朔黃鐵路重載列車電控空氣制動試驗研究

王蒙,廖小康,易彩,張兵

(1. 國能鐵路裝備有限責任公司,北京 100011; 2. 西南交通大學,四川 成都 610031)

0 引言

重載鐵路運輸有許多優點,如:運輸能力強、效率高、貨物運輸費用低廉和環保等,是現代以及未來貨物運輸的主力。重載運輸是作為鐵路現代化的另一個標志,也是鐵路發展的一個重要途徑[1]。同世界其他重載運輸國家一樣,重載長、大列車運輸也成為我國鐵路貨運發展的方向。隨著鐵路運輸要求的不斷提高,對重載長、大列車的運載能力要求也越來越高,而重載長、大列車安全可靠運行并保障其運載能力的主要因素之一就是列車的制動性能。制動系統是列車的重要組成部分,是列車能否正常運行的關鍵,也是當前鐵路運輸發展需要解決的重要難題[2]。

重載列車由分散的多機車和多車輛編組而成,所涉及的控制系統和組件較多,且運行工況復雜多變。重載列車的電控空氣制動ECP(electronically controlled pneumatic)系統作為保證重載組合列車安全運行的重要技術,能借助列車網絡通信系統,實現所有車輛的同步制動與緩解,有著比傳統空氣制動系統更卓越的性能[3]。ECP制動系統克服了傳統空氣制動系統的許多固有限制,通過電子指令傳輸制動信號、連續的列車管充風和再生制動能力,實現車輛、機車同步制動與緩解,同時改善了列車制動和緩解過程中縱向沖動的問題,減小動力消耗、車輪踏面消耗和閘瓦消耗,降低維護成本并能對每個車輛的制動力進行監控、診斷,使列車獲得更好的運行操控性能,特別適用于編組超長的重載列車,在重載貨運列車上展現了極高的應用前景。

傳統列車的空氣制動系統存在一定的缺陷,如:列車制動、緩解存在延遲,會使列車車輛之間產生較大的縱向沖動作用力,這會導致列車的安全性不能被保證,而國外ECP系統發展較早并得到了廣泛應用[4]。近些年,我國針對ECP系統也進行了大量研究,文獻[5-6]對各種制動工況下的ECP系統性能進行了試驗分析;文獻[7]采用列車空氣制動與縱向動力學進行聯合仿真,對朔黃鐵路2萬t重載組合列車縱向動力學性能進行研究,分析了ECP系統作用下的列車縱向車鉤力;文獻[8-9]在ECP系統仿真模型的基礎上,對各種制動工況下的ECP系統性能進行了計算分析。本試驗目的是驗證重載長、大列車無線ECP系統的制動性能,判別無線ECP系統的性能指標是否達到設計要求,該研究對今后重載列車裝備電控空氣制動系統及開行重載列車具有指導意義。

1 試驗方案

1.1 試驗線路區間

列車制動系統中的列車調速和停車等操縱是保障列車正常安全運行的重要操作,其中,長、大下坡道的制動調速最為關鍵,故本試驗需要在具備長、大下坡道的線路區段進行試驗探究。萬噸重載列車線路運行試驗的試驗區間選在朔黃線。綜合朔黃線各方面情況,整個測試區間起于神池南止于黃驊港,相關參數如表1所示。其中試驗線路特點為:自西向東海拔落差1 500m,有近170km山區鐵路,曲線多。

表1 試驗線路參數

1.2 試驗機車車輛

試驗車輛采用C80雙浴盆式鋁合金運煤專用敞車,如圖1所示。牽引機車采用基于LTE-R無線通信傳輸技術的同步操控系統,編組方式為“1臺交流機車+108輛C80貨車”。列車制動裝置采用120-1型控制閥、203mm×254mm整體旋壓密封式制動缸、ST2-250型雙向閘瓦間隙自動調整器、KZW-A型無級空重車自動調整裝置和高磨合成閘瓦,滿足主列車管壓力500kPa和600kPa要求。由于列車編組較長,各車輛空氣制動、緩解時的同步性會有較大的不同,列車制動力存在較大差異。當采用ECP系統時,系統通電;當不采用ECP系統時,只需將ECP系統斷電,列車制動系統則轉換為傳統的空氣制動系統工作方式。

圖1 C80運煤專用敞車

1.3 數據采集系統

本試驗選用某型號壓力傳感器PTX5072-TC,用于測量列車管、制動缸和副風缸的壓力,采用KFW-5-120-D16型應變片測量車鉤左右接觸面的受力。為了確保主控制器可以在車上對任意位置進行各個測點的數據采集、對時、參數設置和特征數據接收等操作,將所有測點傳感器與無線采集器相連,并利用網絡傳輸速率為250 kB/s的ZigBee網絡進行數據傳輸。數據采集系統及傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 數據采集系統及傳感器安裝位置

1.4 測試工況及內容

為研究ECP系統對重載列車制動性能的影響,根據重載列車的操縱特點,結合試驗線路條件,在開啟和關閉ECP兩種控制條件下對重車常用制動及空車停車制動進行試驗對比分析。重車工況為公里標7.9處的試驗,空車工況為公里標383處的試驗,具體測試工況如表2所示。

表2 測試工況

采用萬噸重載列車空氣制動系統靜置試驗以及線路運行試驗的方法,結合上述工況對加裝無線ECP的萬噸列車縱向沖動和制動距離進行分析測試。

2 靜置試驗結果分析

相比于傳統的空氣制動系統,由于結構原理、作用方式的不同,ECP電控制動系統具有緩解車鉤作用力、同步列車管及制動缸壓力和縮短制動距離等優點。

2.1 制動波速分析

在試驗地點進行壓力測試,制動試驗結果如表3和表4所示。由表中數據可以發現,與無ECP系統工況相比,存在ECP系統下的制動時間差明顯縮短,制動波速明顯增加,加快了近5倍。

表3 開ECP系統時靜態制動試驗數據統計

表4 關ECP系統時靜態制動試驗數據統計

圖3、圖4為有無ECP控制作用下制動缸壓力變化曲線圖。由圖3和圖4可以看出,在ECP控制下第1輛和第107輛車的制動時間差明顯縮短,這說明ECP系統可以有效對車輛進行制動,以免發生安全事故。

圖3 有ECP控制作用下制動缸壓力變化曲線圖

圖4 無ECP控制作用下制動缸壓力變化曲線圖

2.2 列車制動性能試驗

接下來對制動系統泄漏、改變制動減壓量等工況的列車制動性能進行試驗。在進行列車制動系統泄漏試驗時,對列車充風,當列車管達到規定壓力后減壓100kPa,之后穩定1min,如圖5所示。從圖中可以看到在1min內,列車管壓力下降值最多達到了40kPa左右。

圖5 列車制動系統泄漏下列車管壓力變化

在進行常規制動時,對列車充風,當列車管達到規定壓力后實施規定減壓量的常用制動。圖6和圖7給出了減壓量為50kPa和170kPa下各斷面制動監測參數的全部變化過程。

圖6 常用制動減壓量為50kPa下列車管壓力變化

圖7 常用制動減壓量為170kPa下列車管壓力變化

在進行保壓時,機車制動機開通補氣位,減壓100kPa后開始進行保壓。由于現場試驗條件協調的關系,進行了一次短時間的保壓然后再進行緩解。最終各斷面制動監測參數的全部變化過程如圖8所示。

圖8 保壓情況下列車管壓力變化

在進行緊急制動時,首先對列車充風,當列車管達到規定壓力后開始實施緊急制動,待制動缸壓力穩定后再充風至列車管達到規定壓力。最終各斷面制動監測參數的全部變化過程如圖9所示。由圖9可以看出,在實施緊急制動時,列車管壓力急劇下降至0,待制動缸壓力穩定后,列車管壓力又慢慢恢復至規定的水平。

在進行循環制動時,對列車充風,列車管達到規定壓力后減壓50kPa并進行短時間內的保壓,然后再緩慢充風,循環實施常規制動。最終各斷面制動監測參數的全部變化過程如圖10所示。由圖10可以看出,在實施循環制動時,列車管壓力出現了明顯下降和上升的循環趨勢,列車管的循環變化趨勢滿足列車循環制動試驗的要求。

圖10 循環制動下列車管壓力變化

3 動態試驗結果分析

3.1 有無ECP控制作用下的車鉤力

列車在停車制動或調速制動時,開始一段時間前后車輛間的制動力不一致,前部車輛制動力較大而明顯減速,后部車輛制動力較小而減速不明顯,后部車輛在慣性力作用下涌向前方,進而產生列車的縱向沖動,從而易造成車鉤的疲勞斷裂。有無ECP控制作用下重車和空車各測點車鉤力隨時間的變化曲線如圖11所示,重車和空車各測點車鉤力最大值如表5所示。

圖11 有無ECP控制作用下重車和空車各測點車鉤力

表5 重車/空車各測點車鉤力最大值 單位:kN

從圖11和表5中可知,ECP制動系統作用下的列車縱向車鉤力要明顯低于普通空氣制動作用下的列車縱向車鉤力,ECP制動系統的縱向動力學性能指標均優于空氣制動。第28輛車測點處車鉤作用力最大,是受力較為復雜的部位,在自身動力和車輛動能作用下,不斷承受前后車輛拉拽、擠壓作用,產生涌動的可能性最大,鉤緩裝置也最容易受壓失穩和疲勞傷損。

3.2 有無ECP控制作用下的列車管壓力

圖12為有無ECP控制作用下重車和空車制動時各車列車管壓力。從圖12中可以看出,在列車制動位信號結束時,第2輛車的列車管壓力響應最快并且響應幅度最大。在ECP開啟的情況下,其他3輛車的列車管壓力也盡快地達到了與第2輛車相一致的壓力變化幅度。而在ECP關閉的情況下,其他3輛車的列車管壓力幅度變化較慢,并且完全達不到第2輛車的壓力變化幅度。這證明在ECP控制的加持下,首尾列車的列車管壓力發生了較為接近的變化方式,表明采用ECP系統控制車輛制動時可以保證列車制動及緩解的同步性。

圖12 有無ECP控制作用下重車和空車各車列車管壓力

3.3 有無ECP控制作用下的制動缸壓力

ECP系統在實施制動時,各車輛制動控制裝置能控制各車制動缸基本以同一速率升壓,而系統空氣制動受120-1型控制閥的特性決定,其升壓時間較長,升壓速率較慢。圖13為有無ECP控制作用下空車制動時各車制動缸壓力。從圖13中可以看出,開啟ECP時測試列車的制動缸壓力變化十分同步,特別是在制動結束時,壓力曲線呈現出同步下降的趨勢。關閉ECP系統測試列車在制動結束時,第2輛車的制動缸壓力變化非常靈敏,其他車制動缸壓力變化呈現出明顯的滯后現象。在無ECP控制的情況下,空車出現了制動缸壓力變化不一致的情況,這證明相比傳統空氣制動系統,ECP制動控制系統可以形成貫穿全列車的均勻制動力分配,不僅能夠實現機車和車輛之間的制動指令傳輸,還可以進行雙向數據交換,大大降低了列車的空走時間,降低了列車縱向沖動力。

圖13 有無ECP控制作用下空車制動時各車制動缸壓力

4 結語

電控空氣制動系統采用電信號傳遞制動指令,傳輸時間短。相比于空氣制動,電控空氣制動系統有助于緩解車鉤作用力,具有同步列車管及制動缸壓力和縮短制動距離等優點。本文結論如下:

1)ECP系統的制動/緩解具有較好的同步性,制動能力較強,其階段緩解功能可以提高重載列車操縱的靈活性;

2)相比傳統純空氣制動,開啟ECP控制后列車中的最大車輛縱向車鉤力減小17%以上,滿足“最大車輛縱向車鉤力降低15%(比純空氣制動)”的要求;

3)試驗驗證了重載長、大列車無線ECP系統的制動性能,判定無線ECP系統的性能指標達到設計要求。