大秦线重载列车运行仿真计算研究

第29卷,第2期 中国铁道科学Vo l 29No 2

2008年3月 CH INA RAILWAY SCIEN CE

M ar ch,2008

文章编号:1001 4632(2008)02 0088 06

大秦线重载列车运行仿真计算研究

耿志修1,李学峰2,张 波2

(1.中华人民共和国铁道部,北京 100884; 2.中国铁道科学研究院机车车辆研究所,北京 100081) 摘 要:针对大秦线的实际情况,通过建立重载列车运行仿真计算模型,研究大秦线不同编组重载列车的牵引、制动等技术参数,为大秦线组织重载列车试验、制订合理的操纵方法和保证列车安全、可靠、正点、高效、节能运行提供技术依据。仿真计算表明:采用L OCO T RO L 技术,运用合理的操纵方法,按照SS 4型机车(1+2+1)和(4 5000t)编组方式以及HX D 1机车(1+1+0)编组方式牵引2万t 组合列车,均能够满足大秦线运行时分以及长大下坡道对循环制动再充风时间的安全性要求。采用H X D 1型机车(1+1+0)编组方式牵引2万t 列车的最大纵向力比SS 4型机车(1+2+1)编组方式的稍大,紧急制动最大纵向力一般在2000kN 以下,常用全制动最大纵向力为1000kN 左右,均有一定的安全裕量。仿真计算结果与实际试验结果相吻合,为大秦线成功开行2万t 级重载组合列车提供了技术支持。

关键词:重载列车;牵引;制动;大秦线;重载运输;仿真研究 中图分类号:U 260 131:U 292 921 文献标识码:A

收稿日期:2007 12 30;修订日期:2008 01 21

基金项目:铁道科学技术研究发展中心计划项目(2005YF13) 作者简介:耿志修(1952 ),男,河北石家庄人,高级工程师。

随着我国国民经济的迅速发展,大秦线作为我国第1条重载线路,原设计能力已远远不能满足运量增长的要求,铁道部决定通过开行万t 和2万t 列车,大幅度提高大秦线运输能力[1]。在铁道部的组织下,借鉴国外发展重载运输的经验,围绕大秦线具体情况,运用现代计算机技术和列车纵向动力学理论,开展了重载列车运行的仿真计算研究。

1 仿真计算研究的主要内容

大秦线重载列车运行仿真计算研究主要内容如下:!不同型号机车牵引不同编组重载列车的牵引能力,包括起动加速和全线牵引计算;?不同编组重载列车的制动能力,包括在不同线路条件下的调速制动、常用制动和紧急制动能力;#长大下坡道重载列车运行的安全性,包括司机操纵方法和列车纵向力、循环制动再充风;?采用LOCOTROL 装置条件下大秦线组合重载列车的操纵技术和故障对策。

以重车方向长大下坡道区段的操纵技术为重点,对大秦线西段K139 K183区间(平均坡度-8 2%)和K286 K307区间(铁炉村 下庄,平

均坡度-10 5%)2个长大下坡道,进行仿真计算,并将计算结果与试验结果进行分析对比。

2 仿真计算研究的基本模型

影响重载列车运行的主要因素包括线路条件、供电状况、机车车辆装备、列车编组、操纵方法等。其中,供电状况主要影响机车功率的发挥,可通过修正机车模型间接考虑其产生的影响,因此在重载列车仿真计算研究中未单独给于考虑。重载列车仿真计算研究的模型包括纵向动力学模型、LO COT ROL 模型、线路模型等。列车纵向动力学中还包含复杂的非线性因素,例如缓冲器的非线性阻抗特性、车钩间隙变化、牵引与制动的非线性特性等,特别是空气制动系统(包括机车制动控制、列车制动波传递以及各机车车辆空气阀、基础制动装置)的作用特性。因此,在仿真研究中还必须建立有关机车车辆的数据库以及钩缓装置、制动装置的数学物理模型。

2 1 纵向动力学模型

仿真计算采用多质点的列车纵向动力学模型[2 4],如图1所示。

图1 列车纵向动力学模型

m i i=F c i-1-F c i-F w i+F TE i-

F DB i-F B i(1)式中: i为第i车的加速度;m i为第i车的质量;

F c i-1为第i车的前纵向力,F c0-1=0;F c i为第i车的后纵向力,F c n=0;F w i为第i车的总运行阻力,包括等效运行阻力、坡道力、曲线阻力、起动阻力等;F TE i为牵引力,仅作用于机车;F D B i为动力制动力,仅作用于机车;F B i为第i车的空气制动力。

将F c i-1=k i-1(u i-u i-1)和F c i=k i(u i+1-u i)代入式(1),可得

M +!K u=F

u t=0=0= 0

u t=0=0=u0

(2)

式中:M为机车车辆的质量矩阵,!K为列车系统总的非线性刚度矩阵,F为外加激励; ,

u和u 分别为多质点系统各质点相对于平衡点的加速度向量、速度向量和位移向量。

根据列车纵向动力学模型,考虑列车纵向运动的所有因素,包括机车的牵引和动力制动特性、列车空气制动系统特性、钩缓装置特性以及各种运行阻力,分别按物理模型进行仿真,再对每台机车和车辆建立运动方程式,详细求解列车中所有机车车辆的纵向运动过程。

2 2 LOC OTROL模型

大秦线开行2万t重载组合列车应用的LO COTROL装置属于动力分布(DP,Distributed Pow er)控制系统,该系统的基本原理是由主机发送无线信号至分散在列车中的各台从控机车,从而实现多台机车的同步控制。

应用LOCOT ROL装置后,列车中的多台机车几乎可以同时产生制动控制信号,相当于存在多个空气制动的信号源和风源,因此大大缩短了空气制动信号传播的时间和距离,加快了制动、缓解和充风作用;另外,采用机车在列车中的分布布置方式,降低了列车头部的牵引力。因此,LOCO T ROL装置的采用可明显改善列车在牵引、制动时的纵向冲动。

仿真研究的关键是建立DP控制系统的单元模型及对其制动作用进行仿真。仿真模型考虑了控制信号的传播速度以及各从控机车的操作时间延迟。建立制动模型时假设:在列车管中空气制动波双向传播速度相同,即由中间位置机车产生的制动波向后和向前传播的速度相同;忽略机车排风负荷差别对制动波速产生的影响

,即无论机车处于中间位置还是端部位置,认为其产生的制动波传播速度相同[5]。

按照均分的方法将全列划分为几个DP单元(如图2所示),然后再按较短编组的DP单元进行类似于单编列车的纵向动力学仿真计算。

图2 L O CO T RO L重载组合列车空气制动编组示意图

2 3 其他

重载列车仿真计算软件的机车模型和线路模型通过扩展&牵引电算软件?机车数据库和线路数据库实现。根据120 1制动机单阀试验结果以及列车静态制动试验结果,在&牵引电算软件?的空气制动系统模型基础上,建立了新的制动装置模型。

3 仿真计算软件的主要功能

仿真计算软件的主要功能:!完整的列车牵引计算功能,可以完成万t级以上列车甚至3万t列车的牵引计算;?具有实时动态显示仿真计算过程的功能,可提供列车操纵示意图;#可精确模拟不同列车编组、线路条件、装备条件及司机操纵方法,从而进行多方案的比较和仿真计算;?模拟LOCOT ROL装置对重载组合列车中主、从控机车的操纵情况,可改变牵引动力配置;(可实时计算重载组合列车运行过程中各机车或车辆的纵向力和纵向冲动;)可以根据机车运行记录装置中的数据,反演重载列车的实际运行情况,以便验证和分析;?根据需要选择和处理相关数据(速度、距离、时间、纵向力、加速度、操纵把位等)。

该软件自2003年开发应用以来,通过不断实践和完善,已在大秦线开行的重载组合列车上得到广泛应用。

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第2期 大秦线重载列车运行仿真计算研究

4 大秦线2万t重载组合列车仿真计算

2万t重载组合列车(装备LOCOT ROL装置)是目前大秦线开行重载列车的主要方式和仿真研究的重点。以SS4型机车(4 5000t)编组方式、(1+2+1)编组方式牵引重载组合2万t列车、H X D1型机车(1+1+0)编组方式牵引重载组合2万t列车为优化方案和实际运行试验的编组方案,进行计算比较。

4 1 SS4牵引2万t重载组合列车仿真分析

4 1 1 列车运行时分计算比较

湖东柳村区间列车运行时分计算比较见表1。

从表1可以看出,4台SS4机车(4 5000t)编组方式和(1+2+1)编组方式均具有牵引2万t 级重载列车的能力,其运行时分、速度与万t列车差别不大。

4 1 2 列车纵向动力学仿真分析

1)停车制动最大纵向力分析

在大秦线的机车车辆技术装备和线路条件下,对制动初速为80km+h-1时的常用全制动工况、紧急制动工况进行仿真计算,结果见表2和表3。

由表2和表3可见,(4 5000t)编组方式重载组合2万t列车在LOCOTROL装置延迟时间正常(不大于3s)的情况下,最大纵向力可以控制在1500kN以下,(1+2+1)编组方式重载组合2万t列车的最大纵向力也在该安全范围以内,并且与试验结果比较具有良好的一致性。但在出现通信延迟及起伏坡道情况下,常用全制动或紧急制动的最大纵向力有可能超过1500kN,因此必须对通信信号进行补强,并根据计算结果优化操纵方法。

表1 列车运行时分与平均速度

区间

湖东茶坞

运行时间

平均速度

/(km+h-1)

茶坞柳村

运行时间

平均速度

/(km+h-1)

合计时间

万t列车图定要求5h5min59 45h7min62 310h12min

SS4牵引4 5000t

2万t重载组合列车

4h50min~5h13min58 0~62 44h38min~5h10m in68 1~61 79h28min~10h23m in SS4牵引(1+2+1)

2万t重载组合列车

4h53min~5h10min58 5~61 74h34min~5h9m in69 9~699h28min~10h19m in

表2 常用全制动纵向力的试验值[7]与计算值的比较

列车编组方式地点坡度/%制动初速/(km+h-1)

试验值计算值

最大纵向力/k N

试验值计算值

4 5000t组合2万t(新C80)K87 6

K179 5

-12

79 0

80 0

79 0

80 0

-1055

-1087

-900~-1200

-1000~-1300

(1+2+1)组合2万t(新C80)K87 6

K179 5

-12

80 4

80 4

80 0

80 0

-387

-572

-350~-650

-350~-650

(1+2+1)组合2万t(原C80)K87 6

K179 5

-12

80 2

80 2

80 2

80 0

-939

-968

-700~-1000

-800~-1100

15000t组合(C63)K87 6

K179 5

-12

79 4

80 7

79 4

80 7

-1110

-1323*

-950~-1200

-850~-1100

注:*该数据因为本次试验中机车制动信号有延迟问题,故偏大。

表3 紧急制动纵向力的试验值与计算值的比较

列车编组方式地点坡度/%制动初速/(km+h-1)

试验值计算值

最大纵向力/k N

试验值计算值

4 5000t组合2万t(新C80)K64 6

K339

-12

77 0

78 7

77 0

78 7

458

-700

500~700

-700~900

(1+2+1)组合2万t(新C80)K64 6

K86

-12

79 6

81 6

79 6

81 6

430

-2276*

-450~-750

-1100

注:*该数据因为本次试验时信号有问题(非正常作用),故偏大。

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以2万t ((1+2+1)编组方式)列车紧急制动工况为例,计算出的纵向力分布结果如图3和图4

所示。

2)长大下坡道列车循环制动分析

长大下坡道区间重车方向的列车再充气和纵向冲动是大秦线开行2万t 级重载列车的关键技术问题。为保证下坡道的限速要求,在使用动力制动的同时仍必须多次施行空气减压的循环制动,若再充风时间不足将导致列车空气制动能力逐次衰减而危及到列车在下坡道的安全性。同时在调速制动过程中,长大列车的纵向动力作用又会导致车钩力和纵向冲动的剧增

[6,7]

。因此,对长大下坡道上的列车

制动需要通过仿真计算制定合理的操纵方法。

仿真研究表明,2万t 重载组合列车采用LO COTROL 装置,在(1+2+1)或(4 5000t)编组方式下,甚至在使用C 63车辆9000t+6000t 的1 5万t 重载组合列车条件下,合理的操纵方法能够满足大秦线长大下坡道对列车循环制动再充风时间和纵向力的安全性要求。

(1)长大下坡道区间列车操纵方法的基本要求[8,9]。空气制动减压量50kPa,充分利用动力制动,缓解初速不低于30km +h -1

,制动初速按不同区段的限速要求考虑为60或70km +h -1以下。(2)列车循环制动次数。长大下坡道区间列车的循环制动次数主要取决于司机的操纵方法,特别是空气制动减压量和动力制动的使用,此外还有网压波动和机车车辆装置条件的影响。通过对K275 K325区间列车的循环制动次数进行仿真计算,在加强动力制动情况下,循环制动次数为6~8次,与实际试验情况相吻合。

(3)列车再充风时间。对于列车循环制动过程中允许的再充风时间,实际试验和仿真计算有很好的一致性。在利用动力制动和小量空气减压(50kPa)的合理操纵条件下,以大秦线最困难的长大下坡道区间(K275 K325)为例进行仿真,结果见表4。由表4可以看出,6次循环制动,每次制动的平均时间为96s,容许的再充风时间平均在420s 以上。试验和计算的循环制动允许的再充风时间比较见表5。由表4和表5可见,容许的最短再充风时间不仅满足(4 5000t)或(1+2+1)编组方式2万t 重载组合列车的再充风时间要求,也可以满足单编万t 列车的充风时间要求。试验台循环制动试验结果表明,在减压60kPa 的条件下,单编万t 列车需要的再充风时间在2min 以上;根据2005年静置试验的结果,采用LOCOTROL 装置的(4 5000t)或(1+2+1)编组方式的2万t 重载组合列车在小减压量(50kPa)条件下的再充风时间仅需1min 左右。

表4 2万t 重载组合列车((1+2+1)编组方式,新C 80)

6次循环制动计算结果(K275 K325区间)

循环制动次数制动时间/s

可用于再充风的时间/s 制动初速/(k m +h -1)缓解初速

/(km +h -1)

196102966 042 329625866 439 939067866 339 3410626366 339 958530066 040 06

87

>180

66 7

41 6

表5 循环制动允许的再充风时间比较

再充风时间/s 最短可再充风时间/s

平均再充风时间/(s +次-1)

试验结果 189 计算结果

182~925

182

451

(4)不同编组方式列车循环制动的最大纵向力

91

第2期 大秦线重载列车运行仿真计算研究

比较。试验及仿真计算均为最小空气制动减压量(50kPa)和缓解初速在30km+h-1以上的纵向力结果。试验和仿真研究结果表明,重载组合列车的最大纵向力为压钩力或拉钩力,就(4 5000t)或(1+2+1)编组方式2万t重载组合列车而言,均在1000kN以下(见表6和表7)。

表6 循环制动最大纵向力比较(K275K325区间)

重载列车试验值/kN计算值/kN (4 5000t)重载组合列车-634-756 (1+2+1)2万t重载组合列车(新C80)-803-720 (1+2+1)2万t重载组合列车(原C80)-918-821

1 5万t重载组合列车(C63)-738-874

表7 铁炉村下庄区间2万t重载组合列车的

最大纵向力与纵向冲动

操纵条件正常动力制

动最小减压

量/50kPa

正常动力制

动减压60~

70kP a

动力制动不

足(50%)减

压50kPa

最大压钩力/kN-756 7-819 3-832 8

车位107 2145

最大拉钩力/kN 818 1798 878 8

车位103177103

最大加速度/(m+s-2) 6 3 4 5 3 8

车位152 24123

最大减速度/(m+s-2)-7 7-8 3-8 1

车位1082271

4 2 HX D1型机车牵引2万t重载组合列车的编组方式及牵引能力分析

根据大秦线年运量不断增长对牵引动力的要求,将大量使用新型的H X D型电力机车。采用H X D型机车后减少了机车使用台数,因此需要进行优化牵引动力配置的研究。仿真以H X D1为牵引机型进行。

4 2 1 编组方式比较

以3台H X D1型机车和2台H X D1型机车牵引210辆原C80型敞车,牵引重量21000t为编组方式。按照大秦线2万t重载组合列车运行的实际情况和H X D1型电力机车的技术参数,选择3种仿真计算方案(见表8)。参考重载列车纵向动力学试验结果[6],由2台H X D1型机车牵引2万t重载组合列车时,考虑了2种编组方式:!(1+0+1)编组方式,即主控机车在列车头部,从控机车在列车尾部;?(1+1+0)编组方式,即主控机车在列车头部,从控机车在列车中间。

4 2 2 全程运行时分及牵引能力比较 H X D1型机车和SS4型机车不同编组方式下牵引能力和运行时分仿真计算的比较见表9。H X D1机车(1+1+0)编组方式的单位重量牵引功率最小,运行时分满足万t列车图定要求。采用该编组方式开行2万t重载组合列车,不仅可大幅减少机车保有量,还能降低运输成本。

表8 3种仿真计算方案

序号编组方式编组内容总重/t

1(1+1+1)

H X D1型+105 C80+HX D1型+

105 C80+H X D1型

21600

2(1+0+1)

H X D1型+105 C80+

105 C80+H X D1型

21400

3(1+1+0)

H X D1型+105 C80+

H X D1型+105 C80

21400

表9 牵引功率和运行时分的比较

牵引

动力

牵引重量

/t

单位重量牵引

功率/(kW+t-1)

运行时间

HX D1型 3210001 369h14m in30s

HX D1型 2210000 909h36min

SS4型 4210001 159h28min

SS4型 3170001 059h30min

研究结果表明,2台H X D1型机车具有足够的牵引能力;长大下坡道仿真计算和试验结果表明,循环制动的再充风时间满足安全性的要求。实际试验结果表明,H X D1型机车(1+1+0)编组方式下牵引2万t重载组合列车在紧急制动和常用全制动工况下的最大纵向力比SS4型机车(1+2+1)编组方式下牵引2万t重载组合列车的最大纵向力稍大,一般紧急制动的最大纵向力在2000kN以下,常用全制动的最大纵向力为1000kN左右,均有一定的安全裕量,但车钩力较SS4型机车(1+2+1)编组方式有所增加,需进一步加强研究。

5 结 语

应用仿真计算方法进行分析,具有选择方案多、信息含量大、风险小、成本低的优势。采用该方法进行大秦线重载运输仿真计算研究,为制订&2万t重载组合列车操纵技术规范?、&2万t重载组合列车应急预案?、&2万t重载组合列车操纵运行示意图?提供了大量科学依据,成为研究大秦线重载组合列车合理操纵技术的有效工具。

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参考文献

[1] 耿志修.大秦线开行2万t 重载组合列车系统集成与创新[J].中国铁路,2007(9):25 29.

(G EN G Z hixiu.Systematic Integr atio n and Innov ation of O per ating 20000t Heav y H aul T r ains on Datong Q in huang dao Railwa y [J].Chinese R ailway s,2007(9):25 29.in Chinese)

[2] 常崇义,王成国,马大炜,等.两万吨组合列车纵向力计算研究[J].铁道学报,2006,28(8):89 94.

(CH A NG Chong yi,WA N G Chengg uo ,M A D awei,et al.St udy on Numerica l Analysis o f L o ng itudina l For ces of the T 20000H eavy Haul [J].Journal o f the China Railw ay Society ,2006,28(2):89 94.in Chinese)

[3] Fancher P S,Er vin R D,M acAdam C C,et al.M easur ement and Representation of T ruck Leaf Spr ing [R].Ann

Ar bor:H igh Safety R esear ch Institute,T he U niv ersit y of M ichigan,1980.

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

[5] 张 波,钱立新.重载列车ECP/L O CO T RO L 系统的仿真研究[G].铁道科学研究院55周年论文集.北京:中

国铁道科学研究院,2005:142 152.

[6] 中国铁道科学研究院机车车辆研究所.大秦线采用L ocotr ol 技术开行2万t 重载组合列车试验报告[R].北京:

中国铁道科学研究院,2006.

[7] 马大炜.关于大秦线重载列车下坡道安全运行和纵向力问题[J].铁道车辆,2005,43(1):1 4.

(M A Daw ei .T he R unning Safet y and L ongitudinal F orce of Heav y Haul T r ains on Dow nhill Slope of Daqin L ine [J].Rolling Stock,2005,43(1):1 4.in Chinese)

[8] 大秦铁路公司湖东机务段.两万吨重载组合列车平稳操纵规范[Z].大同:大秦铁路公司湖东机务段,2007. [9] 大秦铁路公司湖东机务段.二万吨列车安全运行预案[Z].大同:大秦铁路公司湖东机务段,2007.

Simulation Study of Heavy Haul Train Operation on

Datong Qinhuangdao Railway

G EN G Zhix iu 1

,LI Xuefeng 2

,ZH A N G Bo

2

(1.M inistr y of R ailw ay s o f the People ,s Republic of China,Beijing 100884,China;

2.L ocomo tive and Car Resear ch I nstit ute,China A cademy of Railw ay Sciences,Beijing 100081,China)

Abstract:Based on the real conditions of Datong Qinhuangdao Line,the simulation mo del of heavy haul tr ain is established,thr oug h w hich the traction,braking and other technical param eters are studied fo r heavy haul tr ains w ith differ ent form ations.T he purpose of simulatio n study is to prov ide technical basis

fo r o rganizing heavy haul train test,framing r easo nable train operation method,and ensuring the safe,re liable,punctual,efficient and ener gy saving o peratio n.Sim ulation calculation sho ws that equipped w ith LOCOTROL and oper ated acco rding to reasonable methods,20000t com bined heav y haul train of differ ent formations,including 1+2+1style and 4 5000t style train dr iv en by SS 4,1+1+0sty le driven by H X D 1,can satisfy the requirem ent of time schedule and char ging time fo r cycle brake o n long steep dow n g rade.The m ax imum longitudinal fo rce occur red in 20000t tr ain during emergency brake and ser vice brake for 1+1+0style train driven by H X D 1locomo tive is a little bit larger than that o f 1+2+1style tr ain driven by SS 4lo com otive.Generally,the max im um longitudinal force is less than 2000kN during e m er gency brake.T he m ax imum long itudinal force under ser vice brake case is about 1000kN.T her e is safety margin fo r both cases.Simulatio n results and test results match w ell.Sim ulation study provides technical support fo r successfully oper ating 20000t com bined heav y haul train on Datong Qinhuangdao Line.

Key words:H eav y haul train;T raction;Br aking;Dato ng Qinhuang dao Line;H eav y haul transpor tation;Sim ulation study

(责任编辑 杨宁清)

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