時(shí)速160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)代替熱備機(jī)車(chē)的方案研究

王利軍 張彥棟

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 研究背景

根據(jù)鐵總運(yùn)[2015]325號(hào)文《中國(guó)鐵路總公司關(guān)于印發(fā)<高速鐵路應(yīng)急熱備內(nèi)燃機(jī)車(chē)管理辦法>的通知》，高速鐵路應(yīng)設(shè)置應(yīng)急熱備內(nèi)燃機(jī)車(chē)，承擔(dān)高速鐵路應(yīng)急救援工作，保證動(dòng)車(chē)組列車(chē)被迫停車(chē)后能得到及時(shí)處置[1]。2019年，鐵總黨[2019]1號(hào)文《中共中國(guó)鐵路總公司黨組關(guān)于做好2019年鐵路運(yùn)輸安全工作的意見(jiàn)》要求提升高速鐵路應(yīng)急救援能力。進(jìn)一步優(yōu)化救援列車(chē)，熱備動(dòng)車(chē)組、內(nèi)燃機(jī)車(chē)的配置和布局，探索研究利用時(shí)速160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)救援動(dòng)車(chē)組的模式[2-3]。

時(shí)速160 km接觸網(wǎng)多功能檢修作業(yè)車(chē)滿足高速及快速鐵路的高空接觸網(wǎng)維護(hù)和高架線路下部的檢查維修作業(yè)需要。該接觸網(wǎng)多功能檢修作業(yè)車(chē)能在高速鐵路及城市快速鐵路上運(yùn)行，即使在不利環(huán)境條件或惡劣天氣下，也可快速、安全到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)高空接觸網(wǎng)及橋梁進(jìn)行檢測(cè)和維修；還可牽引附掛車(chē)輛，或雙機(jī)、多機(jī)重聯(lián)牽引動(dòng)車(chē)組，為多種功能綜合性維修車(chē)[4]。

2015年，由我國(guó)自主制造生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)化時(shí)速 160 km接觸網(wǎng)多功能作業(yè)車(chē)開(kāi)始在北京、上海、濟(jì)南、西安、鄭州、沈陽(yáng)、成都、南昌鐵路局等投入使用[5]。截止目前，時(shí)速160 km接觸網(wǎng)多功能作業(yè)車(chē)已在多個(gè)鐵路局合計(jì)配屬66臺(tái)。

我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備日常維護(hù)采用每天固定時(shí)間(開(kāi)天窗，一般為4 h左右)集中檢查維修的方式。在非天窗時(shí)段，有效利用時(shí)速160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)承擔(dān)動(dòng)車(chē)組救援任務(wù)，可減少資源閑置，減少對(duì)應(yīng)急熱備機(jī)車(chē)的需求，從而實(shí)現(xiàn)資源共享，加強(qiáng)高速鐵路應(yīng)急救援能力。因此有必要對(duì)時(shí)速160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)救援動(dòng)車(chē)組的可行性進(jìn)行分析。

2 BR711C接觸網(wǎng)多功能綜合作業(yè)車(chē)車(chē)型分析

2.1 作業(yè)車(chē)運(yùn)用條件及技術(shù)參數(shù)

BR711C接觸網(wǎng)多功能綜合作業(yè)車(chē)是接觸網(wǎng)檢修、維護(hù)、搶修的專業(yè)設(shè)備，具有160 km/h的最高運(yùn)行速度，可快速到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。該車(chē)配有升降旋轉(zhuǎn)作業(yè)平臺(tái)、高空作業(yè)斗、導(dǎo)線撥線裝置、接觸網(wǎng)檢測(cè)裝置等設(shè)備。其運(yùn)用條件及整體技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 作業(yè)車(chē)運(yùn)用條件表

2.2 作業(yè)車(chē)牽引特性

作業(yè)車(chē)牽引特性曲線如圖1所示，液力制動(dòng)特性曲線如圖2所示。

表2 作業(yè)車(chē)技術(shù)參數(shù)表

圖1 BR711C型作業(yè)車(chē)牽引特性曲線圖

圖2 BR711C型作業(yè)車(chē)液力制動(dòng)特性曲線圖

3 理論分析

根據(jù)TB/T 1407.1-2018《列車(chē)牽引計(jì)算-第1部分：機(jī)車(chē)牽引式列車(chē)》進(jìn)行列車(chē)牽引計(jì)算。

(1)單位基本運(yùn)行阻力

當(dāng)速度為0時(shí)(起動(dòng)點(diǎn))：

ω0=ωst

(1)

當(dāng)速度不為0時(shí)(過(guò)程)：

ω0=c0+c1v+c2v2

(2)

式中：ω0——單位基本運(yùn)行阻力；

c0,c1,c2——列車(chē)基本阻力系數(shù)，c0取0.028，c1取0.000 2，c2取0.000 298;

v——運(yùn)行速度(km/h)；

ωst——列車(chē)起動(dòng)阻力，取5 N/kN。

(2)單位坡道附加阻力

ωi=i

(3)

式中：ωi—— 單位坡道附加阻力(N/kN);

i—— 坡道千分?jǐn)?shù)。

(3)單位曲線附加阻力

(4)

式中：ωr——單位坡道附加阻力(N/kN);

R——曲線半徑(m)。

(4)單位隧道附加阻力

機(jī)車(chē)車(chē)輛的單位隧道附加阻力ωs由試驗(yàn)確定。

(5)起動(dòng)加速度

(5)

式中：ast——列車(chē)起動(dòng)加速度(m/s2);

Fst——列車(chē)起動(dòng)牽引力(kN);

ωst——列車(chē)起動(dòng)阻力(N/kN);

ωi——列車(chē)起動(dòng)坡道阻力(N/kN);

ωr——列車(chē)起動(dòng)曲線阻力(N/kN)；

I——列車(chē)起動(dòng)坡道千分?jǐn)?shù);

R——列車(chē)起動(dòng)曲線半徑(m);

M——列車(chē)質(zhì)量(t)。

(6)平衡速度

列車(chē)處于牽引工況下，所受合力為0時(shí)對(duì)應(yīng)的速度為列車(chē)的平衡速度。

(7)牽引力使用系數(shù)

單機(jī)牽引使用系數(shù)取1，雙機(jī)重聯(lián)牽引系數(shù)取0.98。

(8)牽引力修正

內(nèi)燃機(jī)車(chē)受周邊空氣溫度及海拔高度的影響，機(jī)車(chē)牽引力存在修正。

(9)其他

根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，正線線路平面曲線應(yīng)與設(shè)計(jì)行車(chē)速度匹配，所有設(shè)計(jì)行車(chē)速度等級(jí)最小曲線半徑為 2 800 m(無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度250 km/h)，其曲線附加阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于坡道附加阻力，因此可不考慮曲線附加阻力的作用。

同時(shí)，亦不考慮隧道附加阻力、牽引力修正和被救動(dòng)車(chē)組參與制動(dòng)情況。

4 救援能力分析

4.1 救援動(dòng)車(chē)組及線路條件

本文采用CR400BF作為救援動(dòng)車(chē)組進(jìn)行救援能力計(jì)算，CR400BF型動(dòng)車(chē)組技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 CR400BF型動(dòng)車(chē)組技術(shù)參數(shù)表

根據(jù)國(guó)內(nèi)高速鐵路設(shè)計(jì)的線路條件，坡度一般分為0‰，6‰，12‰，20‰，24‰，30‰。本次分析分別對(duì)上述坡度下的救援能力進(jìn)行計(jì)算。

4.2 起動(dòng)加速度

列車(chē)起動(dòng)加速度由列車(chē)牽引力、列車(chē)起動(dòng)阻力、坡道附加阻力、曲線附加阻力等共同決定。根據(jù) 式(5)，本文分別對(duì)BR711C型作業(yè)車(chē)單機(jī)、雙機(jī)的起動(dòng)加速度進(jìn)行計(jì)算。

(1)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)可在不大于12‰的上坡道上，實(shí)現(xiàn)CR400BF動(dòng)車(chē)組的救援起動(dòng)，其起動(dòng)加速度如表4所示。

表4 BR711C型作業(yè)車(chē)單機(jī)救援動(dòng)車(chē)組起動(dòng)加速度表

(2)BR711C型作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)可在不大于30‰的上坡道上，實(shí)現(xiàn)CR400BF動(dòng)車(chē)組的救援起動(dòng)，其起動(dòng)加速度如表5所示。

表5 BR711C型作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援動(dòng)車(chē)組起動(dòng)加速度表

4.3 平衡速度

列車(chē)平衡速度是列車(chē)牽引力與所受阻力平衡時(shí)達(dá)到的速度。本文分別對(duì)BR711C型作業(yè)車(chē)單機(jī)、雙機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組的平衡速度進(jìn)行計(jì)算。

(1)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在平直道上的平衡速度為153 km/h，在6‰上坡道上的平衡速度為78 km/h，在12‰上坡道上的平衡速度為42 km/h。BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援CR400BF動(dòng)車(chē)組平衡速度如圖3所示。

圖3 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援CR400BF動(dòng)車(chē)組平衡速度圖

(2)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在平直道上的平衡速度可以達(dá)到作業(yè)車(chē)最高運(yùn)行速度160 km/h，在6‰上坡道上的平衡速度為 120 km/h，在12‰上坡道上的平衡速度為75 km/h，在20‰上坡道上的平衡速度為44 km/h，在24‰的上坡道上的平衡速度為36 km/h，在30‰上坡道上的平衡速度為24 km/h。BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF動(dòng)車(chē)組平衡速度如圖4所示。

圖4 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF動(dòng)車(chē)組平衡速度圖

4.4 液力制動(dòng)調(diào)速

BR711C型動(dòng)車(chē)組的動(dòng)力制動(dòng)為液力制動(dòng)，主要用于長(zhǎng)大坡道下坡時(shí)的制動(dòng)實(shí)施，控制下坡速度。本文分別對(duì)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)、雙機(jī)的液力制動(dòng)與列車(chē)在不同下坡道下的下滑力進(jìn)行比較。

(1)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在6‰下坡道時(shí)，當(dāng)運(yùn)行速度處于25～160 km/h范圍內(nèi)時(shí)，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的液力制動(dòng)即可滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求；當(dāng)運(yùn)行速度小于25 km/h，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的空氣制動(dòng)，才能滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在12‰下坡道時(shí)，當(dāng)運(yùn)行速度處于35～145 km/h范圍內(nèi)時(shí)，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的液力制動(dòng)即可滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求；當(dāng)運(yùn)行速度小于35 km/h或超過(guò)145 km/h時(shí)，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的空氣制動(dòng)，才能滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在20‰及以上下坡道時(shí)，無(wú)法使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的液力制動(dòng)進(jìn)行列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速。BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援CR400BF動(dòng)車(chē)組液力制動(dòng)如圖5所示。

圖5 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援CR400BF動(dòng)車(chē)組液力制動(dòng)圖

(2)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在6‰下坡道時(shí)，當(dāng)運(yùn)行速度處于15～160 km/h范圍內(nèi)時(shí)，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的液力制動(dòng)即可滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求；當(dāng)運(yùn)行速度小于15 km/h，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的空氣制動(dòng)，才能滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在12‰下坡道時(shí)，當(dāng)運(yùn)行速度處于26～160 km/h范圍內(nèi)時(shí)，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的液力制動(dòng)即可滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求；當(dāng)運(yùn)行速度小于26 km/h，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的空氣制動(dòng)，才能滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在20‰下坡道時(shí)，當(dāng)運(yùn)行速度處于33～130 km/h范圍內(nèi)時(shí)，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的液力制動(dòng)即可滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速的要求；當(dāng)運(yùn)行速度小于 33 km/h或超過(guò)130 km/h時(shí)，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的空氣制動(dòng)，才能滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在24‰下坡道時(shí)，當(dāng)運(yùn)行速度處于37～100 km/h范圍內(nèi)時(shí)，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的液力制動(dòng)即可滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求；當(dāng)運(yùn)行速度小于 37 km/h或超過(guò)100 km/h時(shí)，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的空氣制動(dòng)，才能滿足列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在30‰下坡道時(shí)，無(wú)法使用接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的液力制動(dòng)進(jìn)行列車(chē)救援運(yùn)行調(diào)速。BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF動(dòng)車(chē)組液力制動(dòng)如圖6所示

圖6 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF動(dòng)車(chē)組液力制動(dòng)圖

4.5 空氣制動(dòng)

BR711C型接觸網(wǎng)多功能綜合作業(yè)車(chē)單機(jī)最大空氣制動(dòng)力為69 kN。本文分別對(duì)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的空氣制動(dòng)力與單機(jī)救援動(dòng)車(chē)組、雙機(jī)救援動(dòng)車(chē)組在不同坡道下的下滑力進(jìn)行比較，計(jì)算救援動(dòng)車(chē)組在不同坡道下利用BR711C空氣制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)停車(chē)的能力。

(1)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援動(dòng)車(chē)組空氣制動(dòng)力與下滑力關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在12‰及以下的下坡道上，下滑力均在接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)空氣制動(dòng)力包絡(luò)線范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)停車(chē)；在20‰及以上的下坡道上，下滑力均在接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)空氣制動(dòng)力包絡(luò)線范圍外，無(wú)法實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)停車(chē)。

圖7 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)救援動(dòng)車(chē)組空氣制動(dòng)力與下滑力關(guān)系圖

(2)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援動(dòng)車(chē)組空氣制動(dòng)力與下滑力關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組在20‰及以下的下坡道上，下滑力均在接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)空氣制動(dòng)力包絡(luò)線范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)停車(chē)；在24‰及以上的下坡道上，下滑力均在接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)空氣制動(dòng)力包絡(luò)線范圍外，無(wú)法實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)停車(chē)。

圖8 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)雙機(jī)救援動(dòng)車(chē)組空氣制動(dòng)力與下滑力

5 結(jié)論及建議

本文對(duì)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)單機(jī)、雙機(jī)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組進(jìn)行了救援能力分析，分別對(duì)救援起動(dòng)加速度、平衡速度、液力制動(dòng)調(diào)速能力、空氣制動(dòng)停車(chē)能力進(jìn)行了計(jì)算(計(jì)算過(guò)程不考慮牽引力修正、曲線附加阻力、隧道附加阻力和被救動(dòng)車(chē)組參與制動(dòng)情況)。救援能力計(jì)算結(jié)果，如表6所示。

由表6可知，BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)救援CR400BF型動(dòng)車(chē)組的單機(jī)限制坡度為12‰，雙機(jī)限制坡度為20‰。

綜上所述，時(shí)速160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)代替熱備機(jī)車(chē)救援動(dòng)車(chē)組在一定坡道條件的限制下具備可行性。具體救援方案需根據(jù)實(shí)際線路標(biāo)準(zhǔn)、動(dòng)車(chē)組車(chē)型及編組、救援速度等情況進(jìn)行驗(yàn)算。后續(xù)應(yīng)開(kāi)展時(shí)速 160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)的現(xiàn)場(chǎng)救援試驗(yàn)，進(jìn)一步細(xì)化救援工序與操作方案。

表6 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)救援動(dòng)車(chē)組救援能力匯總表