列車縱向動力學分析

1、第一部分開行重載列車，就機車車輛本身來講，重載列車技術涵蓋牽引性能、制動系統(tǒng)性能、列車縱向動力學性能、機車車輛動力學性能、機車車輛及其零部件強度以及合理操縱方法等眾多方面。而重載列車的通信、縱向沖擊力和長大下坡道的循環(huán)制動問題是開行重載列車的三大關鍵技術。而這三大技術其實就是制動系統(tǒng)的三大難題。下面就以制動系統(tǒng)來分析。1.重載列車制動系統(tǒng)的關鍵技術制動系統(tǒng)對列車運行安全具有舉足輕重的重要作用，隨著鐵道技術的不斷進步，已出現了多種制動方式，但對貨物列車而言，空氣制動仍是最基本的制動作用方式。眾所周知，貨物列車空氣制動作用的制約因素甚多，列車長度就是主要影響因素之一。我國重載列車的發(fā)展始于20世紀

2、80年代，至今列車編組重量已由5 000t級提高到2萬t以上，編組輛數從62輛增加到210輛之多，列車最大長度已達26 km以上，導致空氣制動作用條件嚴重惡化。1.1制動空走時間和制動距離影響貨物列車緊急制動距離的主要因素除制動初速、線路條件(坡道)、列車制動率(每百噸重量換算閘壓瓦力)和閘瓦性能以外，還有影響空走距離的空走時間，后者主要與列車長度或編組輛數有關。筆者在根據上述因素編制我國鐵路技術管理規(guī)程中的制動限速表時，對貨物列車考慮的列車編組條件為5000t級以下，由于重載列車編組輛數的增加，必然導致制動空走時間和距離相應增加,加上長大列車壓力梯度對后部車輛制動力的影響，因此該限速表不適用

3、于重載列車。對于重載列車，其制動力應比普通列車高，以保持和普通列車同等的制動距離。1.2充氣作用和長大下坡道的運行安全列車空氣制動后的再充氣時間隨編組輛數的增加而呈非線性的增加。重載列車需要有比普通列車長得多的再充氣時間，因此，在長大下坡道多次循環(huán)制動作用時對司機操縱方法特別是再充氣時間的要求更高。1.3減輕列車縱向動力作用貨物列車在縱向非穩(wěn)態(tài)運動過程中產生的縱向動力作用不僅是導致斷鉤、脫軌等重大事故的主要原因，也是破壞貨物完整性和加速機車車輛裝置疲勞破壞的重要因素。該縱向動力作用以空氣制動時為甚，并基本上與列車的總制動力或輛數成正比。在同樣裝置、線路和操縱工況等作用條件下，重載列車的縱向力通

4、常比普通列車成倍增加，因此，如何減輕重載列車的縱向動力作用是需要研究的重要課題。以上是提高列車重載的主要障礙。制動空走時間和制動距離、充氣作用和長大下坡道的運行安全在制動系統(tǒng)方案的設計中詳細分析解決。下面主要對減輕列車縱向動力作用單獨做一詳細介紹。2. 重載列車制動的縱向動力作用2.1縱向動力作用的產生對于空氣制動機，在施行制動或緩解時所產生的空氣波(列車管減壓波或增壓波)有一個沿列車管由前向后擴散或傳播的過程；列車越長其前后部開始制動或緩解的時間差就越大。這種“沿列車長度的制動或緩解作用的不同時性”是列車制動或緩解時發(fā)生強烈縱向沖動的主要原因。對于重載(擴編)列車，這個問題尤其突出。由于上述

5、原因，在列車制動過程中的每一瞬間，各個機車車輛具有不同的單位制動力。如果沒有車鉤的連接，各個機車車輛都要按各自的減速度運行，但這是不可能的。如果機車車輛之間全部是剛性連接(車鉤與車鉤間沒有自由間隙，也沒有緩沖裝置)，則上述不同的單位制動力只能導致各個連接件中產生內應力，而不會引起各個機車車輛之間縱向沖動。但是，為了使列車各機車車輛之間上下左右都具有一定的可折曲性，以適應坡道起伏和通過曲線的需要，車鉤與車鉤之間都有一定的自由間隙(每對車鉤約為40 mm)，所以，如果列車施行制動時是在拉伸狀態(tài)，則制動之初首先要消除這些自由間隙，這就必然會產生強烈的縱向沖動，或者說，發(fā)生強烈的縱向動力作用。下面利用

6、空氣制動系統(tǒng)與縱向動力學聯(lián)合仿真系統(tǒng)測得的一些實驗數據，來分析單編萬噸列車（機車+100車輛）的沖動機理。以此更清楚的了解和掌握列車的沖動原理。進而，掌握其影響因素，以利于優(yōu)化重載列車的系統(tǒng)參數，更好的解決重載列車的縱向沖動問題。制動特性對于列車縱向動力學性能的好壞起著決定性的作用， 本文制動特性是采用基于氣體流動理論的制動仿真系統(tǒng)獲得，圖1為單編萬噸列車，列車管定壓 600 kPa ，常用制動最大減壓量170 kPa時3個典型位置車輛的制動缸壓力曲線 。 圖1 前、中、后車制動缸壓力曲線由圖 1 的制動缸壓力曲線可以看出，第1車制動缸壓力上升曲線的斜率明顯比第 5 0 輛車和第 1 0 0輛

7、車的，說明不同位置車輛的制動缸壓力上升速度不同，這是因為制動缸充氣速度受列車管減壓速度的影響，列車管減壓速度越快，制動缸升壓速度越快。由于處于不同位置的車輛上的列車管減壓速度不同，越靠近機車，減壓速度越快，所以，第1車制動缸壓力上升速度最快，第1 0 0輛車制動缸升壓速度最慢，第5 0輛車位于列車中問位置，其制動缸升壓速度與尾車相近。這便是“沿列車長度的制動或緩解作用的不同時性”。也是導致列車縱向沖動的主要原因。具體以制動初速80km/h，平道常用去制動工況，分析列車第30、50、100輛這三個典型車位的車鉤力。圖2 單編萬噸列車車鉤力仿真曲線由圖 2可知， 在常用全制動過程中，車鉤力曲線在初

8、始階段出現一個小尖峰( 3 0輛車約在1 0 s處，5 0輛車在約 1 2 5 s ，1 0 0輛車在約 1 74 S ) ，車鉤力瞬間增大后減小， 尖峰過后，車鉤力緩慢增大，在約 2 0 s 幾乎所有車輛達到最大值，達到最大值后逐漸減小 ， 如此反復震蕩，直到車鉤力為零。 經過分析發(fā)現，車鉤力短時尖峰是由于后部車輛不受阻力的走完間隙行程后撞擊前部車輛而形成，為了區(qū)分，此處稱為沖擊力。沖擊力過后，前方車輛制動作用較強，車速明顯降低，后部車輛涌向前部車輛，造成后部車輛擠壓前部車輛， 這種擠壓過程持續(xù)時間較長，對應的車鉤力峰值持續(xù)時間也較長，此處稱這種車鉤力稱為擠壓車鉤力。列車最大壓鉤力就是由上述

9、最大沖擊力或最大擠壓力構成。圖3 單編萬噸列車沖擊力和擠壓力曲線圖 3為列車中每個車輛的最大沖擊力和最大擠壓力沿車長分布曲線。由圖 3可知，沖擊力隨著車位數的增加而不斷增大，最大值發(fā)生在列車尾部，而最大擠壓力發(fā)生在列車中部附近；每個車輛的最大車鉤力由該車輛承受的最大沖擊力或最大擠壓力決定，最大車鉤力就是兩者中較大的一個。2.2系統(tǒng)參數對列車沖動的影響影響列車縱向沖動的因素很多，而各因素對于列車縱向沖動的影響又不盡相同， 因而研究各因素的影響作用是優(yōu)化列車縱向動力學性能的必要條件。下面將分析車鉤間隙、閘瓦摩擦系數對于制動過程中列車的沖擊力和擠壓力的影響，繼而得出最大車鉤力的變化規(guī)律，以便尋求改善

10、列車縱向動力學性能的有效方法。2.2.1車鉤間隙的影響圖4 不同車鉤間隙的最大沖擊力曲線圖5 不同車鉤間隙的最大擠壓力曲線車鉤間隙的存在，是為了滿足列車通過曲線和牽引時逐步啟動的需要。車鉤間隙的大小對于列車縱向沖動具有很大的影響，圖 4和圖 5分別為單編萬噸列車制動初速為8 0 km /h，平道常用全制動，車鉤間隙由1 0 mm增大到6 0mm 時對沖擊力和擠壓力的影響曲線。由圖4和圖 5可知，隨著車鉤間隙的增大，沖擊力和擠壓力都明顯增大，但是由圖 6可以看到，當車鉤間隙由1 0 m m增大到 6 0 m m時，最大沖擊力由3 40 kN增大到 1 1 2 3 kN增加了2 3 0 ， 最大擠

11、壓力由5 3 5 kN增大到 7 4 5 kN ，增加了3 9 ，由此可知，車鉤間隙對于沖擊力的影響遠大于對擠壓力的影響；由圖 4和圖 5中前半部曲線密度大于后半部曲線可知，車鉤間隙對于后部車輛沖擊力和擠壓力的影響明顯大于對前部車輛的影響。在小車鉤間隙范圍內( 小于3 0 m m )，車鉤間隙增大，沖擊力和擠壓力明顯增大；當車鉤間隙增大 到3 0 m m以后，車鉤間隙影響略有減弱。圖6 不同車鉤間隙最大沖擊力與最大擠壓力比較圖綜合圖4、圖 5和圖 6可知，當車鉤間隙小于 3 0 m m時，最大車鉤力為最大擠壓力，發(fā)生在中部車位。隨著車鉤間隙的增大，最大車鉤力發(fā)生車位不斷后移。 當車鉤間隙大于或

12、等于 3 0 m m 時，最大車鉤力是最大沖擊力，發(fā)生在列車尾部。由此可知，如果最大車鉤力發(fā)生在列車尾部，即最大車鉤力由沖擊產生，則通過減小車鉤間隙可明顯減小最大車鉤力。2.2.2閘瓦摩擦系數的影響在閘瓦壓強、列車運行速度和制動初速度相同的條件下，不同類型閘瓦的摩擦系數有很大的差別，而制動力的大小取決于閘瓦摩擦系數，因此不同類型閘瓦會引起制動力大小不同，繼而影響列車縱向沖動的大小。圖 7和圖 8是單編萬噸列，平道常用全制動，制動初速度為 8 0 k m / h，不同閘瓦類型的列車沖擊力和擠壓力曲線。圖7 不同閘瓦摩擦系數的最大沖擊力曲線圖8 不同閘瓦摩擦系數的最大擠壓力曲線由圖 7和圖 8可以

13、看出，閘瓦摩擦系數大小，對于沖擊力大小的影響不大，對于擠壓力大小有著很大的影響。閘瓦摩擦系數越大，列車縱向擠壓力越大，這是因為摩擦系數越大，制動力越大，停車越快，導致擠壓力越大。在小摩擦系數范圍內( 小于或等于中磷閘瓦摩擦系數 )，最大車鉤力為最大沖擊力，此時，閘瓦摩擦系數對于最大車鉤力的影響不大；當摩擦系數較大時( 大于或等于高磷閘瓦摩擦系數)，最大車鉤力為最大擠壓力，閘瓦摩擦系數對于最大車鉤力有很大的影響。同時閘瓦摩擦系數對最大車鉤力發(fā)生車位有影響，摩擦系數越大，最大車鉤力的發(fā)生車位越向前移。由摩擦系數對沖擊和擠壓車鉤力的影響可知，如果最大車鉤力由擠壓力產生，則在滿足制動距離的前提下可以適

14、當減小摩擦系數，則最大車 鉤力會明顯減小。2.2.3列車制動時的縱向沖擊力計算公式及其他影響因素根據前蘇聯(lián)勃勒卡洛瓦茨基和沃莫卡贊林諾夫的理論研究，列車制動時的縱向沖擊力（最大靜壓縮力和最大動壓縮力的總和）R可按下列公式計算：式中 A反映試行制動時的車鉤狀態(tài)和制動缸充氣特性系數，制動時車鉤在壓 縮狀態(tài)下A0.42，車鉤在拉伸狀態(tài)、制動缸變速充氣時A為0.75（無變速充氣時為1.5）； 一輛車的閘瓦壓力總和； 閘瓦摩擦系數； 一輛車的長度； 列車編組量數；列車制動波速； 一輛車制動缸充氣時間。2.3結論（1) 列車制動過程中的縱向沖動是由車輛間的沖擊作用和擠壓作用共同形成 的，列車中最大車鉤力是

15、最大擠壓力或最大沖擊力；（2）列車制動時的縱向沖擊力或總壓縮力均與制動波速和制動缸充氣時間成反比。所以，提高制動波速和延長制動缸充氣時間都可以減輕列車制動時的縱向沖動。但是，提高制動波速還可以縮短制動距離，而延長制動缸充氣時間卻會導致制動距離延長。因此，要大力提高制動波速和科學的延長制動缸充氣時間，如采用“先快后慢”的變速充氣。這樣，可以是兩者對制動距離的影響互相抵消而得到減輕沖動的雙料效果；（3）縱向力與編組輛數的平方及一輛車的長度成正比。所以，發(fā)展大噸位的車輛比增加編組輛數對減輕列車制動沖擊更有效；（4）縱向力與制動成正比。由于閘瓦摩擦系數隨列車速度的降低而增加，所以在閘瓦壓力相同的條件下

16、，低速時的沖擊更大。但是，如果列車速度很低，例如制動初速低于30km/h時，也可能在沖擊力尚未達到最大值以前就停車了。這時，沖擊力也可能反而比制動初速高時更??；（5）列車在拉伸狀態(tài)下制動，其縱向沖擊力比壓縮狀態(tài)下大得很多。（6）當小車鉤間隙條件下，列車中最大車鉤力一般為最大擠壓力，一般發(fā)生于列車中部。大車鉤間隙時，最大車鉤力為最大沖擊力，發(fā)生在列車尾部；（7）車鉤間隙對于列車最大車鉤力有很大的影響。 車鉤間隙增大，列車縱向沖擊力和擠壓力都增大；車鉤間隙對沖擊力的影響大于對擠壓力的影響，對后部車輛的影響大于對前部車輛的影響；（8）閘瓦摩擦系數主要對列車縱向擠壓力有較大影響，閘瓦摩擦系數越大，擠壓力越大，最大車鉤力越大，發(fā)生車位越向前移；（9）如果最大車鉤力是沖擊力，則可以通過縮小車鉤間隙降低列車最大車鉤力。 2.4緩沖器為了緩上述強烈的縱向沖動，每個車鉤后面都裝有可壓縮的緩沖器，制動時可通過前從板壓縮緩沖器彈簧，吸取和衰減縱向沖動的能量，將它限制在允許的范圍內。但這