制动特性对列车纵向冲动的影响

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制动缸升 压特性对列车纵向冲动 的影响
以空气制动仿真得到的每节车辆制动缸特性为基 础， 通过调整每 节 车 辆 开 始 动 作 时 间构造 出不 同 制动波速的制动特性， 分析 制动波速对列车纵向 冲动的影响． 分 别 计 算 了 制 动 波 速 从 140 m / s 增 加 到
制动特性的 另 一方 面 是 制动缸的升压特性， 目前的列车制动特性 都 是 前 部 车 辆 升压 较快， 后 部车辆升压较慢． 这主 要是 由 于列车中 前 部 车 辆 列车管减压速度较快， 后部车辆减压速度减慢， 而 制动缸充气速 度 主 要 决定 于列车 管 的 减 压速 度．
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为了提高铁路 运 输 的能力， 铁路货 运 正 在向 “重载、 提速 ” 的方向 发展． 但 随着列车载重 增加 和速度提高， 纵向冲动越来越大， 过大的纵向冲动 ， 带来了许多新的问题 如车钩断裂、 零部件严重磨 耗、 列车脱轨等问题． 过大的纵向冲动已成为重载 列车纵向动力学研究越 来 列车发展的最大 障碍， 越受到重视． 制动不同步是 列车纵向冲动的 根源， 研究制 动特性与列车纵向冲动的关系对于理解列车纵向 冲动机理， 从制动特性 入手降低 车钩力 具有 重 要 的意义， 同时为 列车纵向动力学仿真系统制动特 性的选取提供基本依据． 多年来， 一 般认为 制动特性影响列车纵向冲 动的 因素是 制动波速， 波速越高， 纵向冲动越小． 对于制动波传播的均匀性、 制动缸升压特性等制 动特性对纵向冲动的影响 还没有 明 确 的结论． 按 现有的理解水平， 对于 长 大列车 可以通 过 设计新 ， 阀提高制动波速 但是 制动波速 已经达到很 高水 平， 再进一步提高制动波速难度很大， 这极大的限 制了长大重载列车的 发展． 另 一 个观点就 是 延 长 制动缸充气时间， 其 不 足之处就 是增加了 列车制
第 33 卷 第 2 期 2012 年 4 月
JOURNAL
大 连 交 通 大 学 学 报 OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY
Vol． 33 No． 2 Apr． 2012

文章编号: 1673-9590 ( 2012 ) 02-0001-05
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动理论的制动特性 计 算 的 同 时， 计 算 列车纵向 振 ， 动过程 系统分析 制动特性对列车纵向冲动的影 响， 为未来重载列车制动系统设计提供依据．
从上面的分析 可以 看 出， 制动特性 曲 线 主 要 由制动波传播特性、 制动缸升压特性决定， 研究制 动波传播特性、 制动缸升压特性对纵向冲动的影 ， 响 为列车纵向动力学仿真研究 选 择 合 适 的制动 特性提供依据， 为从 制动 入手 研究 减 小纵向力 寻 找途径具有现实意义．
制动特性对列车纵向冲动的影响
魏伟， 武星宇
( 大连交通大学 交通运输工程学院， 辽宁 大连 116028 ) * 摘 要: 针对大秦线重载列车实际运用中出现的纵向冲动过大的问题， 使用基于气体流动理论的空气
制动特性仿真和基于刚体动力学的列车纵向动力学联合仿真方法， 研究制动波传播的均匀性 、 制动波 速、 制动缸升压特性等制动系统特性对纵向冲动的影响 ． 结果表明在制动波速不变条件下， 制动波匀速 波速越高， 车钩力 传播与非匀速传播时列车纵向冲动水平基本一致; 制动波速对列车车钩力影响显著， 越小; 在列车制动能力不变的条件下， 随着列车首尾车制动缸压 强曲 线 开口度 的 收敛， 纵向冲动明显 降 低， 最大车钩力发生位置向列车后部移动． 关键词: 铁路; 纵向动力学; 车钩力; 制动模拟 文献标识码: A
图5
不同制动波速时最大车钩力曲线
图 4 100 辆车减压 170 kPa 最大车钩力曲线
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图6
最大车钩力随制动波速变化曲线
制动波速对列车纵向冲动的影响 上面分析了制动波传播均匀性对列车纵向冲 那是在制动波速不变的 情况 下 进 行 的 比 动影响， 较， 并不能说明制动波速对纵向冲动的影响． 下面
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制动特性介绍与分析
因紧急制动时所有车辆的制动特性曲线基本 一致， 所以本文只分析常 用制动时的 情况． 图 1 是 万吨列车最大减压量常用制动首、 中、 尾车的制动 ［ 12 ］ 缸压强曲线 ． 从 图 中明显 可以 看 出 第 一车制动 缸升压速度明显 快 于尾 部 车 辆， 第 50 辆 ( 中 间 车 辆) 制动缸升压曲线并不是首尾车制动缸压强平均 后的结果， 而是更接近于尾车的 曲 线， 这说明常用 制动缸时制动波传播并不是匀速传播， 并且由前部 车辆制动缸曲线斜率变换到后部车辆制动缸 曲 线 斜率并不是线性变化的， 制动波非均匀传播特性和 制动缸升压曲线的非线性变化特性决定了很 难 用 某种数学方法描述任意车辆制动缸升压曲线， 因此 给纵向动力学仿真中制动特性的选取带来了困难． 图 2 是列车中每个车辆的制动缸勾贝伸 出时 间 曲 线， 也就是制动传播特性曲 线． 由 图 可 知 制动波的 而是先慢后快的传播 传播不是按某一个速度传播， 特性( 先是较斜的线， 后来更加平缓) ．
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引言
又要保证列车冲 动距离． 因此既要保证制动距离， 动最小， 重载列车设计已经面临难以克服的困难． 是否有其他途径解决重载列车制动与纵向冲动的 矛盾? 有没有可能在制动系统设计上找到解决这 一矛盾的途径? 这些只有在清晰理解制动特性对 纵向冲动的影响 后 才 能 够回答， 因 此全面摸清 制 动系统特性对纵向冲动的影响 规律， 对 设计 重载 列车新型制动系统 具有 重 要意义， 本 文工作就 是 分析制动系统特性对纵向冲动影响的 尝试． 限 于 目前的研究手段， 分析各种 制动特性对纵向冲动 的影响还有一定难 度， 其难 度 主 要 表现在现 有 制 动特性的传播 规律 以 及 如 何构造 新 的制动特性． 由于列车制动系统 试验数 据 的 离散 性， 很 难得 到 制动系统规律， 而 仿真 计 算 可以很 容易得 到 制动 系统特性及其规律． 中 国 在制动仿真研究 工作起 始于上世纪 90 年代， 已经开发出可以分析各种管 路参数、 阀结构参数 影响的列车空气制动系统仿 真系统
230m / s 时的车钩 力， 制动波速均假设为匀速传 播． 从 140 ～ 230 m / s 的制动波速中 选 出 4 个 波 速， 画出最大车钩力曲线如图 5 所示． 从图 5 中 可 最大压钩力变化很大， 但是发生位置基本 以看出， 没有 变 化， 随着波速 增加， 压钩力 增加． 为了 看 清 波速与最大压钩力 关 系， 将 不 同 制动波速时 最 大 压钩力绘在图 6 中， 从 图 6 中 可以 看 出 最 大车钩 力与制动波速 成正 比例 关 系， 在本仿真 试验 中制 动波速和最大车钩力 为 线性 关 系． 从 上面 的 分析 可以得出， 制动波速 是 影响 最 大压钩力的 主 要因 素， 波速对最大压钩力发生位置无影响． 拉钩力最 大值约 150 kN， 并且 最 大 拉 钩力 幅值 随制动波速 变化很小， 但是 承 受 拉 钩力的车 辆 数目 随着制动 波速的增加而增加．
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图1
试验得到的制动缸压强曲线
车辆制动缸曲线 形状 一致， 但是开 始充 气时 间 有 所区别，这是由制动波传播特性不同引起的，匀
动缸压强曲线
第2 期
魏伟， 等: 制动特性对列车纵向冲动的影响
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速传播时中部车 辆 充 气时 间 较早， 而 非匀速传播 ． 时中部车辆动作时间较晚 图 4 是 上 述两 种 制动特性的 万吨 列车在 80 km / h 初速度制动时最大车钩力沿车长分布图． 其 中每一类传播特性得到的最大车钩力有两条曲线 组成， 一条是 0 kN 以 上 的 最 大 拉 钩力 曲 线， 一条 是 0 kN 以下的最大压钩力曲线． 最大 拉 钩力和 最 大压钩力是在整个制动过程中每个车辆承受的最 大拉钩力与最大压钩力． 从 图 4 的 两 种 传播特性 的计算结果看， 两者在最大压钩力水平， 最大压钩 力发生位置两方面都差别不大． 从拉钩力看， 制动 波传播特性对 拉 钩力 有 一 定 影响， 最 大 拉 钩力 数 值大小变化不大， 但是发生位置有些变化， 制动波 匀速传播时， 前 部 20 辆 车 承 受了 略 大 拉 钩力． 因 不做重点讨论． 上述 为整列车的拉钩力数值较小， 结果说明此种计算条件下制动波传播特性对车钩 力影响较小． 为了 证 实 此 结论对于 其他 条件 仍 然 适用， 又分别计算了 60 辆编组减 压 170 kPa 和 万 吨列车减压 100 kPa 的车钩力， 结果与 此 情况类 似． 从上面的分析可以看出， 在制动波速相同的情 况下， 制动波传播特性对列车纵向冲动影响 很小． 由此可以推断， 制动波速不改变的情况下， 使用匀 速传播替代非匀速传播的制动特性在纵向动力学 分析中不会带来较大误差．
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为了分析制动缸升压特性对纵向冲动的影响， 在 ， 现有列车制动特性基 础上 假 设了 几 种 制动缸升 压特性曲线， 并进行了列车纵向冲动的仿真计算． 在制动波速不变、 制动波非匀速传播和制动 能力相同的条件下 ( 此处 制动能力 相 同是 指 列车 具有相同的制动 距离 ) ， 设计了 三 种 制动特性． 三 种制动特性的首、 尾车辆制动缸压强如图 7 所示， 由图可以看出此 三 种 方 案 的特 点 为， 从方案 1 到 方案 3 首尾车制动缸压强曲线围成的开口度逐渐 减小， 即首车的制动缸曲线升压速度逐渐降低， 而 尾车的制动缸 曲 线升压速 度 逐渐 增加． 列车中 其 他制动缸升压特性都是由首尾车制动缸升压特性 线性插值得到．
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， 并对列车的制动特性和列车纵向冲动
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进行了探索 和研究
， 在 此 基 础上 开发了 空气
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制动系统与纵向动力学系统联合仿真系统
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本文使用大连交通大学开发的空气制动系统 与纵向动力学系统联合仿真系统， 在基于气体流
1126 收稿日期: 2011基金项目: 牵引动力国家重点实验室自主研究课题( 2009TPL_T02 ) ; 辽宁省自然科学基金资助项目( 20102016 ) 作者简介: 魏伟( 1963 － ) ， 男， 教授， 博士， 主要从事空气制动及列车动力学的研究 E-mail: weiwei@ djtu． edu． cn．
万吨列车最大减压量常用制动首中尾车的制动缸压强曲线12从图中明显可以看出第一车制动缸升压速度明显快于尾部车辆第50制动缸升压曲线并不是首尾车制动缸压强平均后的结果而是更接近于尾车的曲线这说明常用制动缸时制动波传播并不是匀速传播并且由前部车辆制动缸曲线斜率变换到后部车辆制动缸曲线斜率并不是线性变化的制动波非均匀传播特性和制动缸升压曲线的非线性变化特性决定了很难用某种数学方法描述任意车辆制动缸升压曲线因此给纵向动力学仿真中制动特性的选取带来了困难
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制动波传播特性对列车纵向冲动 的影响
制动波匀速与非匀速传播对列车纵向冲动 的影响
制动作用沿列车长度方向的不同时性和不均 匀性是列车制动时 发生 纵向冲动的 主 要根源． 但 在一般动力学 分析 中， 因为没有 适 合 任 意 编组 的 制动特性数据， 往往忽略 了 制动波在列车中的非 通常假设 制动波在列车中匀速 匀速传播状况 ， 传播， 但实际上制动波在列车中的传播并非匀速． 为了研究制动波匀速传播和非匀速传播对车钩力 分布的影响， 首 先 根据 试验 曲 线特 点构造 了 两类 制动特性曲线， 一 类 是 由 制动系统仿真 得 到 的制 动特性， 特 点 是 制动波非匀速传播， 波速越 来 越 快; 而 且 制动缸升压速 度 不 同， 越 是后 面 的车 辆， 制动缸升压越 慢． 另 一 类 制动特性 是 在 上 述 制动 特性基础上， 假设制动波匀速传播， 但首尾车开始 制动时间与原来 一致， 即两类 制动特性的制动波 速相同， 各车辆 制动缸升压速 度 保 持 与 原 来 对 应 车辆制动缸升压速度一致． 万吨列车减压 170 kPa 制动时两类制动特性的首、 中、 尾车制动缸压强曲 线如图 3 所示． 图 3 中 可以 看 出 两类 制动特性的 说 明 两类 制动 首尾车制动缸压 强曲 线 完 全 重合， 两类 制动特性的中 间 特性的制动波速 完 全 相 同，