我国重载列车制动技术的研究,中国铁道科学研究院 马大炜 2008-10-23,文章结构,1. 重载列车制动系统的关键技术问题 2. 我国重载列车制动系统的发展概述 3. 重载列车制动系统的试验和仿真研究 4. 结论和建议,摘要：根据重载列车制动作用的特点和要求，从货物列车制动系统的列车制动控制、货车制动机和基础制动装置各部分概述我国重载制动技术的发展及其实际应用，包括试验和计算机仿真的结果，并展望重载列车制动技术未来的发展。,1. 重载列车制动系统的关键技术问题,制动系统对列车运行安全具有举足轻重的重要作用，现代铁道技术已经发展有多种制动方式，但对货物列车而言，空气制动仍是最基本的制动作用方式。如众所周知，货物列车空气制动作用的制约因素甚多，其中首先是列车长度的影响，作为不同于普通货物列车的新型货物列车，我国重载列车的发展始于上世纪八十年代，至今列车编组重量已由5000吨级提高到2万吨以上，编组辆数从62辆增加到210辆之多，列车的最大长度已达2.6km以上，因此导致了空气制动作用条件的严重恶化，根据重载列车的特点，对于制动技术的基本要求可归纳如下。,1.1 制动空走时间和制动距离,影响货物列车紧急制动距离的主要因素除制动初速、线路条件(坡道)、列车制动率(每百吨重量换算闸压瓦力)和闸瓦性能以外，还有影响空走距离的空走时间，后者主要和列车长度或编组辆数有关。笔者在根据上述因素编制我国“铁路技术管理规程”中的制动限速表时，对货物列车考虑的列车编组条件为5000吨级以下，由于重载列车编组辆数的增加，必然导致制动空走时间和距离的相应增加，加上长大列车压力梯度对后部车辆制动力的影响，因此该限速表不适用于重载列车。对于重载列车应要求有比普通列车为高的制动力，才能保持和普通列车同等的制动距离。,1.2 充气作用和长大下坡道的运行安全性,列车空气制动后的再充气时间随编组辆数的增加而呈非线性的增加，重载列车需要比普通列车长得多的再充气时间，因此在长大下坡道多次循环制动作用时对司机操纵方法特别是再充气时间的保证要求更高。,1.3 减轻列车纵向动力作用,货物列车在纵向非稳态运动过程中产生的纵向动力作用不仅是导致断钩、脱轨等重大事故的原因，也是破坏货物完整性和加速机车车辆装置疲劳破坏的重要因素。该纵向动力作用以空气制动时为甚，并基本上和列车的总制动力或辆数成正比。在同样装置、线路和操纵工况等作用条件下，重载列车的纵向力通常要较普通列车成倍增加，因此如何减轻纵向动力作用是重载列车重要的研究课题。,2. 我国重载列车制动系统的发展概述,2.1 列车制动控制 我国的机车空气制动装置主要沿用美国韦斯汀豪斯系统的二压力方式控制装置，重载列车与普通列车相比要求采用更大功率的电力机车或多机牵引方式，因此从上世纪八十年代开始，主要是以大秦线万吨列车为代表的SS型电力机车和干线DF型内燃机车的双机重联方式，近年来在大秦线2万吨重载列车的开行中更应用了多机牵引的组合列车，列车制动控制也由重联方式发展为无线遥控方式的LOCTROL装置。此外动力制动亦改进为新型的加饋电阻制动或再生制动方式，从而明显提高了重载列车下坡道运行的动力制动能力和运行安全性。,2.2 货车制动机,在上世纪50年代以前我国货车多为载重50t以下的小型车辆，装用K型三通阀，以后经历了三个发展阶段，即50年代改造的GK阀，60年代首次自主设计的103阀以及90年代由103阀改造成的120阀。其中的103阀和120阀曾先后在上世纪80年代末和90年代初完成了大秦线试验，表明均可满足单编500010000t重载列车的制动性能要求，但103阀由于投入运用较早，受到历史条件的制约，主要是使用铸铁闸瓦的副风缸容量和制动缸耗风量大，而未能充分体现其间接控制方式对于长大下坡道运用的优越性等，另一方面又存在有橡胶件质量不稳定和混编GK阀时制动力分担不均导于闸瓦过度磨耗的问题，脱胎于103阀的120阀的主要原理、结构、作用和103阀相同，但得益于高摩合成闸瓦的配套和103阀的经验(例如橡胶件的改进)，故而得到了推广应用，现已成为我国重载列车的主型车辆制动机。,2.3 基础制动装置,车辆基础制动装置的发展基本上可以分为结构型式和摩擦材料二个方面。我国的货车制动系统由于受到转向架结构型式的限制，在基础制动装置的结构型式方面仍为单侧踏面制动方式而与国外的复式制动相比有较大的差距；但空重车调整已由二级手动方式发展为无级自动方式，具有改进重载列车制动作用和运用维修的作用。此外主要是在摩擦材料方面的发展，多年来经历了从中磷闸瓦、高磷闸瓦到高合成闸瓦的改进，后者具有摩擦系数高、使用寿命长、重量轻、减少制动耗风量和减轻纵向冲动等优点，目前在大秦线新型的25t轴重重载车辆上更使用了提高摩擦系数的新型高摩合成闸瓦而更有利于提高重载列车的制动力。,3. 重载列车制动系统的试验和仿真研究,3.1 试验和仿真研究的关系 开展试验研究包括实验室试验和线路试验一直是铁道科学研究的主要手段，对制动技术的研究也不例外，例如我国103/4型制动机就是从上世纪六十年代以来经过长期试验研究和运用考验的成果，为适应重载列车制动技术研究的需要，中国铁道科学研究院早在上世纪八十年代初就完成了长大货物列车制动试验台的扩建工作和环行道的5000t级重载列车运行试验工作。此后主要根据繁忙干线开行5000t列车和大秦线开行万吨级重载列车的要求，在铁道部的领导下，铁科院又和有关路局协作，曾完成了环行线50006000t列车线路试验、制动试验台6000t10000t列车制动试验和大秦线、京沪线等线路的重载列车制动试验，为我国重载列车的开行取得了大量数据和必要的依据，但制动试验台的实验室试验和列车静置试验不能模拟列车的动态和线路条件，因此有一定的局限性，通常是运行试验的前期工作。,列车运行试验则需要耗费庞大的人力、物力，并存在有一定的风险，因此在试验前必须充分准备、精心计划，并不宜大量试验。随着计算机技术的迅速发展，仿真技术已成为现代科学的重要研究手段，制动技术涉及各种机车车辆装备、列车编组、线路条件和司机操纵方法等，也是适用于计算机仿真的系统技术问题，因此作为列车动力学仿真计算的重要内容，制动仿真在国内外已得到了广泛的应用。我国在这方面的应用研究始于上世纪八十年代，从扩编旅客列车到重载列车和高速列车均完成了大量研究工作，特别是从2003年开始至今，铁科院研发中心在长期研究工作的基础上，研制完成了适用于大秦线2万吨组合列车的纵向动力学仿真软件，其中包括大量制动计算工作，在历次大秦线试验和太原局的重载列车优化操纵研究中发挥了重大作用。仿真研究和试验研究相比显然具有速度快、耗费少、数据多的优点。并通过实际应用表明，仿真计算不仅和试验结果良好的一致性，可以与试验互补；也是研究评价重载列车操纵方法和技术装备包括制动系统的有效手段。,3.2 重载列车制动试验的结果,重载列车制动系统的试验可分为试验台试验、列车静置试验和运行试验三种试验，我国早在八十年代就建立了当时亚洲最长大的150辆货车制动机试验台，现已扩建成200辆试验台，可以模拟混编和专列重载列车制动系统的静置试验，此外还有环行道的静置试验和运行试验线，再结合现场试验，为重载列车的开行提供了大量必要的科学挔据，通过制动试验台和列车静置试验，主要可得到列车充气性能、制动波速、缓解波速和制动缸压力变化特性等，并通过运行试验测试列车在不同工况下的制动距离、制动时间和纵向动力学性能等。以下根据我国重载列车的最新发展，以2004年2008年的大秦线2万吨级组合列车为主，简介有关制动技术的试验结果如下。,1. 制动能力 由于应用LOCOTROL装置，2万吨组合列车在1+2+1编组方式和1+1编组方式时和列车制动性能分别基本上相当于单编5000t级和万吨级列车的性能，因此1+2+1方式2万吨组合列车的制动空走时间和制动距离可以满足我国“铁路技术管理规程”中货物列车制动限速表的要求，1+1方式则应加强制动力或适当延长800m紧急制动距离的限制，以抵消制动空走距离的影响。,2. 充气性能 试验结果表明在大秦线-12的长大下坡道上采用LOCTROL装置条件下，各种编组方式的2万吨组合列车均应充分利用动力制动作用配合最小空气制动减压量(50kPa)的合理操纵方式，从而可以保证在循环制动过程中列车后部充分的再充气时间，以满足上述长大下坡道运行安全性的要求。反之若动力制动使用不当或过大减压量的调速制动将会导致重载列车的长大下坡道运行的安全隐患，而应予以避免。,3. 列车纵向动力作用 重载列车纵向动力学是一个复杂的系统工程问题，其影响因素涉及列车编组条件(包括LOCTROL装置、牵引动力配置和机车车辆条件)、钩缓装置性能、司机操纵方式、线路条件和制动机性能等。空气制动机的性能无疑是其中的重要因素之一，在我国由GK型制动机到103阀是制动机性能“质”的变化，由于103阀制动波速的提高已能满足500010000t单编重车列车的制动性能要求，120阀则吸取了103阀的主要特点，其不同主要是将间接控制改为直接控制方式，并增加了加速缓解性能，但由于空气制动作用的局限性，在重载列车中制动波速进一步提高的裕量及其效果已无明显的影响，以紧急制动时的列车最大纵向力为例，实际试验结果如表1所示，可见两者的最大车钩力相一致，均在2000kN以下，可以满足我国车钩强度的要求。,表1 大秦线单编万吨列车运行试验最大车钩力(紧急制动),关于加速缓解性能，由于大秦线长大下坡道操纵调速制动的空气减压量为50kPa，试验结果表明在该减压量条件下列车的加速缓解作用并不稳定，远不如大减压量时的效果为好，实际在大秦线应用中并未反映该作用对减轻纵向力的效果。因此目前在大秦线2万吨级组合列车运用中，影响列车纵向动力作用最重要的因素是列车编组方式，包括LOCTROL装置和司机操纵方法，在120阀、MT-3缓冲器装置条件下的试验结果例如表2所示。,表2 不同编组组合列车最大车钩力试验结果 ), 试验测点有限，故实际最大车钩力可能更大。,由多次试验结果表明： (1) 在现有装置条件下我国2万吨组合列车的最大纵向力可满足车钩强度的要求，一般在2000kN以下。 (2) 新C80编组较老C80编组列车的纵向力明显减少，分析原因除新旧车辆状态不同的影响外，主要是新C80编组采用牵引杆装置的效果。 (3) 不同工况以紧急制动时的压钩力为最大。 (4) 在同等作用工况条件和LOCTROL通讯正常时，不同组合方式列车制动时的最大车钩力比较基本为1+2+1编组2万吨列车45000t编组1万吨+5千吨编组1+1编组2万吨列车。 此外由于司机操纵方法、线路条件和LOCTROL通讯条件的不同，导致车钩力和纵向加速度有较大的变化范围，特别是在LOCTROL故障情况下，试验中出现过2000kN以上的车钩力。,3.3 重载列车仿真研究的结果,如上所述，重载列车仿真在我国已得到多年的应用，特别是近年来在大秦线开行2万吨级组合列车中发挥了重大的作用，包括不同编组和装置条件的列车牵引计算、操纵方案研究、故障模拟和各种制动计算，计算结果和试验结果有良好的一致性。例如表3表4所示为常用全制动和紧急制动车钩力的比较。,表3 常用全制动最大车钩力的试验值/计算值比较,试验LOCTROL信号延迟，影响车钩增大,表4 紧急制动最大车钩力的试验值/计算值比较,试验LOCTROL信号延迟，非正常作用；影响车钩力过大,4. 结论和建议,(1) 重载列车无论在制动能力、再充气作用和列车纵向动力作用各方面对制动系统的要求均远高于普通列车，因此必须采用相应的新技术和新装备。而不能仅依靠目前的空气制动机得到解决。 (2) 重载列车目前尚存在有纵向动力作用较大的问题，是导致车钩疲劳破坏和断钩隐患的主要因素，因此必须优化列车编组方式，并提高司机操纵技术以充分保证其安全运行。 (3) 仿真研究是研究重载列车技术装置包括制动技术和司机操纵方法的有效工具，今后应加强深入研究和扩大应用。,谢谢大家！,