朔黃鐵路兩萬噸組合列車緩解車鉤力研究

趙鵬飛

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司機輛分公司，河北 肅寧 062350）

1 研究背景及意義

朔黃鐵路西高東低，下坡道占比多，坡度大，線路變坡點多，現有的兩萬噸列車采用“1+1+可控列尾”編組方式，列車長度為2 600 m 以上，載重量大，列車制動緩解同步性較差，這些種種因素導致兩萬噸重載組合列車在運行過程中極易產生較大縱向沖動，而且在不當的地點采用不當的操縱方法同樣也會加劇列車的縱向沖動。

國內對于重載組合列車縱向動力學的研究主要依靠計算機仿真的方法。馬大煒等[1]根據大秦線兩萬噸列車的試驗和仿真研究結果，說明應用Locotrol 技術可改善列車制動性能從而減輕列車縱向力；并對不同編組重載列車長大下坡道循環制動和緊急制動的縱向最大壓鉤力進行比較。魏偉等[2]開發了基于空氣制動系統仿真的列車縱向動力學仿真程序，通過單車撞擊試驗獲得緩沖器本構關系，仿真獲得“1+2+1”編組兩萬噸列車制動特性。胡楊等[3]利用基于氣體流動理論的空氣制動系統仿真方法，建立列車空氣制動系統模型，通過試驗對比驗證仿真系統的準確性，對不同機車編組、多機車不同滯后時間和不同減壓量的再充氣過程進行仿真。魏偉等[4]通過仿真比較了目前兩種常見的組合列車制動系統特性獲取方法的差異，通過對比發現，制動缸升壓特性的差異是造成兩種方法計算結果較大差異的主要原因。

仿真模型需要大量數據來調整仿真參數，但目前的仿真結果仍與現實存在一定差異。因此，通過試驗法進行重載列車縱向動力學研究仍是一種有效方法。2020 年9 月2 日朔黃鐵路兩萬噸綜合檢測（試驗） 機車正式上線，其安裝的動力學測試系統包括測力車鉤、拉線位移傳感器、激光位移傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器等共計30 個測點，能夠實時監測兩萬噸列車從控機車車鉤受力、車鉤偏轉角與伸縮量、機車與車輛車鉤差、機車均衡風缸與列車管壓力、機車轉向架位移量與振動加速度、軸箱振動加速度6 個項點，為兩萬噸列車優化操縱提供了依據。

2 兩萬噸列車緩解車鉤力產生原因分析

朔黃鐵路兩萬噸列車的編組形式為“1+1+列尾”，即“主控機車+中部從控機車+可控列尾”的編組形式。列車制動時，主控機車減壓，并向從控機車和尾部列車發出減壓信號，列車可以從主控機車、從控機車和尾部列尾同時排風，排風點較為分散且均衡，因此降低了列車在制動時由于制動不同步產生的縱向沖動。但列車緩解時尾部列車不能向列車管充風，充風點僅為兩臺機車。

當車輛制動閥壓差達到緩解壓差時制動缸開始排風，排風過程不依賴于列車管的充風情況。通常列車緩解時采用緩解波描述車輛的緩解過程。緩解波是指列車緩解時沿列車由前往后如同波一樣傳播的物理現象。緩解波的傳播速度，稱為“緩解波速”。根據現有試驗及仿真結果，列車采取小減壓量減壓時，列車的緩解波速遠低于大減壓量。當減壓量為100 kPa 時，緩解波速為195 m/s。而減壓量為50 kPa 時，根據試驗情況，100 輛編組、定壓600 kPa 的列車緩解波速最低僅為86 m/s。緩解波速的降低加劇了列車緩解的不同步，增大了列車的縱向沖動和車輛間的車鉤力。

以朔黃兩萬噸編組的列車為例，其編組形式為HXD1+108 輛C80+HXD1+108 輛C80+可控列尾。C80 車輛全長12 m，假設制動管長13.5 m，列車減壓50 kPa 時制動缸壓力為100 kPa，緩解排氣時間12 s，列車緩解波速為100 m/s。圖1 為列車緩解時緩解波傳播示意圖。

圖1 列車緩解時緩解波傳播示意圖

主控機車開始緩解向列車管充風，主控機車動作后從控機車延遲2 s 開始充風，則前部單元車輛制動缸全部開始排風的時間為8.29 s。此時后部單元列車僅緩解至后部單元的第46 輛；到第17 s 左右，后部單元的最后一輛車制動缸開始排風；到第20 s 左右，前部單元的車輛制動缸壓縮空氣已全部排空，車輛在下坡道的重力加速度作用下產生加速度，后部單元排風還未結束，車輛仍存在制動力，可能產生減速度或整體加速度小于前部單元，因此列車整體呈拉伸狀態，從控機車產生較大拉鉤力；到第30 s 時，后部單元的車輛制動缸全部排風結束，后部單元的車輛在重力和車鉤拉力的作用下加速度并前涌，列車產生壓縮狀態，從控機車產生較大壓鉤力。

3 朔黃線循環制動緩解車鉤力統計分析

根據《兩萬噸列車操縱提示卡》的規定，兩萬噸上行列車在運行過程一般進行12 次循環制動。其緩解地點可分為3 類，長大坡道、“陡緩陡”地段和“凹形坡”地段。其中，在長大坡道緩解容易產生較大車鉤力。同時，緩解車鉤力也與列車本身的制動性能相關，當列車充風時間長、機車減壓量大或車輛制動機自身原因導致車輛制動力較大時，越容易產生較大車鉤力。

4 緩解車鉤力分析

4.1 在長大坡道上的緩解車鉤力分析

朔黃上行兩萬噸列車在大坡道緩解共3 處，分別為第三次循環制動、第七次循環制動和第十一次循環制動。其中，第三次循環制動緩解坡度為-10.2‰，第七次和第十一次循環制動緩解坡度為-7.0‰。

會議要求，要進一步細化落實國務院辦公廳關于做好非洲豬瘟等動物疫病防控工作通知的任務分工，完善聯防聯控工作機制。近期，要組成督查組，赴各地特別是重點省份開展非洲豬瘟防控工作督查，聚焦責任落實、應急處置、生豬調運和餐廚剩余物監管等重點工作。要壓實地方的屬地管理責任，督促地方各級人民政府對本地區防控工作負總責，切實落實有關防控措施，統籌做好養殖業生產安全和肉品供給保障。

將第三次循環制動作為研究區段，選取某月兩萬噸列車從控機車采集的數據進行分析，該月不同車次在第三次循環制動緩解時產生的車鉤力見圖2。由圖2 可知，該研究月份大多車次產生的緩解車鉤力大于安全建議值1 000 kN，兩列車的車鉤力高于該值。

圖2 第三次循環制動從控機車車鉤力圖

對各車次的制動過程進行統計，結果見表1。從統計結果中可以看出，在所有列車制動地點、制動速度、緩解速度和再生制動力相近的情況下，第四列次列車制動時長最短，為263 s，制動距離最短，為4 133 m。假設列車制動過程為勻減速過程，大致計算列車的制動減速度，可以看出該次列車的制動減速度明顯高于其他列車，說明該車次的制動力明顯高于其他車次。由于機車采取的再生制動力大致相同，因此其制動力不同可能是受車輛制動力影響。

表1 第三次循環制動過程統計

為分析列車制動力強弱的影響因素，將列車制 動過程制動系統風壓進行統計，結果見表2。

表2 第三次循環制動過程制動系統壓力統計

由表2 可知，第四列次列車均衡風缸壓力過高，達到613 kPa，再加上其充風時間在所有列車中最長，使得列車制動前列車管壓力達到606 kPa，高于定壓6 kPa，制動時制動減壓量較高，為51 kPa，這是可能導致該次列車制動力較強的主要原因。

對比第十一次循環制動車鉤力和制動減速度，車鉤力最大值仍由第四列產生，第十一次循環制動中該次列車的制動減速度仍明顯高于其他列車。

4.2 在“陡緩陡”地段的緩解車鉤力分析

朔黃上行兩萬噸列車在站內緩解共6 次，為第二次循環制動、第四次循環制動、第五次循環制動、第六次循環制動、第八次循環制動、第十次循環制動。在站內緩解時，除第六次循環制動外，其他循環制動緩解時車站及周邊范圍內的坡度呈現“陡緩陡”的特征，且站內緩坡地段長度一般不超過2 000 m，不足以容納一整列兩萬噸列車（原平南線路有效長較長，可容納整列兩萬噸列車），縱斷面見圖3。

圖3 第五次循環制動緩解地點縱斷面圖

在某月內，兩萬噸從控機車在BDN 車站緩解時產生的車鉤力情況見圖4。

圖4 某月BDN 站內緩解車鉤力情況

在緩解坡度不變時，由于前后單元的緩解不同步性，前部單元緩解快，加速度大，后部單元緩解慢，加速度小，因此在緩解后的一段時間內列車產生拉伸趨勢。在站內緩解時，若緩解時機早，前部單元位于緩坡地段，后部單元仍在站外陡坡，后部單元由于延遲緩解產生的制動力能夠在一定程度上被坡度產生的重力分量抵消。緩解時機越早，其重力分量越大，此時后部單元的加速度可能較更早緩解但位于緩坡的前部單元加速度大，因此容易產生較大壓鉤力，不易產生拉鉤力。

在緩解坡度不變時，列車緩解產生拉伸趨勢后，后部單元在重力和較大車鉤拉力的情況下向前擠壓，在從控機車處產生較大壓鉤力。在站內緩解時，若緩解時機晚，前部單元進入站外陡坡，后部單元仍在緩坡地段，前部單元的重力分量產生較大加速度，能夠在一定程度上平衡后部單元在大拉鉤力產生的較大加速度，不至于使從控機車產生較大壓鉤力。

列車在站內的緩解時機不易過早或過晚，主控機車剛進入陡坡后緩解不容易產生較大車鉤力。

4.3 在“凹形坡”地段的緩解車鉤力分析

在坡度不變的緩坡地段緩解時，不容易產生較大車鉤力。但由于兩萬噸列車總長超過2 km，且緩解時列車還在運行，因此緩解過程很難處在相同的坡度。由此可知兩萬噸列車第一次循環制動、第九次循環制動、第十二次循環制動緩解時均在變坡點，且根據坡度變化情況，該3 次循環制動緩解地段均為坡度逐漸變緩或下坡變上坡的“凹形坡”。

在“凹形坡”緩解時，由于后部單元所在下坡道坡度更大，能夠在一定程度上抵消緩解晚引起的制動力，但在完全緩解后，容易加劇后部單元向前的擠壓作用。因此，在“凹形坡”緩解時列車車鉤力以壓鉤力為主，不產生或產生較小的拉鉤力。

5 降低長大坡道緩解車鉤力的方法探討

根據以上分析，在坡度不變化的長大坡道上緩解時，列車制動力是影響緩解車鉤力的重要因素。列車制動力越強，在緩解時越容易產生較大車鉤力，因此在保證安全的前提下，降低列車制動力是降低緩解車鉤力的有效方式。

目前，朔黃兩萬噸列車循環制動一般采取最小減壓量，即減壓50 kPa。但列車管的實際減壓量還與制動時列車管壓力有關。當充風時間短或列車管泄露時，列車管壓力達不到滿壓，則制動時列車管實際減壓量則可能不足50 kPa，能夠在一定程度上降低列車的制動力。

以朔黃兩萬噸列車前3 次循環制動為研究對象，當列車在第一次循環制動時，司機應對列車的制動力強弱進行判斷。當列車減速較快時，判斷該列車可能制動力較強。當按正常操作進行第二次循環制動時，假設第二次循環制動初速度和制動力地點相同，則列車減速度較快，到達緩解地點時列車的速度更低，其運行至第三次循環制動地點的時間更長，充風時間也相應增加，容易造成制動力進一步增大，導致緩解時產生較大的車鉤力。

基于上述分析，建議當第一次循環制動結束時，遇制動力較強車體，可在第二次循環制動時適當延遲制動時機，同時在制動過程采取較小的再生制動力，使緩解時保證相對較高的速度，適當減少第三次循環制動的充風時間，以達到降低列車制動力的目的，避免緩解產生較大車鉤力。

6 結論

1） 朔黃鐵路兩萬噸列車循環制動緩解地段可分為長大坡道、“陡緩陡”地段和“凹形坡”地段。

2） 在長大坡道緩解時，列車制動力大小對緩解車鉤力有一定影響。制動力越強，緩解時越容易產生較大車鉤力。

3） “陡緩陡”地段緩解時，緩解時機早，容易產生壓鉤力；緩解時機晚，容易產生拉鉤力。

4） 列車在“凹形坡”地段緩解產生的車鉤力以壓鉤力為主。

5） 通過采取合適的駕駛策略，減少列車的充風時間，能夠在一定程度上降低列車的制動力，從而降低在長大坡道的緩解車鉤力。