快捷货车偏载对空重车调整方式的影响

刘 凡，王风洲，李培署

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

随着物流业迅猛发展，铁路货物运输也将与时俱进，开行快捷货运列车势在必行。与快捷货车配套的制动系统的性能优劣，将直接影响该车的使用效果。对于快捷货车来说，与普通货车的不同之处主要是：(1)速度高；
(2)基本固定编组；
(3)运输的货物相对怕碰撞；
(4)货物偏载情况较为普遍。

目前新造货车均装有空重车调整装置，根据车辆载重变化调整车辆的制动力，可使车辆制动率在不同载重状态下保持恒定，从而有效地改善车辆制动性能，提高了车辆运行品质。一般普通货车，单辆车装载货物种类通常比较单一，特别是用量较大的敞车和罐车，主要装载煤、矿石等粉料，以及油等液体，车辆装载比较均匀，基本不会出现车辆前后质量相差较大的情况，既有的空重车调整方式可较好地解决不同载重下的制动力调整问题。而快捷货车由于所运的货物品种较为繁杂，货物体积与质量比有可能相差较大，从而导致一辆车的前后载重相差会较大，形成车辆偏载。如果仍采用既有的空重车调整方式，即车辆前后转向架施加相同的制动力，会使增载转向架的制动力偏小，减载转向架的制动力偏大，在轮轨黏着不良的情况下，易造成减载转向架的轮对滑行，防滑器频繁动作，因此导致整车制动力损失，造成制动距离延长，危及行车安全。

因此，需要结合快捷货车装载货物的特点，采用合理的空重车调整方式，降低偏载对车辆制动性能的影响，确保行车安全。

普通货车装载比较均匀，车辆重心通常处于水平方向的中间位置，静止状态下两台转向架的承重基本相同，制动或牵引过程中，因惯性力的影响，车辆前后转向架会出现一定的增减载，但总体上差别不大。而快捷货车易出现偏载情况，再加上制动或牵引过程惯性力的影响，会进一步加剧车辆前后转向架的增减载。图1为制动过程中车体受力情况。

V.车辆运行速度；
F.制动减速力产生的水平惯性力；
G.车体质量；
F1.前转向架心盘上的水平反作用力；
G1.前转向架心盘上的有效质量；
F2.后转向架心盘上的水平反作用力；
G2.后转向架心盘上的有效质量；
F3、F4.分别为前、后车钩力；
L.车辆定距(两转向架的中心距离)；
L1.车钩中心线距心盘面的距离；
L2.车体重心距前转向架中心的距离；
L3.车体重心距心盘面的高度。图1 制动过程中车体受力情况

如图1所示，车辆向右方行驶，制动过程中制动减速力产生的水平惯性力：

(1)

式中：g—重力加速度；

a—制动减速度。

车辆水平方向受力：

(2)

心盘受到的水平反作用力为：

(3)

通常情况下，同一辆车受到前后车的车钩力相差不大，(F3-F4)一般很小，所以

(4)

在计算心盘所受到的垂直反作用力G1、G2时，应考虑车体惯性力的倾覆作用，此惯性力试图继续保持车体的原始运动状态，当自由体处于平衡状态时，作用于其上的各力乘以各力相对于任一参考点的假想杠杆力臂的代数和应等于0，如果选择前转向架心盘面上水平力与垂直力的交点，即F1与G1的交点作为参考点，则各力相对于此点的力矩为：

(5)

上式经简化后，得出作用于后转向架心盘的垂直反作用力为：

(6)

同理，如果参考点选在后转向架心盘上，可得出作用于前转向架心盘的垂直反作用力为：

(7)

按照快捷货车轴重为18 t、转向架自重6 t、车辆定距18 m、紧急制动时制动减速度0.56 m/s2(制动初速120 km/h时制动距离1 100 m)计算，制动过程中两台转向架的载重随车辆重心变化而变化的情况如图2所示。由图2可知，紧急制动时，如果车辆重心的水平位置位于前进方向前转向架的中心上，车辆载荷将全部由前转向架承担，由于制动惯性力的影响，该载荷超过了车重，随着重心离前转向架中心的距离变大，前转向架的载荷逐渐变小，后转向架的载荷逐渐变大，在距离接近11 m时，两台转向架的载荷相等，也就是说在距离为9 m即重心处于车体水平位置的中心时(不偏载)，前转向架的载荷稍大于后转向架。

图2 制动过程中两台转向架的载重随车辆重心位置L2变化而变化的情况

进一步分析可知，制动过程中同一转向架的两根轮对，因所处位置的不同，也会形成增减载。图3为制动过程中转向架的受力情况。

F1.作用于车体上减速力对转向架心盘产生的水平反作用力；
G1.车体载荷在心盘上产生的垂直作用力；
GZ1.转向架总重；
FZ1.减速度在转向架上产生的惯性力；
FB1、FB2.车轮踏面处的制动减速力；
F11、F12.车轮踏面处的制动减速力；
G11、G12.分别为前、后轮对上每个车轮所受到的垂直反作用力。图3 制动过程中转向架的受力情况

如图3所示，设转向架为一受若干力作用的自由体，并且由制动减速度所产生的惯性力作用于其重心上。制动时，闸瓦产生的减速力FB1和FB2被轮轨接触面间与上述惯性力大小相等、方向相反的黏着力所抵消。此减速力通过各转向架心盘作用于车体。所形成的车体惯性力，在前转向架心盘上产生水平反作用力F1，此力有使转向架翻转的趋势；
转向架本身质量产生的惯性力FZ1，此惯性力通过转向架重心，也有使转向架翻转的趋势。这两个翻转力矩，被作用于前车轮向上当量力产生的相反方向力矩所平衡，从而增加了前车轮的载荷。同理，后车轮上的有效载荷相应减少。

相对于任一参考点的力矩之和都应等于0，首先以前轮轮轨接触点作为参考点，则：

(8)

由此可得：

(9)

同理可得，前轮上的有效载荷为：

(10)

从式(9)、(10)可以看出，前转向架的前轮对车轮有效载荷G11大于后轮对车轮有效载荷G12。

同理可得，后转向架的前轮对车轮有效载荷G21大于后轮对车轮有效载荷G22，且：

(11)

(12)

综上可以看出，快捷货车偏载对前后两台转向架的载重影响较大，造成前后两台转向架的黏着需求差异变大，特别是快捷货车的制动减速度大于普通货车，偏载工况下造成的转向架增减载尤为明显，如果按照既有货车的空重车调整方式，即根据车辆载重变化对两台转向架施加相同的制动力，两台转向架的制动率将不同，并会加大减载转向架车轮出现滑行的风险，一旦滑行将导致防滑器动作，造成车辆制动力损失。同时，同一转向架的两根轮对也存在增减载情况，减载转向架的减载轮对所需黏着力最小，在施加同样制动力的情况下，最易出现滑行。因此采用轴控方式效果应更好，但实现轴控系统将更为复杂，通常需要电子部件参与控制，考虑到快捷货车实际情况，采用架控方式为最佳选择，一是简单易行，二是性价比高。

通过以上计算和分析可知，因快捷货车偏载所造成的同一辆车两台转向架增减载，使得两台转向架的制动力需求不一致，所以在保持不同载重条件下车辆制动率恒定的前提下，应能根据每台转向架载荷的变化调整其制动力，使两台转向架的制动率也相同，并能充分利用轮轨黏着。

为实现上述目的，快捷货车的空重车调整可采用“架控”方式，即每辆车的制动力以转向架为单位进行调整(图4)，每台转向架的制动缸压力根据本转向架的称重阀发出的压力信号进行控制，载荷较大的转向架，其对应的制动缸压力也大，反之就小，这样就保证了同一辆车前后两台转向架的制动率基本相同，也提高了快捷货车运行的安全性和可靠性。

图4 架控调整方式示意图

另外，与图5所示的“车控”调整方式相比，采用架控方式，制动系统的管路连接更为简单，生产制造、检修维护更为方便，同时也应能缩短制动响应时间，有利于提高制动性能。从结构上来说，增加了一个调整阀，但减少了平均阀，制造成本基本相同。

图5 车控调整方式示意图

通过对空重车调整的“车控”和“架控”方式的分析，从车辆制动性能上讲，“架控”应更能满足快捷货车的制动需求；
从安全角度讲，能更好地保障列车运行的安全。因此，建议快捷货车空重车调整采用“架控”方式。

本文主要从车辆偏载的影响探讨了单辆车制动力的调整问题，实际上，列车编组后，如果相邻的多辆车存在偏载、且重心位置不尽相同的现象，即使采用架控方式调整每台转向架的制动力，解决了单辆车制动率恒定和充分利用黏着的问题，但对于列车综合性能来说，仍有许多问题需要探讨。

图6为相邻3辆车偏载情况下的车辆受力情况。如图6所示，按照列车运行方向，从右往左列车编组中的相邻三辆车均存在偏载情况，且每辆车的重心位置不同，根据前面的计算不难得出，在3辆车总重相同的情况下，Gi2Gi+21，因此制动过程中，因制动惯性力的作用和偏载的原因，第i辆车和第i+1辆车连接处，第i辆车存在向右端倾覆的趋势，即两辆车钩缓连接装置等除了受纵向作用力外，还有可能受相反方向的垂向作用力；
第i+1辆车和第i+2辆车连接处，第i+1辆车存在向右端倾覆的趋势，第i+2辆车存在向左端倾覆的趋势，两辆车钩缓连接装置等除了受纵向作用力外，还有可能均受到向上的垂向作用力；
在这种情况下，有可能对钩缓连接装置等设备造成不良影响，也有可能影响到车辆的动力学性能。因此除了研究车辆偏载对制动性能的影响及采取相应的解决措施外，还需要研究对车辆或列车综合性能的影响。

图6 相邻3辆车偏载情况下的车辆受力情况

通过计算分析快捷货车偏载的影响，建议快捷货车的空重车调整采用“架控”方式，可以使车辆制动率的控制更为精确，管路布置更为简单，有利于充分利用轮轨黏着，减小车轮滑行几率，缩短制动响应时间，提高车辆的制动性能，并能更好地确保行车安全。

另外，建议进一步研究车辆偏载对列车钩缓连接装置等设备及纵向动力学的影响，改善车辆或列车的综合性能。