裝用電空制動的重載列車制動波速試驗研究

吳吉恒，肖維遠，蔣 勇，劉 燦

（1 眉山中車制動科技股份有限公司，四川 眉山 620010；2 中車眉山車輛有限公司，四川 眉山 620010）

重載列車代表著當今世界鐵路貨運的先進水平和重要發展方向，是提高貨物運輸能力的重要手段之一。我國鐵路重載運輸近些年一直處于快速發展狀態，牽引質量大幅度增加、編組增長、運行速度提高都會導致車輛間的縱向沖動變大?？v向沖動的增加會增大鉤緩、輪軌的損傷幾率，甚至會更容易發生斷鉤、車輛脫軌等運輸事故［1］。

重載列車縱向沖動分析研究一直受到業內外科技工作者的高度重視，制動和緩解不同步是縱向沖動增大的主要誘因。制動波速作為制動技術中一項最基本的技術參數，是評價列車制動性能的一個重要指標，也是評定車輛制動控制機構性能優劣的一項綜合性指標。提升制動波速、增加制動緩解同步性是降低長大重載列車縱向沖動的主要手段之一。

文中針對朔黃線C80型萬噸編組重載列車進行了常用制動、循環調速、全制動等工況的制動波速研究分析，同時對一種能提高制動波速的無線電空制動技術進行了試驗研究分析。通過試驗對朔黃線單元萬噸重載列車在不同制動操作下的實際制動波速有了進一步了解，仿真分析了該技術對列車制動距離及車鉤力帶來的影響。

1 制動波速計算方法

文中所指制動波速為三通閥（或分配閥）制動波速，指的是不包括機車制動管長度的車列制動管總長除以制動力傳播時間所得值。傳播時間為列車首輛車制動缸壓力開始上升到最末一輛車制動缸壓力開始上升時所經歷的時間。制動波速越高，說明列車前后車輛制動機作用同步性越好。具體計算方法如下：

制動波總傳輸距離為式（1）：

式中：n為編組輛數；L為單輛車制動主管長度。

列車制動波速為式（2）：

式中：Δt為首尾車制動壓力上升時間差；t1、t2…tn為第n輛車制動缸壓力開始上升時間。

文中所述緩解波速亦通過式（2）計算得出，所指為列車緩解時首尾車的緩解執行響應速度。

2 電空制動技術

電空制動機又稱ECP（Electronically Controlled Pneu-matic brake 電子控制空氣制動機），以電信號通訊傳遞并執行機車實施的制動緩解命令，其主要特征就是縮短了列車前后部車輛制動缸動作時間差。

電空制動降低了列車中首尾車制動缸壓力上升的時間差，增大了列車制動波速，從而減小了列車的縱向沖動力。

電空制動按通訊方式可分為有線和無線2 種。有線電空制動系統是在整列車安裝一根雙股電纜貫穿所有機車車輛，利用線纜接引機車電源到各車輛并傳輸制動緩解指令，任一節點發生故障則整套系統癱瘓。有線電空制動提供了直接穩定的車輛供電，但任一車輛連接中斷都會導致系統失效，列車編組時反復插拔電纜會逐漸降低接頭可靠性；無線電空制動系統的控制網絡由各車輛上的控制子系統組成，制動、緩解指令在該控制網絡內以無線形式傳輸并執行，個別節點故障不會影響系統運行，車輛電源可使用蓄電池或發電裝置，其主要特點在于管理靈活、有一定容錯率但需要解決好車輛的電源供給和網絡的穩定性等問題［2-7］。

應用電空制動技術帶來的效益主要體現在以下幾點：

（1）提高列車運行品質，運行更安全

列車開行過程中縱向沖動力的降低能減少斷鉤、脫軌等行車事故。

（2）提高列車開行速度，周轉率更高

運用電空制動技術能提高制動緩解同步性，縮短空走時間和制動距離，停車制動更加精準，可提升車流密度和運輸周轉率。

（3）降低車輛磨損，維修成本更低

制動同步性提高使得車輛間的縱向沖動減小，降低車鉤勞損和車體疲勞載荷。

（4）實時監測制動系統狀態，故障及時掌握

電空制動系統能收集空氣制動系統各部位的運行數據，通過網絡自動對每一輛車制動機工作狀態進行掃描檢查，監測以及診斷故障后及時回傳信息，實時掌握列車運行品質［8-10］。

3 制動波速試驗

3.1 試驗介紹

試驗工作于2020 年1 月在朔黃鐵路滄州站進行，前后共進行多項不同工況的制動波速測試。試驗列車先期進行了無線電空制動技術改造，編組形式為108 輛C80型敞車組成單元萬噸列車，列車換長118.8，單輛車主管長度13.49 m（含軟管）。試驗機車為DF 型內燃機車。本次試驗在制動波速測試之外對列車空氣制動系統特性也進行了測試，所有試驗項均為站場線路靜置實施，制動管定壓600 kPa，見表1。

表1 試驗項

3.2 試驗方法

列車實施制動時，制動管內壓縮空氣經控制閥排氣減壓，每個車輛的制動管壓力下降使控制閥主活塞兩側形成壓差，副風缸內的壓縮空氣將主活塞推向制動位，從而使控制閥進入制動位并控制副風缸內壓縮空氣充入制動缸，制動缸壓力上升使活塞推出，產生制動作用。

制動管充風緩解時，控制閥感應制動管壓力上升后進入緩解位，制動管向副風缸充氣的同時制動缸內空氣排向大氣，同時加速緩解風缸內空氣流向制動管，加快列車緩解。

通過對制動管、制動缸、副風缸、加緩風缸的壓力進行測試，在計算制動波速的同時也可以得到空氣制動系統的制動緩解特性，進而分析重載列車開行過程中空氣制動系統的工作特性［11］。

試驗列車中共布置5 個測試斷面，如圖1 所示，分別位于列車前、中、后位置及1/3、3/4 處，分布于機次第1、36、54、81、108 輛車。無線采集器通過ZigBee 網絡控制各個測點采集測試數據、時鐘校準、參數設置、特征數據接收，壓力采集頻率102 Hz。采集系統傳輸速率為250 kbps，其功耗僅為1～2 W。每個測點采用鋰電池供電，每個通道的采集頻率可達4 kHz，具有8 GB 的非易失數據存儲空間。

圖1 測試方案

3.3 空氣制動波速測試

試驗項包括初制動、全制動、循環制動、追加制動、意外緊急制動等，記錄各測試斷面壓力數據，見表2。表中“追加制動”項數據為第2 次減壓50 kPa 時測得。

表2 空氣制動波速

試驗結果顯示：重載列車的常用制動波速在175～235 m/s 之間，1 個單元萬噸列車首尾車制動缸開始升壓時間差基本在6～8 s；意外緊急制動時首尾車制動開始升壓時間差為6.3 s，折合制動波速為229 m/s；追加制動時控制閥的滑閥已經處于制動位，節制閥動作后制動缸升壓，制動波速稍高于常用制動工況，達到310 m/s。初制動緩解時列車首尾車制動缸動作時間差7.9 s，折合緩解波速184 m/s，如圖2 所示。列車前后部位出現的制動缸升降壓時間差就是制動緩解不同步的表現，也是車輛間縱向沖動力的主要誘發因素，首尾車時間差越大縱向沖動力越高?？v向沖動力越大，車鉤勞損和車體靜強度載荷也就越大。

圖2 初制動壓力曲線（空氣制動）

3.4 電空制動波速測試

電空制動系統由列車現有空氣制動系統和無線控制系統組成，采用無線網絡信號快速傳遞并執行制動緩解指令。試驗項包括初制動、全制動、循環制動、追加制動、初制動緩解等，見表3。表中“追加制動”項數據為第2 次減壓50 kPa 時測得。

表3 電空制動波速統計

試驗結果顯示：使用電空制動系統的重載列車常用制動波速處于1 000 m/s 以上水平，1 個單元萬噸列車首尾車制動缸升壓時間差最快不足1 s；初制動緩解波速達到接近1 300 m/s 水平，如圖3 所示，電空制動能有效提高重載列車的制動波速。

圖3 初制動壓力曲線（電空制動）

3.5 制動波速對比分析

對比列車空氣制動波速及電空制動波速，如圖4 所示，結果顯示電空制動對于列車制動波速有著明顯的提升效果。幾種制動工況下的電空制動波速都達到了純空氣制動波速的3 倍以上水平，電空制動的初制動緩解波速達到空氣制動波速5 倍以上。

圖4 空氣制動波速與電空制動波速對比分析

4 制動距離及車鉤力仿真計算

聯合大連交通大學開展了空氣制動與電空制動比較仿真計算，如圖5 所示。計算內容包括萬噸列車制動距離及車鉤力比較計算、2 萬噸列車制動距離及車鉤力比較計算。仿真時列車組成以朔黃鐵路的萬噸列車及2 萬噸列車為原型，制動距離計算線路為平直路線，車鉤力計算為平直路及長大坡道循環制動（朔黃K16+590 ～K35+520）。制動距離和平道車鉤力計算的列車初始速度輸入為70 km/h，循環制動車鉤力計算使用列車真實初速度。得出計算結果如下：

圖5 制動仿真軟件界面

（1）電空制動能縮短常用制動距離，縮短的距離和減壓量有關，減壓量越大，縮短的距離越明顯，但隨著減壓量增大，增加速率逐漸減小。

（2）電空制動能降低車鉤力，萬噸列車和2 萬噸列車常用制動時降低車鉤力非常明顯。

（3）萬噸列車減壓100 kPa、170 kPa 制動車鉤力降低約38%、61%。

（4）2 萬噸列車減壓100 kPa、170 kPa 制動車鉤力降低約56%、62%。

（5）2 萬噸列車循環制動降低拉伸車鉤力和壓縮車鉤力分別為72%、28%。

5 結束語

針對朔黃線萬噸列車，通過試驗測量分析了純空氣制動波速及電空制動波速特性。針對朔黃線萬噸及2 萬噸列車，利用仿真技術對比分析了電空制動帶來的制動距離、車鉤力變化，得出以下結論：

（1）試驗結果顯示朔黃線C80型單元萬噸重載列車的常用制動波速在180～230 m/s 之間，緊急制動時制動波速為230 m/s 左右，追加制動時制動波速能達到310 m/s。

（2）電空制動技術能使重載列車常用制動及小減壓的緩解波速達到1 000 m/s 以上水平，較空氣制動系統有著翻倍式明顯提升。

（3）仿真結果顯示電空制動技術能有效降低長大重載列車常用制動時車輛間的車鉤力，縮短常用制動距離。