（机械工程专业论文）基于制动系统仿真的两万吨列车纵向动力学分析.pdf

摘要 摘要 本文针对我国大秦线两万吨重载列车运用过程中出现的断钩及磨损严重的问题，开 展两万吨重载列车纵向动力学研究。首先建立一个列车纵向动力学分析模型，给出纵向 动力学分析公式中各参数的计算方法，包含牵引力、动力制动力、闸瓦摩擦系数、运行 阻力、坡道阻力。特别针对引起列车纵向冲动的主要因素一一制动特性等速假定带来的 问题，使用仿真方法仿真计算出各种编组条件下、各种制动工况下的制动特性。以单车 碰撞试验数据为基础计算，求出三种缓冲器特性，再将各种缓冲器应用在列车纵向动力 学计算中。仿真了两万吨列车各种情况下纵向动力学特性，编组考虑了1 + 2 + 1 ，2 + 0 + 2 ， 2 + 2 + 0 三种情况，制动考虑了最大减压量常用制动和紧急制动，缓冲器考虑了h m 一1 、h m 一2 、 m t 一2 三种缓冲器。利用仿真结果分析了跚一1 缓冲器在三种编组情况下，常用制动和紧 急制动情况下的车钩力受力特点及分布规律，给出了最大车钩力发生位置。2 + 0 + 2 编组 情况下最大车钩力分布是以前部受压，后部受拉为主要特点，最大车钩力发生在列车的 1 4 和3 4 处。1 + 2 + 1 编组列车在受力特点上与两个2 + 0 + 2 编组列车相近。从车钩力看， 最佳编组情况是1 + 2 + 1 编组，其次是2 + 0 + 2 编组，2 + 2 + 0 编组最差。对无牵引杆和有牵 引杆两种情况下的车钩力进行了分析。对三种缓冲器在各种工况下的车钩力进行了比较 研究。该工作为缓冲器评价提供参考，为正确的选择列车编组与列车操纵提供依据。 关键词：纵向动力学；车钩力；重载列车；1 2 0 1 阀；牵引杆 大连交通大学t 程硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ea p p e a r si nv i e wo fo u rc o u n t r yq i ne m p i r el i n e2 0 ，0 0 0t o nh e a v yl o a dt r a i n u t i l i z a t i o np r o c e s si nb r e a k st h eh o o ka n dt h ea t t r i t i o ns e r i o u si s s u e ，c a r r i e so u t2 0 ，0 0 0t o n h e a v yl o a d t r a i n l o n g i t u d i n a ld y n a m i c sr e s e a r c h f i r s t e s t a b l i s h e sat r a i n l o n g i t u d i n a l d y n a m i c sa n a l y s i sm o d e l ，g i v e s i nt h el o n g i t u d i n a ld y n a m i c sa n a l y s i sf o r m u l av a r i o u s p a r a m e t e r sc o m p u t a t i o n a lm e t h o d ，c o n t a i n st h ef o r c eo ft r a c t i o n ，t h ep o w e rb r a k i n gf o r c e ，t h e b r a k es h o ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h em o v e m e n tr e s i s t a n c e ，t h es l o p e w a yr e s i s t a n c e a i m sa t s p e c i a l l yc a u s e st h et r a i nl o n g i t u d i n a li m p u l s ep r i m a r yf a c t o r - - t h eb r a k ec h a r a c t e r i s t i c c o n s t a n ts p e e dq u e s t i o n ，t h eu s es i m u l a t i o nm e t h o ds i m u l a t i o nc a l c u l a t e su n d e ru n d e re a c h k i n do fg r o u p i n gc o n d i t i o n ，e a c hk i n do fb r a k eo p e r a t i n gm o d eb r a k ec h a r a c t e r i s t i c t a k et h e b i c y c l et e n t a t i v e d a t aa st h ef o u n d a t i o n c o m p u t a t i o n ，e x t r a c t s t h r e ek i n d o fb u f f e r c h a r a c t e r i s t i c s ，a g a i n e a c h k i n d o fb u f f e r a p p l i c a t i o n i nt r a i n l o n g i t u d i n a ld y n a m i c s c o m p u t a t i o n i ns i m u l a t i o n2 0 ，0 0 0t o nt r a i ne a c hk i n do fs i t u a t i o nt h el o n g i t u d i n a ld y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c ，g r o u p i n gh a dc o n s i d e r e d1 + 2 + 1 , 2 + 0 + 2 ，2 + 2 + 3 k i n do fs i t u a t i o n s ， a p p l i e dt h eb r a k et oc o n s i d e rt h eb i g g e s tr e d u c e dp r e s s u r eq u a n t i t yc o m m o n l yu s e db r a k ea n d t h ee m e r g e n c yb r a k e ，t h eb u f f e rh a sc o n s i d e r e dh m 一1 ，h m - 2 ，t h em t - 2t h r e ek i n do f b u f f e r s h a sa n a l y z e dt h eh m 1b u f f e ru s i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l ti nt h r e ek i n do fg r o u p i n g s i t u a t i o n s ，t h ec o m m o n l yu s e db r a k ea n di nt h ee m e r g e n c yb r a k es i t u a t i o nv e h i c l es t r e s so n h o o ks t r e s sc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed i s t r i b u t i o nr u l e ，g a v et h em o s tl a r g ec a r ts t r e s so nh o o kt o h a v et h ep o s i t i o n i n2 + 0 + 2g r o u p i n gs i t u a t i o n st h em o s tl a r g ec a r ts t r e s so i lh o o kd i s t r i b u t i o n i sb yt h ef r o n tp a r tb e a r i n g ，b e h i n di sp u l l e df o rt h em a i nc h a r a c t e r i s t i c ，t h em o s tl a r g ec a r t s t r e s so nh o o ko c c u r si nt h et r a i n1 4a n d3 4 1 + 2 + 1g r o u p i n gt r a i n sa r ec l o s ei nt h es t r e s s c h a r a c t e r i s t i ca n dt w o2 + 0 + 2g r o u p i n gt r a i n s l o o k i n gf r o mt h ev e h i c l es t r e s so nh o o kt h a t ， g r o u p st h es i t u a t i o ni s1 + 2 + 1g r o u p i n gb e s t ，n e x ti s2 + 0 + 2g r o u p i n g ，2 + 2 + 0w o r s t t od i dn o t h a v et h ed r a wl i n ka n dh a si nt h ed r a wl i n kt w ok i n do fs i t u a t i o nv e h i c l es t r e s s e so nh o o kt o c a r r yo nt h ea n a l y s i s h a sc o n d u c t e dt h ec o m p a r i s o nr e s e a r c ht ot h r e ek i n do fb u f f e ru n d e r e a c hk i n do fo p e r a t i n gm o d ev e h i c l es t r e s s e so nh o o k t h i sw o r kp r o v i d e st h er e f e r e n c ef o r t h e b u f f e ra p p r a i s a l ，p r o v i d e st h eb a s i sf o rc o r r e c tc h o i c et r a i ng r o u p i n ga n dt h eb u f f e r k e yw o r d ：l o n g i t u d i n a ld y n a m i c s ；v e h i c l es t r e s so nh o o k ；h e a v yl o a dt r a i n ；1 2 0 - 1 v a l v e ；d r a wl i n k l l 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：枷1 日期：加g 年 o k 月之7 e l 导师签名： 日期：加莎年，工月2 日 篡繇娜或，掣“通讯地址：乃第1 审选1 亏b z 好场s 降骘邮编：f d 们内 电子信箱：厶刎匕幺易7 矽国，& 6 勿坤 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者张盘莲叫v 1 日期：州年文月心1 日 绪论 绪论 随着人类文明的进步和社会经济的发展，人们对铁路运输实现“多拉快跑 的需求 日益强烈，于是重载运输越来越受到重视，他代表了铁路货物运输领域先进生产力的发 展方向。为此，国际重载运输协会( m h a ) 于1 9 8 5 年正式成立，其中的多个重载运输 国家，如美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西、瑞典等国，率先推行重载运输，极大 地刺激了铁路劳动生产率的提高。而俄罗斯、印度等一些铁路运输大国在重载运输方面 也不甘示弱，纷纷开展了重载运输产业，并已取得良好的效果。我国铁路的重载运输与 铁路提速战略相配合，近几年来在客运列车大面积提速的前提下，5 0 0 0 t 重载列车的开 行范围已遍及五大繁忙干线，大秦铁路货运专线的建成和2 0 0 0 0 t 重载列成的成功运行， 更是大大提高了我国铁路重载运输的整体水平，我国也逐渐步入铁路重载运输大国的行 列。 1 世界铁路重载运输发展的新水平 1 1 重载列车牵引重量世界记录迫近1 0 万吨 世界各国借助于现代化研究和设计工具，采用高新技术，促使了铁路重载列车牵引 重量不断增加。2 0 0 1 年6 月2 1 日，位于澳大利亚西部的b h p 铁矿集团公司在“纽曼山 海德兰 重载铁路上创造了重载列车牵引总重9 9 7 3 4 t 的世界纪录，列车由6 8 2 辆 货车和8 台机车组成，长度达7 3 0 0 m 。巴西矿业巨头淡水河谷公司( c v r d ) 在巴西北部帕 拉州的“卡拉雅斯”铁路试运行全列由3 3 0 辆货车组成，总载重量达3 4 万t 的超长重 载列车，由4 台内燃机车牵引，并在2 0 0 8 年5 月正式投入运行。南非“o r e x 铁矿一重 载线是窄轨铁路( 1 0 6 7 m m 轨距) ，开行重载列车的平均牵引重量为2 5 9 2 0 t 。美国最大的 一级铁路公司联合太平洋铁路( u p ) 经营的铁路里程为5 4 0 0 0 k m ，其所有列车的平均 牵引重量已达1 4 9 0 0 t ，一般重载列车的牵引重量普遍达到2 - 3 万t ，其复线年货运量在 2 亿t 以上。 2 0 0 5 年国际重载运输协会年会在巴西召开，会上对重载运输的定义作了新的修订： 重载列车牵引重量至少达到8 0 0 0 t ( 以前为5 0 0 0 t ) ；轴重( 或计划轴重) 为2 7 t 及以上( 以 前为2 5 t ) ；在至少1 5 0 k m 线路区段上年运量超过4 0 0 0 万t ( 以前为2 0 0 0 万t ) 。 1 2 欧洲在客货混运干线上开行重载列车 大连交通大学丁稃硕士学位论文 在欧洲传统以客运为主的客货混运干线铁路上，也已经开始开行重载列车。德国铁 路从2 0 0 3 年开始在客货混运的既有线路，如“汉堡一萨尔兹特”线上开行轴重2 5 t 、牵 引重量6 0 0 0 t 的重载列车，最高运行速度8 0 k m h ，同时开行2 0 0 - 2 5 0 k m h 速度的高速旅 客列车。2 0 0 5 年9 月开始，法国南部铁路正式开行2 5 t 轴重的运送石材的重载列车。芬 兰铁路正在研究开行3 0 t 轴重的重载列车。欧盟经过研究认为，欧洲铁路客运非常发达， 每年运送9 0 亿人次、6 0 0 0 亿人公里；但铁路货运同样也很繁忙，货运量占全世界铁路 货运总量的3 0 ，而且每年还以4 4 - 7 5 的速度增加。因此2 0 0 1 年以欧洲铁路为主体 的国际铁路联盟( u i c ) 以团体名义加入国际重载运输协会( i h h a ) ，并成为团体理事成 员。 1 3 美国在高速既有铁路上开行3 0 t 轴重重载列车 2 0 0 3 年美国在东北走廊高速铁路巴尔的摩和罗伊维尔间不仅开行了2 4 0 k m h 的 a c e l a 高速列车，同时开行轴重为3 0 t 、平均速度为8 0 k m h 的重载列车。a c e l a 高速列 车的动力车轴重为2 5 5 t ，高速客车轴重为1 5 9 t 。这是世界既有线高速铁路同时开行 重载货物列车轴重最大的一条铁路，其年货运量达3 7 0 0 万t ，年客运量2 6 5 0 万人次， 每天开行1 2 2 列客货列车。 1 4 重载运输取得日益显著的经济效益 美国铁路自1 9 8 0 年全面发展重载运输以来，铁路货运占美国货运市场的份额直线 上升，从1 9 8 0 年的3 5 增加到2 0 0 0 年的4 1 ，车辆的平均载重增加了1 5 1 。虽然运价 已降至1 6 美分1 吨公里，但是运行成本却仍然下降了6 0 ，线路维修成本下降了4 2 ， 劳动生产率提高了2 7 l 倍，创造的年利润已达美国铁路历史上的最高水平( 8 1 亿美元) 。 美国最大的铁路公司之一的u p 2 0 0 2 年重载运输收入已达1 0 7 亿美元，其中煤炭运输收 入占2 2 。 西澳大利亚的b h p 铁矿集团公司从1 9 8 0 年到2 0 0 0 年由于开行重载列车，动力用油 下降4 3 ，机车利用率提高3 6 ，车轮、钢轨寿命提高了3 5 倍。劳动生产率提高了5 倍，达到6 0 0 0 万t k m 人年，居世界铁路首位，创造的年利润达5 0 0 亿澳元。昆士 兰铁路营业里程1 万k m ( 基本是窄轨1 0 6 7 m m ) ，2 0 0 4 - 2 0 0 5 年度货物发送量1 7 6 亿t ， 其中重载煤运达1 4 2 5 亿t ，每周开行1 万t 重载列车4 6 0 列，年营业总收入2 3 亿澳元， 税前利润1 9 l 亿澳元。 1 5 我国重载列车发展现状 2 绪论 早在1 9 9 0 年6 月1 0 日，我国铁路史上编组最长的万吨重载货运列车就已经试开成 功。这趟重载货运列车由1 2 0 辆国产c 6 3 运煤敝车和8 辆辅助试验车组成，全长达1 7 0 0 米，列车牵引总重1 0 6 9 8 吨，当时，堪称“铁路之最”。目前，我国铁路京广、京沪、 京山、沈山、哈大等繁忙干线已普遍增开5 0 0 0 吨重列车，运输能力有较大提高。 2 0 0 4 年1 2 月1 2 日，我国的能源大动脉大秦铁路上一列由4 组5 0 0 0 吨列车组 成，牵引重量2 0 2 1 2 6 吨，全长2 6 2 1 2 米的重载货运列车试运成功，机车使用4 台8 轴s s 4 g 型电力机车，牵引2 0 1 辆2 5 吨轴重，载重8 0 吨的运煤专用敞车。这条2 万t 的“巨龙于6 ：5 5 从朔州里八庄煤炭集运站平稳启动，7 ：2 8 ，列车运行达到限定速度 8 0 k m h ，随后，列车进入平稳运行。1 6 ：1 5 ，经过9 小时2 0 分不间断运行，大秦( 大同一 秦皇岛) 铁路2 万t 重载组合列车安全平稳地停靠在了秦皇岛柳村南站，首次试验一举 成功。这趟2 万吨重载货运列车试运行的成功，标志着我国重载运输已经跨入世界铁路 的先进行列。从2 0 0 6 年3 月2 8 日开始，大秦线已正式开行2 万吨重载列车，开创了我 国铁路重载运输的新纪元。 大秦铁路全长6 5 3 公里，是山西、陕西和内蒙古西部等“三西 地区煤炭外运的大 动脉，全国煤炭市场上有十六分之一的煤炭都是由大秦铁路运出的。大秦铁路日均开行 万吨重载列车3 4 6 列，每日开行2 万吨重载列车达到了1 5 列。2 0 0 6 年提前7 天胜利实 现了全年运量2 5 亿吨目标，连续创造了世界铁路重载运输的奇迹。铁路部门经过多次 提速和开展重载运输，真正实现了在安全第一的前提下，做到了“多拉快跑” 2 0 0 7 年1 2 月2 7 日，大秦铁路提前4 天实现年运量3 亿t 目标，再次创造了世界铁 路重载运输的奇迹，为有效缓解我国电煤运输紧张状况，促进国民经济又好又快发展作 出了重大贡献。“十一五 期间，铁路部门将加强煤炭运输通道建设，继续实施大秦线 扩能及集疏运系统配套改造，到“十一五 末，大秦线年运量将实现4 亿t 。 2 重载机车新技术 2 1 采用i g b t 、i p m 大功率变流器的交流传动技术 2 0 世纪7 0 年代末欧洲开始发展交流传动技术，至2 0 世纪9 0 年代，大功率交流传 动内燃、电力机车已成为世界重载牵引动力的发展趋势。美国铁路已拥有4 0 0 0 多台重 载交流传动内燃机车，g m - e m d 公司生产了s d 7 0 a c e 、s d 9 0 m a c 、g t 4 6 m a c 、d e 3 0 a c d m 3 0 a c 等型交流传动内燃机车，g e 公司生产了e s 4 4 a c 、a c 6 0 0 0 c w 、a c 4 4 0 0 c w 等型交流传动内 燃机车，已在美国，加拿大，澳大利亚，巴西等国重载铁路批量投入运营。g e 公司制造 的a c 6 0 0 0 型机车主发电机输出功率达6 0 0 0 马力，持续牵引力达7 3 8 k n ，起动牵引力 8 0 0 k n ，粘着系数利用值可达0 3 7 以上。德国西门子公司为欧洲制造的b r l 8 6 型及b r l 8 9 3 大连交通大学t 程硕十学位论文 型重载交流传动电力机车，轴功率已达1 4 0 0 k w 、在欧洲批量投入运营。最近西门子公司 为满足中国重载运输牵引动力需求而设计的d j 4 型交流传动电力机车，轴功率已达 1 6 0 0 k w 。 重载机车交流传动采用的新技术包括：1 ) 、三相交流异步电机轻量化：电机单位 重量功率已达0 8 1 k w k g ，甚至可达l k w k g ，机车单位重量功率可接近7 5 k w t ；2 ) 、 i g b t ( i p m ) 大功率牵引变流器的采用：同等容量的i g b t 变流器的体积和重量比g t o 变流 器减少1 3 1 2 ，i g b t 具有驱动简单、保护容易、不用缓冲电路、开关速度高等优点， 目前b r l 8 5 2 型电力机车、s d 7 0 m a c e 、e s 4 4 a c 型内燃机车均批量采用i g b t 变流器；3 ) 、 采用基于网络( 现场总线) 的控制系统：其特征是，采用基于网络通信的控制，通信协议 大多采用t c n 国际标准，用模块化、通用化、分布式将主变控制、辅变控制和微机网络 控制统一在一个平台上，并具有智能化故障诊断功能。 2 2 径向转向架技术 大功率交流传动内燃机车和电力机车采用径向转向架成为国际重载机车发展趋势， 尤其在美国、加拿大、澳大利亚等国的大轴重的重载线路上，径向转向架技术越来越成 熟。g e 、g m - e m d 等大公司生产的机车基本均采用径向转向架。我国主要机车制造厂如大 连、戚墅堰、资阳等工厂均开始小批量生产带径向转向架的重载机车。 据美国g m e m d 公司的h t c r 径向转向架长期运营数据表明，径向转向架减少轮对与 轨道间的冲角，比传统的转向架的轮轨冲角减少7 5 ，有效地降低轮轨间横向作用力， 减少轮轨磨耗及阻力，+ 提高运行稳定性；机车车轮寿命延长1 0 ，在0 3 5 粘着系数利用 值条件下，转向架的轴重转移从3 5 减少到1 0 。 2 3 重载机车无线遥控操纵系统( l o c o t r o l l 1 9 5 9 年美国g e - h a r r i s 公司首先研发成功l o c o t r o l 系统，当时全部装备要用一辆 平车才能装下，通过4 0 多年的不断改进，现在已经发展到第4 代，采用无线通讯闭环 控制方式在前后部机车间传输命令及反馈信息。现在世界各国采用l o c o t r o l 系统共有 5 6 0 0 套，目前我国大秦线开行2 万t 重载列车，在机车上均采用l o c o t r o l 系统。 l o c o t r o l 系统的基本工作方式是前部机车通过g s m - r 系统，向中、后部机车发布同 步牵引和制动命令，实现前、中、后部机车的牵引及动力制动同步操纵及空气制动系统 同步制动与缓解。同时采用制动管压力自动检测，可以对系统的无线通讯状态进行监控。 采用l o c o t r o l 系统的优点是：有效减轻重载列车车钩力：在弯道上减少列车阻力， 减轻轮轨磨耗，降低燃油成本5 - 6 ；中、后部机车同步参与了全列车的列车管排风与充 4 绪论 风，加快了列车的充排风速度，提高制动波传播速度，有利于减轻列车制动纵向力作用， 减少断钩的危险。 3 重载车辆新技术 3 1 提高轴重，最高轴重已达3 9 t 美国通过1 9 8 8 - 1 9 9 5 年在普韦布洛快速环线上，进行了3 5 4 t 轴重重载列车与线路 相互作用运行试验，累计运量达1 0 亿t ，对开行3 5 4 t 轴重的重载列车安全性和经济性 进行了研究，重点对制约增加轴重的主要因素，如桥梁、钢轨、遣碴、路基、焊接接头 等进行详细的检测，试验结果表明在北美开行3 5 4 t 轴重列车是可行的、安全的。目前 美、加、澳已普遍采用3 5 4 t 轴重重载列车：巴西、瑞典已采用3 0 t 轴重；南非、澳大 利亚昆士兰铁路均是窄轨，已采用2 8 t ( 旧车为2 6 t ) 轴重；俄罗斯重载列车轴重提高到 2 7 t i 欧洲铁路重载列车也己向2 5 t 轴重迈进。目前美国正在普韦布洛快速环线上进行 3 9 t 轴重的安全性运行试验，累计通过运量已达1 2 5 亿t 。 3 2 采用新型转向架及悬挂系统 美国对重载车辆的三大件转向架进行了改进，并研制各种新型转向架悬挂系统， 1 9 9 9 2 0 0 1 年已试验了匹胂具有新型悬挂系统的转向架，并在f a s t 环形线上进行了3 年多的性能试验，取得甚好的结果。这些新型转向架在3 5 4 t 轴重下，与3 0 t 轴重的三 大件转向架相比，曲线臣。段的横向力降低5 0 a 5 ，直线区段阻力降低1 5 ，曲线区段阻力 降低5 0 ，点头、沉浮力i 速度小于1 0 9 ，最高运行速度可达l o o k m ，f h 。加拿大试验的一 种可控制型转向架，也耳得较好的效果。美国t t c i 通过试验旁承：j 载方式可以提高重 载货车的高速稳定性，珏t 少蛇行、空车爬轨倾向，提高了货车运筑二速度2 4 - 3 2 k m h ， 3 3 车体、车轮采用新椤质材料 一 美国重载货车中9 5 。，采用了铝合金车体，其成本仅比钢车体增加1 3 ，但降低了车 辆自重，使得使用寿命歹、：大延长，而且提高了载重量，取得很好的经济效益。 重载车辆在运用中士芝突出的问题是车轮踏面剥离严重。由于轮轨接触应力的增加， 车轮制动热负荷上升，引起更多的车轮剥离失效。美国t t c i 正在豢统研究轨顶润滑， 钢轨打磨，监测轮轨间王l 力作用，以改进转向架附件及维修，心盘i 油润滑等方法降低 轮轨间应力，但关键问艇是要提高车轮材质的抗剥离性。为此美国i 三研制成功一种新合 金材质的车轮，与传统：莓轮相比，相同运量条件下车轮踏面上的剥苛长度可减少5 9 ， 深度可减少4 3 。 5 大连交通大学下程硕十学位论文 3 4 高强度旋转车钩及大容量高性能缓冲器 开行重载列车最大隐患是由于列车纵向力过大，从而发生断钩脱轨事故，这种事故 占美国重载列车全部事故总数的9 0 左右，因此提高车钩强度及缓冲器的容量特性，优 化缓冲器特性曲线是保证重载列车安全的重要措施。目前美国a a r 标准规定的e 级车钩， 破坏强度可达9 3 4 2 k n ，m a r k 5 0 型缓冲器，容量达5 3 8 k j ，行程可达8 3 m m ，能量吸收率 达9 0 。同时对重载列车的纵向动力学研究越来越受到世界各国的重视。 4 重载列车纵向动力学研究 从表面上来看重载列车不过是比一般货运列车更长一些，更重一些，实际上并不那 么简单。它牵扯到许多技术问题，诸如：大功率机车、新型货车及制动装置、通信信号、 供电装备、接触网检测、重轨线路、运输组织、列车同步操纵、编组站自动化技术和列 车动力学研究等。其中的纵向动力学研究是重要而且必要的，通过试验和模拟研究，可 以从理论上指导重载列车的编组、新型车钩缓冲系统的设计以及机车司机的操作，从而 有效地减小列车纵向冲动，保证重载列车高速、安全地运行。 重载列车的纵向动力学研究目的，主要是为了满足对车钩力和纵向冲动不能超限的 要求，许多学者已经著书说明研究的范围帆1 7 3 。列车编组辆数和牵引质量的增加，首先 需要机车牵引能力的相应提高，现有的单机或双机重联已经不能满足2 万t 级列车牵引 能力的要求，因此必须采用更多台大功率的重载机车进行牵引，同时随着列车编组长度 的增加也使司机操纵更为困难，特别是空气制动系统作用传播时间的延长必将导致列车 纵向力和纵向冲动的加剧，而不利于列车的安全运用。因此对重载列车的纵向动力学研 究显著区别于一般列车的纵向动力学研究，在我国货物列车原有技术装备条件下，根据 国内外经验的单编列车应以l 万t 左右为限，大于这个重量的，必须采用新的牵引动力 配置即组合列车方式进行。 建立重载列车的计算机仿真程序，并以此为基础研究列车纵向动力学问题具有时间 短、经费少、数据多的优点，计算结果和实际试验结果往往有良好的一致性乜1 ，因此， 下面介绍国内外近年来针对铁路重载运输存在的问题而进行的重载列车纵向动力学理 论和试验研究。 4 1 重载列车纵向动力学试验研究 王悦明、陶强、陆阳等1 对大秦线采用l o c o t r o l 技术开行2 万t 重载组合列车做了 综合性试验。试验的机车装有1 3 号车钩和m t - 3 缓冲器，试验车为2 0 4 辆c 8 0 运煤专用 6 绪论 敞车，采用1 2 0 制动机，1 6 、1 7 号车钩，m t 一2 缓冲器。运行区间为八庄煤台专用线起 到大秦线柳村南站止。通过静置实验，得出5 k t 列车定压6 0 0 k p a 初充风列车尾部副风 缸充到5 8 0 k p a 时间为7 3 0 s ；5 k t 充至6 0 0 k p a ，减压l o o k p a ，稳定l m i n 后，泄漏为 2 1 8 k p a m i n ，对于2 0 k t 列车，泄漏为6 9 k p a m i n ；4 5 k t 列车与5 k t 列车制动性能 接近。通过此运行试验，发现主控机车与从控机车动作时间相差2 - 4 s ；车钩力最大值一 般发生在常用全制动和紧急制动工况下，循环制动车钩力较小。 杨万坤、陆阳、张波强1 等介绍了他们在大秦线采用l o c o t r o l 技术开行2 0 0 0 0 t 组合 重载列车进行试验的基本情况，给出了试验中列车中部试验车测到的较大纵向力的测试 结果，最大拉钩力为1 0 0 0 k n 左右，最大压钩力约为1 5 0 0 k n ，并指出空气制动是造成列 车中部纵向力较大的根本原因，提出彻底解决2 0 0 0 0 t 列车中部车钩力过大的问题有两 条途径，一条就是采用新技术提高制动系统性能，例如采用e c p 技术；另外一条就是尽 量少用空气制动，这就要求采用具有更高动力制动能力的机车来牵引列车。 马大炜h j 。“5 1 通过车辆冲击试验和实际列车运行试验测试数据与计算机仿真结果对 比，就不同型式货车缓冲装置在5 0 0 0 t 级重载列车中混编时的最大纵向力问题作了计算 比较分析，得出结论：3 号缓冲器的容量与阻抗过小，不能适应于5 0 0 0 t 级重载列车的 需要；2 号缓冲器在非常用制动的危险工况下有纵向力超过2 0 0 0 k n 而导致断钩的危险 性；改2 号和m 一l 型缓冲器的计算阻抗均为1 7 0 0 k n ，故具有相似的车钩力，但在3 0 k m h 紧急制动时也彳+ 改进操纵方法以降低最大纵向力的必要性；大容量的m a r k 5 0 型缓冲装 置在国外适用予万吨列车，在国内亦已经过大秦线万吨列车的运用试验证明了其适用 性，但对于一般列车或5 0 0 0 t 级的重载列车是否最佳选择，这不仅需要考虑车辆检修运 用的具体问题，还应该考虑在常用工况下其纵向力较其它缓冲器为大，是否会影响车辆 部件的疲劳寿命；还有在改进操纵方法和制动机的条件下，5 0 0 0 t 级列车是否有必要采 用过大容量缓冲器的问题。 4 2 重载列成纵向动力学计算机仿真研究 常崇义、王成国、马大炜等n 0 川：从列车纵向动力学原理人手，建立了列车纵向动 力学数学模型。通过描述悬挂系统中悬挂力的数学方程的形式，模拟了如m t 一2 钢摩擦 缓冲器实际的干摩擦阻尼迟滞特性，通过大量缓冲器的冲击试验结果拟合出缓冲器的动 态特性曲线的上边线，从而建立了钢摩擦缓冲器数值模型。为了求解列车纵向动力学方 程这种强非线1 生振动系统的响应，提出了基于n e w m a r k - 1 3 的高精度平衡迭代算法，并 进行了数值算例分析。根据l o c o t r o l 同步控制装置的原理，建立了l o c o t r o l 同步控制 7 大连交通人学 ：稗硕十学位论文 的数学模型。完成了2 万t 重载组合列车纵向力计算的试验验证；分析了紧急制动时主 控机车与从控机车的同步响应时间和制动初速对重载组合列车纵向力的影响。 洪原山、马玲n 1 垤1 分析了以往纵向动力学模型失真的原因，提出前人的研究往往把 缓冲器的静压容量看成是不随冲击速度而变化的，而缓冲器的动容量应该是随冲击速度 的提高而减小的；此外他们发现纵向动力增大过程中有高频抖振，并且是含有较大幅度 的波动。结合敞车冲击试验资料，提出一个数字仿真车辆纵向动力学模型，通过计算， 认为纵向动力学模型应考虑钩缓装置的质量、缓冲器回程的滞后现象和冲击摩擦系数随 冲击速度的增大而降低的事实。 耿志修、李学峰、张波n 3 3 针对大秦线的实际情况，通过建立包括重载车辆模型、 l o c o t r o l 模型、线路模型等模块的重载列车纵向动力学仿真计算模型，研究了大秦线 不同编组重载列车的牵引、制动等技术参数对列车运行性能的影响，试图为大秦线组织 重载列车试验、制订合理的操纵方法和保证列车安全、可靠、正点、高效、节能运行提 供技术依据。仿真计算表明：采用l o c o t r o l 技术，运用合理的操纵方法，按照s s 4 型 机车( 1 + 2 + 1 ) 和( 4x5 0 0 0 t ) 编组方式以及h x i ) i 机车( 1 + 1 + 0 ) 编组方式牵引2 万t 组合 列车，均能够满足大秦线运行时分以及长大下坡道对循环制动再充风时间的安全性要 求。采用h i d l 型机车( 1 + 1 + 0 ) 编组方式牵引2 万t 列车的最大纵向力比s s 4 型机车 ( 1 + 2 + 1 ) 编组方式的稍大，紧急制动最大纵向力一般在2 0 0 0 k n 以下，常用全制动最大 纵向力为1 0 0 0 k n 左右，均有一定的安全余量。 王桥医、陈海涛u 刚针对制动工况下，高速重载列车的纵向动力学问题，建立了考虑 了缓冲器的阻尼特性情况下的纵向动力学模型。文中重点介绍了求解模型的方法：如四 阶龙格一库塔法、n e w m a r k b 法等，但是这些方法用于分析纵向动力学这样的大型工程 问题，计算时需要较大内存，且要耗费大量的计算时间，比较实用的数值积分方法是 n e w m a r k 显式积分法。通过求解以上列车纵向动力学模型微分方程，得出相邻两辆车的 相对位移、相对速度和相对加速度，相对加速度最大点即为危险点，并由此求出危险处 两车之间的最大纵向力。 赵鑫、王成国、马大炜口8 1 采用自主开发的重载列车纵向动力学仿真计算软件，对单 编5 千t 、单编1 万t 和2 万t ( 1 + 2 + 1 ) 组合3 种编组方式的重载列车在紧急制动及常用 全制动停车工况下的纵向动力学性能进行仿真计算及比较分析；对主、从控机车采用不 同延迟时间的2 万t 组合重载列车在紧急制动工况下的纵向力进行仿真计算。结果显 示：2 万t 组合重载列车制动过程的纵向脾i x 厶匕b 1 5 优于同等车辆装备的单编1 万t 重载列车， 但差于单编5 千t 重载列车；2 万t 组合重载列车的主、从控机车的延迟时间应在4 s 以内，才能满足大秦线重载列车运行的需要。 8 绪论 姜洪亮n 町将车钩缓冲系统的加载曲线分四段线性化，卸载曲线一段线性化，并提出 曲线上节点具有典型物理意义：加载阶段第1 点表示缓冲器的初压力，它直接影响客车 的舒适性；3 、4 点是缓冲器特性曲线上最重要的两个点，它们发生位置的前后，对缓冲 器在实际运用中的性能有很大影响：5 点表示缓冲器的额定行程和阻抗力同时达到最大； 6 点的坐标与吸收率有关，可由额定容量及其他点的坐标计算得出：对包含有缓冲器的 加载曲线的重载列车制动进行计算分析，得出了车钩力最小的最理想曲线。 魏伟卿3 1 建立了基于空气流动理论的空气制动仿真系统，通过计算列车制动系统的 制动管路和各缸室的瞬态气体状态，获得制动系统动态特性，借此预测出两万吨组合列 车的紧急制动与常用制动特性曲线，分析了劁动波的传递特性。仿真结果表明：两组合列 车可以缩小最大制动时间差5 0 ，如果在两组合列车尾部配置机车，最大制动时间差可以 缩小7 5 ，四组合列车最大制动时间差可以缩小7 5 ：紧急制动波速等速前后传递，常用 制动时向前传递的制动波波速要比向后传递的制动波波速小。同时得出以下结论：组合 列车可以有效地缩短制动传递时间，四组合列车比两组合列车制动同步性更好，组合列 车可以有效提高缓解波速，提高缓解过程的同步性：紧急制动波向前后基本等速传播，而 常用制动波向前传播速度要慢于向后传播速度；在机车同步制动条件下，以及仅从制动 角度安排机车位置时，应该将机车编排在列：车中，使每组车最后制动车辆的开始制动时 间尽量一致。为更加真实地模拟列车纵向冲击提供良好条件。 瞿伟廉、李海峰、刘嘉3 将x m - i 缓冲器性能曲线进行简化，利用过渡刚度法处理 非线性车钩力模型的拐点问题，并通过四阿龙格一库塔法求解列车制动反应方程组，得 到了满足工程应用的列车制动力时程曲线。计算结果显示：列车车钩力数值大小受缓冲 器类型、列车制动初速度和列车编组情况的影响：列车制动初速度越小，车钩力数值越 大；列车编组数量越多，车钩力数值越大。列车制动力曲线有以下特点：1 ) 、所有车厢 的制动力在停车瞬间都有急速上升的过程；2 ) 、制动初始阶段车厢制动力是依次传递产 生的，各车体制动力有一个时间差，随后，各车体制动力渐趋于一致；3 ) 、列车制动力 的最大值和列车制动初始速度关系不大，各车厢在停车瞬间制动力都达到最大值左右。 陆文飞，张有忱瞵1 为分析列车在制动工况下的纵向冲动问题，论述了列车纵向冲动 仿真建模的过程，将动力学方程分为三个模块：制动力与阻力模块、刚度子系统模块、 阻尼子系统模块。在m a t l a b s i m u l i n k 仿真程序模块中，计算出每节车体的加速度及车 钩力大小。仿真结果中，实际曲线较模拟f f f 线滞后，并分析是由于在仿真模型中难以反 映出制动波由前向后的传递滞后现象。并考虑到这个主要因素，认为仿真模拟曲线与实 测值基本吻合。 大连交通大学1 ：释硕十学何论文 胡万华、杨建伟、李继山瞳刚分析了车钩缓冲系统特性、制动缸充气特性、制动波速 等影响列车纵向运行品质的关键因素，以及列车运行时纵向所受到的各种作用力，并在 此基础上，建立了列车纵向动力学分析数学模型。根据缓冲器特性曲线，在弹性冲击阶 段，拟合出车钩力的分段数学表达式；提出了制动波速与列车编组辆数、制动机形式和 状态、减压量有关。列车编组辆数越少，制动波速越高；编组辆数越多，制动波速越低。 用n m a r k 显式算法求解纵向动力学方程。 范佩鑫、陈成元口7 矧介绍了1 9 8 8 年6 月2 8 日至7 月6 日在山海关一锦州间利用具 有遥控功能的便携式测试装置，进行的6 4 0 0 t 组合列车纵向动力学试验。并根据实测的 数据，对他们试验的各种工况用列车动力学软件进行了对比计算。在此基础上，对锦州 机务段提出的组合列车平稳操作方法作了评价：同步制动装置能缩短后部车辆的制动时 间4 0 6 0 ，对减小冲动有明显的作用。 x z h u a n 和x x i a 啪1 建立了包含车辆模型和车钩缓冲系统模型的重载列车纵向动力 学模型，分析了不同机车和车辆在制动力分别相同情况下有无e c p 系统时列车的纵向冲 动大小；不同机车和车辆在制动力不相同情况下有无e c p 系统时列车的纵向冲动大小； 仅仅适用于装配了e c p 系统重载列车的独立控制制动的列车纵向冲动大小。在特定线路 的列车驾驶规范下进行数值模拟，得出结论e c p 系统能有效减d , y d 车纵向冲动。 m c h o u 、x x i a 和c k a y s e r 啪1 建立了装配有e c p 系统的重载列车纵向动力学模型， 并与在c o a l l i n k 线路的2 0 0 辆车辆组成的重载列车运行实验数据进行对比验证，并通 过试验估计阻尼。车钩缓冲系统被看作是带有阻尼的弹性系统，车钩力被简化为压缩量 和相对速度的函数。模拟结果显示：相比于线路条件，车钩力更显著地决定于制动方式； 增加机车数量或者增加独立控制制动系统会有效减d , n 车纵向冲动； m c h o u 和x x i a b 妇通过建立重载列车纵向动力学模型并模拟计算结果，研究了装配 有e c p 系统的重载列车在巡航速度行驶时减小运行经济成本的优化问题，需要考虑的问 题有提高速度以减小运行时间、降低车钩力以及减小油料消耗。模拟结果显示：大的车 钩力来源于频繁的制动操作；封闭循环式操作方法l q r 相对于运行参数的变化对其影响 具有一定鲁棒性。 c c o l e 和y q s u n 口羽通过建立重载列车纵向动力学模型，数值仿真并比较了3 种重 载列车车钩缓冲系统的性能。列车由位于列车前部和中部的4 辆机车和1 0 3 辆车辆组