動力制動操縱對中部機車脫鉤影響分析

劉 爽

(大連交通大學 土木工程學院,遼寧 大連 116028)

重載機車分布式布置、制動、線路、編組、機車車輛關鍵部件以及氣候等因素,均對重載列車安全運行造成不同程度的影響。重載列車采用非剛性車鉤,車鉤間相互作用關系非常復雜[1]。比如在垂向方向作用面的動態關系,常常出現靜態作業檢查車鉤相互作用高度差滿足《鐵路貨運維修規程》規定,但運行中出現脫鉤事故,車鉤卻依然保持完好閉合狀態[2]。自2007年至2019年共計發生車鉤分離22件,均為中部機車與車輛車鉤分離情況。如大秦兩萬噸重載列車運行在延慶至下莊段282.9 km處就曾發生列車分離事故。近年來通過諸多專家學者的不懈努力,通過不斷摸索試驗,改變操作策略等措施,重載列車脫鉤問題得到一定抑制[3-8],但從仿真角度來看還有進一步研究的必要。

整個列車在線路上的動力學行為非常復雜,涉及諸多非線性問題,給仿真準確性研究帶來困難。由于計算采用模型不同,得出的結果會有一定差異,需要不斷通過試驗及實踐檢驗,并逐步修正[9-11]。本文在通過構建車體三維動力學模型、線路模型、操縱模型等[5,12]模型基礎上,建立了車鉤間連掛力學模型。針對于機車、車輛車鉤均無破壞現象、鉤舌處于閉鎖狀態而列車卻發生分離事故(俗稱跳鉤)的脫鉤問題展開了研究。考慮長大坡道脫鉤后造成安全隱患,著重針對長大坡道上中部機車出現脫鉤的可能性進行了仿真分析,以期為解決脫鉤問題提供一些有益參考和借鑒。

1 機車車輛力學模型

在縱向動力學模型中,一般將機車車輛視為多質點模型。而采用體模型進行動力學建模更有利于研究列車操縱中縱向沖動對脫鉤問題的影響。單車模型在縱斷面上的受力情況如圖1所示。

圖1 單車受力簡圖

重載列車縱向沖擊對列車動力學行為影響最顯著,其每個車輛縱向力平衡方程式為:

(1)

2 車鉤受力模型

車鉤起到的主要作用是連掛和傳遞車與車之間沖擊作用力,也因此成為脫鉤問題的重要研究對象。鉤頭間由于結構特殊,致使作用關系最為復雜,連掛車鉤鉤頭部分除了受到拉壓作用力同時,又有相互間的垂向錯動而產生摩擦力,甚至還要傳遞一定的轉矩。為此本文基于車鉤脫鉤問題針對車鉤受力狀態進行建模。

2.1 車鉤力分析

重載列車縱向沖擊較大,車鉤重力和慣性作用力在仿真建模過程中可以忽略。脫鉤問題主要與車鉤垂向受力和縱向受力有關,因此車鉤在縱向和垂向平面受力問題是建模的考慮重點。根據現有鉤緩裝置結構特點,車鉤連掛縱向受力狀態可以分為拉鉤、壓鉤以及拉壓車鉤轉換間的松弛狀態3個過程:

(1) 拉鉤時兩車鉤鉤舌內側受到拉力作用,傳遞給鉤尾,鉤尾與鉤尾銷作用,并將作用力傳遞給鉤尾框,帶動后從板壓縮緩沖器。此時,前從板受到前從板座限制從而處于靜止狀態。

(2) 壓鉤時,鉤舌外側以及鉤頭內側受到壓鉤力作用,傳遞給鉤尾,鉤尾直接與從板作用,并傳遞給緩沖器。此時,后從板受到后從板座限制從而處于相對靜止狀態。

(3) 由于連掛車鉤存在車鉤間隙,出現車鉤與車鉤之間無接觸(或相對松弛)狀態。車鉤垂向方向受力除了鉤尾處作用力,還有鉤頭摩擦作用力,以及與車鉤托梁和沖擊框間的相互接觸作用力。

圖2 車鉤受力分析簡圖

為了方便統一數學表達,各力矢量均統一規定方向。規定x和y方向分別為沿鉤體方向和垂直于鉤體方向。將鉤尾與鉤尾框受到壓力和摩擦力分別向坐標軸進行投影過程中,考慮車鉤相對于車體擺動幅度偏小,為方便求解,可忽略各作用力在坐標軸次方向的投影。

2.2 車鉤力求解

如前面對車鉤受力分析發現,2個連掛車鉤縱向上處于3種工作狀態,而垂向上也因為作用力方向和作用位置在發生變化。為了方便表達,使用統一方程組表示并求解。不考慮車鉤重力和慣性力作用的影響,建立車鉤準動態平衡方程:

(2)

3 車鉤脫鉤判定方法

連掛車鉤間發生脫鉤造成列車分離的過程需要給出定量判定。一般通過連掛車鉤鉤頭中心面距離軌面高度差的變化來判斷車鉤是否發生脫鉤。本文用ΔH來表示車鉤鉤頭中心面距離軌面的高度差。連掛車鉤鉤頭中心面距離軌面高度差的限制值取300 mm。

4 中部機車脫鉤可能性仿真計算

仿真對象:兩萬噸重載列車1(HXD1)+105(C80)+1(HXD1)+105(C80),列車長度達到2.6 km,仿真線路為某長大下坡道,圖3為列車運行線路縱斷面,車鉤水平中心面距軌面高度初始值均為880 mm。仿真主要計算參數如表1所示。

表1 機車車輛主要仿真計算參數

圖3 列車運行線路縱斷面

初始操縱方案如圖3所示,列車以初始速度64 km/h駛入長大下坡道,中部機車從274 km運行至282 km。在274.8 km處動力制動實施80%制動力進行降速,在276.7 km處動力制動結束后采用空氣制動50%調速。在278.8 km處單純采用100%制動力進行動力制動,至280.2 km處采用50%空氣制動再次調速,圖4為制動操縱檔位隨里程變化。圖5為中部機車緩沖器作用力,圖6為首車運行速度變化圖,圖7為中部機車鉤頭中心距離軌面垂向位移差,結合圖5～圖7,列車由平直線路進入下坡道,前部機車車輛速度大于后部機車車輛,從274.6～276.8 km車鉤力整體以拉鉤狀態為主。當中部機車實施第1次動力制動時,拉鉤力突然降低,速度出現微小突變后降低,然后又回歸到拉鉤力。在276.7 km附近結束動力制動時,車鉤力則又出現由壓鉤到拉鉤轉換后的突變力,速度也伴隨出現小幅升高的突變。從第1次動力制動實施至結束,車鉤力大致處于拉鉤狀態,車鉤力最大值為572 kN,列車運行速度在64 km/h以上。連掛車鉤鉤頭中心面距離軌面高度差出現兩處峰值區,出現在動力制動起始和結束階段,最大峰值可以達到16 mm左右。中部機車車鉤力由壓鉤到拉鉤的轉換過程中實施第2次動力制動后,在278.8 km附近同樣出現了一定的明顯壓鉤力,中部機車速度也出現了急速下降的過程。在列車第2次動力制動結束,車鉤力則出現了明顯的壓拉轉換,速度同樣出現小幅升高的突變。第2次動力制動起始至結束時,車速在從40 km/h左右升高至58 km/h左右,車鉤力由初始拉鉤狀態轉向壓鉤狀態。連掛車鉤鉤頭中心面距離軌面高度差在動力制動實施和結束階段同樣出現兩處峰值,不同的是整體峰值分布明顯高于第1次動力制動峰值分布。在經歷過拉壓車鉤力轉換后,在280 km附近車鉤鉤頭中心面距軌面垂向位移差峰值最高值達到60 mm,此處對應壓鉤力接近192 kN。

圖4 制動操縱檔位隨里程變化

圖5 中部機車緩沖器作用力

圖6 首車運行速度

圖7 中部機車鉤頭中心距離軌面垂向位移差

顯然,列車運行在長大坡道實施動力制動后,致使中部機車與前后車輛動力學行為關系發生突變。機車垂向剛度低導致加大了點頭效應,同時受到線路激勵的耦合作用,促使車鉤鉤頭中心面距離軌面的高度差變大。綜合比較仿真中2次動力制動車鉤鉤頭中心面距離軌面高度差發現,高度差突變發生時刻均處于動力制動之后,2次動力制動中部機車位置均處在坡道變化點附近。綜上,各影響因素對脫鉤的影響還需要進一步展開,但車鉤鉤頭中心面距離軌面高度差產生較大差異的主要原因可初步歸納為兩點:一是與實施動力制動能力有關;二是實施動力制動的時機與關鍵位置耦合有關。

5 動力制動對跳鉤的影響

動力制動作為重載列車的輔助制動,它發揮著重要作用。但動力制動在制動過程中制動力曲線上升較快,作用在機車上形成了較大的突變激勵力,致使機車與前后車輛產生突變慣性沖擊,成為脫鉤的一個重要因素。在整列車受到空氣制動不均勻動力學行為影響下,中部機車在線路中發生動力制動的時機也是一個關鍵要素。因此,很有必要進一步確認改變動力制動大小和制動時機對連掛車鉤鉤頭中心面距離軌面高度差的影響效果,進而探索預防脫鉤的可行性措施。

5.1 降低動力制動檔位

將中部機車處在280 km附近實施動力制動操縱作為重點分析對象。改變第2次動力制動,動力制動能力由原來100%降低至80%,圖8為降低動力制動檔位后隨里程的變化,發現在動力制動實施開始至結束兩處峰值均有所降低(動力制動檔位降低對中部機車鉤頭垂向位移差的影響如圖9),第1處峰值在10 mm左右,相比改變操縱前降低了10 mm;第2處峰值達到26 mm左右,相比改變操縱前降低了34 mm。顯然,通過對比改變動力制動能力能夠有效降低中部機車跳鉤的風險。

圖8 降低動力制動檔位后隨里程變化

圖9 動力制動檔位降低對中部機車鉤頭垂向位移差的影響

5.2 改變動力制動操縱時機

在保持制動能力不變的情況下觀察動力制動時機對脫鉤的影響,在第1次空氣制動緩解后列車惰行1 km后開始實施動力制動,圖10為改變動力制動時機后制動檔位隨里程的變化,第2次動力制動能力80%。發現第2次動力制動連掛車鉤鉤頭中心距離軌面高度差最值分布規律依然與動力制動實施的整個過程相吻合(改變動力制動時機對中部機車鉤頭垂向位移差的影響如圖11所示),最大值接近100 mm。并且在281.4～281.6 km處出現了新的峰值分布區域,最大值也達到了10 mm。該處出現的峰值尚有待于進一步探討。顯然,實施動力制動時機不同也會觸發脫鉤的風險。

圖10 改變動力制動時機后制動檔位隨里程變化

圖11 改變動力制動時機對中部機車鉤頭垂向位移差的影響

6 結論

脫鉤問題是動力制動產生的作用力突變、空氣制動不均勻分布特性形成的縱向沖動、線路、機車車輛關鍵部件等多重因素激勵耦合產生的結果,并不是偶然發生的現象。不過僅從操縱角度考慮,通過仿真結果可以得出以下2點結論:

(1) 在固定線路區段上,可以考慮適度降低動力制動,來降低發生脫鉤的風險。如若制動能力不足,可以考慮駛入區段前降速,通過該區段后可以根據操縱需要逐步提升動力制動檔位。

(2) 需要重視在線路關鍵性節點位置采用合理優化操縱,盡可能避免在某些關鍵節點位置,實施動力制動。雖然改變操縱時機增加了操縱難度,但可以有效降低脫鉤的風險。