制动充气时间对快捷列车纵向冲动影响研究

张渊，魏伟，赵旭宝，张军

(1.大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连交通大学 软件学院，辽宁 大连 116028)*

制动系统作为快捷货车重要组成部分，其性能影响列车的行车安全与纵向冲动.文献[1]介绍了我国快捷货车制动技术现状，并提出了制动技术发展遇到的问题，从标准体系、制动特性、纵向冲动等方面讨论了我国快捷货车制动技术发展方向.文献[2]指出快捷货车制动系统技术参数为适应短编组和混编需要，制动缸充气时间应在5～7s.文献[3]对快捷货车制动机选型进行讨论，分析了120阀与104阀的适用性，根据快速货车制动机特点确定采用KZ1阀.文献[4]介绍了国外快捷货车制动系统，制动缸充气时间应在3～5s，并以P160D快捷货车为例进行了制动能力核算.由于制动系统的复杂性，以及计算机能力的提升，实验的耗时、费用高、风险性大，促使人们转向模拟研究制动系统性能与列车纵向冲动之间影响.文献[5-6]将列车空气制动仿真系统与纵向动力学仿真系统进行融合，同步计算制动系统特性和列车纵向冲动，大大地提高了系统的广泛适用性与准确性.文献[7]采用仿真方法模拟并研究了制动缸充气特性对货运列车性能的影响.文献[8]根据列车纵向动力学理论和模型，采用MATLAB软件编写纵向动力学程序，对列车的起动、紧急制动两种工况进行计算.本文采用列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统，对20辆快捷货车P160D编组列车进行紧急制动工况仿真计算，并详细比较分析了不同制动缸充气时间对列车在纵向动力学性能上的差异.

1 快捷列车纵向动力学仿真模型

根据列车纵向动力学分析理论，将列车中每个机车车辆模型化为一个集中质量，仅考虑每个质量块的纵向自由度，各质量块间由弹簧阻尼器连接，每个车辆的运动方程式为：

(i=1，2,…，n)

(1)

通过求解方程(1)，获得列车中每个车辆的加速度，再通过加速度与速度、位移之间的关系，计算出列车在发生纵向冲动时车辆的相关运动参数.

本文快捷货车采用P160D车型，制动系统采用空气制动.制动仿真包括气体流动的计算和阀内移动部件位置计算两部分内容.气体流动的计算根据气体动力学原理，利用计算机技术，通过求解列车制动系统内气体流动瞬态方程获得列车制动系统在制动与缓解过程中气体流动状态的动态过程[6].

(2)

式中，u为流体速度，ρ为流体密度，p为流体压力，F为管路截面积，a为声速，f为管内壁摩擦系数，q为单位时间内气体与外界交换的热量，k为比热比，D为流体水力直径，t为时间，x为距离.

快捷货车采用KZ1车辆阀物理模型，通过分配阀机理编制了各种分配阀动作逻辑程序，能够实现车辆阀复杂气动部件的各种功能.每个车辆制动系统系统模型如图1所示[9].

第三，古村古镇群的个性特征是差异化发展的基础。小尺度空间上文化景观形态相似的旅游景区的聚集，必须发现各自的显著差异，为差异化共生关系的构建打好基础。怀化市中部的古村古镇群的实际情况及其分析依据实现了差异的个性化识别，事实上，“中国南方喀斯特世界自然遗产”“中国丹霞世界自然遗产”等也可以依法推演。

图1 单车制动系统模型

缓冲器特性对列车的纵向冲动有着极大的影响，本文快捷货车缓冲器采用JN30型胶泥缓冲器.缓冲器动力学模型方程可表示为：

F=F0+Fk+Fd

(3)

其中：F0为缓冲器的初压；Fk为弹性元件的弹性力，弹性力包括环簧组的弹性力和缸体内胶泥的弹性回复力；Fd为阻尼元件的阻尼力；F为缓冲器总的阻抗力.

2 快捷列车纵向冲动仿真分析

鉴于快捷运输采用快捷货车整编运营的方式，本文以一辆SS9型机与20辆P160D敞车组成的快捷列车为例[2]，分析其在160 km/h制动初速度下，紧急制动工况时列车纵向冲动.通过调整程序副风缸与制动缸充气空面积来改变制动缸充气速度，实现快捷货车制动缸充气时间在3～7 s之间变动.

图2(a)是满载快捷货车制动缸充气过程，由于制动缸活塞背后存在缓解弹簧的弹力，故制动缸压力曲线在上升到约40 kPa时出现一个小的平台，待制动缸活塞伸出后制动缸压强继续上升，最终稳定在442 kPa；制动缸充气时间在5～7 s时，制动缸升压先快后慢特性明显.由于快捷货车空重车调整装置采用截流设计，制动缸压力随时间变化过

(a) 满载

(b) 空载

程如图2(b)，在制动缸钩贝伸出后制动缸压力基本呈直线上升，最终稳定在162 kPa，空载快捷货车制动缸充气时间分别是1.1～1.7 s.表1列出了不同制动缸充满时间快捷列车紧急制动距离，随着制动缸充满时间从3 s增加到7 s，满载快捷列车制动距离从1 012 m增加到1 070 m，空载快捷列车的制动距离从1 202 m增加到1 222 m.

表1 制动缸不同充气时间快捷列车紧急制动距离 m

车辆运行中过大车钩力会造成车辆损伤，而纵向加速度会影响车辆运行平稳性.图3为满载快捷列车在平直道进行紧急制动时，车辆间最大车钩力与车辆最大加速度列车分布情况.从图3(a)中可以看出，列车中车钩力以压钩力为主，最大压钩力出现在列车中部，最大拉钩力出现在列车前部.制动缸充满时间对快捷列车车钩力分布总体趋势没有影响，但随着制动缸充满时间的增加，列车最大压钩力从-260 kN减小到-171 kN，最大拉钩力从123 kN减小到66 kN.

(a) 最大车钩力

(b)最大加速度

在图3(b)加速度分布图中，制动过程中列车最大瞬时加速度主要以减速度为主，但是由于车辆间缓冲器反弹作用也出现了正向加速度，但是数值略小，随着制动缸充气速度的增大，车辆最大瞬时减速度从-3.6 m/s2减小到-2.9 m/s2.

图4是当快捷货车分别为满载和空载两种状态下，制动缸充气时间对列车间最大车钩力与车辆最大加速度之间的影响.从图中可以看出随着制动缸充气时间延长，满载的快捷列车最大车钩力与加速度均有所减小；而空载快捷货车由于空重车调整装置，制动缸充满时间变化不足1 s，空载列车最大车钩力与加速度基本没有变化.由于快捷列车主要运送贵重物品为主，在列车车钩力较小的情况下，需要控制车辆的最大振动加速度，防止货物损坏.

图4 制动缸充气时间对列车车钩力与加速度的影响

3 空重混编情况快捷列车纵向冲动

由于快捷列车空载车辆制动缸先于满载车辆制动缸充满，而空载车辆制动能力又低于满载车辆，故当快捷列车存在空重混编时列车纵向冲动更为复杂.为了分析不同制动缸充气性能对混编列车纵向冲动的影响，快捷混编列车由15辆满载车辆+5辆空载车辆编组而成.

快捷混编列车以160 km/h速度运行实施紧急制动时，各车辆制动缸充满时间随车辆位置的变化情况如图5所示.从图中可以看出，前15辆满载车辆制动缸充满时间随着车辆编组位置呈线性增长趋势，这是制动作用沿车长向后传递以及制动缸充气过程共同作用的结果；但在第16车以后是空载快捷货车，制动缸充满时间远远低于前面满载快捷货车，故制动开始初期，位于尾部的空载快捷货车先于前部车辆达到稳定，列车后部以较大制动力进行制动.

图5 混编快捷列车制动缸充满时刻随车位分布

图6是紧急制过程中混编列车中最大车钩力和车辆最大加速度分布.从图6(a)中可以看到混编列车在进行紧急制动时，车辆最大车钩力总体上随着车辆编组位置逐步增大，但最大压钩力在空载车辆和满载车辆的连接位置快速降低，这主要是位于尾部的空载车辆制动缸较快充满，制动初期制动力较大减弱了车辆前涌带来的冲击.而随着制动缸充气时间的增加，快捷混编列车最大车钩力从-151 kN 降低到-134 kN，下降了11.3%.图6(b)中可以看出混编列车中空载车辆的纵向加速度远远大于满载车辆.随着制动缸充气时间的从7 s缩短到3 s，混编列车中，满载车辆最大加速度变化不大，在-2.2 m/s2左右，空载车辆从-3.9 m/s2减少到-2.5 m/s2.

(a) 最大车钩力

(b)最大加速度

表2列出了20辆快捷列车编组中，5辆空载车辆置于不同位置进行紧急制动时，制动缸采用不同的充气时间，混编列车最大车钩力与最大加速度数值.从表中数据可以发现，随着快捷货车制动缸充气时间延长，混编列车制动距离增大，但均在1 400 m紧急制动距离内，列车间最大车钩力和满载车辆最大加速度有所降低， 最大车钩力都发生在列车中部，且小于250 kN，满载车辆最大加速度达到2.5 m/s2，均是空载和满载车辆衔接附近车辆；而空载快捷货车在列车中编组位置也会影响车辆间纵向冲动，在车辆制动缸充气性能确定后，5辆空载快捷货车编组位置从列车首部移动到后部过程中，全列车制动缸充满时间有所减少，最大车钩力有所降低，但是满载车辆最大加速度却先减小后增大.

表2 空车编组位置不同的空重混编列车纵向冲动比较

4 结论

本文利用列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统，建立快捷列车模型，研究了列车在平直道紧急制动工况下，不同制动缸充气时间对满载和空载状态快捷列车、空重混编快捷列车纵向冲动的影响规律，主要结论如下：

(1)制动缸充气时间影响快捷列车制动距离.满载快捷货车制动缸充气时间从3 s增长到7 s，快捷满载列车制动距离延长58 m；对应空载状态下快捷货车充气时间则从1.1s增长到1.7 s，空载快捷空载列车制动距离延长了20 m；5辆空车和15辆重车组成的混编快捷列车制动距离延长了55 m；

(2)快捷货车制动缸充气时间对快捷列车纵向冲动的影响与快捷列车载重状态有关.制动缸充气时间从3 s增长到7 s，快捷满载列车最大压钩力从260 kN减小到171 kN，降低了34.6%；最大瞬时加速度从-3.6 m/s2减小到-2.9 m/s2下降了19.4%.空载快捷列车最大车钩力与最大加速度基本不变，分别为-192 kN和-3.3 m/s2；

(3)5辆空车和15辆重车组成的空重混编快捷列车紧急制动下，空载车辆先于满载车辆制动缸充满，混编列车最大车钩力低于250 kN，满载快捷车辆最大加速度低于2.5 m/s2.制动缸充气时间从3s增长到7s，混编列车最大车钩力降幅最大为21%，混编列车中满载车辆最大加速度降幅最大为26%.