長大下坡道重載列車失控可能性檢算方法研究

宋宗瑩、李樂、郭芙楠、彭建川、王文斌

（1.中國神華能源股份有限公司調(diào)運部，北京 100011；2.國能運輸技術(shù)研究院有限責(zé)任公司重載運輸技術(shù)研究中心，北京100080 3.北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，北京 100044）

0 引言

如何在陡坡地段保證重載列車行車安全、防止重載列車在長大下坡道上失去控制、避免出現(xiàn)列車放飏等危險情況，是當(dāng)前重載鐵路運輸生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)引起足夠重視的關(guān)鍵問題。通過對既有研究進行梳理也可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對列車放飏的研究主要體現(xiàn)在對避難線的研究方面。國外開始研究避難線的運用等問題的時間較早，在20 世紀(jì)三四十年代避難線已經(jīng)得到了廣泛運用。20 世紀(jì)50 年代以來，國外新建避難線已經(jīng)少見，近幾十年來國外學(xué)者很少有關(guān)于避難線的研究[1]。國內(nèi)早期主要對蒸汽機車牽引區(qū)段的避難線設(shè)置問題進行研究，之后隨著內(nèi)、電牽引的大力發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者對內(nèi)燃機車和電力機車牽引區(qū)段的避難線設(shè)置問題展開了進一步的研究[2-5]。

近年來，原有列車失控可能性檢算和作為計算基礎(chǔ)的線路設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、機車車輛運行與制動性能、人工作業(yè)規(guī)范與運營組織方式等均產(chǎn)生了較大變化，一方面，既有規(guī)范已不能覆蓋上述裝備和組織手段更新所提出的新要求[6]。另一方面，隨著我國重載鐵路快速發(fā)展，復(fù)雜地形條件下特別是長大下坡道條件下萬噸重載列車和2 萬t 重載列車開行規(guī)模逐漸增大，線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和組織方式使得在考慮列車是否有失控可能性的過程中，有關(guān)參數(shù)未能被既有設(shè)計規(guī)則所覆蓋。因此，長大下坡道重載列車失控的可能性也需要重新開展準(zhǔn)確的檢算。

1 原有列車失控可能性檢算方法分析

1.1 原有列車失控可能性檢算方法

原有列車制動方法是對在長大下坡道上運行的列車施行連續(xù)的周期制動，通過閘瓦摩擦導(dǎo)致其摩擦系數(shù)不斷下降，從而使制動力不斷衰減，但持續(xù)制動會使列車失控。

具體內(nèi)容為：列車從起點出發(fā)后，根據(jù)列車的初速度判斷應(yīng)采用的工況，若不采用牽引工況，則后續(xù)運行過程均不采用；若采用牽引工況，則加速到限制速度的臨界范圍后，不再采用牽引工況。列車每次通過空氣制動減速到緩解速度后，先采用電阻制動工況運行，之后為提高列車的平均運行速度，優(yōu)先采用惰行工況。若列車的運行速度達到限制速度的臨界范圍，則采用電阻制動；若列車的運行速度達到限制速度或需要空氣制動停車，則進行下一次空氣制動。列車運行全程電阻制動始終完好?？諝庵苿映跏贾禐槿恐苿恿Φ?0%，平均每次空氣制動遞減5%。當(dāng)施行制動時，列車速度不下降反而上升，或者兩次空氣制動間的緩解時間小于規(guī)定時間，或者列車制動距離大于緊急制動限制距離時，存在列車運行失控的可能性。

1.2 原有列車失控可能性檢算結(jié)果分析

為了對長大下坡道重載列車運行失控可能性進行檢算，基于專門開發(fā)的檢算系統(tǒng)，采用不同的檢算方法，對重載列車在不同坡度條件下的運行結(jié)果進行仿真分析。

首先，如果采用原有的檢算方法對HXD1 型電力機車單機牽引108 輛重載列車，在-20‰～-6‰坡度、10/15/20km 站間距列車失控可能性的檢算結(jié)果進行分析，得到存在列車失控可能性的坡度如表1 所示。其中，機車閘瓦壓力為高摩合成閘瓦的機車閘瓦壓力，取值580kN；每百噸貨車閘瓦壓力按高摩合成閘瓦取值為195kN；-16‰～-6‰坡度的限制速度取值為80km/h，-18‰～-17‰ 坡度的限制速度取值為75km/h，-20‰～-19‰ 坡度的限制速度取值為70km/h。

表1 采用原有方法檢算單機牽引存在列車失控可能性的坡度表

可以看出，隨著站間距增大，列車運行存在風(fēng)險的坡度絕對值有逐漸減小的趨勢。

1.3 原有列車失控可能性檢算的局限性

在該檢算辦法中，列車每進行一次空氣制動后，空氣制動力遞減5%，并在下一次空氣制動過程中保持不變。然而，造成空氣制動力減弱的因素較多且復(fù)雜，若以某一個數(shù)值來代替顯然不合實際。因此，該檢算辦法對空氣制動力減弱的過程描述并不準(zhǔn)確。此外，該檢算辦法沒有考慮潤濕、雨雪等氣候條件的影響，導(dǎo)致檢算結(jié)果與實際情況相差較大。

2 重載列車失控可能性檢算辦法分析

基于已有的檢算方法，同時參考相關(guān)研究文獻，提出以下列車失控可能性檢算方法：列車從起點出發(fā)后，根據(jù)列車的初速度判斷應(yīng)采用的工況，若不采用牽引工況，則后續(xù)運行過程均不采用；若采用牽引工況，則加速到限制速度的臨界范圍后不再采用牽引工況。列車每次通過空氣制動減速到緩解速度后，先采用電阻制動工況運行，之后為提高列車平均運行速度，優(yōu)先采用惰行工況。若列車的運行速度達到限制速度的臨界范圍，則采用電阻制動；若列車的運行速度達到限制速度或需要空氣制動停車，則進行下一次空氣制動。列車運行全程電阻制動始終完好。空氣制動初始值為全部制動力的80%，隨制動距離逐漸減弱x/km。當(dāng)施行制動時，列車速度不下降反而上升，或者兩次空氣制動間的緩解時間小于規(guī)定時間，或者列車制動距離大于緊急制動限制距離時，存在列車運行失控的可能性。關(guān)于該檢算辦法，需要進一步闡述空氣制動力隨距離減弱的取值問題。

制動距離的逐漸減弱值由原有檢算方法計算獲得。使用原有檢算方法的結(jié)果如下：當(dāng)站間距為10km 時，列車在線路坡度為-8‰的長大下坡道上進行3 次空氣制動，共運行1.578km，空氣制動力減弱8.9%；列車在線路坡度為-9‰的長大下坡道上進行3次空氣制動，共運行1.882km，空氣制動力減弱8.9%。當(dāng)站間距為15km 時，列車在線路坡度為-7‰的長大下坡道上進行3 次空氣制動，共運行1.745km，空氣制動力減弱8.9%；列車在線路坡度為-8‰的長大下坡道上進行4 次空氣制動，共運行2.239km，空氣制動力減弱14.9%。當(dāng)站間距為20km 時，列車在線路坡度為-7‰ 的長大下坡道上進行4 次空氣制動，共運行2.206km，空氣制動力減弱14.9%；列車在線路坡度為-9‰ 的長大下坡道上進行6 次空氣制動，共運行3.479km，空氣制動力減弱26.2%；列車在線路坡度為-10‰的長大下坡道上進行7 次空氣制動，共運行4.008km，空氣制動力減弱31.3%。因此，制動力隨制動距離減弱的參數(shù)可按式（1）取值。

3 案例分析

3.1 朔黃鐵路概況

朔黃鐵路屬于國家Ⅰ級雙線電氣化鐵路，正線總長近598km。作為國家“九五”“十五”重點工程，朔黃鐵路西起朔州，東至滄州，沿線15 次跨越滹沱河，367座橋梁長達80.3km，77 座隧道長達66.3km，呈現(xiàn)出“兩高一低（海拔高、護坡高、氣溫低）、兩大一?。ㄕ緢龃?、坡度大、曲線半徑?。?、兩長一短（橋隧長、曲線長、夾直線短）”三大特點。朔黃鐵路線路自西向東海拔落差1527.63m，有近170km 山區(qū)鐵路，曲線多，橋隧相連，地形復(fù)雜。

3.2 朔黃線檢算線路的數(shù)據(jù)處理

3.2.1 列車編組

選擇編組內(nèi)容為2 臺神8 型電力機車和216 輛C80 型車輛的組合2 萬t 重載列車，作為檢算對象。其中每臺機車質(zhì)量為200t，換算閘瓦壓力為580kN；每輛車輛質(zhì)量為100t，每百噸換算閘瓦壓力為195kN。

3.2.2 線路數(shù)據(jù)

朔黃線上行方向神池南站至三汲站，全長為255.901km，平均坡度為-5.5‰。對朔黃線的線路數(shù)據(jù)進行分析處理，其中，神池南站至寧武西站區(qū)間起點里程K3+400 至終點里程K14+581 的線路，全長為11.181km，平均坡度為-6.8‰；寧武西站至龍宮站區(qū)間起點里程K17+781 至終點里程K42+870 的線路，全長為25.089km，平均坡度為-9.5‰；龍宮站至北大牛站區(qū)間全長為24.928km，平均坡度為-9.6‰；北大牛站至原平南站區(qū)間全長為19.232km，平均坡度為-7.9‰；南灣站至滴流磴站區(qū)間全長為27.711km，平均坡度為-7.4‰；滴流磴站至猴刎站區(qū)間全長為21.806km，平均坡度為-7.2‰；猴刎站至小覺站區(qū)間起點里程K186+468 至終點里程K199+300 的線路，全長為12.832km，平均坡度為-7.7‰。上述區(qū)間（或區(qū)間的部分線路）為朔黃線上行方向神池南站至三汲站間列車運行最困難的區(qū)間，較其他區(qū)間更有可能發(fā)生列車放飏事故，因此選擇上述區(qū)間（或區(qū)間的部分線路）進行列車失控可能性檢算。處理后的線路數(shù)據(jù)主要包括坡段的坡度、長度以及限速。

3.3 檢算結(jié)果

對神池南站至三汲站各區(qū)間線路，分別進行在干燥、濕潤、雨雪的氣候條件下的列車失控可能性檢算。其中，在干燥條件下的神池南站至寧武西站區(qū)間檢算線路結(jié)果如圖1 所示。

圖1 在干燥條件下的神池南站至寧武西站區(qū)間檢算線路結(jié)果

3.4 檢算結(jié)果分析

對以上檢算結(jié)果進行分析，各區(qū)間不同氣候條件下檢算結(jié)果如表2 所示。

表2 各區(qū)間不同氣候條件下檢算結(jié)果

編組內(nèi)容為2 臺神8 型電力機車牽引216 輛C80型車輛的組合2 萬t 重載列車，在起點里程K17+781至龍宮站、龍宮站至北大牛站、北大牛站至原平南站、南灣站至滴流磴站、滴流磴站至猴刎站的線路上運行時，不論何種氣候條件均存在緩解時間不足的風(fēng)險；而在起點里程K3+400 至終點里程K14+581 的線路、起點里程K186+468 至終點里程K199+300 的線路上運行時，在干燥條件下能正常停車，在濕潤和雨雪條件下存在緩解時間不足的風(fēng)險。對這些區(qū)間需要重點關(guān)注，及時采取合理的應(yīng)對措施。

基于前述列車失控可能性檢算的結(jié)果分析，應(yīng)全面開展針對列車放飏的事前預(yù)防、事中應(yīng)急和事后處置方案研究，為預(yù)防和處理列車放飏和失控提供有效的應(yīng)對策略。對于上述在列車運行過程中，可能存在緩解時間不足的風(fēng)險并且需要防范注意的區(qū)間或線路，在施行周期制動時，必須將列車速度降至要求的速度，再緩解列車制動，以保證車輛副風(fēng)缸有足夠的充風(fēng)時間。同時，在運行過程中，必須堅持以電阻制動為主、空氣制動為輔、相互配合使用的操縱原則。在運行中，考慮列車速度、線路坡道、牽引輛數(shù)和噸數(shù)、車輛種類以及閘瓦壓力等條件，選擇合理的制動、緩解時機，嚴(yán)禁充風(fēng)不足使用制動機，嚴(yán)禁違反制動機的操作規(guī)程。

4 結(jié)語

文章基于原有檢算辦法，參考相關(guān)研究文獻，對長大下坡道重載列車失控可能性進行檢算。以朔黃線神池南站至三汲站部分線路區(qū)間為案例，得到編組內(nèi)容為2 臺神8 型電力機車牽引216 輛C80 型車輛的組合2 萬t 重載列車，在各檢算區(qū)間的檢算結(jié)果，并給出相應(yīng)的預(yù)防措施。