（车辆工程专业论文）起伏坡道对两万吨重载列车制动工况影响分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国现有能源结构决定了我国以煤炭为主的能源发展战略。煤炭的需求量 增加，对铁路运输提出了更高要求。 发展铁路重载运输是缓和我国铁路运能与运量矛盾的主要途径。作为我国 铁路重载运输的代表，大秦铁路2 0 0 8 年运煤量已达到3 5 亿吨，2 0 0 9 年要达到 4 亿吨的预期目标，所以为完成2 0 0 9 年和以后的运量计划要开行2 万吨及以上 重载列车。随着大功率电力机车及其重联控制技术的发展，在牵引能力方面已 可以满足2 万吨级重载列车的要求，但关键是存在制动操纵导致的安全和断钩 等问题，由于列车质量增大，长度增加，车辆轴重增大，制动力将加大，制动 波传递时间也将加长，而且列车所占的线路的纵横断面也比较复杂，列车的受力 情况更为复杂，这使列车的控制难度明显增加，列车纵向动力性能急剧恶化， 易引起断钩，导致列车分离事故及其他事故。其原因主要是受制动波速的限制， 使整列车中各车辆的制动不同步，在列车中形成剧烈冲击。 我国在“七五”、“八五”国家重点科技攻关项目中，结合大秦线开行重载列 车的机车车辆装备条件及线路条件，建立了列车运行模拟分析的数学模型，对 五千吨和万吨重载列车动力学和操纵优化进行研究，并利用f o r t r a n 编制列 车模拟操纵计算软件，理论上分析了重载列车运行的基本规律，但是由于两万 吨重载列车的车长、车重以及很多新技术的应用，f o r t r a n 计算软件不能用 于两万吨及以上重载列车动力学的研究。所以，本文首先利用v c ，在f o r t r a n 仿真软件的基础上，编制新的动力学仿真软件，并进行仿真计算；然后，在重 载列车紧急制动和缓解工况下，分别对列车在两种最恶劣的线路断面上运行的 纵向动力学性能仿真，分析制动距离、最大车钩力和纵向冲动，从而得出最不 利于列车运行的情况，并且总结列车运行过程中的规律。其次，分析不同坡度 的坡道在列车紧急制动和缓解工况下，对列车制动距离、车钩力和纵向冲动的 影响，为以后研究重载列车动力学和优化操纵提供研究基础。最后，根据试验 数据和仿真数据进行对比，验证编程模型的正确性。 关键词：重载列车；纵向动力学性能；车钩力；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 - i - l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ l - - - _ - _ - - _ _ - 一i m i l i l l - l l - _ _ i l _ _ - - _ _ _ _ l _ 一 a b s t r a c t c h i n e s ec u r r e n te n e r g ys t r u c t u r ed e t e r m i n e st h ed e v e l o p m e n ts t r a t e g i e st h a t b a s e do nc o a l w es e th i g h e rr e q u i r e m e n t so nt h er a i l w a yt r a n s p o r tw i t ht h ei n c r e a s e d d e m a n df o rc o a l i ti st h em a i nw a yt h a ts o l v et h ec o n t r a d i c t i o no ft r a n s p o r tc a p a c i t yb yd e v e l o p i n g r a i l w a yh e a v yh a u l a s t h e r e p r e s e n t a t i v eo fc h i n e s er a i l w a yh e a v yh a u l ，t h e d a t o n g q i n h u a n g d a or a i l w a yc o a lt r a f f i ch a sr e a c h e d3 5 0m i l l i o nt o n si n2 0 0 8 ，a n d i tw i l lr e a c h4 0 0m i l l i o nt o n so fe x p e c t a t i o n si n2 0 0 9 ，t h e r e f o r e ，t oc o m p l e t et h e2 0 0 9 p l a n ，t h et w e n t yt h o u s a n dt o n sh e a v yh a u l t r a i nh a v et ob ei nm o t i o n w i t ht h e h i g h p o w e re l e c t r i cl o c o m o t i v ea n dt h ed e v e l o p m e n to fj o i n tc o n t r o lt e c h n o l o g y , i t h a sb e e nt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh e a v yh a u lt r a i ni nt h et o w i n gc a p a c i t yo f t w e n t yt h o u s a n dt o n s b u tt h ek e yp r o b l e mi st h eb r a k ec o n t r o lt e c h n o l o g ys u c ha s s e c u r i t ya n dc o u p l e rb r o k e n a st h ei n c r e a s e so ft h et r a i n sq u a l i t y , t h el e n g t ho ft h e t r a i na n dt h ea x l ew e i g h tw i l la l s oi n c r e a s e s ，t h e r e f o r et h eb r a k i n gf o r c ew i l li n c r e a s e a n dt h et r a n s m i to ft h eb r a k ep r o p a g a t i o nw i l lb e c o m el o n g e r t h el i n e sh o r i z o n t a l c r o s s - s e c t i o ni sa l s om o r ec o m p l i c a t e d ，t h u st h et r a i ni se v e nm o r ec o m p l i c a t e do n t h e a s p e c to fc o n t r o l ，a n d t h et r a i nw i l ll e a dt oas h a r pd e t e r i o r a t i o ni nt h e l o n g i t u d i n a ld y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n dc o u l de a s i l yc a u s eac o u p l e rb r o k e n ，w h i c h w i l lc a u s et h ea c c i d e n t so ft r a i ns e p a r a t i o na n do t h e ri n c i d e n t s t h em a i nr e a s o ni st h e l i m i t e do ft h eb r a k ep r o p a g a t i o ns p e e d ，t h e r e f o r ee a c hv e h i c l e sb r a k i n gp e r f o r m a n c e i sn o ts y n c h r o n i z e d ，a n dt h es e v e r el o n g i t u d i n a ls h o c kw i l lb ea r o u s e d i nt h es e v e n t hf i v e y e a rp l a na n de i g h t hf i v e - y e a rp l a n sn a t i o n a lk e ys c i e n c e a n dt e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o j e c t s ，b yt h ec o n d i t i o no fd a t o n g q i n h u a n g d a ol i n e ，a m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft r a i no p e r a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i sw a sc r e a t e d t h em o d e l r e s e a r c h e dt h ed y n a m i c sa n dc o n t r o lo ft h ef i v et h o u s a n dt o n sa n dt e nt h o u s a n dt o n s o fh e a v yh a u lt r a i n ，a n dp r o g r a m m e das o f t w a r et os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h e t r a i nl o n g i t u d i n a ld y n a m i c sb yf o i 盯r a n t h eb a s i cl a wo fh e a v eh a u lt r a i n sw a s a n a l y z e db yt h es o f t w a r e h o w e v e r , d u et ot w e n t yt h o u s a n dt o n sh e a v yt r a i n sl e n g t h a n dw e i g h t ，a n dm a n yn e wt e c h n o l o g i e s ，t h ef o r t r a n ss o f t w a r ec a nn o tb eu s e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l | i 页 _ _ - _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ - - _ _ _ - _ _ - - - - _ _ - - _ 一m mqnnm f o rm o r et h a nt w e n t yt h o u s a n dt o n st r a i nl o n g i t u d i n a ld y n a m i c s t h e r e f o r e ，t h i s p a p e ru s e sv cs u b s t i t u t e d t h ef o r t r a ns i m u l a t i o n s o f t w a r e f i r s t l y , i n t h e e m e r g e n c yb r a k i n gw o r k i n gc o n d i t i o na n dt h er e l e a s ew o r k i n gc o n d i t i o n ，t h e c o n d i t i o n st h a tt h et r a i nr u n n i n go nt h et w om o s td i f f i c u l tl i n es e c t i o n sw a ss i m u l a t e d ， a n dt h eb r a k i n gd i s t a n c e ，t h em a x i m u mc o u p l e rf o r c ea n dl o n g i t u d i n a ls l a c kw a s a n a l y z e db yt h es i m u l a t i o n s e c o n d l y , i nt h ee m e r g e n c yb r a k i n gw o r k i n gc o n d i t i o n a n dt h er e l e a s ew o r k i n gc o n d i t i o no nd i f f e r e n tg r a d i e n tt h eb r a k i n gd i s t a n c e ，t h e c o u p l e rf o r c ea n dl o n g i t u d i n a ls l a c kw a sa n a l y z e db yt h es i m u l a t i o nt o o ，a n d p r o v i d e dt h eb a s i cr e s e a r c h f o rf u r t h e rt r a i n l o n g i t u d i n a ld y n a m i c s l a s t l y , t h e s i m u l a t i o nd a t a c o r r e c t n e s sw a sv e r i f i e db yt h ec h e c k i n gb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t a a n ds i m u l a t i o nd a t a k e yw o r d s ：h e a v yh a u lt r a i n ；l o n g i t u d i n a ld y n a m i c sp e r f o r m a n c e ；c o u p l e rf o r c e ； s i m u l a t i o n 西南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学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打”) 指导老师签名： 日期： 三嗡为 2 口口o f i2 i j 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 由于许多新技术和新的机车车辆应用到重载列车上，并且重载列车的长 度、重量以及运动自由度等参数的数量增加和运动关系更为复杂，利用f o r t r a n 编制的重载列车运行模拟软件已经不能适用两万吨重载列车，所以本文利用 v i s u lc + + 编制两万吨重载列车运行模拟软件。 2 分析起伏坡道对两万吨重载列车纵向性能的影响。 学位论文作者签名痨c 鹰：嚎日期：w 夕、p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 我国现有能源结构决定了我国以煤炭为主的能源发展战略，随着我国经济 的持续、稳定、快速发展对能源需求量日益增加，这必将导致煤炭需求总量逐 步增加。煤炭的需求量增加，对铁路运输提出了更高要求。结合我国铁路运输 情况，大力发展铁路重载运输，研究具有我国特色的重载铁路运输，对我国铁 路事业的发展，有着十分重要的积极意义。 发展铁路重载运输是缓和我国铁路运能与运量矛盾的主要途径。重载运输 节约劳力、物力和时间，这是巩固、完善和发展铁路运输的经济动力和基础， 是市场经济的基本规律。我国铁路运输能力能不能适应运量增长的需求，仍然 是今后面临的主要矛盾。目前，作为我国铁路重载运输的代表，大秦铁路主要 区段能力，都不同程度地呈现紧张状态，大秦铁路扩能势在必行。 大秦铁路是中国第一条以开行重载单元式列车为主的双线电气化铁路，是 我国西煤东运的重要煤运通道，为我国的国民经济发展作出了重要贡献。在铁 路跨越式发展的今天，实施重载扩能改造，进一步提高大秦铁路的运量，将对 中国铁路的现代化进程产生重大而深远的影响。近几年来，随着大功率电力机 车及其重联控制技术的发展，在牵引能力方面己可以满足2 万吨级重载列车的要 求，但关键是存在制动操纵导致的安全和断钩等问题。 列车编组长度大到一定程度后，将使列车的控制难度明显增加，主要表现 在列车纵向动力学性能的急剧恶化，易引起断钩，导致列车分离事故及其他事 故。其原因主要是受制动波速的限制，使整列车中各车辆的制动不同步，在列 车中形成剧烈冲击。第1 代万吨组合列车在采取多种措施后，虽取得了运营成 功，但其纵向冲击大，车钩缓冲器等零部件磨耗及损坏严重等问题。为降低冲 击强度，国外第2 代重载单元列车中引入了无间隙连接概念。1 9 9 0 年前后，在 美国和加拿大的代表性重载运输线路上，首先推出了第2 代单元列车。其突出 标志是将列车中车辆连接部位9 0 的车钩缓冲装置改用无间隙牵引杆连接，再 加上在单元列车间采用了更为先进的联控方式( e c p ) ，大幅度降低了列车的纵向 冲击，有效保障了列车的可控性和安全性，取得了较好的运营效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外现状 1 2 1 国外研究现状 提高客运列车运营速度，提高货运列车牵引质量，已成为世界各国铁路运 输发展的必然趋势。自2 0 世纪6 0 年代以来，一些幅员辽阔、资源丰富，煤炭、 矿石等大宗货物运量占较大比重的国家，铁路重载运输发展尤为迅速【l 】。目前 加拿大、澳大利亚及南非等国，对于矿产资源的运输牵引质量大多在2 万吨以 上，许多国家对货物运输追求牵引质量上的最大化，以较少的列车对数完成最 大的运输量。 各国铁路运营条件、技术装备水平不同，发展重载运输的着眼点不一样， 采用的重载列车运输形式和组织方式也各有特点。1 9 8 6 年l o 月，在第三届国际 重载铁路会议上提出的国际重载铁路协会章程中，综合各国重载运输发展水平， 确定重载铁路运输的定义为年运量2 0 0 0 万吨的线路、列车重量达到或超过5 0 0 0 吨、车列中车辆轴重2 1 吨，具备以上条件之二者为重载运输。在一定的技术装 备条件下，通过扩大列车编组长度，增加车辆轴重，大幅度提高列车重量，采 用大功率内燃机车和电力机车( 单机、双机或多机) 牵引，这种重载运输方式 能够充分发挥铁路集中、大宗、长距离、全天候的运输优势，达到提高线路的 输送能力，实现多运快运货物的目的。 自从1 9 7 8 年第一届国际重载大会在澳大利亚佩思召开，1 9 8 5 年国际重载 运输协会正式成立以来，重载运输就成为铁路货物运输领域的先进生产力代表， 不但是线路技改、挖潜、扩能的有力措施，也是新线建设、提高运能降低造价 的好办法。这己为北美、前苏联等国外铁路的实践和我国铁路几年来开行组合 列车试验及所取得的效益所证明。在多个重载运输国家，如美国、加拿大、澳 大利亚、南非、巴西、瑞典等国，由于推行重载运输极大地提高了铁路劳动生 产率，目前他们的铁路货运收入均达到了历史上的最高水平。重载运输在美国 和加拿大铁路非常普遍，运输效率很高。美国为了提高铁路竞争能力，广泛采 用重载技术，加大轴重，扩大编组，使用大功率机车并采用遥控技术，无缝线 路及可动心轨大号道岔，提高了铁路运输质量和劳动生产率，降低了运输成本。 俄罗斯在提高列车重量方面，大力发展电气化铁路，研制和生产大功率机车， 为重载列车提供动力，并试验开行了2 万、3 万吨级以上的多列合并的列车。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 现在世界上开行的重载列车，分为北美型重载单元列车和前苏联铁路重载 列车( 包括超长超重列车和合并列车) 两种基本类型。美国是重载运输比较发 达的国家，是重载单元列车的发源地。重载单元列车使用两台或多台大功率机 车与一定数量的同型大型专用货车固定编组，组成一个长、大、重的运输单元， 实行专列运输。加拿大的重载运输与美国铁路重载运输方式类似，统称为北美 型单元列车。澳大利亚是引进北美重载单元列车运输技术基础发展起来的。南 非铁路引进北美重载单元列车运输技术用于米轨上，并结合自己的特点，进行 技术改造，开发了货车径向转向架等技术，在米轨上开行了重载列车。前苏联 的铁路的特点是客货混线，运输能力比较紧张。前苏联坚持走自己的道路发展 重载铁路，根据本国的运营具体条件和实际需要，依靠先进设备，并充分挖掘 和利用现有设备的潜力，创造性的组织开行了以超长超重列车及合并列车为主 要形式的重载列车【l 】。 列车动力学是随着铁路运输特别是重载运输及计算机技术的发展而发展起 来的。铁路发达的国家纷纷开展对列车动力学的研究，1 9 7 1 年7 月，由美国铁 路协会( a a r ) 出面，制定了列车动力学研究规划，加拿大政府运输发展机构 积极参加，同时还取得了国际铁路联盟的支持。在研究工作中建立了各种列车 动力学分析模型，研制成功了列车动力学的系列软件和列车动力学模拟装置， 进行了一系列的线路试验，采取了一系列改进轨道、设备及列车操纵方式的措 施，取得了很大的成效。加拿大国家铁路技术中心还独立开展了大量涉及列车 动力学的理论分析及线路试验工作。澳大利亚制定了较先进的列车操纵模拟装 置，用以确保列车安全经济运行。莫斯科铁道科学院着重研究了列车在起伏坡 道上的操纵技术，解决了运输中特别是开行重载列车中的一些问题，并为列车 重量的进一步提高准备了条件。我国在“六五”、“七五”以及“八五”期间，对重载 列车动力学开展了研究，建立了符合我国运输设备和运用特点的列车纵向动力 学的理论框架，并对列车运行行为做了较深入的探讨，为今后的科学研究和技 术开发奠定了基础。 1 2 2 国内研究现状 发展重载运输，大幅度地提高列车质量是铁路扩能提效的一种有效途径，是 我国铁路货运的发展方向，也是我国国情路况的必然产物。2 0 世纪8 0 年代初， 经过多次论证，国家做出修建我国第条电气化重载铁路大秦线的重要决 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 策，拉开了我国重载铁路运输的序幕。在学习前苏联重载运输的基础上，于1 9 8 4 年1 1 月试验开行了我国第一列组合式重载列车。 然而，由于列车质量增大，长度增加，车辆轴重增大，运行中的牵引力及 制动力将加大，制动波传递时间也将加长，而且列车所占的线路的纵横断面也 比较复杂，因此，重载列车的受力情况较一般列车更为复杂。我国第八个五年 计划期间，把开行重载列车研究工作列入科技发展重点研究课题，我校承担“减 轻重载列车与线路相互作用及操纵优化的研究”专题的研究工作，对重载列车与 线路，重载列车内部各车辆之间的各种动力学问题进行建模、仿真和动力学分 析，对线路、车辆中各种部件结构参数进行了系统分析，并从中找出减轻重载 列车与线路相互作用和改善重载列车内部冲动的措施和规律。 我国在“七五”、“八五”国家重点科技攻关项目中，结合大秦线开行重载列 车的机车车辆装备条件及线路条件，建立了列车运行模拟分析的数学模型，对 五千吨和万吨重载列车动力学和操纵优化进行研究，并利用f o r t r a n 编n g d 车模拟操纵计算软件，理论上分析了重载列车的基本规律，为以后对重载列车 动力学和优化操纵方面的研究打下了坚实的基础。为使大秦线铁路安全高效地 开行重载列车，由北京铁路局牵头，组织了我校等单位的科研人员进行了科研 攻关，为验证研究成果，在大秦线进行了万吨及六千吨列车静置试验及运行试 验。通过对列车纵向冲动研究和试验，结合相应的控制装置和协调操纵方法， 显著降低列车的纵向冲动水平，缩短充风时间确保行车安全。 文献【2 】中，建立了列车纵向动力学研究模型，以及计算方法和验证，分析 了列车制动和缓解工况下纵向冲动的特点，并提出了减少列车纵向冲动的操纵 方法。 文献 3 q u ，研究了2 万吨组合列车机车与货车之间，货车与货车之间的相 互作用是一个非常复杂的系统工程，机车钩缓的受力情况，同时受到机车控制 系统、轴重选择、机车分布方式以及制动等诸多因素影响。最大纵向力基本上 和列车的制动力成正比，相比钩缓承受的载荷也更大。另外，在实际试验中我 们还发现机车操控人员的现场操作也很重要。因此，如何选择合适的重载列车 钩缓参数，不断提高钩缓在重载列车中的牵引能力和适应性是非常重要的。 文献 4 】中，计算2 万吨重载组合列车的纵向力规律和试验结果基本一致说 明该计算方法的有效性，同时说明缩短主控机车与从控机车的同步响应时间可 以极大地缓解紧急制动时的纵向力；2 万吨重载组合列车应尽量避免低速紧急制 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 动。这些研究为重载组合列车纵向动力学的研究提供基础。 文献 5 】介绍了大秦线采用l o c o t r o l 技术开行2 万吨组合重载列车试验的基 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，并指出空 气制动是造成列车中部纵向力较大的根本原因，应该避免低速时的紧急制动。 提出了解决2 万吨列车中部车钩力过大问题的两条途径，一是采用新技术提高 制动系统性能，例如采用e c p 技术；另外一条途径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。 文献 6 文章中，介绍了国外第2 代单元列车的车辆连接特点及其对降低列 车纵向力的作用；对无间隙牵引杆的曲线通过性能与传统车钩缓冲装置作了对 比；分析了第2 代单元列车用缓冲器的型式及指标；对我国重载列车用无间隙 牵引杆的参数选取及缓冲器的选型提出了建议。 1 3 列车重载动力学研究必要性 长大货物列车纵向动力学性能问题是开行两万吨列车的关键技术，内容包 括牵引动力配置、列车制动系统性能、机车车辆钩缓系统性能、机车车辆及其 零部件强度、列车同步操纵等。研究的重点是要采取系统措施减少列车的纵向 冲动，控制长大列车运行中各种工况下的车钩力和纵向加速度在允许限度之下。 长大列车在实际运行过程中，不仅运行线路的纵横断面参数经常变化，而且运 行速度也在不断变化，因此列车在运行过程中，经常处在各种过渡工况下，不 能保持匀速运动。过渡过程中列车内部车辆间将产生速度差，列车内部车辆之 间存在车钩纵向间隙，这些因素将导致整个长大列车中车辆之间产生复杂的相 对运动，产生较大的车钩力及纵向冲动，严重时引起断钩等事故。因此必须对 长大列车开行方案进行研究，统筹考虑牵引动力配置、列车制动系统性能、机 车车辆钩缓性能、机车车辆及其零部件强度、列车操作等诸多因素，保证长大 列车的安全运行。 重载列车制动( 缓解) 后，列车中制动机的制动作用不是全列车立即同时 发生制动，而是一个陆续发生的过程。理想情况下，制动作用沿列车长度方向 由前向后逐次发生。实际上，制动( 缓解) 的传播沿列车长度的分布是不均匀 的，一般情况下，为了简化分析，可认为制动( 缓解) 波以匀速由列车头部向 尾部传递。 研究重载列车动力学，特别是对重载列车制动( 缓解) 以后的纵向冲动的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 研究，可以使我们更加了解长大列车在运行时纵向性能的变化，有助于掌握重 载列车运行纵向性能的规律，也可以通过计算得到的结果结合不同的线路，规 范铁路司机的操纵，使列车运行更加安全。所以研究重载列车动力学对于铁路 运输安全性是非常必要的。 1 4 本文研究内容 “七五”、“八五”期间，利用f o r t r a n 编制的重载列车运行模拟软件，可 以计算五千、一万吨重载列车的纵向动力学性能，但是由于许多新技术 ( l o c o t r o l 控制、可控列尾、制动阀、车钩和缓冲器等) 和新的机车车辆应 用到重载列车上，并且重载列车的长度、重量以及运动自由度等参数的数量增 加，利用f o r t r a n 编制的仿真软件已经不能适用两万吨重载列车，所以本文 利用s u lc + + 编制两万吨重载列车运行模拟软件。 本文研究的主要内容： ( 1 ) 本论文在原有f o r t r a n 重载列车运行模拟软件模型的基础上，加入 上述新技术和新机车车辆的特性，并且考虑到可能要开行三万吨以上重载列车， 因此，利用v c 编制重载列车运行模拟软件。 ( 2 ) 结合重载列车运行特点和线路特点，定性的分析线路断面，找出对于 重载列车制动运行工况最恶劣的线路断面。 ( 3 ) 分析长大重载列车在最恶劣的线路断面上，紧急制动和缓解工况下， 对七种列车处在起伏坡道的不同位置，通过对列车紧急制动和缓解工况进行仿 真计算，从制动距离、最大车钩力和纵向冲动方面研究，找出对列车运行危害 最大的方案。 ( 4 ) 利用研究得出的对列车运行危害最大的方案，改变列车编组情况和线 路断面的坡度进行仿真计算，得出线路断面对列车制动工况纵向冲动的影响规 律。 ( 5 ) 总结上述规律，并定量的验证( 2 ) 中线路断面是对于重载列车运行 危害最大的线路断面。 ( 6 ) 动力学计算模型验证，通过对两万吨重载列车在平直道和1 2 o 坡道 上运行仿真计算，得到的结果与试验所得到的结果对比，验证编程模型的正确 性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章重载列车系统动力学 2 1 重载列车纵向动力学原理 由机车和若干车辆组成的列车是一个复杂的非线性系统。列车沿铁路运行 时，由于机车牵引力和制动力的变化，以及线路纵断面的差异，列车的纵向运 动就产生各种变化。列车在编组调车作业中的冲击也会引起车辆之间的动态变 化。根据列车受力状态不同，列车的纵向运动可以分为稳态和非稳态( 瞬态) 两种。稳态运动是指列车在常力或缓变力的作用下作等速或等加速度运动。这 时车钩缓冲装置纵向作用力的大小仅取决于列车的外力和惯性力，而与初始条 件无关。在这种情况下，列车中各车之间的相对位移量极其微小。非稳态运动 包括列车起动、制动的过渡过程，牵引力骤变过程以及调车时车辆之间的冲击 过程。这时，列车上的作用力除上述外力以外还有车辆之间的作用力，这些力 与车辆之间的相对位移、冲击大小以及车钩缓冲装置的性能均有很大的关系。 在非稳态的运动情况下，车辆上的纵向力具有波动性质，其数值围绕稳态运动 时的纵向作用力上下变动。由于车辆之间作相对运动时存在各种阻力，非稳态 运动则因阻力作用而逐渐衰减，最后成为稳态运动。研究列车纵向动态变化是 为了要掌握列车在牵引力、制动力变化时以及调车作业中车辆之间纵向作用力 变化的规律，并从这些变化规律中寻求改善车辆受力状态和运行性能的途径一j 。 重载列车由于列车重量增大，长度增加，车辆轴重增大，列车运行中的牵 引力及制动力加大，制动波传递时间加长，而且列车所占的线路纵横断面比较 复杂，因此，重载列车的受力情况远较一般列车复杂，列车的冲动、断钩、脱 钩和脱轨，以致货物及车辆设备损坏增多、线路变形及养护维修工作量增大、 轮轨磨耗加剧等，已成为重载铁路运输中的突出问题。重载列车系统动力学是 随着重载列车的发展而建立起来的，其研究对象是重载列车在线路上运行时的 动态行为特性。重载列车不同于般列车，除重载列车的重量、列车长度长、 编组辆数多、每辆车的轴重大之外，还有一些为适应重载运输需要而在线路、 机车、车辆上采取的特种结构和技术措施。我国曾研究一些关键技术，包括车 钩缓冲器、制动技术和低动力作用货车转向架等。 重载列车系统动力学的研究目的，是分析重载列车在运行过程中机车车辆 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 与线路、机车车辆之间相互关系和相互作用，并寻求合理措施来改善他们之间 的动态相互关系，降低其有害作用，保证重载列车运行安全可靠。重载列车系 统动力学研究的问题有，机车、车辆和线路的各种问题，还有列车编组、机车 配置以及机车操纵方面的问题。 重载列车纵向动力学主要用来分析不同列车编组、不同运行工况及不同线 路条件下车辆间的纵向动力作用问题。重载列车纵向动力学以整个列车系统为 研究对象，考虑了车钩间隙、缓冲器的非线性特性，机车的牵引力及动力制动 特性，列车的空气制动特性等。通过重载列车纵向动力学的研究，可以分析改 进列车制动装置、车钩及缓冲装置，确定列车编组及机车配置方式，提出对机 车同步协调操纵的要求，提出科学合理的列车操纵方法，从而减小列车纵向冲 动，确保列车安全运行。 2 2 纵向动力学数学模型的建立 列车纵向动力学主要用来分析不同的列车编组、不同车辆及装置、不同工 况及不同线路条件下组成列车的车辆间的纵向动力学。列车纵向动力学的模型 如图2 1 所示，一般情况下，取一节车为一个分离体，整列车自由度等于组成 列车的机车车辆总数【i 】【引。 图2 1 列车纵向动力学模型 经典牵引计算，总是把整列车当做一个质点来考虑，与事实情况差别较大。 列车纵向动力学计算模型中把运动中的列车以每辆车作为一个质点，建立比较 精确的运动微分方程，能比较真实地反映列车的真实状态。每节车辆上的作用 力情况如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 2 列车中的车辆受力图 其纵向动力学微分方程为： 砚= 疋- l 一只一瓦+ 一一毛( 2 1 ) 其中藏第i 车的加速度； mi 第i 车的质量； c 前车钩力； f ，后车钩力； e ；运行阻力，包括列车运行基本阻力，坡道阻力，曲线阻 力，起动阻力等； ，牵引力，仅作用于机车： f d b ，动力制动力，仅作用于机车； e ；空气制动力，作用于机车车辆； 对于n 节车辆可列出n 个微分方程，组成一个二阶微分方程组。求解这一 方程组，可以获得列车运行中任一瞬时，任一节车辆的位移、速度、加速度、 车辆在线路上的位置、车辆的相互位置、车钩力、缓冲器行程、轮轨作用力， 全面地反映列车运行的动态过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 3 运动微分方程中各种作用力的计算 2 3 1 牵引力或电阻制动力 通过对机车生产厂家提供的动静态的牵引或电阻制动特性及实际实验数据 进行曲线拟合，从而可求得在想对应的速度下提或退手柄后时间的牵引力或电 阻制动力【1 0 1 。 2 3 2 机车车辆运行阻力 运行阻力依列车的运行状态不同而大不相同，机车车辆的运行基本阻力、 起动阻力及附加阻力( 包括坡道、曲线及隧道等的附加阻力) 可根据列车牵 引计算规程进行计算。 2 3 3 空气制动力 列车空气制动特性包括：列车管压力及各节车制动缸压力值随制动、缓解 时间的变化而变化，可根据车辆定置制动试验台的试验结果及线路实测结果进 行曲线拟合。在列车管的减压量及施行制动后的时间己知情况下，即可求出各 车辆不同时刻的制动缸压力。同理对于缓解特性曲线，利用同样方法可以求出 缓解时的制动缸压力。 对1 5 万吨和2 万吨编组的重载列车进行了试验，得出两万吨重载单编列 车纯空气常用全制动和紧急制动的特性曲线【l 。根据重载列车在不同工况下运 行的特性曲线，进行数值拟合及编程。 数值拟合方法是将曲线分若干个区段，每个区段可以近似看作线段。测出 每条线段两端点的坐标并根据试验中得出的数据计算每个端点坐标的真实值。 在1 5 万吨编组单编列车纯空气常用全制动中，每辆车的缓解特性曲线都 相似，所以假设每辆车的缓解特性曲线是一样的，随着车辆辆数的增加缓解特 性曲线相应的在缓解时间轴上平移。由此，只要拟合出第一辆车的缓解特性曲 线就可以计算出其他车辆的缓解特性。 在2 万吨编组单编列车纯空气常用全制动和2 万吨编组单编列车纯空气紧 急制动中，分别给出了第l 辆、第5 2 辆、第1 0 3 辆、第1 5 4 辆和第2 0 4 辆列车 的常用全制动特性和紧急制动特性曲线，这样就将整个列车的特性曲线分为五 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 个区间分别是 1 ，5 2 、【5 2 ，1 0 3 、【1 0 3 ，1 5 4 、 1 5 4 ，2 0 4 币和1 2 0 4 ，棚】，可以拟合 第一辆车缓解特性的方法，将每辆车的特性曲线都分若干区段，每个区段近似 拟合成线段，求出第1 辆、第5 2 辆、第1 0 3 辆、第1 5 4 辆和第2 0 4 辆列车的常 用全制动特性和紧急制动特性的拟合曲线。若想要计算除第1 辆、5 2 辆、1 0 6 辆、1 5 4 辆和2 0 4 辆以外的其他车辆在不同工况下的制动特性，则先判断所要计 算的车辆所在的区间，然后在此区间中进行线性插值p 引。 2 3 4 车钩力 在列车纵向动力学分析中，通常将相邻的一对车钩缓冲器综合起来研究， 考虑缓冲器间隙及一对缓冲器串联阻抗特性，由数值积分计算求得相邻车辆间 的相对位移及相对速度，即可确定车钩力的大小。 缓冲器特性曲线可根据缓冲器静压试验、落锤试验特性，必要时结合列车 动力学试验得出，即缓冲器动态特性。图2 3 为缓冲器静态特性曲线图，横坐 标y 代表车辆间的相对位移，纵坐标f c 代表车钩力，图中f c l 代表加载时的车 钩力，f c u 代表卸载时的车钩力。当y y o 时，则车钩受拉，当y y o 时，则车 钩受压。其中y o 为相邻车钩间的结构间隙。 疋1 2 兄1 0 多囊y l ，72y 图2 3 缓冲器静态特性曲线示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 4 重载列车纵向动力学仿真软件简介 2 41 初始条件输入界面 图2 - 4 为列车运行初始条件输入界面，菜单栏中有两项分别是l i n e d a t a 和 t r a i n d a t a ，表示线路断面和列车编组情况，下拉菜单中可以导入已有数据文件， 可以对已有数据文件进行修改，也可以从下面线路信息和列车信息对话空中直 接输入线路和列车编组情况然后存入数据文件已各下次计算时使用。 线路信息包括：断面长度，断面坡度，曲线半径，车站位置。 列车信息包括：机车和车辆的型号、数量，编组情况。 m f - r u 一 目”l 乜j 匮t 上舅自瞳j 自上 * q u ”黯。i j i l 匾 j a 一 m 蛆衄q e! 苎坚一 厂厂广i 5- dj 塑叫 # 广一! ! ! 些! lr 厂$ m 黜 目t t 图2 4 列车运行初始条件输入界面 匡 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 42 列车运行中数据及曲线显示界面 鞋靡o0 0 k 卿n 1 f ；裟群o0 3 。m 笠臻淼：m 落嚣! ：z s o 咎 i 7 ，5 0二二一“。7 圈2 5 数击旨艘曲线显小界【f 口 图2 - 5 为列车运行过程中数据显示界面，上方区域为列车线路断面情况， 下方显示的列车运行过程中相关数据和曲线图。右下方区域可以显示车钩力、 列车管压力、加速度以及制动缸压力沿车长的变化曲线图，通过下拉菜单切换 所需要的曲线圈。通过计算的数值和曲线图可以分析列车运行情况。 v c 重载列车纵向动力学仿真软件是在原f o r t r a n 仿真软件的基础上编 制的，可以对两万吨及以上重载组合列车运行进行仿真计算，并且可以显示每 秒的最大车钩力曲线图、列车管曲线图、制动缸压力曲线图和加速度曲线图。 v c 仿真软件比f o r t r a n 软件的优点还肯，对于列车编组信息和线路信息的输 入比较方便且直观，还可以在仿真软件中直接修改数据文件和建立新的数据文 件。 2 5 重载列车纵向动力学安全性评定指标 本文通过v c 仿真软件计算分析车钩力、制动时间和制动距离、加速度和 纵向冲动，以及它们发生的时间和位置。通过上述计算得到的数值总结规律， 并对重载列车纵向动力学性能进行评价。本文中纵向冲动表示每秒车体加速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 的变化量。 重载列车纵向动力学安全性评定指标，目前尚无相应的国家标准或铁道部 标准，铁道科学研究院建议的重载列车纵向动力学安全性评定指标是：( 一) 对 于紧急制动工况，当制动初速度小于8 0k m h 时，制动距离小于等于8 0 0m ；( 二) 对于列车纵向力，当列车在紧急制动工况下，最大车钩力小于等于2 2 5 0 k n ，当 列车在正常运行工况下( 除紧急制动以外的工况) ，最大车钩力小于等于 1 0 0 0 k n 。对于列车纵向加速度，在列车运行过程中纵向加速度小于等于1 9 ，因 此可以根据这一建议性指标对计算结果和试验结果进行评定。 此外，在评价列车纵向动力学性能时，还用到纵向冲动的评定指标，主要 考虑到客运列车舒适性的问题，对于货物列车保证运送货物的安全。在大秦线 运煤列车中，并不需要纵向冲动的评定，但是有时，货物列车运送一些精密仪 器时要保证仪器的精度，所以本文对于纵向冲动进行了仿真分析，仅用于参考， 并为以后重载列车纵向动力学研究提供一些依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章起伏坡道对列车制动工况下纵向性能的影响 随着列车编组与牵引重量的增加，空气制动系统在运用过程中暴露出充气 时间长，各车辆制动性能不一致、阶段缓解困难、制动距离加长、纵向冲动加 大、设备磨损加快等问题，并且由于重载列车的长度增加，导致整个列车的不 同位置处在不同坡度的坡道上，当制动时容易受到较大的纵向力和冲击，容易 断钩。本章首先对简化的线路断面进行分析，找出对制动工况最恶劣的线路断 面，然后进行仿真计算，得出相关列车纵向性能，并且对比列车处在起伏坡道 不同位置和不同坡度坡道情况下的纵向性能，得出相应的规律。 3 1 定性地分析线路断面 图3 - 1 鱼腹形线路断面 图3 1 为鱼腹形线路断面，只考虑线路断面的坡度对列车运行的影响，而 没有考虑曲线对