张生玉, 熊　芯, 张天婴, 姜　成

(中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081)



27 t及以下轴重混编列车纵向车钩力试验研究*

张生玉, 熊芯, 张天婴, 姜成

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081)

为研究掌握既有线开行27 t及以下轴重混编列车的技术性能，中国铁路总公司在山西中南部铁路通道组织了“既有线开行27 t及以下轴重混编列车综合试验”。通过分析试验列车在紧急制动、常用全制动以及长大下坡道调速制动工况下的纵向车钩力及其变化规律，研究混编列车的车钩力特性，为既有线开行27 t轴重混编列车提供技术支持。分析认为：在各种装载和编组条件下，试验中混编列车最大拉钩力913 kN，最大压钩力1194 kN，超过1 000 kN的车钩力只出现过一次。由于参试的27 t轴重货车制动率明显小于既有通用货车，使得混编列车紧急制动时可能出现较大的拉钩力。

27 t轴重; 混编列车; 制动; 纵向力

27 t轴重货车属于通用货车，在运用中要与既有货车混编。为研究掌握既有线开行27t及以下轴重混编列车的技术性能，中国铁路总公司在山西中南部铁路通道重载综合试验段组织了“既有线开行27 t及以下轴重混编列车综合试验”，研究混编列车的制动性能、纵向动力学性能、货车动力学性能等列车运行综合性能[1]。

列车纵向车钩力是纵向动力学的主要研究内容，是重载列车运用的关键技术问题之一[2-3],本文对27 t轴重混编列车在制动和缓解工况下的纵向车钩力进行分析，研究混编列车的车钩力特性，为既有线开行27 t轴重混编列车提供技术支持。

1　试验方案设计

1.1试验线路

“既有线开行27 t及以下轴重混编列车综合试验”在山西中南部铁路通道重载试验段K503～K575间进行，下行方向K503～K535以上坡区段为主，最大坡道6‰，K535～K575以下坡区段为主，其中K547～K575是一段长大下坡道，最大坡道-13‰，平均坡度-8.9‰，为循环制动试验区段；K544+446～K546+994是坡道为-1‰的直道，为平道紧急制动和平道常用全制动的试验地点；K569～K572是-11‰下坡道，为下坡道紧急制动和下坡道常用全制动试验地点。

1.2机车及牵引方式

本次试验使用中国北车集团大同电力机车有限责任公司最新研制的30 t轴重交流传动货运电力机车HXD2F，最高运营速度100 km/h，轮周牵引功率9 600 kW，起动牵引力≥ 910 kN，再生制动力510 kN。

试验列车头部和尾部各有1台HXD2F电力机车。在列车起动提速阶段两台机车同时工作，头部机车牵引，尾部机车顶推，当列车速度达到要求后，尾部机车停止顶推，由头部机车单独牵引。所有制动及缓解试验尾部机车均不参与充排风。

1.3参试车辆

参试货车为26辆27 t轴重货车，12辆既有C70(E)型通用货车，12辆C64K型通用货车，另有1辆试验车，共计51辆，列车长度726 m，试验列车制动主管定压为600 kPa。27 t轴重货车采用传统基础制动装置或转向架集成基础制动装置，装用HM-1型缓冲器，只有1辆KM80H型煤炭漏斗车装用MT-2缓冲器。

1.4列车编组

27 t轴重货车作为通用货车在实际运用中编组具有随机性，因此，在设计列车编组时，充分考虑了27 t轴重货车通用性特点和运输需求，并且满足以下原则：27 t轴重货车分别与21 t、23 t轴重货车连挂；空、重混编，尽可能采用不利工况，并且27 t轴重货车的空、重车分别与21 t和23 t轴重空、重货车相连挂；不同型式的基础制动装置货车混编。

设计了3种装载工况和3种编组顺序，装载分别为全空、空重和全重，编组顺序为顺序A、顺序B、顺序C，3种编组顺序各种车辆的编组位置见表1。

表1　三种编组顺序车辆位置表

不同的装载工况和不同的编组顺序相组合，最终设计了5种不同编组：全空编组A、空重编组A、空重编组B、全重编组A和全重编组C。全空、空重和全重，对应的牵引质量分别为：1 303.8,3 363.8,4 943.8 t。

1.5试验工况

为研究在各种不利情况下的车钩力数值以及分布规律，共设计了5种制动试验工况，分别是：平道紧急制动、下坡道紧急制动、平道常用全制动、下坡道常用全制动、长大下坡道循环制动。紧急制动和常用全制动的制动初速度为80 km/h和100 km/h，全重编组A和全重编组C还增加了制动初速度为90 km/h的紧急制动。各种编组全部在长大下坡区段进行了限速80 km/h和100 km/h的循环制动试验。列车循环制动时，不使用机车电制动，仅使用全列的空气制动，机车不允许单独缓解。各种编组情况下的制动试验内容见表2。

表2　各种编组下制动试验工况

注："●"表示该编组有此项试验内容，"/" 表示无此项试验内容。

1.6测点布置

为测试列车典型断面的车钩力等参数，在列车的前部、中部和后部共布置了6个测试断面，下行方向试验时测试断面的车辆位置分别是：1位、6位、16位、30位、42位、49位；上行方向时车辆位置分别是：51位、46位、36位、22位、10位、3位。

2　车钩力结果分析

在整个试验过程中，5种编组的最大拉钩力913 kN；最大压钩力1 194 kN，试验中只有1次车钩力超过1 000 kN。从拉钩力最大值出现的工况来看，全部是在列车提速阶段，在机车牵引时产生；压钩力的大值主要出现在制动工况，包括紧急制动、常用全制动、机车施加电制动等，另外，在列车提速时尾部机车顶推也会造成尾部车辆承受较大的压钩力。

重点研究紧急制动、常用全制动和长大下坡道循环制动3种工况下的纵向车钩力及其变化规律。

2.1紧急制动

紧急制动是在紧急情况下为使列车尽快停车而施行的制动，作用比较迅猛，是列车运行中较为恶劣的工况，制动时产生的车钩力较大。图1是本次试验在各种编组条件下紧急制动时的最大车钩力，下行方向全空、空重、全重编组的最大车钩力分别为386,435,648 kN，上行方向空重、全重编组的最大车钩力分别为890,794 kN。

从下行方向的数据来看，全重编组的车钩力明显大于空重编组，增加幅度为49%；空重编组略大于全空编组，增加幅度为12%，可见随着列车总重的增加，紧急制动时的车钩力也增大。

图1　各种编组紧急制动最大车钩力

2.1.1制动初速度对紧急制动车钩力的影响

为分析不同制动初速对紧急制动车钩力的影响，现将3种制动初速度：80，90，100 km/h的平道紧急制动车钩力数据进行比较，编组为全重编组A，将下行方向和上行方向的数据分别进行对比，见图2和图3。

图2　全重编组A下行方向平道紧急制动各断面最大车钩力

图3　全重编组A上行方向平道紧急制动各断面最大车钩力

从图2和图3 来看， 80,90,100 km/h 3种制动初速度的车钩力数据差异不大，而且上下行都有一致的结论。从各断面的车钩力数据来看，列车头部和尾部的车钩力较小，中后部(下行第30位、上行第36位)最大。

2.1.2平道与下坡道紧急制动车钩力的差异

在编组、制动初速度、运行方向都相同的条件下对比平道和-11‰下坡道紧急制动时的车钩力，可以看出坡度对车钩力的影响。

图4是全重编组A在下行线以80 km/h初速度紧急制动的车钩力，图5是全重编组C在下行线以100 km/h初速紧急制动时的车钩力，图中可见平道紧急制动车钩力明显大于下坡道紧急制动。全重编组A以80 km/h初速度紧急制动时平道的车钩力比下坡道大81%，全重编组C以100 km/h初速度紧急制动时平道的车钩力比下坡道大50%。在列车中部车钩力最大的位置，两种坡度的车钩力相差最大。

下坡道紧急制动车钩力较小主要受线路条件影响。实施制动前列车一直运行在长大下坡道，在机车电制力的作用下列车处于压缩状态，进行紧急制动时纵向冲动较小因而车钩力也较小。而平道紧急制动前机车一直施加牵引力，列车处于拉伸状态，这时进行紧急制动纵向冲动较大，产生的车钩力也大，这与大秦线重载列车的试验结论一致[4]。

图4　下行方向全重编组A初速度80 km/h紧急制动各断面最大车钩力

图5　下行方向全重编组C初速度100 km/h紧急制动各断面最大车钩力

2.1.3紧急制动时拉钩力产生原因分析

全重编组C上行方向紧急制动时产生了明显的拉钩力，试验中最大拉钩力415 kN。通过分析车辆的制动性能，认为产生拉钩力的主要原因是混编列车中27 t轴重货车制动率较低，导致实际制动力明显低于既有通用货车，在某些编组情况下紧急制动时会产生较大的拉钩力。

本次试验主管定压为600 kPa，各参试车辆的换算制动率如下：26辆27 t轴重货车中，有7辆的制动率为0.144～0.146, 另有10辆的制动率为0.154～0.160，其余9辆的制动率为0.201～0.206；12辆既有60t级敞车制动率为0.210；12辆既有70 t级敞车的制动率为0.215。可见27 t轴重货车的制动率明显低于既有通用货车，制动时的减速度也小于既有通用货车。

全重编组C上行方向试验时，绝大部分27 t轴重货车在列车前部，既有通用货车在列车后部。图6(b)是上行方向紧急制动时的车钩力波形，可以看到车钩力的变化过程是先产生压钩力然后产生拉钩力，产生拉钩力的原因分析如下：由于27 t轴重货车的制动率明显低于既有通用货车，在列车实施紧急制动时，27 t轴重货车减速度较小，而既有通用货车减速度较大，这就使得既有通用货车的速度会在某一时刻低于27 t轴重货车，由于既有通用货车编挂在列车后部，这就使得后部车辆的速度低于前部车辆时，在列车中必然产生拉钩力，两部分车辆的速度差越大，产生的拉钩力也越大。而下行方向的情况正好相反，既有通用货车在列车前部，27 t轴重货车在列车后部，紧急制动时，前部车辆的速度低于后部车辆，车辆间产生挤压作用，从而在列车中产生压钩力。图6(a)是下行方向紧急制动时的车钩力波形，可以看到下行方向只产生压钩力。

图6　全重编组C紧急制动车钩力时间历程

紧急制动出现拉钩力的情况在大秦线1.5万t混编组合列车试验时也出现过，1.5万t混编列车编组为：前102辆为C80B货车，后54辆为C70货车，由于列车后部的C70货车制动率大于前部的C80B货车，在紧急制动时，后部车辆的减速度大于前部车辆，列车中产生了较大的拉钩力[5]。

2.2常用全制动

常用全制动属于列车运行中比较恶劣的工况，本次试验对所有编组全部设置了常用全制动停车试验，线路分平道和-11‰下坡道两种，制动初速度为80 km/h和100km/h，试验地点与紧急制动的试验地点相同。图7是各种编组的常用全制动最大车钩力，下行方向空重、全重编组的最大车钩力分别为387，413 kN，上行方向全空、空重、全重编组的最大车钩力分别为318，573，625kN。

从上下行的数据来看，上行方向的车钩力明显大于下行方向，平均增加幅度为37%，上行方向车钩力数据偏大的原因见本文2.1.2。

全重C编组在下行方向常用全制动时也产生了明显的拉钩力，最大拉钩力257 kN，产生拉钩力的原因也是由于27 t轴重货车的制动率较低。

图7　各种编组常用全制动最大车钩力

2.2.1制动初速度对常用全制动车钩力的影响

常用全制动试验制动初速度分为80，100 km/h两种，为对比不同制动初速度下常用全制动的车钩力，现选取全重编组C在下行方向-11‰下坡道的试验数据，见图8 ；再选取全重编组C在上行方向平道的试验数据，见图9。从图中可以看出，80，100 km/h两种制动初速度各个测试断面的车钩力差异不大，与不同制动初速度紧急制动的结论相一致。

图8　全重编组C下行方向-11‰下坡道常用全制动各断面最大车钩力

图9　全重编组C上行方向平道常用全制动各断面最大车钩力

2.3长大下坡道循环制动

循环制动在下行方向的长大下坡道进行，试验区间最大坡道-13‰，平均坡度-8.9‰。机车不使用再生制动，均采用列车管减压50～70 kPa的空气制动进行调速。本次试验限速80 km/h循环制动的最大车钩力305 kN(压钩力)，限速100 km/h的最大车钩力315 kN(拉钩力)，全部是在全重编组C时第42位货车出现的。

全重编组制动和缓解时的典型车钩力波形如图10，图中可以看到，循环制动时列车制动和缓解会引起车钩力明显变化，制动时主要产生压钩力，缓解时则是先拉钩后压钩，与以往的重载试验结果相似。

图10　典型断面循环制动车钩力时间历程

3　结　论

(1)本次“既有线开行27 t及以下轴重混编列车综合试验”采用27 t轴重货车与既有通用货车的混编列车，在不同编组、不同装载情况、不同制动初速度、不同坡度条件下对多种制动工况的车钩力进行了大量试验研究，最大车钩力均小于1 000 kN。

(2)混编列车中27 t轴重货车制动率较低，当27 t轴重货车编组在列车前部，既有通用货车编组在列车后部时，紧急制动工况会出现较大的拉钩力；

(3)对于下坡道制动工况，进行空气制动前机车已经施加电制力，使得列车处于压缩状态，制动时产生的车钩力较小。对于平道制动工况，空气制动前机车施加牵引力，列车处于拉伸状态，制动时的车钩力较大。

27 t轴重货车与既有通用货车的制动率存在明显差异，对制动时的纵向车钩力有一定影响，以往的重载列车试验一般采用同一车型的货车，制动率相同，因此，已有的重载试验结论不完全适用于混编列车。建议对27 t轴重货车与既有通用货车混编时列车纵向车钩力进行深入研究，选择合理的编组方案，减小车钩力，保证行车安全。

[1]王新锐，等.既有线开行27 t及以下轴重混编列车技术性能试验研究，TY字第4118号[R].北京：中国铁道科学研究院,2015.

[2]耿志修.大秦线铁路重载运输技术[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[3]严隽耄，翟婉明，陈清．重载列车系统动力学[M]．北京：中国铁道出版社，2003.

[4]徐倩，王悦明，倪纯双．重载列车纵向冲动分布试验研究[J]．中国铁道科学，2013,(7)：77-83.

[5]王新锐，等.大秦线1.5万吨混编组合列车试验(普通列尾)试验报告，2013年JL字第034号[R].北京:中国铁道科学研究院,2013.

Test Research on the Longitudinal Coupler Force of Mixed Train of 27 t Axle-load and Below

ZHANGShengyu,XIONGXin,ZHANGTianying,JIANGCheng

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences , Beijing 100081， China)

In order to research the performance of mixed train for 27t axle load and below, China Railway organized the test, which tested the mixed train for 27t axle load and below on Railway Passage at Central South of Shanxi Province. This paper analyzes the results of the longitudinal coupler force, when the mixed train operates emergency braking，common full braking，cycle braking on the Long Heavy Down Grade, and provide technical support with operation of the mixed train for 27t axle load on the existing lines. The results show that the maximum coupler-pulling force is 913kN, the maximum coupler-pressing force is 1194kN, and the force more than 1000kN has appeared only once of different marshalling and different loading. As a result of the difference of the braking ratio which significantly smaller than the existing general wagon, affect by the marshalling, it is liked to appear heavy coupler-pulling force when the mixed train operate emergency braking.

27 t Axle-load; mixed train; braking; longitudinal force

1008-7842 (2016) 04-0012-05

��)男，副研究员(

2016-03-28)

U272

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.03

*中国铁路总公司2014年重大科技研究项目(2014J002-A)