机车充风能力对重载列车缓解性能及车钩力影响研究

机车充气与排气性能是列车制动系统重要指标,目前机车制动系统验收指标仅对排气性能有明确要求,对充气性能无要求。机车供风能力不仅影响重载列车缓解特性和车钩力,而且严重制约重载列车在循环制动中的操纵方法。了解机车充气能力对缓解特性和车钩力的影响规律,以及重载列车安全运行和制动系统设计具有重要意义。通过建立列车空气制动系统仿真模型,分析机车充风能力对重载列车缓解特性和车钩力的影响。分析发现,机车充风能力对列车再充风时间、缓解波传播和车钩力都有明显影响;充风能力越弱,则缓解波传递越慢,车钩力越大。在本文研究范围内,合适的充气能力将比弱充风能力首尾车缓解时间差缩短3 s,最大车钩力降低16.2%。建议机车验收时增加机车充风能力检测,并给出了建议检测标准。针对重载列车充风能力,建议多部门联合系统性开展实验与仿真研究,制订重载列车制动系统检测标准与方法。

重载机车102型钩缓装置动态模拟方法与动力学性能研究

该研究结合试验数据提出了重载机车102型车钩缓冲装置受压动态响应的模拟方法,并研究了该机车及钩缓装置在双机重联牵引万吨列车编组下的动力学性能。基于102型钩缓装置结构特性与受压稳钩机理,采用加权离散方法将缓冲器简化为具有相同迟滞特性的多个阻抗力元,并引入剪切刚度来考虑其相互之间的剪切效应,提出了能够准确模拟钩肩止挡和缓冲器偏压特性的102型钩缓装置动力学建模方法;进而借助子结构方法搭建了“主控机车+重联机车+货车车辆+虚拟货列”的双机重联牵引万吨列车动力学模型,其中四节机车、货车车辆之间采用钩缓装置子结构连接;通过试验数据对比修正了钩缓装置模型中离散阻抗力元间的剪切刚度,并验证了所建列车动力学模型的正确性;计算分析了线路条件、结构参数、机车电制力等对系统动力学响应和运行安全性的影响规律。结果表明:重载机车在小半径曲线上施加大电制力容易引起异常增大的轮轴横向力,危及行车安全;随着车钩最大自由转角的增大,车钩偏转角和机车运行安全性指标均呈逐渐增大趋势;机车二系悬挂横向刚度增大有助于提高机车自身的受压稳定性和减小车钩偏转角,但过大横向刚度又会增大轮轨横向动态作用。

重载组合列车中部机车车钩自由角对轮轨动态相互作用影响分析

针对2万吨重载组合列车中部机车的运行安全性问题,基于102型机车车钩结构特性,建立“1+1”编组形式的重载组合列车动力学模型,探究车钩自由角对轮轨动态相互作用的影响规律。此外,结合机车轮轴横向力的限值,进一步分析不同线路条件下机车的抗压钩能力。计算结果表明:2万吨重载组合列车的中部机车在纵向压钩力作用下,车钩自由角的大小对列车运行安全性指标有显著影响,列车各项运行安全性指标随着车钩自由角增加而显著增大;在直线制动工况下,且当机车车钩自由角达8°时,压钩力超过800 kN将导致轮轴横向力超限;在R300m小半径曲线制动工况下,车钩自由角达7°时,压钩力600 kN将导致机车轮轴横向力超限。因此,合理控制车钩自由角,同时降低列车运行时的纵向冲动对保障列车安全运行具有重大意义。

HXD2型电力机车重载适应性提升研究

研究并提出了HXD2型电力机车在钩缓装置、机车悬挂装置及两者之间参数匹配性等方面的重载适应性提升方案,并通过数值仿真、压钩试验、双机牵引万吨列车试验验证了该方案的有效性和机车的重载适应性。研究表明:102型钩缓装置具有更好的重载适应性,该技术提升方案能够使机车运行安全性和压钩稳定性显著提高。

朔黄铁路1.6万t重载列车操纵难点及解决措施

朔黄铁路采用HXD1型交流电力机车与SS4型直流电力机车组合牵引1.6万t重载列车。该文阐述1.6万t重载列车在长大坡道起车、长大下坡道循环制动以及过分相等平稳操纵难点,并有针对性地提出解决措施。

动力制动操纵对中部机车脱钩影响分析

针对2万吨重载列车中部机车车钩脱钩问题进行了数值仿真计算,重点分析了动力制动条件发生改变对脱钩产生的影响。仿真计算结果表明,脱钩在关键线路节点位置发生的概率较高,通过改变动力制动大小可以在一定程度上降低钩头间垂向位移错动量,降低脱钩的发生风险;改变动力制动操纵时机,尽可能避开关键线路节点位置处实施动力制动,可有效降低中部机车脱钩风险。

机车自动驾驶关键技术与问题研究

文章分析了机车自动驾驶技术的特点与关键问题,介绍了机车自动驾驶国内外发展现状与关键技术的研究进展;对列车纵向动力学建模、约束构建、操纵评价、场景决策、运动规划、跟随控制等关键技术的研究进展和技术路线进行了详细的阐述,并针对循环空气制动控制、复杂组合场景控制等关键问题的技术方案进行了探讨;最后,对自动驾驶技术未来的发展趋势进行了展望,指出要实现更高品质和更高等级的机车自动驾驶,还需对机车自动驾驶场景集的快速构建、车地信息融合态势感知等技术进行深入研究。

重载列车模糊自适应模型预测控制方法研究

机车自动驾驶系统本身是一个非线性、时变系统。列车在运行过程中,会遇到各种不同的线路情况,因此控制器不仅要具备预测控制功能,控制器的参数也需要根据实际的运行线路情况进行动态调整。为此,文章提出了一种重载列车模糊自适应模型预测控制方法。该方法在建立非线性多质点模型的基础上,构造了考虑多优化目标及多运行约束条件的优化问题,搭建了基于重载列车多质点模型的模型预测控制系统框架,对列车运行状态进行预测和动态调节;针对固定的控制器参数无法适应不同线路情况的问题,文章利用模糊控制与模型预测控制方法相结合的方法,通过对模型预测控制器的权重系数进行自适应整定,从而实现列车在不同运行线路上自适应优化控制。仿真结果表明,模糊自适应模型预测控制器具有良好的控制性能,不仅能够实现对列车的精确控制,将速度误差控制在±1km/h范围内,而且能够保证列车运行的平稳性。

计及线路条件和行车操纵的HXD1型电力机车能耗评估

随着重载铁路运量的持续增长,能耗问题日益突出,节能降耗迫在眉睫,其关键在于掌握不同运量下系统的能耗特性,尤其是电力机车能耗。本文结合电力机车的运行特性和线路条件研究了一种电力机车能耗评估方法。根据牵引计算基本理论,分析电力机车在区间运行过程中的受力特性和运动特性;结合电力机车的控制策略和牵引传动系统的功率传输特性,分析了不同运行工况(牵引、惰行、制动)下电力机车各环节的能耗特性;最后仿真分析了HXD1型电力机车在区间运行过程中的能耗特性。结果表明:能耗结果满足相应的定理及机车运行特性,验证了所提方法的可行性。

重载组合列车纵向力优化的联合制动分析及研究

重载组合列车因其整体重量大,制动时会产生较大的纵向车钩力,而纵向车钩力大小是最能直观反映列车纵向冲动大小的因素。重载组合列车采用分布动力模式,在制动时只能通过机车施加空气制动指令。受列车管压力波速传递作用影响,列车的前后车辆存在制动不同步性,位于列车中部的重联机车纵向力作用更为复杂,严重时会影响重载组合列车的运行安全。通过建立重载组合列车的纵向动力学仿真模型,考虑空气制动时车辆间制动不同步性产生的附加扰动影响,仿真分析不同制动工况下重载组合列车的纵向力变化及变异现象。结合制动模式特性,通过调整空气制动和机车再生制动控制机制,特别是本务机车和重联机车制动力差值变化,提出适时异步匹配空气制动力和机车再生制动力的控制策略。仿真结果表明,适时异步匹配机车再生制动及空气制动可以有效减小组合列车整体纵向车钩力,重联机车的再生制动力异步匹配本务机车时,可以有效缓解长大下坡道及变坡道制动时重联机车的前堵后涌现象,降低列车纵向车钩力,可为重载组合列车优化制动策略提供参考。

车轮型面演化对重载机车动态曲线通过性研究

基于车-轨耦合动力学理论、Kik-Piotrowski算法和Archard磨耗模型,应用UM软件建立重载机车动力学和车轮磨耗预测模型,分析车轮型面演化对不同半径曲线通过性的影响,并与实测数据对比验证模型的准确性,研究不同半径曲线下动力学指标及轮轨磨耗参数变化规律。仿真分析结果表明:车轮型面演化前期使得脱轨系数、轮重减载率明显提高,不利于机车安全通过曲线;轮重减载率和车体横向加速度在曲线半径900m取得最小值,轮轨磨耗指标在(300~600)m半径曲线减小幅度最大,其中磨耗指数为66.5%。建议设计曲线半径应避免(300~600)m,选择900m最佳。

车轮多边形对重载机车轮轨相互作用及接触损伤的影响分析

为了研究重载机车轮轨接触损伤问题,建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型,研究车轮多边形与多种轨面摩擦条件下的机车轮轨系统动态相互作用行为.在此基础上,建立基于轮轨系统动力学响应的车轮踏面疲劳损伤预测模型,研究制动工况和轮轨接触表面变摩擦条件下车轮多边形磨耗对车轮表面磨损的影响.结果表明:严重的车轮多边形磨耗不仅加剧轮轨动态相互作用,也会增大轮轨接触界面磨耗损伤;在干燥接触条件下,车轮多边形会加剧车轮踏面疲劳损伤,车轮多边形导致机车第1位轮对和第4位轮对的损伤指数波动范围较正常车轮损伤指数的波动范围增大19.59%和39.43%;在低黏着接触条件下,车轮多边形会加剧车轮磨耗,车轮多边形导致轮轨蠕滑力波动增大5.85倍,使得机车第1位轮对和第4位轮对的磨耗数波动范围增大6.44倍和6.22倍.

机车自动驾驶技术研究与应用

当前轨道交通正朝着绿色、智能的方向发展,自动驾驶可进一步降低列车运行能耗,提升列车运行效率、消除不同司机操纵差异、提升列车运行一致性,是未来路网条件下列车有序协同运行的控制基础,也是轨道交通智能化方向技术发展的典型代表。文章分析了机车自动驾驶研究的国内外现状和技术难点,阐述了满足我国干线机车运用需求的机车自动驾驶系统整体架构,设计了有人值守的机车自动驾驶方案,详细介绍了列车运行规划与速度控制、列车纵向动力学仿真、多传感器融合感知、列车系统运行仿真等关键技术,并对机车自动驾驶技术未来的发展方向进行了思考和展望。基于上述技术的机车自动驾驶系统已在多个铁路局和铁路公司装车运用并取得显著的应用效果。该系统可支持不同的编组和载重,可适配不同的车型、控制系统、信号系统,具有良好的通用性和可推广性。

102型钩缓装置重载适应性研究

在分析重载机车102型钩缓装置结构特点的基础上,明确其受拉状态下最大自由转角大于受压状态的特点;通过唐包线重载列车实车试验数据,评价102型钩缓装置在双机重联牵引运用环境下区间运行和侧向通过12号道岔工况下的重载适应性,分析车钩最大自由转角和机车二系悬挂横向刚度对重载机车安全性的影响;采用加权离散方法,建立可模拟车钩钩肩止挡和缓冲器偏压特性的102型钩缓装置动力学子模型,基于此搭建机车位于双机重联位和中部从控位的列车动力学模型并进行验证,仿真分析102型钩缓装置在组合编组运用环境下的重载适应性。结果表明:102型钩缓装置能够适应双机重联牵引单元万吨列车的安全运用要求,在侧向通过道岔时具有较好的线路曲线方向跟随性;机车二系悬挂刚度、车钩最大受压自由转角对机车运行安全性具有明显影响;在满足现场车钩连挂需求的前提下合理控制车钩最大受压自由转角,102型钩缓装置能够适应双机组合牵引2万t列车的安全运用要求。

重载组合列车纵向动力学及安全性问题研究

简要梳理我国重载组合列车纵向动力学综合试验和数值仿真研究方法;分析列车管减压量、缓解速度、线路坡度、电制力、列车编组方式、Locotrol同步作用时间等因素对列车纵向动力学的影响规律和作用机理;研究中部从控机车及其钩缓装置受压稳定性、电制侧向过岔安全性等安全问题的产生原因、作用机理和影响因素;提出重载组合列车安全技术提升策略,以提高我国重载列车运行安全性。

重载自动驾驶机车长大下坡空电联合制动运用研究

重载货运列车的开行促进了铁路运输运量的增长,而如何确保重载货运列车在长大下坡道的运行安全,特别是在连续长大下坡道的运行安全成为备受关注的焦点。本文以自动驾驶系统控制的HXD2重载机车在长大下坡道运行时的速度控制作为研究中心,经过理论计算推演和实际线路运行测试,针对不同线路场景提出重载机车自动驾驶系统长大下坡运行时以列车空气制动运用为主,机车动力制动(电制动)运用为辅的空电联合控速降速运用控制策略。采用该控制策略的HXD2重载自动驾驶机车(平均牵引吨位大于3900 t),在跨越秦岭地区的西康铁路线路1年多近4万km的良好运用测试效果表明,该控制策略的应用有效保证了自动驾驶模式下重载列车在长大下坡道的运行稳定和运输安全,同时为机车司机提供了有效的空气制动操控指导。

102型车钩与重载机车二系悬挂参数匹配研究

机车二系悬挂参数对重载车钩受压稳定性影响显著,为了探究102型车钩与重载机车二系悬挂参数的合理匹配,文章利用SIMPACK软件建立了详细的102车钩与HXD1型八轴重载机车组成的双机重联动力学模型,分析了不同计算工况下车钩力学特性与重载机车的安全性能;对比了不同车钩自由角及纵向力作用下,二系悬挂参数对机车安全性的影响。结果表明:当纵向压力较小时车钩转角稳定在自由角,机车轮轴横向力随车钩自由角及机车二系悬挂横向刚度增大而增大,与车钩纵向力无关。当纵向车钩压力增大到车钩需克服复原块预压缩载荷发生偏转时,车钩转角进一步增大,此时适当增加机车二系横向刚度有利于车钩稳定且影响较小。为保障制动工况下列车的运行安全,建议控制车钩自由角在6°以内,转向架单侧二系横向刚度范围在0.45~0.60 kN/mm;二系横向止挡间隙选择35 mm自由间隙及5 mm弹性间隙。

5G-R无线通信系统承载重载铁路机车同步操控业务研究

基于对重载铁路机车同步操控业务的分析,首先提出5G-R承载机车同步操控业务的网络架构,以及核心网、无线接入网等冗余组网方式。其次从数据路由、会话和服务连续模式、IP地址分配等方面,研究机车同步操控业务在5G-R网络中的实现方式;其中数据路由可采用归属地路由方式,会话和服务连续模式建议采用SSC模式1,对于不同核心网架构给出3种IP地址分配实现方案。最后对既有重载铁路建设5G-R网络进行方案探讨,包括以大秦铁路为例,提出5G-R网络建设方案,以及机车同步操控系统地面设备和车载设备的改造方案;以朔黄线为例,提出与既有业务运用相适应的5G-R网络双网冗余组网且业务负荷分担方案。通过对5G-R系统承载重载铁路机车同步操控业务的网络架构、工程应用等研究和分析,为未来5G-R系统应用于重载铁路提供一些参考。

重载铁路5G-R标准体系架构与关键业务技术方案研究

为探讨重载铁路下一代通信应用场景下关键业务的技术方案,建立重载铁路5G-R标准体系架构,通过分析我国重载铁路通信系统的发展与演变过程、研究国际UIC FRMCS标准体系以及3GPP架构、调研国内5G-R场景下重载铁路业务需求,提出符合我国重载铁路实际的5G-R架构模型。根据需求类型划分关键业务和使用对象,根据应用场景的业务特点以及通信内容确定各个关键业务的线路优先级、可靠性和实时性,最后针对机车同步操控业务、可控列尾安全防护业务、多司机通话业务等重载铁路关键业务设计可行技术方案。研究结果可降低重载铁路下一代通信关键业务的系统设计复杂度,对提升重载铁路运输生产安全和效率具有指导意义,从而为重载铁路5G-R标准体系架构和关键业务方案设计提供参考。

朔黄铁路机车同步操控无线通信监测技术研究

机车同步操控是朔黄铁路LTE-R网络承载的核心业务之一,网络的可靠性直接影响重载铁路的运输秩序和运输安全。针对目前机车同步操控业务通信故障诊断分析及时性和准确性存在的不足,提出了适用于朔黄铁路的同步操控无线通信监测技术,通过采集LTE-R接口监测系统、路测设备、LTE-R网管与同步操控地面应用节点的数据,全量监测主控机车和从控机车通信全过程,综合分析网络负荷、无线质量、通信异常事件和设备因素,提取通信过程中的关键特征,使用二叉决策树动态诊断分析同步操控业务潜在风险和通信故障。研究结果表明:机车同步操控无线通信监测系统实现了全线150对列车同步操控车载通信单元的监测和故障分析,可以减少传统人工分析的负担,提高了LTE-R网络和同步操控系统的运用质量。