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浅谈货物列车纵向冲动问题分析研究
论文关键词：货物列车；动力学；纵向冲动
论文摘要：总结了货物列车纵向冲动的基本因素，从货物列车制动、车钩间隙、司机操纵等方面，分析研究了对货物列车纵向冲动的影响，并提出了改善货物列车纵向冲动的措施。
1影响货物列车纵向冲动的因素
列车的纵向运动分为稳态和非稳态2种。根据列车纵向动力学的理论分析和实际试验结果，货物列车的纵向冲动发生在非稳态的列车运行过程中。包括机车启动时，牵引力传输引起纵向冲动的启动工况；列车制动或制动缓解过程中，制动力传输引起纵向冲动的制动工况：各车辆之间的非刚性连结车钩缓冲装置引起的纵向冲动等。而稳态运动是列车在常力或缓变力作用下的运动。在这种情况下，列车中各车之间的相对位移量极其微小，对列车的纵向运动没有明显影响。
影响货物列车纵向冲动的因素按其变化情况，可以分为在运行过程中保持不变的因素和在运行过程中随时间变化的因素2大类。
1．1在运行过程中保持不变的因素
(1)列车编组情况及有关的初始条件，如机车车辆的重量等。
(2)列车的编组辆数和长度。
(3)车钩缓冲器类型和车钩间隙。
(4)机车车辆制动机的类型。
1．2在运行过程中随时间变化的因素
(1)空气制动系统各部分的压力分布情况，包括列车管、副风缸和制动缸的压力以及漏泄量，与列车管的减压或增压速度、司机的操纵方式等有关。
(2)闸瓦或闸片与车轮踏面或制动盘的摩擦，是摩擦副形式，是运行速度、闸瓦压力、温度等的函数。
(3)机车的动力制动力与操纵方式、速度有关。
(4)列车的运行阻力包括空气阻力、轴承摩擦阻力和轮轨阻力。
(5)线路纵断面的坡道和曲线情况等。
2影响货物列车纵向冲动因素的分析
2．1货物列车在制动时产生制动冲动的主要因素
2．1．1空重车混编的影响
随着车辆技术的发展，货车的载重在增加而自重逐渐减轻．空车与重车之间重量的差别越来越大，货车自重系数越来越小。因此，货物列车在制动时，空车和重车的制动率大小不一致．造成空车和重车的减速度不一致，从而产生货物列车的制动冲动。在列车空重车混编时，特别是“重+空+重”的编组形式是最不利的。在列车变化操纵的非稳态工况下(如制动、缓解、调速等)，前后重车很容易对中间空车造成“前阻后涌”的情况，还有可能使空车产生压屈上浮(减载)，进而造成脱轨。
2．1．2列车管减压速度的影响
由于货物列车运行速度提高、编组加长、载重加大，列车中每一辆车的制动作用不是同时发生的，列车管减压逐渐从前端车辆传递到后部车辆，即列车前部制动力形成早、上升快．后部车辆制动力形成晚而慢，这就不可避免地使货物列车产生纵向冲动。
制动作用是沿列车长度方向由前向后发生的，制动作用发生的快慢，取决于列车管的减压速度，减压速度越快．制动波速越高，列车前后部制动作用的同时性越好。这既可缩短制动距离，确保列车行车安全，又可有效地缓和列车的制动冲动。
2．1．3制动缸压力上升特性的影响
根据列车制动过程中各车辆制动缸压力的变化和分布情况，整个制动过程可划分为4个阶段。第1阶段由于制动作用使列车中部产生的静压缩力最大，第2阶段产生的动压缩力与第1阶段产生的静缩力之和为总压缩力。总压缩力使车钩缓冲器弹簧的压缩量达到最大，总压缩力大到一定值时，使车钩缓冲器变成刚体失去缓冲作用，造成列车更大的制动冲击。如何兼顾减轻冲击和不延长制动距离这2个方面的要求，解决的办法是制动缸变速充气。
列车制动过程中形成的冲击力大小，与牵引缓冲装置的特性有关。当牵引缓冲装置具有2种刚度时，它的全部动程可分为2部分。第1部分动程刚度较小．承受一般的冲击载荷。在受到较大的冲击力时才开始第2部分动程。所以，在制动之初，为了争取时间，可以让制动缸压力很快地由0跃升到某一个数值P1(图1)，条件是由于P1引起的列车冲击力不超过缓冲器第1部分动程所允许的数值。然后，使制动缸压力上升的速度变慢，即进入缓升阶段，直至列车达到完全压缩状态，即冲击的危险过去之后，再让制动缸压力第2次跃升，直到制动缸压力达到最高允气斥力为止。这时产生的压缩是静力压缩，其值稍大些也没有危险。
2．2车钩间隙对纵向冲动的影响
我国的主型车钩为13号车钩，其纵向间隙为19．5mm，对于5000t以上的重载列车来说，加上缓冲器的变形，可造成5m以上的累计间隙，从而使列车在冲动过程中车辆问隙产生很大的相对加速度。13号车钩的纵向间隙虽为19．5mm，只占整个车辆的纵向间隙的较小部分，但是，其危害性却是很大的。由于很大的相对加速度，导致列车产生2～3倍的纵向冲击力，这种纵向冲击力是影响重载列车运行安全和车辆零部件损坏的重要原因之一。因此，通过缩小车辆的纵向问隙来降低列车的纵向冲击力是非常必要的。
表1列举了几种不同重载列车因车钩间隙不同引起纵向力变化的实验结果。由表1可以看出，车辆的纵向间隙越大，受拉列车的制动冲击力越大。因此，车辆的纵向间隙是造成重载列车的制动纵向冲击力过大的重要原因。
2．3因司机操纵使列车产生纵向冲动的几种情况
(1)列车在中低速运行时，如司机操纵使用制动机减压量过大，容易造成列车纵向冲动；如司机使用制动机调速时减压量过小，列车主管制动波速过慢，列车制动机前后作用不一致，也容易产生列车纵向冲动。
(2)列车在到站停车时，由于刮机采取2次或多次制动，使得列车主管尾部风还未来得及充满，而又再次施行制动，就会造成列车纵向冲动。
(3)列车在下坡车站起动和运行中，由于刮机提回手柄过快，机车牵引力瞬问增大，造成列车冲动在坡度突然变陡处，由于司机提回手柄较晚，造成列车在惰力运行中发生纵向冲动。
2．4影响货物列车纵向冲动因素的总结
(1)在列车加速过程中，随着列车运行速度的提高，列车纵向冲动将有所增大。
(2)减小列车车钩纵向连挂问隙，可以降低列车在不同速度等级下的纵向冲动水平，减小列车纵向冲动发生的概率。
(3)延长制动缸充气时间可以减轻纵向冲力，但延长了紧急制动距离。
(4)纵向冲动随列车制动减压量和列车制动率的增力口而增大。
3改善货物列车纵向冲动的措施
(1)推广运用密接式车钩或小间隙车钩。
(2)采用列车纵向冲动仪。目前铁道部装备部组织开发的列车纵向冲动仪，有利于定量确定纵向冲动情况，提高司机的操作水平。
(3)加强列车的平稳操纵，应“严守速度、防止超速”。当动力制动不能控制列车速度时，及时配合使用空气制动。
(4)在现有自动无级空重车调整装置的基础上进行技术改造，考虑采用压力测重方式的测重装置，可以最大限度地避免振动对测重精度的影响，测得信号以空气压力形式传给控制阀。也可考虑采用客车平衡阀的结构易于实现类似客车的精确测重，但方式与问接作用式制动机联合使用较为理想。
(5)应充分考虑高速、重载、长大编组列车的制动冲击问题研制新型车辆制动机，着重考虑通过列车管的局部减压来提高列车管的减压速度，减轻货物列车制动冲击。
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