滑動(dòng)軸承列車起動(dòng)阻力試驗(yàn)研究

隨著鐵路設(shè)備的改善，大多數(shù)運(yùn)營(yíng)貨運(yùn)列車的大部分滑動(dòng)軸承擔(dān)部分被滾動(dòng)軸承所取代。根據(jù)鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量所1986年12月《滾動(dòng)軸承貨車防溜措施研究報(bào)告》中的試驗(yàn)數(shù)據(jù):滑動(dòng)軸承C50空車停于15.09‰的坡道上,重車停車21.21‰的坡道上均未溜逸,這表明滑動(dòng)軸承C50空車貨車的起動(dòng)單位基本阻力大于15.09N/kN,重車的起動(dòng)單位基本阻力大于21.21N/kN,而C62A重車最小溜逸坡度為1.85‰,空車為2.00‰,這表明滾動(dòng)軸承C62A重車的起動(dòng)單位基本阻力小于1.85N/kN,空車的起動(dòng)單位基本阻力小于2.00N/kN。說明滾動(dòng)軸承車輛與滑動(dòng)軸承車輛在起動(dòng)阻力方面有很大的差異。1998年4月1日實(shí)施的《列車牽引計(jì)算規(guī)程》對(duì)列車的起動(dòng)阻力也作了明確的規(guī)定:滑動(dòng)軸承貨物列車的起動(dòng)阻力為w″q=3+0.4iq,其中iq為起動(dòng)地段的加算坡度,當(dāng)w″q小于5N/kN時(shí),按5N/kN計(jì)算;而滾動(dòng)軸承貨物列車的起動(dòng)阻力為w″q=3.5N/kN。當(dāng)貨物列車在8.3‰的上坡道起車時(shí),滑動(dòng)軸承列車的起動(dòng)阻力達(dá)到6.32N/kN,幾乎是滾動(dòng)軸承列車的兩倍。傳統(tǒng)的壓縮車鉤列車起動(dòng)方法是基于滑動(dòng)軸承貨物列車,即列車起動(dòng)時(shí),首先機(jī)車向后壓縮車鉤,然后機(jī)車向前逐輛順序起動(dòng),以克服較大的起動(dòng)阻力。這種方法同樣適合于一定坡度上的列車起動(dòng)。對(duì)于滾動(dòng)軸承的貨物列車來說,在平道上或小坡道上,采用壓縮車鉤的起動(dòng)方法當(dāng)然可以,但對(duì)于較大坡道(超過車輛對(duì)應(yīng)的最小溜逸坡度),如果還想采用壓縮車鉤的起車方法是不可能的,原因就是列車緩解后車輛會(huì)自動(dòng)向后溜逸,壓縮車鉤車輛就更會(huì)向后溜逸。另外由于車鉤緩沖器存在著間隙,壓鉤起車會(huì)造成前拉后退的現(xiàn)象產(chǎn)生很大的縱向沖動(dòng)力,甚至可能會(huì)造成列車分離。與滑動(dòng)軸承相比,滾動(dòng)軸承的起動(dòng)阻力與運(yùn)行阻力要小,特別是起動(dòng)阻力要小得多。對(duì)于同一型號(hào)機(jī)車原按滑動(dòng)軸承車輛阻力制定的牽引質(zhì)量和起動(dòng)限制質(zhì)量都應(yīng)有較大的提高,特別是起動(dòng)限制質(zhì)量提高得更多。為充分開發(fā)利用這些資源,可以適當(dāng)?shù)靥岣哌\(yùn)行圖中列車的牽引定數(shù),特別是適當(dāng)?shù)靥岣呤芷饎?dòng)能力限制區(qū)段的牽引定數(shù),取消一些不合理的禁止停車站、禁止機(jī)外停車站以及提高一旦停車的牽引定數(shù)。其關(guān)鍵是擺脫基于滑動(dòng)軸承車輛的傳統(tǒng)壓縮車鉤起動(dòng)辦法的束縛,創(chuàng)建適應(yīng)滾動(dòng)軸承車輛的列車起動(dòng)方法。沈陽(yáng)鐵路局機(jī)務(wù)處以提高沈吉線沈陽(yáng)西(沈陽(yáng)南)至梅河口間下行的牽引定數(shù)為契機(jī),在鐵路局內(nèi)積極穩(wěn)妥地進(jìn)行了這一工作。該區(qū)段貨物列車由梅河口機(jī)務(wù)段的DF4C型內(nèi)燃機(jī)車擔(dān)當(dāng),其限制坡度為上行9.7‰,下行為11.5‰,牽引定數(shù)上行為2800t,下行為1700t。由于上下行的牽引定數(shù)存在著較大差別,如能將下行的牽引定數(shù)提高到1900t,按下行每天開行18列貨物列車計(jì)算,不但可以節(jié)省兩臺(tái)機(jī)車,還能節(jié)省兩條運(yùn)行線路,緩解該區(qū)段由于增開客車造成的運(yùn)輸能力緊張狀況,其效益非常大。限制該區(qū)段定數(shù)的關(guān)鍵因素是水簾洞站的列車起動(dòng)問題,該站位于7.3‰的上坡道和400m的小半徑曲線上。為了解決這一問題,沈陽(yáng)鐵路局機(jī)務(wù)處與同濟(jì)大學(xué)合作,采用仿真計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)這一問題進(jìn)行深入研究,取得了較好的實(shí)際效果。2模擬計(jì)算2.1車輛動(dòng)能模型由于實(shí)際列車起動(dòng)跟車鉤緩沖器、車鉤之間的間隙以及車輛在線路上的位置有著很大的關(guān)系,所以仿真計(jì)算模型采用精確的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型,即將列車中每一個(gè)車輛作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來考慮,這樣不僅可以研究列車在各種車鉤狀態(tài)、列車質(zhì)量分布、線路位置情況下的起動(dòng)情況,還可以分析起動(dòng)過程中的車輛沖動(dòng)情況。列車模型如下mky¨k=Fk?Bk?fb?fp?fw+Sk?Sk+1mky¨k=Fk-Bk-fb-fp-fw+Sk-Sk+1式中mk——第k輛車的質(zhì)量;yk——第k輛車的位移;Fk——第k輛車的牽引力或動(dòng)力制動(dòng)力;Bk——第k輛車的空氣制動(dòng)力;fb——第k輛車的基本阻力;fp——第k輛車的坡道阻力;fw——第k輛車的曲線阻力;Sk——第k-1和k輛車之間的車鉤力;Sk+1——第k和k+1輛車之間的車鉤力。2.2車鉤緩沖器控制仿真計(jì)算列車由一臺(tái)DF4C機(jī)車和26輛C62A組成,采用GK閥,2號(hào)車鉤緩沖器,13號(hào)車鉤(上作用式)。牽引質(zhì)量為2028t,即每輛車的質(zhì)量為78t。仿真線路為沈吉線水簾洞站164.100km處,該處為8.3‰上坡道,并有395m的小半徑曲線,其詳細(xì)情況見圖1。2.3各工況和加載強(qiáng)度仿真按DF4C型機(jī)車牽引26輛C62A貨物列車以40km/h進(jìn)入水簾洞車站,在163.880km處下閘停車(減壓量為60～70kPa),列車停車后車鉤狀態(tài)由列車停車前的小閘是否緩解有關(guān)。采用小閘緩解時(shí),緩解速度為10km/h。列車起車時(shí),首先進(jìn)行全列車緩解,并進(jìn)行牽引力加載。加載采取不同的時(shí)機(jī)和電流。由于全列車處于7.3‰的坡道上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)車輛的最小溜逸坡度的1.85‰,也大于《列車牽引計(jì)算規(guī)程》規(guī)定的起動(dòng)阻力3.5N/kN,所以只要列車開始緩解,隨著機(jī)車車輛制動(dòng)力的逐步消失,機(jī)車車輛就逐輛向后溜逸,最終導(dǎo)致全列車向后溜逸。從列車緩解指令發(fā)出到第一輛機(jī)車(或車輛)制動(dòng)力全部消失大約5～10s,如果不在這段時(shí)間內(nèi)加載,則列車開始向后溜逸,最終導(dǎo)致全列車向后溜逸(即使隨后加載,也會(huì)造成過流)。所以仿真計(jì)算選擇了不同的加載時(shí)機(jī)和不同的加載強(qiáng)度,仿真結(jié)果如表1、表2、表3。表中起動(dòng)時(shí)間與起動(dòng)距離是指機(jī)車開始加載到速度達(dá)到5km/h時(shí)的運(yùn)行時(shí)間(s)與距離(m),最大縱向力和出現(xiàn)時(shí)間則是指該時(shí)段內(nèi)所有車鉤的最大車鉤力(kN)和對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)時(shí)間。從上述仿真結(jié)果可以知道,這一列車在列車開始緩解15s內(nèi)加載4000A,盡管起車時(shí)間和最大縱向力不同,列車可以保證起車。一般來說,在緩解5～10s內(nèi)加載起車較好。因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi),列車制動(dòng)剛好全部緩解。當(dāng)時(shí)間達(dá)到20s時(shí),如果沒有加載,列車就開始向后溜逸,達(dá)到臨界起車時(shí)間。超過這一時(shí)間,列車就無法起車成功。3df4c型客車不壓縮車鉤拉動(dòng)1.沈陽(yáng)鐵路局機(jī)務(wù)處于1999年、2001年先后兩次組織了沈陽(yáng)西(沈陽(yáng)南)至梅河口DF4C型機(jī)車牽引2000t的牽引運(yùn)行試驗(yàn),并都在水簾洞進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn),均取得成功。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上鐵路局機(jī)務(wù)處、通化鐵路分局機(jī)務(wù)分處、梅河口機(jī)務(wù)段有關(guān)人員制定了DF4C型機(jī)車不壓縮車鉤在水簾洞起動(dòng)1900t貨物列車的起動(dòng)方法,對(duì)機(jī)車乘務(wù)員進(jìn)行教育。并從2002年1月31日起將沈陽(yáng)西(沈陽(yáng)南)至梅河口下行牽引定數(shù)定為1900t,凡在水簾洞站起動(dòng)停車就視為試驗(yàn),至4月30日共發(fā)生330列,沒發(fā)生一例拉不動(dòng)。3個(gè)月共多牽引256萬t貨物,增加59100萬tkm的產(chǎn)量,節(jié)省了151個(gè)機(jī)車臺(tái)日,取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。4全車擺動(dòng)時(shí)客車種類理論模擬與運(yùn)行試驗(yàn)實(shí)踐表明,我們制定的DF4C型機(jī)車不壓縮車鉤在水簾洞站起動(dòng)1900t貨物列車方法是科學(xué)可行的。在此基礎(chǔ)上,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。(1)滾動(dòng)軸承組成的貨物列車在上坡道上進(jìn)行不壓縮車鉤起車是完全可行的。雖然列車起動(dòng)時(shí),列車制動(dòng)緩解與機(jī)車加載同時(shí)進(jìn)行,容易產(chǎn)生較大的縱向力,但只要把握好緩解與加載的時(shí)機(jī),不會(huì)產(chǎn)生很大的縱向力而造成斷鉤。(2)列車在上坡道上起車應(yīng)采用一邊緩解,一邊起車的方法,可以避免緩解車輛向后溜逸,造成起動(dòng)困難。(3)定量化的起車方法a.要確保列車緩解后車輛不向后溜逸列車緩解時(shí)只要機(jī)車有足夠的牽引力列車就不能向后溜逸。為保證有這一牽引力,列車緩解時(shí)機(jī)車要適當(dāng)帶載,設(shè)其牽此力為F,機(jī)車質(zhì)量為P,車列質(zhì)量為G,起動(dòng)地點(diǎn)的坡度為iq,要保證F≥[P(iq-flL)+G(iq-flV)]×9.81×10-3(kN)式中flL、flV分別為機(jī)車、車輛開始向后溜逸的阻力,由于是阻止列車向后溜逸,故取負(fù)值。就水簾洞車站起車來說,P=138t,G=2028t,iq=7.3‰,flL=5.0、flV=1.7,算得列車緩解時(shí)機(jī)車牽引力需達(dá)到115kN(若考慮線路曲線的因素,所需牽引力要小一些),根據(jù)機(jī)車轉(zhuǎn)矩特性曲線,牽引電動(dòng)機(jī)電流大約為400A,牽引發(fā)電機(jī)整流后電流大約2400A。b.全列車緩解后要穩(wěn)穩(wěn)地加載,直到全車起動(dòng)列車緩解后大約10s后,所有車輛全部緩解,要穩(wěn)穩(wěn)地加載,減少列車的沖動(dòng)。盡管滾動(dòng)軸承車輛的起動(dòng)阻力小,《列車牽引計(jì)算規(guī)程》定為3.5N/kN,但較運(yùn)行阻力來說還是要大得多,牽引力達(dá)不到是不能起動(dòng)的。起動(dòng)時(shí)機(jī)車牽引力要保證F≥[P(iq+fqL)+G(iq+fqV)]×9.81×10-3(kN)式中fqL、fqV分別為機(jī)車、車輛單位起動(dòng)阻力,由于是阻止列車前進(jìn),故取正值。就水簾洞車站起車來說,P=138t,G=2000t,iq=7.3‰,fqL=5.0、fqV=3.5,算得要使全列車起動(dòng)機(jī)車牽引力需達(dá)到