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环境温度升高对重载列车管压波动及制动力的影响分析.pdf
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1、第 43 卷第 5 期2023 年 10 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.52023Oct.环境温度升高对重载列车管压波动及制动力的影响分析王刚,宋逸飞,于永生,卢小永(大秦铁路股份有限公司 科学技术研究所,太原 030024)摘 要 对大秦线列车管减压量偏大的重载组合列车的制动施加时间、地点、线路数据和机车数据进行了统计分析,确定环境温度升高是引起列车管压力上升的主要原因,通过理论计算的方法研究了不同条件下环境温度升高对列车管压力变化的影响,进而分析其对制动缸压力、闸瓦压力、车辆制动力、列车制动力的影响,结合试验数据分析对车钩力产生的影
2、响,并论述纵向力增大可能带来的隐患,针对这种现象提出了解决建议。研究表明重载组合列车在环境温升较大的中午时刻或者低温季节经过长大隧道时会引起列车管压力上升,造成列车施加空气制动时减压量变大,进而导致列车制动力增强。关键词 重载组合列车;温度变化;管压波动;制动力;纵向冲动中图分类号:U239.4 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1008-7842.2023.05.20大秦线是我国第一条电气化重载运煤专线,每日大量开行 2 万 t 重载组合列车1。2 万 t 重载组合列车采用“HXD1+HXD1”的牵引模式,共牵引C80车辆 210 辆。列车管是重载列车进行空气制动调速的关
3、键部件,贯穿整列重载组合列车。在极长的编组模式下,列车管容易受到环境温度变化影响产生波动。如果列车管压力波动较大引起初制动时减压量偏大,会造成制动力增大,在缓解时极易引起大的纵向冲动,影响行车安全。目前为防止减压量过大引起纵向冲动,在列车管减压量超过 55 kPa 时,重载组合列车需要停车缓解,这对运输组织造成了很大的影响。据统计,大秦线在试闸区段和某隧道附近发生多起重载组合列车停车缓解事件,其中某隧道附近发生的停车缓解事件主要集中在冬季(13月)。对机车 6A 设备在机车走行部布置的温度传感器数据进行统计,发现在这些事件发生时,环境温度均有升高的趋势。1 现场数据分析 大秦线 2022 年上
4、半年发生的重载组合列车初制动减压量偏大导致停车缓解多数发生在试闸区段以及某隧道附近。在试闸区段发生的初制动减压量偏大导致停车缓解事件统计情况见表 1,由表1 可以看出,在此处发生初制动减压量偏大导致停车缓解跟季节关联性不大,但对具体发生初制动减压量偏大停车缓解的车次进行统计发现多数发生在中午时刻。2022 年上半年大秦线某隧道处发生的因初制动减压量偏大导致重载组合列车停车缓解事件的统计情况见表 2,由表 2 可以看出,13 月某隧道附近发生的初制动减压量偏大停车缓解占了多数,表 11 月6 月大秦线试闸区段初制动减压量偏大停车缓解统计月份123456减压量偏大引起的停车缓解总次数1961732
5、1218824试闸区段附近发生次数0761205占比0%4%2.8%66.7%0%20.8%文章编号:1008-7842(2023)05-0120-07引用格式:王 刚,宋逸飞,于永生,等.环境温度升高对重载列车管压波动及制动力的影响分析J.铁道机车车辆,2023,43(5):120-126.第一作者:王 刚(1974-)男,正高级工程师(修回日期:2023-06-14)通信作者:宋逸飞(1995-)男,工程师第 5 期环境温度升高对重载列车管压波动及制动力的影响分析46 月发生的总数及占比均有明显下降,表现出较强的季节性。统计大秦线 2022 年 6 月发生的初制动减压量偏大导致停车缓解共计
6、 24 趟车的保压试验漏泄情况,发现 20 趟漏泄速率为 0 kPa/min,3 趟漏泄速率为 0.3 kPa/min,1 趟漏泄速率为 1 kPa/min,平均漏泄速率为 0.08 kPa/min。发生初制动减压量偏大导致停车缓解的列车绝大多数漏泄情况良好,并非因列车管漏泄造成减压量偏大。1.1线路情况分析大秦线试闸区段位于大同县至阳原县之间,地势平坦开阔,线路处于下坡道。大秦线某隧道附近冬季(13 月)发生数起初制 动 减 压 量 偏 大 导 致 重 载 组 合 列 车 停 车 缓 解 事件,此位置对应大秦线第二个循环制动区段的第一把闸。对线路纵断面信息查看可知,此次制动刚好位于军都山隧道
7、内,如图 1 所示。相关研究表明,华北地区隧道内温度有较强的季节性,隧道口区段最低温度从 15 月约升高30 ,隧 道 中 间 区 段 最 低 温 度 从 15 月 约 升 高9。冬季隧道内气温呈隧道口低、隧道中间高的分布趋势,夏季呈隧道口高、隧道中间低的分布趋势2,即隧道内“冬暖夏凉”。隧道口区段受外界环境温度影响比较大,隧道中间区段受外界环境温度影响比较小。当隧道长度达 3 000 m,1 月最寒冷时隧道中间区段温度与隧道口区段温度最高温差可达约 25。1.2机车记录数据分析大秦线的重载组合列车采取定压为 600 kPa,缓解时一般均衡风缸压力为 598602 kPa,列车管压力为 593
8、596 kPa,列车制动时,均衡风缸与列车 管 压 力 均 减 至 约 545 kPa,均 衡 风 缸 减 压 量 约55 kPa,列车管减压量约 50 kPa。为了防止制动力过强导致缓解时产生较大的纵向冲动危及行车安全,在 大 秦 线 重 载 组 合 列 车 的 列 车 管 减 压 量 超55 kPa 时,规定必须停车缓解。对大秦线发生在某隧道处初制动减压量偏大导致停车缓解的某一趟车主控机车记录数据进行分析,该趟车在某隧道附近初制动时均衡风缸与列车管的减压情况如图 2 所示。可以看出,在减压前,均衡风缸的压力稳定在 601 kPa,从 638 进入隧道开始至 648 列车管的压力,逐渐从 5
9、94 kPa 升高至 602 kPa,升高 8 kPa。制动结束后,均衡风缸压力约为 546 kPa,减压量为 55 kPa;列车管压力约为 545 kPa,减压量为 57 kPa。机车走行部设有环境温度传感器记录了对应时刻的环境温度变化情况,如图 3 所示。从 638列车进入隧道开始至 648,传感器记录的环境温度从-5 升至 1,升温 6。表 21 月6 月大秦线军都山隧道附近初制动减压量偏大停车缓解统计月份123456初制动减压偏大引起的停车缓解总次数19617321218824隧道附近发生次数1139074513占比57.65%52.02%34.91%27.78%12.50%12.50
10、%图 1隧道处制动区段纵断面图121铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 由于上升的环境温度向列车管中的压力空气传递较为缓慢,滞后于本身的温升,另外在温度传递过程中还会有一部分的能量损耗,且在机车进入隧道时,还有部分车辆未进入隧道,列车管所处环境温度并非完全相同,因此列车管中压力空气的 实 际 温 升 并 不 会 达 到 传 感 器 记 录 的 温 升 那 么大,造成的压力升高不会达到理论计算值。据统计,在冬季军都山隧道内设备监测的环境温度一般升高 57,列车管压力升高 46 kPa。随着季节变化,隧道外环境温度升高,隧道内外温差逐渐减小,在隧道附近发生的初制动减压量偏大现象减少很多。在试闸区段
11、发生的减压量偏大与季节无关联性,但很大一部分发生在接近中午时刻。在试闸区段附近发生减压量偏大的某趟列车始发站发车至试闸区段初制动时主、从控机车列车管压力及走行部监测的环境温度趋势如图 4 所示。主 控 机 车 走 行 部 记 录 环 境 温 度 从 17 升 至24,升温 7,列车管压力从 594 kPa 升至 600 kPa,上升 6 kPa;从控机车走行部记录环境温度从 17 升至 24,升温 7,列车管压力从 592 kPa 上升至600 kPa,上升 8 kPa。在正常初制动列车管减压至545 kPa 时,列车管的减压量为 55 kPa。据统计,在接近中午时,试闸区段处环境温升一 般
12、为 39 ,引 起 的 列 车 管 压 力 上 升 约 39 kPa。6 月大秦线重载组合列车在试闸区段发生减压量偏大的环境温度变化与管压变化散点图如图 5 所示。由上述分析可以看出,环境温度升高引起的列车管压力升高在列车初制动减压时,会叠加在原有的减压量上,即原列车管从约 595 kPa 减压至约 545 kPa,温 度 升 高 后,列 车 管 从 约(595+温度引起压力变化)减 压 至 约 545 kPa,减 压 量增大。图 2军都山隧道处某趟重载组合列车列车管与均衡风缸压力变化示意图图 3军都山隧道处某趟重载组合列车走行部采集环境温度示意图图 4试闸区段处某趟重载组合列车主、从控机车列
13、车管压力及环境温度变化示意图122第 5 期环境温度升高对重载列车管压波动及制动力的影响分析2 理论计算 理想气体状态方程(Ideal Gas Law)是描述理想气体在处于平衡态时,压强、体积、温度之间关系的状态方程。理想气体是人们对实际气体简化而建立的一种理想模型,理想气体具有以下 2 个特点:(1)分子本身不占有体积。(2)分子之间无相互作用力。实际应用中把温度不太低、压强不太高条件下的气体可以近似看作理想气体。理想气体状态方程建立在波义尔马略特定律、查理定律、盖吕萨克定律的基础上,由法国科学家克拉珀龙于 1834 年提出,因此又称克拉珀龙方程。理想气体状态方程为式(1):pV=nRT(1
14、)式中:p 为压强,Pa;V 为气体体积,m3;T 为温度,K;n 为气体的物质的量,mol;R 为摩尔气体常数,J/molK,一般取值 8.31。对于密闭空间内的气体来说,气体体积 V 与气体的物质的量 n 为常数,摩尔气体常数 R 也为常数,此时温度和压强的关系为式(2):p(VnR)=T(2)压强 p 与温度 T 成正比,温度越高,压强越大,温度越低,压强越小。对于重载组合列车的列车管而言,在缓解充风结束之后,不考虑列车管漏泄,列车管内空气的物质的量 n 维持不变,列车管的总体积 V 维持不变,摩尔气体常数 R 维持不变,由此可得式(3):p1T1=p2T2=nRV(3)式 中:p 为
15、压 强,Pa,T 为 温 度,K,转 换 为 为式(4):p1273.15+T1=p2273.15+T2(4)大秦线重载组合列车列车管定压为 600 kPa,当温度从 25 升至 26 时,根据上式计算得管压从 600 kPa 上升至 602.01 kPa,上升 2.01 kPa。当温度 从 0 升 至 1 时,根 据 上 式 计 算 得 管 压 从600 kPa 上升至 602.20 kPa,上升 2.20 kPa。在列车管定压 600 kPa 不同起始温度升高 1 时,列车管压力升高数值统计见表 3。在列车管定压 600 kPa,起始温度为 25,升高不同温度时,列车管压力升高数值统计见表
16、 4。由上述表 3、表 4 可以看出,温度升高 1,列车管压力约升高 2 kPa。图 56 月份试闸区段环境温升及列车管压力升高散点图表 3列车管定压 600 kPa 时不同起始温度升高1 时管压变化统计起始温度/-21-20-19-18-17-16-15-14-13-12-11-10-9-8-7-6管压升高/kPa2.3802.3702.3612.3522.3422.3332.3242.3152.3062.2982.2892.2802.2712.2632.2542.246起始温度/-5-4-3-2-1012345678910管压升高/kPa2.2382.2292.2212.2132.2052
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