朔黄铁路两万吨组合列车缓解车钩力研究

赵鹏飞

（国能朔黄铁路发展有限责任公司机辆分公司，河北 肃宁 062350）

1 研究背景及意义

朔黄铁路西高东低，下坡道占比多，坡度大，线路变坡点多，现有的两万吨列车采用“1+1+可控列尾”编组方式，列车长度为2 600 m 以上，载重量大，列车制动缓解同步性较差，这些种种因素导致两万吨重载组合列车在运行过程中极易产生较大纵向冲动，而且在不当的地点采用不当的操纵方法同样也会加剧列车的纵向冲动。

国内对于重载组合列车纵向动力学的研究主要依靠计算机仿真的方法。马大炜等[1]根据大秦线两万吨列车的试验和仿真研究结果，说明应用Locotrol 技术可改善列车制动性能从而减轻列车纵向力；并对不同编组重载列车长大下坡道循环制动和紧急制动的纵向最大压钩力进行比较。魏伟等[2]开发了基于空气制动系统仿真的列车纵向动力学仿真程序，通过单车撞击试验获得缓冲器本构关系，仿真获得“1+2+1”编组两万吨列车制动特性。胡杨等[3]利用基于气体流动理论的空气制动系统仿真方法，建立列车空气制动系统模型，通过试验对比验证仿真系统的准确性，对不同机车编组、多机车不同滞后时间和不同减压量的再充气过程进行仿真。魏伟等[4]通过仿真比较了目前两种常见的组合列车制动系统特性获取方法的差异，通过对比发现，制动缸升压特性的差异是造成两种方法计算结果较大差异的主要原因。

仿真模型需要大量数据来调整仿真参数，但目前的仿真结果仍与现实存在一定差异。因此，通过试验法进行重载列车纵向动力学研究仍是一种有效方法。2020 年9 月2 日朔黄铁路两万吨综合检测（试验） 机车正式上线，其安装的动力学测试系统包括测力车钩、拉线位移传感器、激光位移传感器、压力传感器、加速度传感器等共计30 个测点，能够实时监测两万吨列车从控机车车钩受力、车钩偏转角与伸缩量、机车与车辆车钩差、机车均衡风缸与列车管压力、机车转向架位移量与振动加速度、轴箱振动加速度6 个项点，为两万吨列车优化操纵提供了依据。

2 两万吨列车缓解车钩力产生原因分析

朔黄铁路两万吨列车的编组形式为“1+1+列尾”，即“主控机车+中部从控机车+可控列尾”的编组形式。列车制动时，主控机车减压，并向从控机车和尾部列车发出减压信号，列车可以从主控机车、从控机车和尾部列尾同时排风，排风点较为分散且均衡，因此降低了列车在制动时由于制动不同步产生的纵向冲动。但列车缓解时尾部列车不能向列车管充风，充风点仅为两台机车。

当车辆制动阀压差达到缓解压差时制动缸开始排风，排风过程不依赖于列车管的充风情况。通常列车缓解时采用缓解波描述车辆的缓解过程。缓解波是指列车缓解时沿列车由前往后如同波一样传播的物理现象。缓解波的传播速度，称为“缓解波速”。根据现有试验及仿真结果，列车采取小减压量减压时，列车的缓解波速远低于大减压量。当减压量为100 kPa 时，缓解波速为195 m/s。而减压量为50 kPa 时，根据试验情况，100 辆编组、定压600 kPa 的列车缓解波速最低仅为86 m/s。缓解波速的降低加剧了列车缓解的不同步，增大了列车的纵向冲动和车辆间的车钩力。

以朔黄两万吨编组的列车为例，其编组形式为HXD1+108 辆C80+HXD1+108 辆C80+可控列尾。C80 车辆全长12 m，假设制动管长13.5 m，列车减压50 kPa 时制动缸压力为100 kPa，缓解排气时间12 s，列车缓解波速为100 m/s。图1 为列车缓解时缓解波传播示意图。

图1 列车缓解时缓解波传播示意图

主控机车开始缓解向列车管充风，主控机车动作后从控机车延迟2 s 开始充风，则前部单元车辆制动缸全部开始排风的时间为8.29 s。此时后部单元列车仅缓解至后部单元的第46 辆；到第17 s 左右，后部单元的最后一辆车制动缸开始排风；到第20 s 左右，前部单元的车辆制动缸压缩空气已全部排空，车辆在下坡道的重力加速度作用下产生加速度，后部单元排风还未结束，车辆仍存在制动力，可能产生减速度或整体加速度小于前部单元，因此列车整体呈拉伸状态，从控机车产生较大拉钩力；到第30 s 时，后部单元的车辆制动缸全部排风结束，后部单元的车辆在重力和车钩拉力的作用下加速度并前涌，列车产生压缩状态，从控机车产生较大压钩力。

3 朔黄线循环制动缓解车钩力统计分析

根据《两万吨列车操纵提示卡》的规定，两万吨上行列车在运行过程一般进行12 次循环制动。其缓解地点可分为3 类，长大坡道、“陡缓陡”地段和“凹形坡”地段。其中，在长大坡道缓解容易产生较大车钩力。同时，缓解车钩力也与列车本身的制动性能相关，当列车充风时间长、机车减压量大或车辆制动机自身原因导致车辆制动力较大时，越容易产生较大车钩力。

4 缓解车钩力分析

4.1 在长大坡道上的缓解车钩力分析

朔黄上行两万吨列车在大坡道缓解共3 处，分别为第三次循环制动、第七次循环制动和第十一次循环制动。其中，第三次循环制动缓解坡度为-10.2‰，第七次和第十一次循环制动缓解坡度为-7.0‰。

会议要求，要进一步细化落实国务院办公厅关于做好非洲猪瘟等动物疫病防控工作通知的任务分工，完善联防联控工作机制。近期，要组成督查组，赴各地特别是重点省份开展非洲猪瘟防控工作督查，聚焦责任落实、应急处置、生猪调运和餐厨剩余物监管等重点工作。要压实地方的属地管理责任，督促地方各级人民政府对本地区防控工作负总责，切实落实有关防控措施，统筹做好养殖业生产安全和肉品供给保障。

将第三次循环制动作为研究区段，选取某月两万吨列车从控机车采集的数据进行分析，该月不同车次在第三次循环制动缓解时产生的车钩力见图2。由图2 可知，该研究月份大多车次产生的缓解车钩力大于安全建议值1 000 kN，两列车的车钩力高于该值。

图2 第三次循环制动从控机车车钩力图

对各车次的制动过程进行统计，结果见表1。从统计结果中可以看出，在所有列车制动地点、制动速度、缓解速度和再生制动力相近的情况下，第四列次列车制动时长最短，为263 s，制动距离最短，为4 133 m。假设列车制动过程为匀减速过程，大致计算列车的制动减速度，可以看出该次列车的制动减速度明显高于其他列车，说明该车次的制动力明显高于其他车次。由于机车采取的再生制动力大致相同，因此其制动力不同可能是受车辆制动力影响。

表1 第三次循环制动过程统计

为分析列车制动力强弱的影响因素，将列车制 动过程制动系统风压进行统计，结果见表2。

表2 第三次循环制动过程制动系统压力统计

由表2 可知，第四列次列车均衡风缸压力过高，达到613 kPa，再加上其充风时间在所有列车中最长，使得列车制动前列车管压力达到606 kPa，高于定压6 kPa，制动时制动减压量较高，为51 kPa，这是可能导致该次列车制动力较强的主要原因。

对比第十一次循环制动车钩力和制动减速度，车钩力最大值仍由第四列产生，第十一次循环制动中该次列车的制动减速度仍明显高于其他列车。

4.2 在“陡缓陡”地段的缓解车钩力分析

朔黄上行两万吨列车在站内缓解共6 次，为第二次循环制动、第四次循环制动、第五次循环制动、第六次循环制动、第八次循环制动、第十次循环制动。在站内缓解时，除第六次循环制动外，其他循环制动缓解时车站及周边范围内的坡度呈现“陡缓陡”的特征，且站内缓坡地段长度一般不超过2 000 m，不足以容纳一整列两万吨列车（原平南线路有效长较长，可容纳整列两万吨列车），纵断面见图3。

图3 第五次循环制动缓解地点纵断面图

在某月内，两万吨从控机车在BDN 车站缓解时产生的车钩力情况见图4。

图4 某月BDN 站内缓解车钩力情况

在缓解坡度不变时，由于前后单元的缓解不同步性，前部单元缓解快，加速度大，后部单元缓解慢，加速度小，因此在缓解后的一段时间内列车产生拉伸趋势。在站内缓解时，若缓解时机早，前部单元位于缓坡地段，后部单元仍在站外陡坡，后部单元由于延迟缓解产生的制动力能够在一定程度上被坡度产生的重力分量抵消。缓解时机越早，其重力分量越大，此时后部单元的加速度可能较更早缓解但位于缓坡的前部单元加速度大，因此容易产生较大压钩力，不易产生拉钩力。

在缓解坡度不变时，列车缓解产生拉伸趋势后，后部单元在重力和较大车钩拉力的情况下向前挤压，在从控机车处产生较大压钩力。在站内缓解时，若缓解时机晚，前部单元进入站外陡坡，后部单元仍在缓坡地段，前部单元的重力分量产生较大加速度，能够在一定程度上平衡后部单元在大拉钩力产生的较大加速度，不至于使从控机车产生较大压钩力。

列车在站内的缓解时机不易过早或过晚，主控机车刚进入陡坡后缓解不容易产生较大车钩力。

4.3 在“凹形坡”地段的缓解车钩力分析

在坡度不变的缓坡地段缓解时，不容易产生较大车钩力。但由于两万吨列车总长超过2 km，且缓解时列车还在运行，因此缓解过程很难处在相同的坡度。由此可知两万吨列车第一次循环制动、第九次循环制动、第十二次循环制动缓解时均在变坡点，且根据坡度变化情况，该3 次循环制动缓解地段均为坡度逐渐变缓或下坡变上坡的“凹形坡”。

在“凹形坡”缓解时，由于后部单元所在下坡道坡度更大，能够在一定程度上抵消缓解晚引起的制动力，但在完全缓解后，容易加剧后部单元向前的挤压作用。因此，在“凹形坡”缓解时列车车钩力以压钩力为主，不产生或产生较小的拉钩力。

5 降低长大坡道缓解车钩力的方法探讨

根据以上分析，在坡度不变化的长大坡道上缓解时，列车制动力是影响缓解车钩力的重要因素。列车制动力越强，在缓解时越容易产生较大车钩力，因此在保证安全的前提下，降低列车制动力是降低缓解车钩力的有效方式。

目前，朔黄两万吨列车循环制动一般采取最小减压量，即减压50 kPa。但列车管的实际减压量还与制动时列车管压力有关。当充风时间短或列车管泄露时，列车管压力达不到满压，则制动时列车管实际减压量则可能不足50 kPa，能够在一定程度上降低列车的制动力。

以朔黄两万吨列车前3 次循环制动为研究对象，当列车在第一次循环制动时，司机应对列车的制动力强弱进行判断。当列车减速较快时，判断该列车可能制动力较强。当按正常操作进行第二次循环制动时，假设第二次循环制动初速度和制动力地点相同，则列车减速度较快，到达缓解地点时列车的速度更低，其运行至第三次循环制动地点的时间更长，充风时间也相应增加，容易造成制动力进一步增大，导致缓解时产生较大的车钩力。

基于上述分析，建议当第一次循环制动结束时，遇制动力较强车体，可在第二次循环制动时适当延迟制动时机，同时在制动过程采取较小的再生制动力，使缓解时保证相对较高的速度，适当减少第三次循环制动的充风时间，以达到降低列车制动力的目的，避免缓解产生较大车钩力。

6 结论

1） 朔黄铁路两万吨列车循环制动缓解地段可分为长大坡道、“陡缓陡”地段和“凹形坡”地段。

2） 在长大坡道缓解时，列车制动力大小对缓解车钩力有一定影响。制动力越强，缓解时越容易产生较大车钩力。

3） “陡缓陡”地段缓解时，缓解时机早，容易产生压钩力；缓解时机晚，容易产生拉钩力。

4） 列车在“凹形坡”地段缓解产生的车钩力以压钩力为主。

5） 通过采取合适的驾驶策略，减少列车的充风时间，能够在一定程度上降低列车的制动力，从而降低在长大坡道的缓解车钩力。