長大上坡道動車組列車過分相時操縱方式研究

高慧敏，張守帥

（中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081）

近年來，隨著我國高速鐵路建設(shè)重點向中西部轉(zhuǎn)移，受地理環(huán)境限制，高速鐵路長大坡道不斷增加，對高速鐵路設(shè)備、設(shè)施和運營管理等的影響越來越大。關(guān)于長大上坡道動車組列車過分相時操縱方式的研究對后續(xù)相關(guān)高速鐵路的運營管理具有借鑒意義，以大西高速鐵路(太原—西安) 為例對動車組列車過分相時的操縱方式進行研究。

1 大西高速鐵路分相設(shè)置情況

大西高速鐵路作為《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008年調(diào)整)》的重要組成部分，北起山西省大同市，南至陜西省西安市，全長859km。目前，大西高速鐵路南段已經(jīng)建成通車，其中多處地段為長大坡道，最大坡度達到 30‰，遠大于《 鐵路技術(shù)管理規(guī)程 》區(qū)間正線 20‰ 的規(guī)定。大西高速鐵路南段為 CTCS-2 級區(qū)段，太原鐵路局管內(nèi)設(shè)有18處電分相，采用絕緣錨段關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，每個分相區(qū)長度約為1180m，其中無電區(qū)長 180m。分相區(qū)兩端鐵路軌枕上設(shè)有斷合電地面感應器，線路旁設(shè)有分相斷電標和合電標，大西高速鐵路接觸網(wǎng)分相設(shè)備距離示意圖如圖1 所示。

2 動車組列車過分相時操縱方式研究

2.1 阻力分析

動車組列車過分相時處于惰行狀態(tài)，即沿動車組列車前進方向不存在牽引力，只有阻力，阻力包括基本阻力和附加阻力 2個部分[1]?；咀枇κ莿榆嚱M列車在運行過程中一直存在的阻力，反映列車在平直線路運行時所受阻力的狀況，包括動車組列車機械阻力和空氣阻力，其中機械阻力由沖擊震動引起的阻力、車輪滾動阻力、軸承摩擦阻力及輪軌滑動阻力 4個部分構(gòu)成。受空氣阻力影響，基本阻力為速度的二次多項式[2]。根據(jù)相關(guān)研究所得參數(shù)取值，CRH2 型動車組列車單位基本阻力 ω0( N/t) 的計算公式為

式中：v 為動車組列車速度，km/h。

附加阻力是列車在特別線路條件下(如隧道、曲線、坡道等) 遇到的阻力[3]，考慮坡道 θ條件下的附加阻力 ωj(N/kN)，計算公式為

動車組列車在坡道上運行的總單位阻力 ω( N/kN) 計算公式為

式中：g 為重力加速度，取 9.8m/s2。

由于動車組列車惰行過分相的限制情況為低速惰行通過長大上坡道，因而基本阻力相對于附加阻力很小。在坡度大于 17‰、速度低于 80km/h的情況下，基本阻力所占比例在 10% 以內(nèi)，并且隨著惰行時速度的降低，其所占比例會逐漸減小。由于基本阻力所占比例較小，并且其值會不斷變化，研究時暫不考慮基本阻力，但在計算結(jié)果上保留一定余量以作補償。

2.2 操縱方式與初速度關(guān)系分析

圖1 大西高速鐵路接觸網(wǎng)分相設(shè)備距離示意圖

動車組列車過分相的操縱方式取決于動車組列車以一定初速度進入分相區(qū)后的惰行距離。如果惰行距離大于自動過分相所需距離 LZ，即可采用自動過分相方式；如果不滿足自動過分相但惰行距離大于手動過分相所需距離 LS，則采取手動過分相。因此，在研究操縱方式與初速度之間的關(guān)系時，應首先考慮在坡道條件下一定初速度動車組列車的惰行距離[4-5]。動車組列車在坡道上惰行時，由于僅考慮坡道阻力，因而動車組列車的動能全部轉(zhuǎn)化為勢能，計算公式為

式中：m為動車組列車質(zhì)量，kg；h為動車組列車惰行過程產(chǎn)生的高度差，m；l為動車組列車惰行距離，m；i為坡度。

當惰行距離 l＞LZ時，即時，可以自動過分相；當惰行距離 l＞LS時，即 v＞2 LSgi時，可以手動過分相。

2.3 司機操縱方式研究

在正常情況下動車組列車采用自動過分相方式，即當動車組列車運行至電分相前時，車載設(shè)備接收地面感應器 1 或 2 的定位信息，并且送入動車組網(wǎng)絡(luò)控制單元，控制牽引傳動系統(tǒng)自動斷開動車組主斷路器，使動車組列車惰行。通過無電區(qū)后，車載設(shè)備接收地面感應器 3 或 4 的定位信息，自動閉合主斷路器，然后起動列車各輔助系統(tǒng)?？刂七^程完全由車載設(shè)備完成，無需動車組列車司機操縱。當自動過分相時，動車組列車最短惰行距離為自地面感應器 1 至地面感應器 3 之間的距離，長度為 1 040m。

遇自動過分相裝置故障或非正常行車導致過分相初速度過低時，司機可以采用手動斷合主斷路器的方式通過分相，即將自動過分相裝置隔離。在動車組列車頭部越過分相斷電標時，司機手動斷開主斷路器，待通過分相后動車組列車越過分相合電標時，司機手動閉合主斷路器。當手動過分相時，動車組列車最短惰行距離為自分相斷電標至分相合電標之間的距離，長度為 660m。

當采取手動過分相方式時，動車組列車惰行距離較短，在相同坡度和過分相初速度情況下降速較少，但對動車組列車司機操縱提出更高要求。因此，在長大上坡道過分相初速度較低的情況下，可以采用手動過分相方式，避免動車組列車“掉分相”事故的發(fā)生。在過分相初速度較高或分相區(qū)處于下坡道時，宜采用自動過分相方式，以減少動車組列車司機勞動強度，使其集中精力于線路瞭望和運行速度的控制[6-8]。

3 實例分析

大西高速鐵路南段太原鐵路局管內(nèi)(太原南—永濟北) 共 3 處關(guān)鍵分相點，分別是下行靈石東至霍州東間 K409 分相(17.0‰)、上行洪洞西至霍州東間 K462 分相(18.0‰)、上行晉中至太原南間 K280分相(24.0‰)。3 處分相均位于線路坡度超過 17‰ 的長大上坡道上，其所在線路縱斷面圖分別如圖2 至圖4 所示。

圖2 大西高速鐵路下行靈石東至霍州東K409分相所在線路縱斷面圖

圖3 大西高速鐵路上行洪洞西至霍州東K462分相所在線路縱斷面圖

圖4 大西高速鐵路上行晉中至太原南K280分相所在線路縱斷面圖

在大西高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，機務行車部門使用 CRH2-295A 統(tǒng)型動車組列車(配重 49t)，對CRH2A 型動車組列車通過上述分相的惰行距離進行模擬測試，測試地點坡度選取與分相所處基本相同，考慮到實際區(qū)段線路平縱斷面差別、司機反應和操縱時間，以及測量誤差、風力溫度等因素，預留一定冗余。在測試地點惰行距離的計算結(jié)果和實際結(jié)果如表1 所示。

表1 大西高速鐵路模擬過分相地段動車組列車惰行距離對比表 m

由表1 可知，在不考慮基本阻力的情況下計算的動車組列車惰行距離值仍然小于實際值，原因在于實際運行時提供給電務部門的坡道數(shù)據(jù)存在一定冗余。根據(jù)試驗和計算結(jié)果，3個關(guān)鍵分相區(qū)的操縱方式建議對比表如表2 所示。

表2 大西高速鐵路動車組列車過關(guān)鍵分相的建議操縱方式對比表

由表2 可知，計算結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，僅在 70km/h的動車組列車過 18.0‰ 分相時存在差異。通過對該處惰行距離進行實際模擬，70km/h動車組列車的惰行距離為 1 065m，基本滿足自動過分相1040m 的要求，但小于分相區(qū)長度1180m，可以考慮采用手動過分相的方式，以減少“掉分相”事故發(fā)生概率。

4 結(jié)束語

通過對動車組列車過分相時受力情況及惰行距離的研究，得到進入分相時的初速度與司機操縱方式之間的關(guān)系。結(jié)合動車組列車在相似地段的模擬結(jié)果，對計算所得惰行距離及建議的操縱方式進行驗證。結(jié)果表明，在考慮一定冗余的條件下可以采用簡單計算的方法對司機在長大上坡道過關(guān)鍵分相時的操縱方式提出建議，其結(jié)論與實際模擬結(jié)果基本相同。同時，建議動車組列車司機在作業(yè)中嚴格按照作業(yè)標準進行過分相操縱，在通過長大坡道分相時，應在不超過限速要求的情況下盡量加速闖坡，延長動車組列車過分相惰行距離。在采用目視行車模式、隔離模式等限速較低的非正常行車情況下，應準確判別動車組列車通過分相能力，聽從列車調(diào)度員指揮，按規(guī)定采用合理的操縱方式通過分相，盡量減少或杜絕由于動車組列車司機操縱不當導致的長大坡道“掉分相”事故的發(fā)生。

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