列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)分析

1、第一部分開(kāi)行重載列車(chē)，就機(jī)車(chē)車(chē)輛本身來(lái)講，重載列車(chē)技術(shù)涵蓋牽引性能、制動(dòng)系統(tǒng)性能、列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)性能、機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能、機(jī)車(chē)車(chē)輛及其零部件強(qiáng)度以及合理操縱方法等眾多方面。而重載列車(chē)的通信、縱向沖擊力和長(zhǎng)大下坡道的循環(huán)制動(dòng)問(wèn)題是開(kāi)行重載列車(chē)的三大關(guān)鍵技術(shù)。而這三大技術(shù)其實(shí)就是制動(dòng)系統(tǒng)的三大難題。下面就以制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)分析。1.重載列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全具有舉足輕重的重要作用，隨著鐵道技術(shù)的不斷進(jìn)步，已出現(xiàn)了多種制動(dòng)方式，但對(duì)貨物列車(chē)而言，空氣制動(dòng)仍是最基本的制動(dòng)作用方式。眾所周知，貨物列車(chē)空氣制動(dòng)作用的制約因素甚多，列車(chē)長(zhǎng)度就是主要影響因素之一。我國(guó)重載列車(chē)的發(fā)展始于20世紀(jì)

2、80年代，至今列車(chē)編組重量已由5 000t級(jí)提高到2萬(wàn)t以上，編組輛數(shù)從62輛增加到210輛之多，列車(chē)最大長(zhǎng)度已達(dá)26 km以上，導(dǎo)致空氣制動(dòng)作用條件嚴(yán)重惡化。1.1制動(dòng)空走時(shí)間和制動(dòng)距離影響貨物列車(chē)緊急制動(dòng)距離的主要因素除制動(dòng)初速、線路條件(坡道)、列車(chē)制動(dòng)率(每百?lài)嵵亓繐Q算閘壓瓦力)和閘瓦性能以外，還有影響空走距離的空走時(shí)間，后者主要與列車(chē)長(zhǎng)度或編組輛數(shù)有關(guān)。筆者在根據(jù)上述因素編制我國(guó)鐵路技術(shù)管理規(guī)程中的制動(dòng)限速表時(shí)，對(duì)貨物列車(chē)考慮的列車(chē)編組條件為5000t級(jí)以下，由于重載列車(chē)編組輛數(shù)的增加，必然導(dǎo)致制動(dòng)空走時(shí)間和距離相應(yīng)增加,加上長(zhǎng)大列車(chē)壓力梯度對(duì)后部車(chē)輛制動(dòng)力的影響，因此該限速表不適用

3、于重載列車(chē)。對(duì)于重載列車(chē)，其制動(dòng)力應(yīng)比普通列車(chē)高，以保持和普通列車(chē)同等的制動(dòng)距離。1.2充氣作用和長(zhǎng)大下坡道的運(yùn)行安全列車(chē)空氣制動(dòng)后的再充氣時(shí)間隨編組輛數(shù)的增加而呈非線性的增加。重載列車(chē)需要有比普通列車(chē)長(zhǎng)得多的再充氣時(shí)間，因此，在長(zhǎng)大下坡道多次循環(huán)制動(dòng)作用時(shí)對(duì)司機(jī)操縱方法特別是再充氣時(shí)間的要求更高。1.3減輕列車(chē)縱向動(dòng)力作用貨物列車(chē)在縱向非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的縱向動(dòng)力作用不僅是導(dǎo)致斷鉤、脫軌等重大事故的主要原因，也是破壞貨物完整性和加速機(jī)車(chē)車(chē)輛裝置疲勞破壞的重要因素。該縱向動(dòng)力作用以空氣制動(dòng)時(shí)為甚，并基本上與列車(chē)的總制動(dòng)力或輛數(shù)成正比。在同樣裝置、線路和操縱工況等作用條件下，重載列車(chē)的縱向力通

4、常比普通列車(chē)成倍增加，因此，如何減輕重載列車(chē)的縱向動(dòng)力作用是需要研究的重要課題。以上是提高列車(chē)重載的主要障礙。制動(dòng)空走時(shí)間和制動(dòng)距離、充氣作用和長(zhǎng)大下坡道的運(yùn)行安全在制動(dòng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)中詳細(xì)分析解決。下面主要對(duì)減輕列車(chē)縱向動(dòng)力作用單獨(dú)做一詳細(xì)介紹。2. 重載列車(chē)制動(dòng)的縱向動(dòng)力作用2.1縱向動(dòng)力作用的產(chǎn)生對(duì)于空氣制動(dòng)機(jī)，在施行制動(dòng)或緩解時(shí)所產(chǎn)生的空氣波(列車(chē)管減壓波或增壓波)有一個(gè)沿列車(chē)管由前向后擴(kuò)散或傳播的過(guò)程；列車(chē)越長(zhǎng)其前后部開(kāi)始制動(dòng)或緩解的時(shí)間差就越大。這種“沿列車(chē)長(zhǎng)度的制動(dòng)或緩解作用的不同時(shí)性”是列車(chē)制動(dòng)或緩解時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈縱向沖動(dòng)的主要原因。對(duì)于重載(擴(kuò)編)列車(chē)，這個(gè)問(wèn)題尤其突出。由于上述

5、原因，在列車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的每一瞬間，各個(gè)機(jī)車(chē)車(chē)輛具有不同的單位制動(dòng)力。如果沒(méi)有車(chē)鉤的連接，各個(gè)機(jī)車(chē)車(chē)輛都要按各自的減速度運(yùn)行，但這是不可能的。如果機(jī)車(chē)車(chē)輛之間全部是剛性連接(車(chē)鉤與車(chē)鉤間沒(méi)有自由間隙，也沒(méi)有緩沖裝置)，則上述不同的單位制動(dòng)力只能導(dǎo)致各個(gè)連接件中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而不會(huì)引起各個(gè)機(jī)車(chē)車(chē)輛之間縱向沖動(dòng)。但是，為了使列車(chē)各機(jī)車(chē)車(chē)輛之間上下左右都具有一定的可折曲性，以適應(yīng)坡道起伏和通過(guò)曲線的需要，車(chē)鉤與車(chē)鉤之間都有一定的自由間隙(每對(duì)車(chē)鉤約為40 mm)，所以，如果列車(chē)施行制動(dòng)時(shí)是在拉伸狀態(tài)，則制動(dòng)之初首先要消除這些自由間隙，這就必然會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的縱向沖動(dòng)，或者說(shuō)，發(fā)生強(qiáng)烈的縱向動(dòng)力作用。下面利用

6、空氣制動(dòng)系統(tǒng)與縱向動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真系統(tǒng)測(cè)得的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)分析單編萬(wàn)噸列車(chē)（機(jī)車(chē)+100車(chē)輛）的沖動(dòng)機(jī)理。以此更清楚的了解和掌握列車(chē)的沖動(dòng)原理。進(jìn)而，掌握其影響因素，以利于優(yōu)化重載列車(chē)的系統(tǒng)參數(shù)，更好的解決重載列車(chē)的縱向沖動(dòng)問(wèn)題。制動(dòng)特性對(duì)于列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)性能的好壞起著決定性的作用， 本文制動(dòng)特性是采用基于氣體流動(dòng)理論的制動(dòng)仿真系統(tǒng)獲得，圖1為單編萬(wàn)噸列車(chē)，列車(chē)管定壓 600 kPa ，常用制動(dòng)最大減壓量170 kPa時(shí)3個(gè)典型位置車(chē)輛的制動(dòng)缸壓力曲線 。 圖1 前、中、后車(chē)制動(dòng)缸壓力曲線由圖 1 的制動(dòng)缸壓力曲線可以看出，第1車(chē)制動(dòng)缸壓力上升曲線的斜率明顯比第 5 0 輛車(chē)和第 1 0 0輛

7、車(chē)的，說(shuō)明不同位置車(chē)輛的制動(dòng)缸壓力上升速度不同，這是因?yàn)橹苿?dòng)缸充氣速度受列車(chē)管減壓速度的影響，列車(chē)管減壓速度越快，制動(dòng)缸升壓速度越快。由于處于不同位置的車(chē)輛上的列車(chē)管減壓速度不同，越靠近機(jī)車(chē)，減壓速度越快，所以，第1車(chē)制動(dòng)缸壓力上升速度最快，第1 0 0輛車(chē)制動(dòng)缸升壓速度最慢，第5 0輛車(chē)位于列車(chē)中問(wèn)位置，其制動(dòng)缸升壓速度與尾車(chē)相近。這便是“沿列車(chē)長(zhǎng)度的制動(dòng)或緩解作用的不同時(shí)性”。也是導(dǎo)致列車(chē)縱向沖動(dòng)的主要原因。具體以制動(dòng)初速80km/h，平道常用去制動(dòng)工況，分析列車(chē)第30、50、100輛這三個(gè)典型車(chē)位的車(chē)鉤力。圖2 單編萬(wàn)噸列車(chē)車(chē)鉤力仿真曲線由圖 2可知， 在常用全制動(dòng)過(guò)程中，車(chē)鉤力曲線在初

8、始階段出現(xiàn)一個(gè)小尖峰( 3 0輛車(chē)約在1 0 s處，5 0輛車(chē)在約 1 2 5 s ，1 0 0輛車(chē)在約 1 74 S ) ，車(chē)鉤力瞬間增大后減小， 尖峰過(guò)后，車(chē)鉤力緩慢增大，在約 2 0 s 幾乎所有車(chē)輛達(dá)到最大值，達(dá)到最大值后逐漸減小 ， 如此反復(fù)震蕩，直到車(chē)鉤力為零。 經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，車(chē)鉤力短時(shí)尖峰是由于后部車(chē)輛不受阻力的走完間隙行程后撞擊前部車(chē)輛而形成，為了區(qū)分，此處稱(chēng)為沖擊力。沖擊力過(guò)后，前方車(chē)輛制動(dòng)作用較強(qiáng)，車(chē)速明顯降低，后部車(chē)輛涌向前部車(chē)輛，造成后部車(chē)輛擠壓前部車(chē)輛， 這種擠壓過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的車(chē)鉤力峰值持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，此處稱(chēng)這種車(chē)鉤力稱(chēng)為擠壓車(chē)鉤力。列車(chē)最大壓鉤力就是由上述

9、最大沖擊力或最大擠壓力構(gòu)成。圖3 單編萬(wàn)噸列車(chē)沖擊力和擠壓力曲線圖 3為列車(chē)中每個(gè)車(chē)輛的最大沖擊力和最大擠壓力沿車(chē)長(zhǎng)分布曲線。由圖 3可知，沖擊力隨著車(chē)位數(shù)的增加而不斷增大，最大值發(fā)生在列車(chē)尾部，而最大擠壓力發(fā)生在列車(chē)中部附近；每個(gè)車(chē)輛的最大車(chē)鉤力由該車(chē)輛承受的最大沖擊力或最大擠壓力決定，最大車(chē)鉤力就是兩者中較大的一個(gè)。2.2系統(tǒng)參數(shù)對(duì)列車(chē)沖動(dòng)的影響影響列車(chē)縱向沖動(dòng)的因素很多，而各因素對(duì)于列車(chē)縱向沖動(dòng)的影響又不盡相同， 因而研究各因素的影響作用是優(yōu)化列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)性能的必要條件。下面將分析車(chē)鉤間隙、閘瓦摩擦系數(shù)對(duì)于制動(dòng)過(guò)程中列車(chē)的沖擊力和擠壓力的影響，繼而得出最大車(chē)鉤力的變化規(guī)律，以便尋求改善

10、列車(chē)縱向動(dòng)力學(xué)性能的有效方法。2.2.1車(chē)鉤間隙的影響圖4 不同車(chē)鉤間隙的最大沖擊力曲線圖5 不同車(chē)鉤間隙的最大擠壓力曲線車(chē)鉤間隙的存在，是為了滿足列車(chē)通過(guò)曲線和牽引時(shí)逐步啟動(dòng)的需要。車(chē)鉤間隙的大小對(duì)于列車(chē)縱向沖動(dòng)具有很大的影響，圖 4和圖 5分別為單編萬(wàn)噸列車(chē)制動(dòng)初速為8 0 km /h，平道常用全制動(dòng)，車(chē)鉤間隙由1 0 mm增大到6 0mm 時(shí)對(duì)沖擊力和擠壓力的影響曲線。由圖4和圖 5可知，隨著車(chē)鉤間隙的增大，沖擊力和擠壓力都明顯增大，但是由圖 6可以看到，當(dāng)車(chē)鉤間隙由1 0 m m增大到 6 0 m m時(shí)，最大沖擊力由3 40 kN增大到 1 1 2 3 kN增加了2 3 0 ， 最大擠

11、壓力由5 3 5 kN增大到 7 4 5 kN ，增加了3 9 ，由此可知，車(chē)鉤間隙對(duì)于沖擊力的影響遠(yuǎn)大于對(duì)擠壓力的影響；由圖 4和圖 5中前半部曲線密度大于后半部曲線可知，車(chē)鉤間隙對(duì)于后部車(chē)輛沖擊力和擠壓力的影響明顯大于對(duì)前部車(chē)輛的影響。在小車(chē)鉤間隙范圍內(nèi)( 小于3 0 m m )，車(chē)鉤間隙增大，沖擊力和擠壓力明顯增大；當(dāng)車(chē)鉤間隙增大 到3 0 m m以后，車(chē)鉤間隙影響略有減弱。圖6 不同車(chē)鉤間隙最大沖擊力與最大擠壓力比較圖綜合圖4、圖 5和圖 6可知，當(dāng)車(chē)鉤間隙小于 3 0 m m時(shí)，最大車(chē)鉤力為最大擠壓力，發(fā)生在中部車(chē)位。隨著車(chē)鉤間隙的增大，最大車(chē)鉤力發(fā)生車(chē)位不斷后移。 當(dāng)車(chē)鉤間隙大于或

12、等于 3 0 m m 時(shí)，最大車(chē)鉤力是最大沖擊力，發(fā)生在列車(chē)尾部。由此可知，如果最大車(chē)鉤力發(fā)生在列車(chē)尾部，即最大車(chē)鉤力由沖擊產(chǎn)生，則通過(guò)減小車(chē)鉤間隙可明顯減小最大車(chē)鉤力。2.2.2閘瓦摩擦系數(shù)的影響在閘瓦壓強(qiáng)、列車(chē)運(yùn)行速度和制動(dòng)初速度相同的條件下，不同類(lèi)型閘瓦的摩擦系數(shù)有很大的差別，而制動(dòng)力的大小取決于閘瓦摩擦系數(shù)，因此不同類(lèi)型閘瓦會(huì)引起制動(dòng)力大小不同，繼而影響列車(chē)縱向沖動(dòng)的大小。圖 7和圖 8是單編萬(wàn)噸列，平道常用全制動(dòng)，制動(dòng)初速度為 8 0 k m / h，不同閘瓦類(lèi)型的列車(chē)沖擊力和擠壓力曲線。圖7 不同閘瓦摩擦系數(shù)的最大沖擊力曲線圖8 不同閘瓦摩擦系數(shù)的最大擠壓力曲線由圖 7和圖 8可以

13、看出，閘瓦摩擦系數(shù)大小，對(duì)于沖擊力大小的影響不大，對(duì)于擠壓力大小有著很大的影響。閘瓦摩擦系數(shù)越大，列車(chē)縱向擠壓力越大，這是因?yàn)槟Σ料禂?shù)越大，制動(dòng)力越大，停車(chē)越快，導(dǎo)致擠壓力越大。在小摩擦系數(shù)范圍內(nèi)( 小于或等于中磷閘瓦摩擦系數(shù) )，最大車(chē)鉤力為最大沖擊力，此時(shí)，閘瓦摩擦系數(shù)對(duì)于最大車(chē)鉤力的影響不大；當(dāng)摩擦系數(shù)較大時(shí)( 大于或等于高磷閘瓦摩擦系數(shù))，最大車(chē)鉤力為最大擠壓力，閘瓦摩擦系數(shù)對(duì)于最大車(chē)鉤力有很大的影響。同時(shí)閘瓦摩擦系數(shù)對(duì)最大車(chē)鉤力發(fā)生車(chē)位有影響，摩擦系數(shù)越大，最大車(chē)鉤力的發(fā)生車(chē)位越向前移。由摩擦系數(shù)對(duì)沖擊和擠壓車(chē)鉤力的影響可知，如果最大車(chē)鉤力由擠壓力產(chǎn)生，則在滿足制動(dòng)距離的前提下可以適

14、當(dāng)減小摩擦系數(shù)，則最大車(chē) 鉤力會(huì)明顯減小。2.2.3列車(chē)制動(dòng)時(shí)的縱向沖擊力計(jì)算公式及其他影響因素根據(jù)前蘇聯(lián)勃勒卡洛瓦茨基和沃莫卡贊林諾夫的理論研究，列車(chē)制動(dòng)時(shí)的縱向沖擊力（最大靜壓縮力和最大動(dòng)壓縮力的總和）R可按下列公式計(jì)算：式中 A反映試行制動(dòng)時(shí)的車(chē)鉤狀態(tài)和制動(dòng)缸充氣特性系數(shù)，制動(dòng)時(shí)車(chē)鉤在壓 縮狀態(tài)下A0.42，車(chē)鉤在拉伸狀態(tài)、制動(dòng)缸變速充氣時(shí)A為0.75（無(wú)變速充氣時(shí)為1.5）； 一輛車(chē)的閘瓦壓力總和； 閘瓦摩擦系數(shù)； 一輛車(chē)的長(zhǎng)度； 列車(chē)編組量數(shù)；列車(chē)制動(dòng)波速； 一輛車(chē)制動(dòng)缸充氣時(shí)間。2.3結(jié)論（1) 列車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的縱向沖動(dòng)是由車(chē)輛間的沖擊作用和擠壓作用共同形成 的，列車(chē)中最大車(chē)鉤力是

15、最大擠壓力或最大沖擊力；（2）列車(chē)制動(dòng)時(shí)的縱向沖擊力或總壓縮力均與制動(dòng)波速和制動(dòng)缸充氣時(shí)間成反比。所以，提高制動(dòng)波速和延長(zhǎng)制動(dòng)缸充氣時(shí)間都可以減輕列車(chē)制動(dòng)時(shí)的縱向沖動(dòng)。但是，提高制動(dòng)波速還可以縮短制動(dòng)距離，而延長(zhǎng)制動(dòng)缸充氣時(shí)間卻會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)距離延長(zhǎng)。因此，要大力提高制動(dòng)波速和科學(xué)的延長(zhǎng)制動(dòng)缸充氣時(shí)間，如采用“先快后慢”的變速充氣。這樣，可以是兩者對(duì)制動(dòng)距離的影響互相抵消而得到減輕沖動(dòng)的雙料效果；（3）縱向力與編組輛數(shù)的平方及一輛車(chē)的長(zhǎng)度成正比。所以，發(fā)展大噸位的車(chē)輛比增加編組輛數(shù)對(duì)減輕列車(chē)制動(dòng)沖擊更有效；（4）縱向力與制動(dòng)成正比。由于閘瓦摩擦系數(shù)隨列車(chē)速度的降低而增加，所以在閘瓦壓力相同的條件下

16、，低速時(shí)的沖擊更大。但是，如果列車(chē)速度很低，例如制動(dòng)初速低于30km/h時(shí)，也可能在沖擊力尚未達(dá)到最大值以前就停車(chē)了。這時(shí)，沖擊力也可能反而比制動(dòng)初速高時(shí)更??；（5）列車(chē)在拉伸狀態(tài)下制動(dòng)，其縱向沖擊力比壓縮狀態(tài)下大得很多。（6）當(dāng)小車(chē)鉤間隙條件下，列車(chē)中最大車(chē)鉤力一般為最大擠壓力，一般發(fā)生于列車(chē)中部。大車(chē)鉤間隙時(shí)，最大車(chē)鉤力為最大沖擊力，發(fā)生在列車(chē)尾部；（7）車(chē)鉤間隙對(duì)于列車(chē)最大車(chē)鉤力有很大的影響。 車(chē)鉤間隙增大，列車(chē)縱向沖擊力和擠壓力都增大；車(chē)鉤間隙對(duì)沖擊力的影響大于對(duì)擠壓力的影響，對(duì)后部車(chē)輛的影響大于對(duì)前部車(chē)輛的影響；（8）閘瓦摩擦系數(shù)主要對(duì)列車(chē)縱向擠壓力有較大影響，閘瓦摩擦系數(shù)越大，擠壓力越大，最大車(chē)鉤力越大，發(fā)生車(chē)位越向前移；（9）如果最大車(chē)鉤力是沖擊力，則可以通過(guò)縮小車(chē)鉤間隙降低列車(chē)最大車(chē)鉤力。 2.4緩沖器為了緩上述強(qiáng)烈的縱向沖動(dòng)，每個(gè)車(chē)鉤后面都裝有可壓縮的緩沖器，制動(dòng)時(shí)可通過(guò)前從板壓縮緩沖器彈簧，吸取和衰減縱向沖動(dòng)的能量，將它限制在允許的范圍內(nèi)。但這