重載組合列車縱向性能的影響因素分析*

姚小沛，王 磊，邵 軍，張成國，王孝延

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國鐵路總公司運輸局 機務(wù)部，北京100844）

重載組合列車縱向性能的影響因素分析*

姚小沛1，王 磊2，邵 軍1，張成國1，王孝延1

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國鐵路總公司運輸局 機務(wù)部，北京100844）

介紹2004年以來大秦線開行的5種典型編組方式重載列車，比較了不同編組方式列車縱向力的大小，并分析了列車編組方式對縱向力的影響；同時結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，對其他關(guān)鍵因素比如Locotrol同步作用時間、機車制動機性能、貨車關(guān)鍵技術(shù)以及列車操縱方式等對重載列車縱向力的影響進行了分析，并從減小縱向力的角度提出了3種2萬t列車編組方式。試驗及運用實踐表明：目前我國的貨車制動可以滿足單元萬噸貨物列車的制動要求，而對于更大編組的長大列車，宜采用機車動力分散布置的組合列車。組合列車中從控機車的布置位置是影響組合列車制動性能和列車縱向力的最主要因素之一，應(yīng)對其進行詳細研究。

重載組合列車；車鉤力；編組方式

重載鐵路運輸因其運能大、效率高、運輸成本低及環(huán)保等優(yōu)點，已成為世界當今和未來主要發(fā)展的運輸模式，特別是在一些幅員遼闊、資源豐富、煤炭和礦石等大宗貨物運量占有較大比例的國家如美國、加拿大、巴西、澳大利亞、南非等發(fā)展尤為迅速。

中國鐵路從20世紀80年代開始進行重載技術(shù)的研究和探索，90年代在大秦線成功開行了萬噸單元列車。2003年原鐵道部根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展的需求，決定在大秦線開行2萬t重載列車以大幅度提高運量。通過對Locotrol（機車無線同步控制技術(shù)）和ECP（電控空氣制動技術(shù)）兩種方案進行比選，決定采用Locotrol技術(shù)開行2萬t重載組合列車。2004年大秦線成功開行了第一列4×5 000 t重載組合列車；2006年開行了2× 10 000 t重載組合列車；2007年又開行了2臺和諧型機車牽引2萬t重載組合列車。2010年大秦線年運量達到4億t，成為世界年運量最大的鐵路之一。

2萬t重載組合列車的開行是一項龐大的系統(tǒng)工程，涉及機車車輛、工務(wù)工程、通信信號、運輸組織及系統(tǒng)集成等多方面內(nèi)容。為了成功開行2萬t組合列車，原鐵道部組織有關(guān)單位在各相關(guān)技術(shù)方面開展了一系列科學研究。重載列車線路運行綜合試驗也是主要研究內(nèi)容之一，通過綜合試驗先后發(fā)現(xiàn)并解決了HXD1機車的車、網(wǎng)匹配問題、HXD2機車制動機與貨車制動機的匹配問題、HXD2機車車鉤在大秦重載組合模式下的適應(yīng)性改進問題，機車無線同步控制裝置懲罰制動的實施方式等問題。

列車縱向沖動是采用Locotrol技術(shù)開行2萬t重載組合列車的3大關(guān)鍵技術(shù)難題之一［1］，不僅對機車車輛疲勞破壞造成重大影響，甚至會產(chǎn)生嚴重的安全問題。Locotrol系統(tǒng)的通信質(zhì)量、牽引動力配置、列車制動系統(tǒng)性能、機車車輛鉤緩性能、列車操縱等均會對列車縱向力產(chǎn)生重要影響。通過綜合試驗，可以掌握不同編組方式列車縱向車鉤力的實際大小及分布規(guī)律，為列車的安全運行提供數(shù)據(jù)支持；通過試驗比較不同操縱方式的實施效果，為列車優(yōu)化操縱提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 大秦重載試驗的主要編組方式

2004年大秦線開始2萬t組合列車試驗，開行初期，主、從控機車通訊采用800 MHz電臺，其傳輸距離限制了主、從控機車的間隔距離，此階段采用的列車編組方式為：SS4機車（主控）＋51輛C80＋SS4機車（從控1）＋51輛C80＋SS4機車（從控2）＋51輛C80＋SS4機車（從控3）＋51輛C80，以下簡稱：4×5 000，2萬t。

2005年大秦線開通了GSM－R網(wǎng)絡(luò)，列車編組不再受主、從控機車間隔距離的限制，同時為了方便運輸組織，對列車編組方式進行了調(diào)整，停開了4×5 000 t，試驗并開行了1＋2＋1編組2萬t列車，具體編組方式為：SS4機車（主控）＋102輛C80＋SS4機車（從控1）＋SS4機車（重聯(lián)）＋102輛C80＋SS4機車（從控2），以下簡稱：1＋2＋1，2萬t。

2007年隨著和諧型大功率機車在大秦線陸續(xù)投入運用，在大秦線試驗并開行了采用2臺和諧型大功率機車牽引的組合2萬t列車，具體編組方式為：HXD1（或HXD2）機車＋102輛C80＋HXD1（或HXD2）機車＋102輛C80＋可控列尾，以下簡稱：1＋1，2萬t。

2010年隨著Locotrol互聯(lián)互通軟件的運用，同時為了滿足不同運輸組織需求，在大秦線利用HXD1、HXD2和SS4機車開行了1.5萬t組合列車，具體編組方式為：HXD1（或HXD2機車）＋108輛C70（或102輛C80）＋SS4機車＋54輛C80＋可控列尾，以下簡稱：組合1.5萬t。

單元萬t列車編組是大秦線常用編組方式，同時也是評價2萬t組合列車性能優(yōu)劣的參考編組，具體編組方式為：HXD1（或HXD2）機車＋105輛C80，以下簡稱：單元萬t。

2 不同編組方式的縱向力

2.1 牽引工況時的列車縱向力

隨著列車編組輛數(shù)的增加，機車集中頭部牽引時，列車質(zhì)量的增加必然造成頭部車鉤力線性增大，車鉤強度將成為列車質(zhì)量增加的瓶頸；同時也受空氣制動、緩解波速的限制。機車動力分散布置的組合列車，可以將由牽引質(zhì)量增加帶來的車鉤力增大分散到列車各個部分。圖1所示為正常牽引工況動力集中（無DP）與動力分布（有DP）車鉤力的理論分布對比，從圖1可知，采用動力分布牽引可以有效降低列車牽引時的縱向車鉤力。

以上僅是動力分散對減小牽引時車鉤力的理想化分析，大秦線實際運用中由于司機采用平穩(wěn)操縱和優(yōu)化操縱方式（比如機車工況轉(zhuǎn)換間隔一般不小于10 s，在牽引/電制動進級或退級時采用平滑加減載等），牽引工況單元萬噸和組合列車最大車鉤力一般也與機車施加的牽引力或電制動力相當。有時由于車鉤間隙、緩沖器、列車所處位置平縱斷面等因素影響，1＋1＋可控列尾編組的組合列車會在中部從控機車機次位置出現(xiàn)略大于機車施加的牽引力或電制動力，但最大車鉤力一般均不大于1 000 k N。

2.2 制動工況時的列車縱向力

列車在制動工況下的縱向力要比牽引工況下復(fù)雜得多，制動時列車的縱向力與機車、車輛的制動機性能、鉤緩裝置性能、制動、緩解初速和列車所處的線路橫、縱斷面等參數(shù)有關(guān)。在機車、車輛形式基本固定的情況下，組合列車中從控機車的數(shù)量和不同編掛位置決定了列車具有不同的制動、緩解性能，從而影響列車制動、緩解時的縱向力大小。

緊急制動試驗是為了測試列車在極端制動工況下的縱向力大小及制動距離，從而評估列車在極端制動工況下的運行安全性。圖1所示為不同編組列車緊急制動最大車鉤力比較。從圖2可知，不同編組方式緊急制動最大縱向力的比較為：1＋1，2萬t＞單元萬t＞1＋2＋1，2萬t*（*表示試驗用車輛為老C80）＞4×5 000，2萬t和組合1.5萬t。同是2萬t組合列車，1＋1，2萬t最大縱向力接近2 000 k N，約為4×5 000和1＋2＋1，2萬t的2.3倍。4×5 000、1＋2＋1編組2萬t和1.5萬t組合列車，雖然列車長度與質(zhì)量比單元萬t顯著增加，但是由于從控機車的數(shù)量和編掛位置改善了列車的制動性能，列車緊急制動時的最大縱向力反到小于單元萬t。

常用制動是列車調(diào)速、進站停車等工況經(jīng)常用到的制動方式，運用中根據(jù)不同需要使用不同的制動減壓量，常用全制動停車試驗是為了測試列車在使用最大常用制動減壓量時列車的縱向力情況。圖3所示不同編組列車常用全制動最大車鉤力比較。從圖2可知，不同編組方式常用全制動最大縱向力比較為：1＋1，2萬t＞4×5 000，2萬t＞單元萬t、組合1.5萬t和1＋2＋1，2萬t。同是2萬t組合列車，1＋1＋可控列尾編組最大縱向力達到1 600 k N，約為1＋2＋1編組的4倍。1＋2＋1編組2萬t、1.5萬t組合列車和單元萬t列車最大縱向力均處于較低水平。

兩個長大下坡道的周期循環(huán)制動是大秦線開行2萬t重載組合列車的3大關(guān)鍵技術(shù)之一［1］，也是列車在運行中必須經(jīng)歷的運用工況。循環(huán)制動主要涉及兩個問題，第1個是列車再充氣時間，從不同編組歷次試驗可知，在兩個長大下坡道區(qū)段，通過機車電制動和列車空氣制動的配合使用，充分利用線路的地理條件，采用長、短波浪相結(jié)合的操縱方式，能夠滿足大秦線循環(huán)制動對列車再充氣時間的要求；第2個就是循環(huán)制動過程中的縱向力問題，為了保證列車再充氣時間，循環(huán)制動時一般將緩解速度控制在35 km/h左右，此時閘瓦摩擦系數(shù)大，低速緩解過程往往容易造成較大的列車縱向沖動［2］。

圖4所示為不同編組方式循環(huán)制動車鉤力散點圖比較，從圖4可知：1＋1，2萬t車鉤力最大，接近1 800 k N，有時還會出現(xiàn)大于2 000 k N的車鉤力；其余4種編組方式基本相當，最大值介于正負500 k N之間。在機車電制動力發(fā)揮正常的情況下，單元萬t、組合1.5萬噸、4×5 000和1＋2＋1，2萬t列車循環(huán)制動過程中最大車鉤力一般都發(fā)生在機車實施的電制動力比較大的工況，而與列車空氣制動的緩解過程沒有明顯關(guān)系；1＋1，2萬t列車最大車鉤力一般出現(xiàn)在列車緩解過程中，車鉤的拉壓變化與列車空氣制動的緩解過程有明顯關(guān)系。

圖5所示為1＋1，2萬t列車編組循環(huán)制動緩解時車鉤力、制動缸壓力隨時間變化曲線。列車緩解時，前1萬t由頭部和中部兩臺機車同時充風，后1萬t僅由中部從控機車充風，造成在緩解過程中整列車被分成了2個大的集中質(zhì)量，前部130輛左右貨車基本在8 s之內(nèi)產(chǎn)生緩解作用，后50輛貨車集中在18～20 s產(chǎn)生緩解作用，列車在坡道下滑力的作用下，造成兩個質(zhì)量塊的相互沖擊，從而產(chǎn)生了較大的車鉤力；而且由于在緩解時中部機車處集中了比較大的電制動力，從而造成整個列車中的最大車鉤力往往出現(xiàn)在中部從控機車前后，最大拉鉤力一般出現(xiàn)在中部機車前部，最大壓鉤力在中部機車機次，對于1＋1，2萬t列車，由于其編組方式所決定的列車在緩解過程中嚴重的不同步性是造成該編組列車循環(huán)制動緩解過程中車鉤力較大的主要原因。

3 大秦線影響列車縱向力的其他主要原因

3.1 Locotrol同步作用時間

采用Locotrol技術(shù)的重載組合列車，制動時的同步作用時間（即主、從控機車間的動作延時時間）長短，將直接影響重載組合列車的縱向力。文獻［3］為同步作用時間對列車縱向力的影響進行了仿真計算，計算表明隨著主、從控機車動作滯后時間的延長，組合列車最大縱向力的峰值也在增加。在大秦線試驗中也曾出現(xiàn)由于緊急制動時信號中斷而造成較大縱向力的工況。與相似工況同步作用時間正常時的車鉤力對比見圖6所示，由圖5可知，同步作用異常將導(dǎo)致車鉤力大大增加，車鉤力最大值相差4.5倍。

2008年4月16日SS4機車1＋2＋1，2萬t列車在K141.8處發(fā)生的列車脫軌也是Locotrol系統(tǒng)故障造成中部機車先產(chǎn)生緊急制動，列車只能通過空氣管路傳遞緊急制動信號，致使車鉤力過大產(chǎn)生脫軌。2008年7月以來，原鐵道部已組織相關(guān)單位和專家對Locotrol系統(tǒng)內(nèi)部故障后實施懲罰制動的懲罰方式進行了改進，消除了大量不必要的緊急制動懲罰方式，有效減少了2萬t列車意外緊急的發(fā)生頻次。同時隨著對沿線GSM－R網(wǎng)絡(luò)不斷補強，整個大秦線的Locotrol通信質(zhì)量有了顯著提高，2009年以來的多次試驗統(tǒng)計表明：空氣制動與緩解同步作用時間基本均在4 s以內(nèi)，其中3 s以內(nèi)占90%。

3.2 機車制動機性能

機車制動機的充、排風性能對列車縱向力有重要影響。HXD2機車使用法維萊制動機，在最初1＋1，2萬t列車運行試驗時，常用全制動時列車縱向力大大超出試驗規(guī)定的安全指標，循環(huán)制動緩解時列車的縱向沖動也比采用HXD1機車時明顯增大，經(jīng)分析表明法維萊制動機充、排風特性是造成以上試驗現(xiàn)象的主要原因之一，為此，要求法維萊公司對HXD2機車制動機的充氣特性也進行了相應(yīng)修改，經(jīng)過2次改進后其充、排風特性基本與CCBⅡ制動機相當。改進前法維萊制動機常用全制動時列車管排風速率較快，導(dǎo)致機車附近車輛制動缸升壓速率明顯加快，從而造成常用全制動停車時列車縱向力異常增大。制動機改進前、后常用全制動停車最大車鉤力比較如圖7所示，從圖7可知，對法維萊制動機排風特性進行調(diào)整后，可以明顯減小常用全制動停車時列車的縱向力，各有效測試斷面車鉤力的最大值減小了50%，平均值減小了51%。

3.3 貨車制動、鉤緩關(guān)鍵技術(shù)

貨車的制動機性能、車鉤、緩沖器也是影響列車縱向力的關(guān)鍵技術(shù)之一。4×5 000和1＋2＋1，2萬t列車均進行了2種C80車型的對比試驗，兩種車型分別是單節(jié)C80和3輛1組的單元C80，兩種車型的主要區(qū)別是單元C80相比單節(jié)C80，制動機由120閥升級為120－1閥，120－1閥相比120閥增加了常用制動加速性能，該性能有利于提高常用制動時列車后部車輛的制動缸升壓速率，從而有助于縮短列車常用制動距離和減小縱向力；單元C80兩端與單節(jié)C80相同均使用16號轉(zhuǎn)動車鉤和17號固定車鉤，中間采用牽引拉桿，同樣編組輛數(shù)時，相當于車鉤間隙縮小了2/3，也有助于減小列車的縱向力。通過對比試驗證明：對C80改裝牽引拉桿和120－1閥能有效地減小列車運用中的車鉤力，最大值減小30～60%，各測試位置平均值減小20%～50%。原鐵道部從2006年開始要求在所有新造C80貨車上均安裝120－1閥和牽引拉桿，并對已有C80貨車進行改造。

3.4 列車操縱方式

操縱方式也是影響重載列車安全運行的重要因素，為此，原鐵道部專門安排相關(guān)單位進行優(yōu)化操縱的專項研究。通過研究，提出了2萬t重載組合列車安全操縱的基本原則，并針對不同編組方式提出相應(yīng)操縱技術(shù)措施。

（1）循環(huán)制動緩解時的機車電制動力施加

SS4機車4×5 000和1＋2＋1兩種編組2萬t列車采用與單編萬t列車近似的循環(huán)制動操縱方式，對列車縱向力沒有顯著影響，列車縱向力均處在較低水平。而對于和諧機車1＋1，2萬t編組列車，循環(huán)制動操縱方式對列車的縱向力有明顯影響。圖7所示為該編組方式2萬t列車在循環(huán)制動緩解時使用不同的操縱方式（主要區(qū)別為電制動力施加大小和時機）時車鉤力的大小比較，可見調(diào)整操縱方式可以明顯改變1＋1＋可控列尾編組循環(huán)制動緩解時的車鉤力大小，同時也說明1＋1＋列尾列車編組對操縱方法較敏感，對操縱方法要求嚴格。因此在運用中應(yīng)加強對司機進行培訓，不斷提高其操縱水平。

原操縱方式是空氣制動壓力穩(wěn)定后將電制動力降到0～50 k N，列車實施緩解前10 s開始增加電制動力，15 s左右增加到450 k N左右并保持；

新操縱方式1是制動保壓過程中和緩解時一直保持250 k N左右電制動力；

新操縱方式2是開始實施緩解時施加150～180 k N左右電制動力，實施緩解后18～20 s將電制動力降到約100 k N。

（2）緩解位置對縱向力的影響

表1中統(tǒng)計了大秦線1＋1，2萬t列車在緩坡區(qū)段緩解時列車的最大車鉤力情況。從中可以看出，如果緩解時列車所處坡度較小且列車運行前方坡道變緩時，機車施加適當電制動力可使列車在整個緩解過程中可以維持在壓鉤狀態(tài)，從而避免由于車鉤工作狀態(tài)劇烈的拉壓變化而造成過大的車鉤力。

大秦線在K141～K179區(qū)間有3處緩坡地段，分別是①K152～K153.8，長度1.8 km的1.5‰下坡道；②K161.7～K167.8長度達6 km的5‰至0.5‰的下坡道，其間還夾雜這一些小上坡區(qū)段；③K170.4～K173.9長大3.5 km的4‰下坡道。在K275～K325之間也存在2處緩坡區(qū)段，分別是①K283.7～K285.8長約2.1 km的1.5‰下坡；②K306.6～K308.3長約1.7 km的1.5‰下坡。列車運行中結(jié)合線路縱斷面情況，通過合理操縱，盡量選擇在以上緩坡區(qū)段緩解，可以降低列車緩解過程中出現(xiàn)較大車鉤力的幾率。

4 減小縱向力的列車編組方式探討

過大的縱向力勢必對列車運行產(chǎn)生重大安全隱患，大秦線3次2萬t列車脫軌事故表明縱向力過大是主要誘因之一，由前述分析可知組合列車的組合方式是影響列車縱向力的關(guān)鍵因素，為此本文從減小列車縱向力的角度提出以下兩種列車編組方式。

（1）在列車尾部加掛從控機車

1＋1，2萬t列車在運用中的主要問題是循環(huán)制動緩解時容易產(chǎn)生較大的車鉤力，威脅運輸安全。另外當線路黏著條件較差時（比如雨雪天氣）還存在2臺和諧機車牽引2萬t列車在限制坡道起動時牽引功率略顯不足的現(xiàn)象。隨著Locotrol互聯(lián)互通軟件裝車運用，目前和諧型機車已實現(xiàn)了和SS4機車互聯(lián)互通，因此可以考慮按1＋1＋1編組方式開行2萬t組合列車，主控和從控1仍用和諧機車，用1臺SS4機車替代可控列尾，尾部加掛從控機車后其空氣制動與緩解性能應(yīng)與1＋2＋1編組相當，正常情況下可以有效減小列車的縱向力。2014年4月進行的大秦線3萬t試驗，雖然列車編組比現(xiàn)行2萬t列車增長50%，牽引質(zhì)量增加10 500 t，但是由于采用3單元4機牽引模式，在列車尾部加掛的從控機車顯著提高了列車制動、緩解的同步性，循環(huán)制動區(qū)段的最大縱向力反到比現(xiàn)行1＋1編組2萬t平均減小32～40%。

（2）調(diào)整從控機車在列車中的編掛位置

對于現(xiàn)在開行的1＋1，2萬t列車，將從控機車后移至列車2/3位置或列車尾部，機車編掛在列車2/3有利于提高列車的制動、緩解同步性。文獻［4］對將從控機車置于列車2/3處的編組方案進行了仿真計算，計算結(jié)果表明：將從控機車位置移至列車2/3時，列車在緊急制動、常用全制動和循環(huán)制動等制動工況下的縱向力與“1＋1＋1”編組相當，與現(xiàn)有1＋1＋可控列尾編組相比可明顯減輕列車的最大縱向力，制動距離也有所減小。編掛在列車尾部時，制動與緩解時均可使后部車輛快速動作，有助于降低列車制動和緩解時的壓鉤力，同時中部從控機車移至尾部后，所受縱向力情況將大為改觀，有助于提高從控機車運行安全。從控機車位置調(diào)整雖然有利于提高列車制動性能，但可能不利于運輸組織，還需綜合考慮。

5 結(jié)束語

試驗及運用實踐表明，目前我國的貨車制動系統(tǒng)可以滿足單元萬t貨物列車的制動要求，制動時的列車縱向力滿足列車安全運行要求；對于萬t以上列車編組，宜采用機車動力分散布置的組合列車，這樣不僅可以將牽引質(zhì)量增加而帶來車鉤力增加分散到列車的各個部分，而且客觀上改變了列車中空氣信號傳遞模式，一定程度上提高了制動與緩解波速、有助于縮短制動距離并減小車鉤力；在機車、車輛形式基本固定時，組合列車中從控機車的布置位置（即組合列車的組合方式）是影響組合列車制動性能和列車縱向力的最主要因素之一；編組方式優(yōu)化是解決組合列車縱向力過大的有效途徑之一，但是編組方式改變涉及到運輸組織、機車利用效率等一系列問題，需要運用部門綜合考慮。

［1］ 耿志修.大秦鐵路重載運輸技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］ 嚴雋耄，翟婉明，陳 清，傅茂海.重載列車系統(tǒng)動力學［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［3］ 常崇義，王成國，馬大煒，張 波.2萬t組合列車縱向力計算研究［J］.鐵道學報，2006，（3）：89-94.

Analysis of Factors Affecting Longitudinal Performance of Heavy Haul Combined Train

YAO Xiaopei1，WANG Lei2，SH AO Jun1，ZHANG Chengguo1，WANG Xiaoyan1
（1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Locomotive Department，Transportation Bureau of China Railway，Beijing 100844，China）

Five different heavy haul combined trains of Daqin railway line were introduced since 2004，and longitudinal force size of these heavy haul trains was compared，then the impact of train formation was analyzed.Combined with the test data，other factors of impacting longitudinal force such as Locotrol synchronizing time，locomotive brake performance，wagon key technologies and heavy haul train manipulation methods were analyzed，and from the perspective of reducing the longitudinal force three make-up ways of 20 000 tons train were proposed.Testing and use of the practice showed that China＇s truck brake control system performance met braking requirements of the unit 10 000 tons train.Train heavier than 10 000 tons should adopt distributed power.The arrangement location of slave locomotive had important influence on the train braking performance and longitudinal force，and should be studied carefully.

heavy haul combined train；longitudinal force；train formation

U260.13；U292.92＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.02

1008－7842（2014）06－0008－05

*中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題（2013J004-B，2013J004-C）；中國鐵道科學研究院科研項目（2013YJ004）。

8—）男，副研究員（

2014－07－09）