重载列车纵向冲动分布试验研究

通过1万t和2万t重载列车的运行试验,得到重载列车在不同的货车和机车编组方式、线路工况、机车牵引特性、操纵方式、制动以及车钩间隙等各种试验工况下的试验数据,并根据试验数据分析列车中不同位置货车的车钩力以及车体纵向加速度值的分布规律。分析结果表明:重载列车制动时的车钩力最大值均出现在制动开始缓解至缓解完毕的过程中;采用1+1编组方式的1万t重载列车在长大下坡道制动时的车钩力均大于平直道时;而采用1+1编组方式的2万t重载列车在长大下坡道制动时的车钩力均小于平直道时。货车在列车中所处的编组位置不同,其车体纵向冲动也不同;车钩间隙减少2/3,则车钩力可降低近1倍。主从控机车通讯及时可靠也是使不同位置的货车车钩受力分布均匀和减小列车中车体纵向冲动的重要措施。     

2万t级重载列车的技术对策及其纵向力研究

列车纵向动力作用是重载列车运用的关键技术问题,为此对于2万t级重载列车必须应用无线同步控制技术和先进的机车车辆技术装备.根据大秦线2万t列车的试验和仿真研究结果,说明应用Locotrol(无线同步控制)技术改善列车制动性能主要是减轻列车纵向力的作用;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.此外,还提出了重载列车紧急制动的最大纵向压钩力简化计算的验证研究结果.     

重载组合列车机车缓冲器关键技术参数研究

根据大秦线开行2万t重载组合列车对机车缓冲器可靠运用的要求,应用列车纵向动力学软件建立2万t重载组合列车多质点模型和缓冲器数值模型;按照列车紧急制动、常用制动和长大下坡道区段循环制动3种工况,分析比较机车分别装用DFC—E100缓冲器、MT—2缓冲器和QKX100型弹性胶泥缓冲器以及在列车紧急制动工况条件下改变DFC—E100型缓冲器最大阻抗力、行程和初压力等关键技术参数对2万t重载组合列车纵向动力学性能的影响。结果表明:机车装用不同型号缓冲器时的列车最大纵向力均在2 200 kN以内,中部机车的最大纵向力未超过1 700 kN;适宜于2万t重载组合列车的机车缓冲器的额定阻抗力、行程和初压力分别为2.25 MN,110 mm以下和150 kN左右。     

机车无线同步控制技术对2万t重载组合列车纵向力的影响

针对采用机车无线同步控制技术的2万t重载组合列车（1＋2＋1）,研究其在紧急制动及常用全制动工况下的纵向动力学性能,并提出机车无线同步控制的合理延迟时间。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。结果表明：2万t组合重载列车的纵向性能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。     

大秦线重载列车运行仿真计算研究

针对大秦线的实际情况,通过建立重载列车运行仿真计算模型,研究大秦线不同编组重载列车的牵引、制动等技术参数,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LOCOTROL技术,运用合理的操纵方法,按照SS4型机车(1 2 1)和(4X5000t)编组方式以及HXD1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HXD1型机车(1 1 0)编组方式牵引2万t列车的最大纵向力比SS4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2000 kN以下,常用全制动最大纵向力为1000 kN左右,均有一定的安全裕量.仿真计算结果与实际试验结果相吻合,为大秦线成功开行2万t级重载组合列车提供了技术支持.     

重载组合列车不同编组模式下制动性能研究分析

重载组合列车由于编组牵引机车设置位置的差异性,会造成组合列车制动指令接受/发送、列车制动/缓解以及列车充气时间等的差异性,通过对神华集团朔黄铁路开行的2万t重载组合列车不同编组模式对组合列车的影响分析,同时结合2万t重载组合列车静态时的试验数据,提出了"2+1+1编组"模式制动性能优于"1+1编组"模式的建议方案。     

重载组合列车纵向性能的影响因素分析

介绍2004年以来大秦线开行的5种典型编组方式重载列车,比较了不同编组方式列车纵向力的大小,并分析了列车编组方式对纵向力的影响;同时结合试验数据,对其他关键因素比如Locotrol同步作用时间、机车制动机性能、货车关键技术以及列车操纵方式等对重载列车纵向力的影响进行了分析,并从减小纵向力的角度提出了3种2万t列车编组方式。试验及运用实践表明:目前我国的货车制动可以满足单元万吨货物列车的制动要求,而对于更大编组的长大列车,宜采用机车动力分散布置的组合列车。组合列车中从控机车的布置位置是影响组合列车制动性能和列车纵向力的最主要因素之一,应对其进行详细研究。     

重载组合列车纵向力劣化分析与运行安全研究

我国的大秦铁路重载组合列车采用Locotrol同步控制系统,可使列车头部主控机车与中部从控机车间保持同步操纵。但是在列车缓解过程中,由于全列只有2个机车作为风源对列车管充风,列车前后部制动同步性差,纵向冲动明显,特别是位于列车中部断面的机车将不可避免地受到大纵向力作用的冲击,严重影响重载列车的运行安全。为探究大秦线中部从控机车循环制动中的纵向力演变规律,进行列车在等效坡度、制动初速、缓解初速、制动-缓解初速差和电制力等各种制动调速过程中不同工况下的一系列试验,对大秦线2万t重载组合列车的中部机车纵向力进行了全面系统的分析。针对重载列车运行安全性问题,提出了2种改善途径,一是提高钩缓装置的受压稳定性,二是通过优化操纵降低列车纵向冲动。此外,根据重载组合列车纵向动力学仿真模型的计算结果,对大秦线2万t重载组合列车在关键区段的实际运行操纵方式进行了仿真模拟。仿真结果表明：在长大坡道循环制动缓解过程中,降低电制力可在一定程度上降低重载组合列车中部机车的压钩力。通过利用坡度变化和改变电制力的优化操纵可以降低重载组合列车纵向冲动。进一步验证了试验分析的结论,为列车操纵优化提供了理论依据。     

大秦线2万t重载列车货车车钩力跟踪试验研究

为研究大秦线2万t重载列车的运行情况，在大秦线西段采用跟踪试验监测的方法，对运行中的重载列车纵向车钩力进行监测。跟踪试验的试验区间为大秦线湖东至茶坞区间，在每列跟踪列车中，设定固定测点和非固定测点，非固定测点的位置根据列车编组、运行趟次进行调整，以掌握整列不同位置车钩力变化的情况。跟踪试验主要监测2万t重载列车固定测点和非固定测点车辆在经过化稍营至涿鹿、延庆至茶坞2个长大下坡道区段实施循环制动调速过程中车钩的纵向受力情况。文章对2万t重载列车在46次跟踪试验中车钩的纵向受力情况进行了统计分析，并提出了相关建议，为进一步优化列车操纵提供参考。     

两万吨重载组合列车牵引和制动时的车钩力分析

利用循环变量法建立了由2台"和谐号"机车牵引的两万吨重载组合列车的3维空间耦合模型,比较了两万吨重载组合列车当机车处于2+0、1+1+0、1+0+1这3种不同编组位置时,在主辅机车同步牵引、辅机滞后牵引、主辅机车同步制动、加装可控列尾装置制动等工况下列车的车钩力。仿真计算结果表明:在以上牵引和制动工况下,机车在1+1+0编组位置时列车整体车钩力最小;在2+0编组位置时列车的车钩力和列车冲动均最大,而1+0+1编组位置下列车性能处于1+1+0和2+0编组位置之间。在安装可控列尾装置后,在制动时列车的车钩力和纵向冲动均较未安装时减小。所以在对两万吨重载组合列车进行编组时,宜采用1+1+0这种编组方式并安装可控列尾装置。     

基于改进的Newmark-β法重载列车车钩纵向力仿真研究

重载列车运行过程中过大的车钩纵向力一直是制约重载列车发展的瓶颈,空气制动不同步是产生列车纵向冲动的根源,导致车体挤压车钩形成车钩力。传统的经过制动特性试验采集车钩力的方法耗时耗力,为了经济地获取重载列车在不同线路上运行时车钩力的大小,将Newmark-β法应用于重载列车车钩纵向力的仿真分析中。由于列车纵向动力学方程是非常复杂的非线性方程,传统方法为了保证计算精度而采用大量迭代运算,耗时长效率低。基于增量思想改进Newmark-β法,通过引入预测解直接对非线性方程进行处理,然后对预测解进行校正,最终得到收敛的近似解。算例结果表明,改进算法在保证了计算精度的同时计算效率更高,更适用于长大编组重载列车车钩纵向力的仿真计算和分析。     

重载组合列车机车智能制动仿真研究

针对目前在复杂线路上动力分布式重载组合列车机车制动的不足,提出了一种新的机车智能制动控制方法,该智能制动控制方法能按照制动时机车所处轨道状况及机车车钩力大小对机车电制动进行相应的模糊控制。在介绍重载组合列车动力分布式系统基本原理及特点的基础上,依据列车纵向动力学理论,在MATLAB/SIMULINK中建立了2万吨组合列车仿真模型。仿真结果从理论上证明了,与现有机车制动方式相比,该机车智能制动控制方法能减小组合列车最大车钩力,提高组合列车运行安全性。     

列车空气制动与纵向动力学集成仿真

长大列车纵向冲动一直是重载列车发展的瓶颈,空气制动不同步是列车纵向冲动的根源,制动特性试验方法已不能够满足仿真各种列车编组的纵向冲动分析的需求,特别是多机车不同步动作、列车中有可控列尾装置等使得试验基础上的制动特性更具有局限性,因此获得适用性更广的制动特性成为纵向动力学研究的首要问题。本研究开发了列车空气制动与纵向动力学联合同步仿真系统,该系统基于消息机制,能够在运行过程中改变列车驾驶指令。介绍列车制动系统和纵向动力学同步仿真基本原理,气体流动理论,列车管压强、缸内压强计算方法,机车牵引、动力制动,缓冲器特性、摩擦系数、纵向冲动等计算方法。仿真计算典型长大列车制动特性和纵向冲动特性并与试验结果进行比较,与试验结果吻合较好。该仿真系统适合于模拟各种编组列车在各种线路运行过程中制动力与车钩力等重要参数,为制动系统和列车纵向冲动等研究提供方法和手段。     

重载货车轴重与速度匹配关系研究

基于重载货车轨道耦合动力学模型,采用机车车辆与线路最佳匹配设计方法,进行货车轴重与速度的匹配研究.结果表明:25,27,30和40t轴重重载货车容许通过轨道低接头的速度应分别小于110,100,90和60km·h-1;40t轴重重载货车以60km·h-1速度在直线线路上运行时,其轮轨垂向力为249.6kN,非常接近英国铁路250kN轮轨垂向力的限值;在我国现有以60kg·m-1轨为主的干线铁路上开行30和40t轴重重载货车,对轨道结构的破坏比现有低轴重货车严重得多,但开行27t轴重重载货车是可行的;40t轴重重载货车在600m半径的曲线轨道上以40～120km·h-1速度运行时,轮轨垂向力最大值超过了英国铁路的250kN轮轨垂向力限值,轮轨横向力最大值非常接近我国《铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》所规定的77.80kN容许限值,另外轮轨磨耗功非常大,因此40t轴重重载货车还不能直接应用于我国现有60kg·m-1钢轨的轨道.     

山西中南部铁路壶关至红旗渠段长大坡道缓坡设置研究

山西中南部铁路是一条新建的万吨重载煤炭运输通道,是国内首条研究30t大轴重万吨列车运行安全的铁路,铁路线路平纵断面、车站分布等的设计,需满足万吨级列车的循环制动与纵向冲动等要求。运用列车纵向动力学仿真软件指导重载铁路的设计,通过对不同机车牵引万吨单编列车的纵向动力学仿真研究,特别是万吨列车在不同坡度坡道上的制动限速、制动距离,以及长大下坡道困难区间操纵运行的安全性和纵向冲动,研究山西中南部铁路壶关至红旗渠段长大坡道缓坡设置问题,以满足万吨重载列车在非正常情况下的运行、养护维修及救援要求。研究结论为:壶关至红旗渠间居中位置应增设缓坡1处,并配备救援设备。研究结论已应用于项目设计,在壶关至红旗渠间增设了平顺站,并设机待线,配备双机重联救援机车。     

澳大利亚重载列车纵向动力的研究

在进行BHP铁矿石重载运输时,列车平均轴重在35t以上、整列车由220辆车组成的情况已为数不少,列车的纵向动力常常会大于1000kN。20世纪90年代中期,高的列车纵向力导致列车沿着坡度大的坡道下行和在起伏很大的路段上运行时出现列车分离。与修改车辆维修工艺和操作程序一样,对列车驾驶方法进行了研究和修正,并对列车实际操作进行了调整。通过一系列的措施,大大减少了列车延误次数。     

基于运输质量和运输能力的高速铁路长大坡道设置研究

针对我国西部地区高速铁路建设出现的长大坡道,从上坡对运输质量影响和下坡对运输能力影响两方面研究高速铁路的长大坡道设置问题。通过列车模拟牵引计算,研究250 km/h动车和350 km/h动车在15‰～30‰上坡道的运输质量下降情况,提出在困难艰险山区,长大坡道坡长设置可考虑动车组在大坡道上的运行速度不低于设计速度的70%。从最制约运输能力的列车到达间隔出发,分析长大坡道设置对列车到达间隔的影响,采用CRH380BK+CTCS3-300T车型车载,以250,300 km/h为制动初速,分别测算-15‰,-20‰,-25‰,-30‰理论连续坡道下的列车到达间隔。计算结果表明,若要满足5min的追踪间隔时间,或采取限速措施,或对大坡道的长度加以限制,基于CRH380BK+CTCS3-300T监控制动距离数据,给出列车运行限速和大坡道坡长设置的建议。研究表明,对于设计速度300 km/h及以上的高铁线路,大坡道长度设置建议维持原设计规范标准;对于设计速度250 km/h的高铁线路,30‰坡道长度建议不宜大于4 km,25‰坡道建议不宜大于5 km,20‰坡度建议不宜大于8 km。     

重载轮轨黏着特性的数值分析

基于ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian)有限元建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.利用该模型计算和分析重载轮轨滚动接触的黏着特性,并研究不同速度等级对重载轮轨黏着蠕滑特性的影响.用该模型对重载大功率机车车轮在轨道上从制动、惰行到牵引过程进行计算,得到了这一过程中轮轨接触状态的变化规律和黏着特性曲线.在重载大功率机车从制动、惰行到牵引的过程中,轮轨纵向摩擦力由反方向饱和状态逐渐转变成牵引方向饱和状态,而轮轨横向摩擦力始终呈反对称性分布,其最大值位置先是逐渐靠近接触斑中心,然后又逐渐远离之;摩擦力矢量呈旋转分布,其方向从与运动方向相反逐渐变为与运动方向相同,其旋转中心从轮缘附近逐渐进入接触斑,随后又逐渐向轮缘一侧移动;当轮轨纵向蠕滑率较小(≤0.003)时,黏着力随纵向蠕滑率的增加而近似线性增加,但运行速度对此影响不大;进入大蠕滑率(＞0.003)区域后,黏着力随蠕滑率的增加而减小,并且速度越高,黏着力降低得越快.     

大秦线2万吨重载列车试验研究

为开行2万吨重载列车，2003年起铁道部研究引进采用电控空气制动技术（ECP技术）和机车无线同步操纵技术（Locotrol技术），经研究决定采纳GE公司Locotrol列车无线同步遥控操作技术开行2万吨重载列车，开展相关试验研究。机车改造和第一次列车运行试验于2004年10月-12月在大同和大秦线进行。然后在2005年-2006年初的一年多的时间里，又进行了6次相关试验研究，2006年3月大秦线正式开行2万吨重载列车。