論南同蒲線機(jī)車牽引質(zhì)量的理論計(jì)算與試驗(yàn)查定*

楊江霖

(中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司， 太原 030013)

按照《鐵路機(jī)車運(yùn)用管理規(guī)程》規(guī)定，機(jī)車牽引質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)線路縱斷面、機(jī)車類型、供電能力、地區(qū)海拔高度、氣候特點(diǎn)、站場(chǎng)設(shè)備及運(yùn)量等條件，按《技規(guī)》和《牽規(guī)》進(jìn)行科學(xué)、周密計(jì)算并使用實(shí)地牽引試驗(yàn)查定。文中以南同蒲線侯馬北至介休段為研究對(duì)象，對(duì)該區(qū)段HXD1、HXD2型機(jī)車的牽引質(zhì)量從理論計(jì)算到試驗(yàn)查定進(jìn)行研究和討論。

1 問題的提出

伴隨著鐵路技術(shù)裝備的升級(jí)和快速發(fā)展和機(jī)車布局調(diào)整，2017年9月原大秦線運(yùn)用的部分HXD1、HXD2等新型和諧系列大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車陸續(xù)調(diào)整配置到南同蒲線。目前，HXD1、HXD2型機(jī)車牽引質(zhì)量與SS4G型機(jī)車牽引質(zhì)量一致，侯馬北至介休間上行牽引4 500 t，同時(shí)規(guī)定上行襄汾、洪洞、霍州、圣佛、冷泉、義棠6個(gè)車站為必須通過站，圣佛、冷泉、霍州站始發(fā)4 000 t以上貨物列車時(shí)必須雙機(jī)牽引。由于HXD1、HXD2型機(jī)車功率均高于9 600 kW，較SS4G型機(jī)車功率6 400 kW高出3 200 kW以上，因此運(yùn)輸部門提出迫切需要提高HXD1、HXD2型機(jī)車牽引質(zhì)量到5 000 t，發(fā)揮大功率機(jī)車的作用，提高運(yùn)輸能力，增加經(jīng)濟(jì)效益。

2 列車牽引計(jì)算

在牽引區(qū)段內(nèi)，牽引質(zhì)量受到最困難上坡道的限制。通過對(duì)區(qū)段內(nèi)線路縱斷面、電分相設(shè)置、坡道位置、坡道長(zhǎng)短等分析，確定牽引限制困難區(qū)段，利用TB/T 1407-1998《列車牽引計(jì)算規(guī)程》中牽引質(zhì)量計(jì)算公式、列車運(yùn)動(dòng)方程式等對(duì)困難條件進(jìn)行理論計(jì)算，為實(shí)車牽引試驗(yàn)和機(jī)車乘務(wù)員操縱提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2.1 機(jī)車牽引特性

南同蒲線HXD1、HXD2型機(jī)車，軸重均為25 t，有關(guān)機(jī)車基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 機(jī)車基本技術(shù)參數(shù)

機(jī)車牽引特性圖如下：

圖1 機(jī)車牽引特性圖

2.2 確定牽引困難區(qū)段

南同蒲線侯馬北至介休區(qū)段，上行方向線路基本走勢(shì)為上坡，通過查看有關(guān)線路技術(shù)資料，結(jié)合多年以來機(jī)車乘務(wù)員實(shí)際機(jī)車操縱情況，確定上行牽引最困難區(qū)段在洪洞-辛堡區(qū)間K586～K592段，該區(qū)段連續(xù)上坡，最大坡度12.1‰，有一處電分相(分相中心位置為K587+899 m)，且處在曲線段。線路具體情況如圖2所示：

圖2 牽引困難區(qū)段示意圖

2.3 列車起動(dòng)能力計(jì)算

為確保列車在任何情況下停車后能夠起動(dòng)，在這里，我們按照最困難情況進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)列車整列停在12.1‰和10.3‰的坡度上，此時(shí)列車要起動(dòng)，列車總?cè)枇?yīng)小于或等于機(jī)車起動(dòng)牽引力。根據(jù)《TB/T 1407-1998》，列車在起動(dòng)時(shí)的總?cè)枇椋?/p>

(1)

將有關(guān)數(shù)值代入式(1)計(jì)算，得出HXD1、HXD2型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車起動(dòng)總?cè)枇?94 kN。由表1可知，HXD1、HXD2型機(jī)車的起動(dòng)牽引力小于總?cè)枇ΑＲ簿褪钦f，HXD1、HXD2型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車在該困難坡度停車時(shí)列車起動(dòng)不了。

2.4 列車分相通過能力計(jì)算

由圖2可知，在該困難區(qū)段存在一電分相，該分相為器件式電分相，長(zhǎng)度為100 m(斷合標(biāo)間距離)。電力機(jī)車通過電分相前要斷電，列車靠慣性惰行，通過電分相合閘后，在形成有效加載前，電力機(jī)車需經(jīng)5～10 s的系統(tǒng)自檢。結(jié)合多年來實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及通過分相后的線路坡度，在該困難區(qū)段通過電分相合閘時(shí)列車速度只要不低于10 km/h，就不會(huì)因?yàn)榧虞d不及時(shí)引起列車途停。為滿足列車正常運(yùn)行和指導(dǎo)機(jī)車乘務(wù)員操縱，根據(jù)列車運(yùn)動(dòng)方程和列車合力計(jì)算公式，結(jié)合多年以來機(jī)車操縱經(jīng)驗(yàn)，對(duì)HXD1、HXD2型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車時(shí)在該分相處最低斷電速度進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)列車運(yùn)動(dòng)方程式：

(2)

由式(2)可導(dǎo)出，列車通過電分相時(shí)最低斷電速度計(jì)算公式為：

(3)

式中：v合為10 km/h；ΔS為斷電后至合閘間列車運(yùn)行距離，按斷電標(biāo)至合電標(biāo)間距離100 m計(jì)算；c為機(jī)車斷電至合閘惰行期間的列車單位合力，c=-(w0+ij)，其中w0、ij分別為斷電惰行期間列車單位阻力和線路坡度的千分?jǐn)?shù)，ij按照坡度和曲線進(jìn)行加算取值，單位基本阻力w0按下式進(jìn)行計(jì)算。

(4)

(5)

(6)

為計(jì)算方便，斷電運(yùn)行期間的列車單位基本阻力按20 km/h進(jìn)行計(jì)算。

將有關(guān)數(shù)值代入式(2)～(6)計(jì)算，得出HXD1、HXD2型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車通過該分相的最低斷電速度為22 km/h。

2.5 計(jì)算坡度計(jì)算

計(jì)算坡度為列車在計(jì)算速度運(yùn)行時(shí)的限制坡度，根據(jù)《牽規(guī)》，計(jì)算坡度計(jì)算公式為：

(7)

由以上計(jì)算可知，HXD1型機(jī)車的計(jì)算坡度為7.6‰，HXD2型機(jī)車的計(jì)算坡度為8.0‰。也就是說，HXD1、HXD2機(jī)車牽引5 000 t貨物列車在計(jì)算坡度以下運(yùn)行時(shí)，均能到達(dá)65 km/h的計(jì)算速度運(yùn)行。

2.6 起動(dòng)限制坡度計(jì)算

為給機(jī)車乘務(wù)員操縱提供指導(dǎo)依據(jù)，有必要對(duì)起動(dòng)限制坡度進(jìn)行計(jì)算，在乘務(wù)員遇設(shè)備故障、非正常停車時(shí)，根據(jù)列車所處坡度情況，決定是否自行起動(dòng)列車或是請(qǐng)求救援。根據(jù)《TB/T 1407-1998》，起動(dòng)限制坡度計(jì)算公式為：

(8)

將有關(guān)數(shù)值代入式(8)計(jì)算，λy按0.9取值時(shí)，得到HXD1型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車的起動(dòng)限制坡度為9.9‰，HXD2型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車的起動(dòng)限制坡度為10.2‰；λy按1.0取值時(shí)，得到HXD1型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車的起動(dòng)限制坡度為11.4‰，HXD2型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車的起動(dòng)限制坡度為11.7‰?？紤]到不同機(jī)車的性能和機(jī)車乘務(wù)員操縱水平的差異，從安全角度考慮，日常運(yùn)用中以λy按0.9取值時(shí)計(jì)算得到起動(dòng)限制坡度作為機(jī)車乘務(wù)員坡道起動(dòng)的指導(dǎo)依據(jù)。

3 牽引試驗(yàn)

按照《鐵路機(jī)車運(yùn)用管理規(guī)程》中規(guī)定，機(jī)車牽引質(zhì)量的查定需要組織進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。通過以上對(duì)HXD1、HXD2型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車在牽引困難區(qū)段起動(dòng)能力、分相通過能力的計(jì)算，可知HXD1、HXD2型機(jī)車在牽引特性、牽引困難區(qū)段起動(dòng)能力、分相通過能力等基本相同，因此結(jié)合機(jī)車配屬運(yùn)用情況，我們采用HXD2型機(jī)車進(jìn)行了5 000 t貨物列車實(shí)車試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)概況

2018年3月13日組織在南同蒲線侯馬北至介休間進(jìn)行了實(shí)車牽引試驗(yàn)。

試驗(yàn)列車編組：HXD2-0176號(hào)機(jī)車+貨車重車63輛(4 852 t)+DF8B-5199(備用，自重131t)，列車總重4 983 t，列車計(jì)長(zhǎng)81.6。其中DF8B型機(jī)車作為試驗(yàn)預(yù)備機(jī)車，試驗(yàn)過程中不加力運(yùn)行，自重計(jì)入貨物列車總重，防止試驗(yàn)運(yùn)行中出現(xiàn)困難或起動(dòng)失敗，避免給運(yùn)輸造成影響。

天氣情況：晴，無風(fēng)。

3.2 牽引困難區(qū)段起車試驗(yàn)

列車正常運(yùn)行通過洪洞站后，機(jī)車乘務(wù)員操縱列車通過K587電分相后停于K587+678 m處，使列車整列處于區(qū)段12.1‰的最大坡度上，司機(jī)操縱機(jī)車滿流起動(dòng)列車，加載1 min速度1 km/h列車起動(dòng)，加載5 min速度4 km/h走行264 m，加載10 min速度10 km/h走行744 m，加載12 min速度30 km/h走行1 600 m，加載15 min列車到達(dá)機(jī)車計(jì)算速度65 km/h走行4 507 m，機(jī)車操縱運(yùn)行曲線圖見圖3。

圖3 洪洞—辛堡區(qū)間起車 機(jī)車起車運(yùn)行曲線圖

對(duì)試驗(yàn)列車停車位置換算坡度進(jìn)行計(jì)算，換算坡度為11.4‰，略小于機(jī)車牽引力使用系數(shù)λy取值為1.0時(shí)的起動(dòng)限制坡度11.4‰。

3.3 側(cè)線起車試驗(yàn)

根據(jù)機(jī)務(wù)部門反映，南同蒲線侯馬北至介休區(qū)段部分車站起車時(shí)，由于側(cè)線股道限速影響，始發(fā)列車開車后初速度低，遇出站方向連續(xù)上坡道有電分相時(shí)，由于列車通過分相后合閘速度低，SS4G機(jī)車擔(dān)當(dāng)4 000 t及以上貨物列車牽引任務(wù)時(shí)存在列車途停的情況，所以在實(shí)際運(yùn)用中規(guī)定遇某些困難站牽引4 000 t以上始發(fā)列車或天氣不良時(shí)安排雙機(jī)牽引，造成調(diào)度秩序混亂。因此，根據(jù)機(jī)務(wù)部門建議，選擇在最困難車站霍州站進(jìn)行了側(cè)線起車試驗(yàn)，霍州站上行出站方向線路情況見圖4。

圖4 霍州站上行出站方向線路情況圖

試驗(yàn)列車霍州站4道開車，司機(jī)操縱機(jī)車滿級(jí)起動(dòng)列車，加載1 min時(shí)列車出站速度10 km/h走行100 m，加載3 min時(shí)列車到達(dá)分相前速度27 km/h走行794 m(實(shí)際4道側(cè)線限速45 km/h，在機(jī)車仍具有提速條件的情況下，為模擬其他限速30 km/h股道發(fā)車要求司機(jī)操縱列車出站速度不超過30 km/h)；機(jī)車斷電過分相，30s后列車通過分相速度16 km/h，由于列車處于上坡道運(yùn)行中，列車?yán)^續(xù)降速運(yùn)行，最低速度14 km/h，機(jī)車合閘后繼續(xù)加載，運(yùn)行3 min后列車速度達(dá)到40 km/h，機(jī)車操縱運(yùn)行曲線見圖5。

圖5 霍州站側(cè)線起車機(jī)車 起車運(yùn)行曲線圖

3.4 列車運(yùn)行速度

試驗(yàn)列車從侯馬北站開車，到介休站停車，列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)間204 min，實(shí)際純運(yùn)行時(shí)間174 min，圖定純運(yùn)行時(shí)間209 min。

列車實(shí)際運(yùn)行平均速度：v平均=55.6 km/h。

列車實(shí)際運(yùn)行技術(shù)速度：v實(shí)技=65.2 km/h。

列車圖定運(yùn)行技術(shù)速度：v圖技=54.3 km/h。

HXD1、HXD2型機(jī)車牽引5 000 t貨物列車時(shí)，在該區(qū)段平均速度、技術(shù)速度均高于圖定運(yùn)行技術(shù)速度，同時(shí)技術(shù)速度略高于機(jī)車計(jì)算速度。

3.5 查定牽引質(zhì)量

由以上理論計(jì)算，通過實(shí)車試驗(yàn)，從困難坡道起車、困難車站起車、分相通過能力、列車運(yùn)行速度、技術(shù)速度來看，綜合考慮困難區(qū)段坡道機(jī)車起車慢、天氣不良機(jī)車黏著力低等因素。試驗(yàn)小組經(jīng)過討論，確定南同蒲線侯馬北至介休區(qū)段上行HXD1、HXD2型機(jī)車質(zhì)量為5 000 t，運(yùn)行條件辛堡站上行禁止機(jī)外停車。

3.6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

在查定了牽引質(zhì)量后，對(duì)SS4G型機(jī)車與HXD1、HXD2型在此區(qū)段擔(dān)當(dāng)貨物列車的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，如表2所示：

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

由于HXD1、HXD2型機(jī)車較之現(xiàn)行SS4G型機(jī)車無論從牽引質(zhì)量、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行速度方面提高很多。在同等條件下，可提高機(jī)車平均牽引總重11%，壓縮機(jī)車周轉(zhuǎn)時(shí)間16.7%，技術(shù)速度提高18.2%。

4 結(jié)束語(yǔ)

牽引質(zhì)量的查定是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，要根據(jù)牽引計(jì)算結(jié)果和牽引試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合具體情況和運(yùn)輸需要，提出以下查定牽引質(zhì)量的建議：

(1)當(dāng)牽引質(zhì)量受限制坡道限制在該坡道起動(dòng)困難時(shí)，當(dāng)限制坡道較短時(shí)，可以允許列車在該區(qū)間低于計(jì)算速度或持續(xù)速度運(yùn)行，盡量減少補(bǔ)機(jī)、雙機(jī)牽引，避免造成機(jī)車?yán)速M(fèi)。

(2)進(jìn)站信號(hào)機(jī)外停車起動(dòng)困難的車站規(guī)定為禁止機(jī)外停車站。

(3)結(jié)合運(yùn)量大小、設(shè)備條件和市場(chǎng)需求等，考慮空重車流，統(tǒng)籌兼顧，合理安排。

(4)查定牽引質(zhì)量時(shí)，同時(shí)查定貨物列車運(yùn)行時(shí)分，為列車運(yùn)行圖鋪劃提供技術(shù)依據(jù)，進(jìn)而提高運(yùn)輸效率。