ECP直通式電控制動系統不同的是，該裝置不是控制副風缸向制動缸充風，而是控制列車管排風，因此該裝置與我國的現有制動系統完全兼容，適應我國的貨運列車空氣制動系統.分組式概念是列車中不需要對每個車輛安裝電控排風裝置，可以將列車看成許多組短列車組成，每組短列車安裝一套電控裝置，可以極大降低車輛改造費用.

分組電空制動結構示意圖如圖1所示.

圖1 截斷式分組電空制動示意圖

分組電空制動有兩種模式，一種為截斷式分組電空制動系統，如圖1所示，其特點是每組電空制動系統在制動時完全獨立，在緩解時各組之間管路聯通.在制動時，電控管路截斷裝置將列車分為許多組，使每組之間列車管路不再連通，同時電控排風裝置排風，使列車管壓強下降，每組內車輛分配閥在列車管壓強下降時逐漸進入制動位；緩解時，電控截斷裝置打開，列車中列車管內氣體可以在每組車輛間流動，使機車中主風缸氣體不斷流入列車管，隨著各車輛位置列車管壓強的升高，車輛分配閥逐漸進入緩解位，實現制動缸排風，列車管、副風缸、加速緩解風缸充風的目的.在制動過程中，電信號無時差地傳遞給每一組車輛的電控排風裝置，因此各組車輛中的電控排風裝置幾乎同步排風.每組車輛中，電控排風裝置排風后，制動減壓信號不斷向組內其他車輛傳播，實現組內其他車輛的制動作用，因此在制動時制動波傳播方式為兩種形式，一種是電信號直接控制電控排風裝置，可以做到所有電控裝置幾乎同步排風，另一種方式是組內車輛靠傳統的壓縮氣體減壓傳遞制動信號.在制動時相當于列車中分布于各位置的多個機車同步排風的效果，制動時等價于多個短列車同時制動.緩解時列車管截斷裝置打開，其作用相當于組成一個慣通的列車，與現有的列車緩解過程完全相同.這種分組式電空制動適合長重載列車，當列車中有些車輛處于上坡，有些車輛處于下坡的情況下，每組電控排風裝置可以獨立控制，能夠實現上坡車輛不制動、下坡車輛制動的功能.

第二種模式的分組電控制動系統為連通式分組電空制動系統，這種方式與截斷式分組電控制動的差異就是取消電控列車管截斷裝置.僅在每組列車中安裝一套電控排風裝置，這種裝置僅能夠實現各組的同步控制，不可以實現異步控制.在制動時的傳播特點與傳統空氣制動系統不同，與截斷式電空制動系統也不同.其基本原理是機車發出電控信號后，電控排風裝置幾乎同步排風，各車輛列車管減壓信號一方面來自于電控排風裝置，同時機車正常減壓作用也向后傳遞，兩種減壓作用同時發揮效果.

第二種連通式分組電空制動裝置已經由眉山制動科技有限公司開發出樣品，并且已經在列車試驗臺上完成了實驗.

2 分組電空制動系統仿真模型

連通式分組電空制動裝置物理模型如圖2所示.

圖2 帶有電控裝置的車輛制動原理圖

一節車輛制動系統模型中包含兩根列車主管(一根主管在主管與支管連接處劃分為兩根主管)和一根支管；三根缸間連接管，分別是主閥下腔連接制動缸、副風缸和加速緩解風缸連接管；7個缸室，分別是120閥的主閥上、下腔，制動缸，副風缸，加速緩解風缸，緊急室以及電控裝置的均衡風缸.除孔φ10～φ12是電控排風裝置孔徑外，其余9個孔均與120分配閥狀態相關.與分配閥狀態相關的孔和分配閥內移動部件位置相關，在制動與緩解過程中，這些孔徑均在不斷變化，其開放條件與開口度大小在有關文獻中已詳細介紹，本文重點介紹電控裝置動作原理.

來自機車的電控信號直接控制電控裝置中均衡風缸排氣口φ10面積，中繼閥再根據均衡風缸和分配閥上腔(與列車管連通)的壓強差來確定中繼閥工作狀態，當上述壓強差達到工作條件時，φ11孔開放，實現列車管壓縮空氣經主閥上腔排入大氣的目的，實現列車管遙控減壓功能.均衡風缸排氣終止壓強受機車遙控信號控制，與司機大閘的制動減壓量相等，當均衡風缸減壓量達到機車指令設定減壓量后，均衡風缸排氣口φ10關閉.列車管排氣口φ11開放后，隨著列車管壓強下降，均衡風缸和列車管間壓強差不斷減小，當兩者平衡時，中繼閥關閉φ11孔，列車管停止遙控減壓(以區別于列車管局部減壓和機車排風口減壓造成的列車管的減壓).當電控裝置接收到機車大閘緩解遙控指令時，遙控裝置將開通φ12孔，此時φ12孔通過一個虛擬管路(圖中虛線)與均衡風缸連通，此時列車管中空氣通過分配閥上腔流入均衡風缸，實現均衡風缸充氣功能，當均衡風缸與列車管最終壓力平衡時，均衡風缸φ12孔關閉，均衡風缸停止充風.同時電控裝置接收到機車緩解信號時，將φ7孔打開，實現加速緩解風缸向主閥上腔充風(再充到列車管)的功能.

均衡風缸排氣面積表達如下：

(1)

函數f均是均衡風缸排氣口面積函數，在初始接收到電控排氣指令時由機車減壓量確定均衡風缸的初始排風口，其后隨著均衡風缸減壓量接近最終減壓量，排氣口面積逐漸減小，直至關閉.Δp均,Δpend分別為均衡風缸減壓量和機車指令減壓量.

列車管排氣口開度計算如下：

(2)

函數f列是列車管排氣口面積函數，其開口面積與列車管減壓量和均衡風缸減壓量之差相關，當列車管減壓量與均衡風缸減壓量相等時，排氣口關閉.Δp列為列車管減壓量.

均衡風缸進氣孔計算方法：

(3)

當電控裝置接收到緩解電信號指令時，如果列車管壓強高于均衡風缸壓強，則按f均充表達式的進氣面積給均衡風缸充風，其開口面積決定于均衡風缸和列車管壓強差.p均,p列分別為均衡風缸和列車管壓強.

分組式電空制動系統中電控裝置接收電信號后會有機械部件運動，最后實現排氣功能.理論上電信號傳遞滯后時間可以忽略，但是考慮到機械系統滯后特性以及電信號傳遞過程中可能衰減，電控裝置可能接收到非第一個信號才開始發生作用的可能性，本仿真系統假設電控裝置初始動作方式(這里均指均衡風缸開始排氣或充氣)有三種方式，第一種方式為各電控裝置無時間差同步排氣/進氣，即所有電控裝置和機車同步動作，第二種傳遞方式為各電控裝置動作時間按正態隨機分布規律變化，并且隨機變化時間范圍可變.第三種傳遞方式是按某一種波速由前到后傳遞，即勻速由前到后順序傳播.

在隨機傳遞方式中，考慮到可能的隨機變化范圍是2、4 s；在均勻傳遞方式中考慮1 000、2000m/s兩種傳遞波速.以萬噸列車為例，按某工廠設計的每輛車安裝一套電控裝置方案考慮， 三種傳遞方式各組電控裝置開始動作時間沿車長分布如圖3、4所示.

圖3 各裝置隨機傳播動作時間

圖4 各裝置同步和順序傳播時間

圖3中在電控裝置動作時間按隨機分布變化且變化范圍為2 s時，各裝置初始動作時間按正態分布規律產生，變化范圍是0～2 s.對應的隨機4 s計算方案是電控裝置初始動作時間變化范圍為0～4s.圖4是電控裝置動作時間按均勻速度從前到后傳播，圖中對應三種傳播速度，第一種是傳播速度無窮大，即各電控裝置動作時間完全一致，第二種傳遞速度是1 000 m/s，從列車前部傳動尾部大約需要1.5 s，另一種是2 000 m/s傳播速度，尾車動作時間正好是波速為1 000 m/s對應列車尾車動作時間的50%.

眉山制動科技有限公司開發的分組電空制動系統考慮到機車發送信號有一定難度，開發的電控排風裝置是接力式傳遞方式.即前面電控裝置接收到減壓信號后，傳遞給下一個電控裝置.

眉山制動科技有限公司實驗中列車編組為108輛車輛，每間隔約10輛車安裝一組傳感器， 分別測試列車管，副風缸和制動缸壓強.實驗臺完成了各種減壓量常用制動實驗和緊急制動實驗，本文僅給出了減壓50 kPa列車管和制動缸實驗結果，如圖5～6所示.通過其分析制動系統傳遞特性和列車管、制動缸升壓特性，便于調整仿真系統中對應參數.

圖5 減壓50 kPa制動緩解列車管壓強實驗結果

圖6 減壓50 kPa制動缸壓強實驗結果

從制動實驗結果看列車管減壓傳播特性，各車輛列車管開始排氣順序仍然是由前到后，首 尾 車 開 始 減壓時間差約1.5 s. 從列車管減壓速率看,在560 kPa以上減壓速度較快，其后減壓速度減慢.從制動缸升壓曲線看，開始較快，越往后越慢.首尾車制動缸開始充氣時間差約1.0 s.制動缸開始排氣順序也可以看做由前到后，有個別車輛排氣不按順序.

緩解時列車管、副風缸充氣開始時間和制動缸開始排氣時間也可以從實驗數據中得到，首尾車列車管開始充氣時間差約2.0 s.副風缸首尾車開始充氣時間差約2.0 s，緩解時間比較均勻.

經過詳細分析各車輛列車管和制動缸初始壓力變化實驗數據，發現制動波傳播方式基本為順序傳播方式，傳播速率約為1 000 m/s.因此使用仿真系統中的順序傳播方式仿真實驗臺實驗過程.圖7～8為減壓50 kPa制動后緩解的仿真結果.

圖7 減壓50 kPa制動及緩解列車管壓強仿真結果

圖8 減壓50 kPa制動及緩解制動缸壓強仿真結果

圖7和圖8的仿真結果基本上保證了列車管減壓傳播時間、減壓速率、減壓后穩定壓強、緩解傳播時間、再充風速度等指標和實驗結果的相近性，同時各車輛制動缸開始充氣時間、充氣速率、平衡壓強與實驗結果的一致性.各種減壓量常用制動和緊急制動的結果均進行的詳細的模擬與比較，證明仿真系統能較好地仿真分組式電空制動的制動與緩解特性.

3 列車制動能力與縱向沖動的比較

開發分組式電空制動系統的目的就是降低列車縱向沖動，因此了解這種制動系統對于降低縱向沖動的效果對于評價分組電空制動系統非常重要，在沒有新制動系統裝車前，仿真預測車鉤力降低效果是唯一的獲取分組電空制動效果的途徑.在仿真系統具有與真實分組式電空制動系統較好一致性的基礎上，仿真了各種編組列車的縱向沖動和制動能力變化，由于篇幅限制，僅給出了萬噸列車減壓170 kPa常用制動的仿真結果，為便于結果比較選取平直線路，列車初速度為70 km/h.圖9為兩種制動方式列車運行速度和制動距離隨時間變化情況.

圖9 減壓170 kPa制動距離和速度比較

減壓170 kPa列車制動與純空氣制動相比，分組電空制動具有更強的制動能力，從制動距離和列車速度下降看，兩者的差異較大.在純空氣制動時停車距離為1 007 m，而分組式電空制動停車距離為679 m；從停車時間看，純空氣制動停車時間為75.2 s，分組電空制動為52.6 s，以純空氣制動為基準，分組式電空制動制動距離和停車時間分別縮短32.6%和30.0%.

圖10為萬噸列車減壓170 kPa車鉤力的變化，圖中車鉤力是指在制動過程中每個車輛受到的最大拉伸車鉤力和最大壓縮車鉤力， 圖中所繪即最大車鉤力沿車長分布.

圖10 減壓170kPa兩種制動方式車鉤力比較

由圖中車鉤力分布曲線看，壓縮車鉤力在純空氣制動系統中占主導地位，最大壓縮車鉤力為674 kN(43車)，采用分組電空制動后最大壓縮車鉤力降低到294 kN (84車)，車鉤力降低56.3%.在壓縮車鉤力降低的同時，拉伸車鉤力略有增長，純空氣制動時多數車輛沒有發生拉伸車鉤力，但是在電空制動時，多數車輛發生了拉鉤力，并且拉鉤力數值也有所增加，但是拉鉤力都在300 kN以下，相對較小，不會產生任何風險.

通過系統的仿真萬噸列車在各種減壓量常用制動和緊急制動工況，發現列車制動能力和列車縱向沖動都有不同程度的變化，與純空氣制動相比，分組電空制動制動能力更強，縱向沖動都明顯減小，但是改變程度與減壓量息息相關.常用制動減壓量越大，制動能力變化也越大，縱向沖動降低效果也越明顯.緊急制動時由于特殊的設計方法，電控裝置僅按常用速度排風，列車制動距離變化不大，但是縱向沖動降低比較明顯.

4 結論

本文開發了一種分組式電空制動模型，在與實驗結果比較接近的條件下，使用模型方法預測了列車縱向沖動，得出如下結論：

(1) 基于氣體流動理論和分配閥原理建立的分組電空制動模型能較好地模擬分組電空制動系統特性，較好的模擬列車制動能力和縱向沖動；

(2) 分組電空制動與純空氣制動相比，列車制動能力均有提升，制動距離縮短.制動距離縮短效果與減壓量有關，減壓量越大制動能力提升越強，最強的提升制動能力約為30%；

(3)分組電空制動能有效降低制動時車鉤力，減壓量大，車鉤力降低效果更明顯，最大車鉤力約降低56%.