本站小編為你精心準(zhǔn)備了重載列車動(dòng)能闖坡性能分析參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)》2015年第五期

隨著中國(guó)重載鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，貨物列車的牽引質(zhì)量與編組長(zhǎng)度不斷增加，在既有線路上開(kāi)行擴(kuò)編后的貨物列車極有可能面臨動(dòng)能闖坡的問(wèn)題。張波計(jì)算了襄渝線采用和諧系列電力機(jī)車后的牽引質(zhì)量，但未考慮動(dòng)能坡道對(duì)牽引質(zhì)量的影響；閆永平等對(duì)重載列車的途停原因進(jìn)行了分析，提出了動(dòng)能坡道的折減公式，但并未考慮列車長(zhǎng)度對(duì)闖坡性能的影響；董雪婷等基于列車單質(zhì)點(diǎn)模型對(duì)比分析了不同電力機(jī)車的牽引性能；Howlett基于同樣的模型研究了列車的節(jié)能操縱方式；Liu等計(jì)算出列車的最佳操作序列以盡量減少能源消耗；李廣峰指出在進(jìn)行機(jī)車操縱優(yōu)化分析時(shí)采用多質(zhì)點(diǎn)模型更貼近實(shí)際，但會(huì)帶來(lái)較大的計(jì)算量；石紅國(guó)在列車單質(zhì)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上提出了通過(guò)條件化簡(jiǎn)縱斷面來(lái)提高列車牽引質(zhì)量計(jì)算精度的建議。列車多質(zhì)點(diǎn)模型的建模難點(diǎn)主要集中在鉤緩裝置與空氣制動(dòng)裝置等子系統(tǒng)非線性特性的處理方面。

Geike運(yùn)用線性鉤緩系統(tǒng)模型研究了地鐵車輛運(yùn)行過(guò)程中縱向車鉤力過(guò)大的原因；Cole等充分考慮了車鉤間隙與緩沖器阻抗遲滯特性等因素，對(duì)比分析了3種不同類型鉤緩裝置對(duì)列車縱向動(dòng)力學(xué)性能的影響；馬衛(wèi)華等從緩沖器靜態(tài)與動(dòng)態(tài)阻抗特性出發(fā)，對(duì)彈性膠泥型緩沖器和摩擦膠泥型緩沖器進(jìn)行了對(duì)比分析；Piechowiak仿真分析了克諾爾閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)與空氣制動(dòng)系統(tǒng)性能的匹配關(guān)系；魏偉針對(duì)中國(guó)重載列車的實(shí)際情況，采用數(shù)值方法建立空氣制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型；Ansari等對(duì)列車縱向動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了較綜合的研究，考慮了緩沖器剛度及阻尼、列車運(yùn)行速度、空重車分布等因素；Nasr等分析了制動(dòng)系統(tǒng)延時(shí)對(duì)列車縱向動(dòng)力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明壓鉤力隨延時(shí)的增加而增加，而拉鉤力隨延時(shí)的增加而減小，最大壓鉤力或拉鉤力出現(xiàn)的位置并未隨延時(shí)變化而發(fā)生改變；石紅國(guó)等以城市軌道交通列車為研究對(duì)象，對(duì)比分析了多質(zhì)點(diǎn)模型與單質(zhì)點(diǎn)模型在工況轉(zhuǎn)化方面的差異，結(jié)果表明多質(zhì)點(diǎn)模型更接近實(shí)際操縱情況；Zhuan等采用多質(zhì)點(diǎn)模型從能耗及車鉤力入手提出了最優(yōu)操縱算法，其中車鉤采用了分段線性模型；Chou等將分段線性模型進(jìn)一步完善為具有遲滯特性的車鉤模型。綜上所述可知，列車多質(zhì)點(diǎn)模型較為完善，為更精確地描述長(zhǎng)編組重載列車的動(dòng)能闖坡性能提供了理論基礎(chǔ)，但采用多質(zhì)點(diǎn)模型研究列車動(dòng)能闖坡問(wèn)題的相關(guān)工作不多。本文基于列車縱向動(dòng)力學(xué)理論，采用列車多質(zhì)點(diǎn)模型，分析了動(dòng)能坡道長(zhǎng)度、動(dòng)能坡道坡度、列車編組數(shù)量、列車闖坡初速度等因素對(duì)長(zhǎng)編組重載列車闖坡性能的影響，并與傳統(tǒng)單質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行了對(duì)比。

1模型建立

1．1列車多質(zhì)點(diǎn)模型列車多質(zhì)點(diǎn)縱向動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖1，列車共有n節(jié)車輛，i為車輛編號(hào)，以每節(jié)車輛作為一個(gè)單自由度質(zhì)點(diǎn)，考慮列車縱向運(yùn)動(dòng)的所有因素，包括機(jī)車的牽引和動(dòng)力制動(dòng)特性、列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)和鉤緩裝置的特性及各種運(yùn)行阻力，再對(duì)車輛建立運(yùn)動(dòng)微分方程，詳細(xì)求解列車中各車輛的縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于組成列車的n節(jié)車輛，可列出n個(gè)運(yùn)動(dòng)微分方程，組成一個(gè)二階微分方程組，本文采用新型顯式積分方法對(duì)此方程組進(jìn)行數(shù)值積分求解［18］。

1．2鉤緩系統(tǒng)模型鉤緩系統(tǒng)是車輛的重要組成部分，其建模的準(zhǔn)確性將會(huì)直接影響到列車縱向動(dòng)力學(xué)的仿真結(jié)果。本文采用的鉤緩系統(tǒng)模型見(jiàn)圖3。當(dāng)鉤緩系統(tǒng)加載時(shí)，根據(jù)相鄰兩車的位移差在加載曲線F1上插值出阻抗力，同理可知鉤緩系統(tǒng)卸載時(shí)則在卸載曲線F2上插值出阻抗力。當(dāng)緩沖器從加載曲線跳轉(zhuǎn)到卸載曲線時(shí)，由于2條曲線存在差值，會(huì)出現(xiàn)積分的間斷點(diǎn)，本文采用“速度法”處理鉤緩間斷點(diǎn)。

1．3計(jì)算流程單質(zhì)點(diǎn)模型完全忽略列車長(zhǎng)度對(duì)牽引性能的影響，在建模時(shí)將整列車簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度的質(zhì)點(diǎn)，因此，在動(dòng)能闖坡仿真分析時(shí)，任意時(shí)刻整列車均處于同一線路坡度上。而多質(zhì)點(diǎn)模型由于考慮了列車中各機(jī)車車輛沿線路的縱向分布，在每一個(gè)積分步長(zhǎng)中，都可以根據(jù)每節(jié)車輛的線路里程依次確定其所處的線路坡度，再分別計(jì)算各車輛所受到的坡道阻力，具體流程見(jiàn)圖4。圖4中：t為時(shí)間；T為計(jì)算時(shí)長(zhǎng)；Si為車輛i的位置；Li為車輛的長(zhǎng)度；xi為車輛的位移。與單質(zhì)點(diǎn)模型相比，采用多質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行重載列車動(dòng)能闖坡計(jì)算更符合工程實(shí)際情況，其計(jì)算結(jié)果也更為精確。

2仿真結(jié)果分析

在重載列車動(dòng)能闖坡過(guò)程中，通過(guò)坡頂?shù)乃俣仍酱螅砻鬟M(jìn)一步提升牽引質(zhì)量的空間越大，即此重載列車闖坡性能越優(yōu)異。為對(duì)2種模型的動(dòng)能闖坡性能進(jìn)行對(duì)比分析，參考國(guó)內(nèi)某重載線路上的萬(wàn)噸重載列車編組，設(shè)置仿真列車的編組形式為SS4機(jī)車（2輛重聯(lián)）＋C70貨車。線路的設(shè)置見(jiàn)圖5，前段為800m水平線路，中段為坡長(zhǎng)為L(zhǎng)、坡度為R的坡道，后段為2200m水平線路。

2．1列車初速度與編組對(duì)闖坡性能的影響研究重載列車初速度對(duì)闖坡性能的影響時(shí)動(dòng)能坡道參數(shù)與重載列車編組為工況1，研究重載列車編組對(duì)闖坡性能的影響時(shí)動(dòng)能坡道參數(shù)與重載列車初速度設(shè)置為工況2（表1）。圖6給出了列車以60km•h－1的初速度實(shí)施動(dòng)能闖坡時(shí)，車輛1、貨車54、108的速度時(shí)程曲線，各車輛的速度無(wú)明顯差異，因此，以機(jī)車1的速度作為列車的速度。圖7給出了初速度為60km•h－1時(shí)單質(zhì)點(diǎn)與多質(zhì)點(diǎn)模型的列車運(yùn)行速度隨線路里程的變化趨勢(shì)，前0．8km為平路，中間2．0km為上坡，坡度為為1％，后2．2km為平路，在經(jīng)過(guò)變坡點(diǎn)時(shí)，單質(zhì)點(diǎn)模型的速度曲線有明顯的“折角”現(xiàn)象，而多質(zhì)點(diǎn)模型的速度曲線較平滑，這是因?yàn)閱钨|(zhì)點(diǎn)模型假設(shè)全部車輛均處于同一坡度的坡道上，當(dāng)坡度變化時(shí)，列車受到的坡道阻力會(huì)發(fā)生突變，而多質(zhì)點(diǎn)模型是隨著列車的前行，各車輛依次出現(xiàn)坡度改變，因此，多質(zhì)點(diǎn)模型更為符合實(shí)際的列車運(yùn)行工況。同時(shí)，單質(zhì)點(diǎn)模型的最低速度出現(xiàn)在動(dòng)能坡道的坡頂（2．8km處），而多質(zhì)點(diǎn)模型的最低速度出現(xiàn)在動(dòng)能坡道坡頂之前，兩者的最低速度相差5．29km•h－1，說(shuō)明單質(zhì)點(diǎn)模型在計(jì)算列車的闖坡性能時(shí)趨于保守。圖8給出了不同初速度下2種列車模型的闖坡最低速度及其速度差。列車的闖坡最低速度隨著闖坡初速的增加而增加，即重載列車闖坡的初速度越高，闖坡性能越優(yōu)；列車的闖坡初速度越低，2種模型的速度差越大，即單質(zhì)點(diǎn)模型的計(jì)算結(jié)果越保守。圖9給出了不同編組條件下2種模型的闖坡最低速度及其速度差。列車的闖坡最低速度隨著列車編組的增加而降低，列車的編組越長(zhǎng)，2種模型的速度差越大。由此可知，列車的編組越長(zhǎng)，闖坡性能越差，且單質(zhì)點(diǎn)模型的計(jì)算精度越低。

2．2坡長(zhǎng)與坡度對(duì)列車闖坡性能的影響在研究動(dòng)能坡道的長(zhǎng)度對(duì)重載列車闖坡性能的影響時(shí)，動(dòng)能坡道參數(shù)與列車編組為工況3，研究動(dòng)能坡道的坡度對(duì)重載列車闖坡性能的影響時(shí)，動(dòng)能坡道參數(shù)與列車編組為工況4（表2）。圖10、11分別給出了不同坡長(zhǎng)、坡度下2種列車模型的闖坡最低速度及其速度差。列車的最低速度隨著坡長(zhǎng)和坡度的增大而近似線性減小，2種模型的速度差則不斷增大，說(shuō)明動(dòng)能坡道的長(zhǎng)度與坡度越大，單質(zhì)點(diǎn)模型的計(jì)算精度越低。

3算例

列車動(dòng)能闖坡?tīng)恳|(zhì)量試湊法的原則為所求牽引質(zhì)量的列車通過(guò)坡頂?shù)乃俣惹『檬菣C(jī)車的計(jì)算速度。具體步驟為：先假定3列不同編組的列車，牽引質(zhì)量分別為M1、M2、M3（圖12），從指定地點(diǎn)起動(dòng)，得到其動(dòng)能坡道的坡頂速度V1、V2、V3，由P1（M1，V1）、P2（M2，V2）、P3（M3，V3）三個(gè)點(diǎn)擬合成一條曲線，根據(jù)機(jī)車計(jì)算速度V4在擬合曲線上通過(guò)插值得到對(duì)應(yīng)的牽引質(zhì)量M4，即為列車動(dòng)能闖坡的最大牽引質(zhì)量，對(duì)應(yīng)點(diǎn)為P4。列車編組與牽引質(zhì)量見(jiàn)表3，SS4機(jī)車的計(jì)算速度V4為51．5km•h－1。圖13、14分別給出了基于單質(zhì)點(diǎn)與多質(zhì)點(diǎn)模型的動(dòng)能闖坡?tīng)恳|(zhì)量試湊法結(jié)果，線路組成為0．8km的平路，0．5km坡度為0．4％的上坡，1．0km坡度為0．1％的下坡，2．0km坡度為1．0％的下坡。基于單質(zhì)點(diǎn)模型的最大牽引質(zhì)量為8250t，基于多質(zhì)點(diǎn)模型的最大牽引質(zhì)量為8750t，比基于單質(zhì)點(diǎn)模型的計(jì)算結(jié)果增加了6．1％。單質(zhì)點(diǎn)模型的計(jì)算精度隨列車編組的增大而降低，因此，隨著貨運(yùn)列車編組的不斷增大，建議采用基于多質(zhì)點(diǎn)模型的牽引質(zhì)量試湊法計(jì)算列車動(dòng)能闖坡的最大牽引質(zhì)量。

4結(jié)語(yǔ)

（1）列車的坡頂速度隨闖坡初速度的增大而增大，隨列車編組、動(dòng)能坡道長(zhǎng)度與動(dòng)能坡道坡度的增大而減小。（2）列車的闖坡初速越高，單質(zhì)點(diǎn)模型的計(jì)算精度越高；列車編組、動(dòng)能坡道長(zhǎng)度與坡度越大，單質(zhì)點(diǎn)模型的計(jì)算精度越低。（3）采用基于單質(zhì)點(diǎn)模型的動(dòng)能闖坡?tīng)恳|(zhì)量試湊法確定列車的最大牽引質(zhì)量時(shí)，其計(jì)算結(jié)果趨于保守，因此，從盡可能發(fā)揮鐵路運(yùn)能的角度出發(fā)，建議采用基于多質(zhì)點(diǎn)模型的動(dòng)能闖坡?tīng)恳|(zhì)量試湊法來(lái)計(jì)算列車的動(dòng)能闖坡最大牽引質(zhì)量。

作者：王開(kāi)云 黃超 單位：西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室