內(nèi)燃機(jī)車救援制動不可用動車組限速優(yōu)化研究

陳波，郭奇宗，張波，馬忠，呂寶佳

（1 動車組和機(jī)車牽引與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；3 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094）

當(dāng)動車組因自身發(fā)生故障、接觸網(wǎng)供電中斷等原因無法繼續(xù)運(yùn)行時，需申請救援，由其他動車組或救援機(jī)車牽引運(yùn)行至下一站。為了滿足救援需要，目前動車組基本都配備了過渡車鉤［1］和救援回送裝置［2］，被救援時可以分擔(dān)一部分制動力。按鐵總運(yùn)〔2014〕157 號《動車組回送作業(yè)辦法》第二十條：“動車組無動力回送，制動可用時限速120 km/h，制動不可用時限速5 km/h”。在被救援動車組全列制動不可用的極端情況下，按限速5 km/h 執(zhí)行，對救援效率帶來較大影響。

為了降低閘瓦磨耗，提高牽引噸數(shù)，便于平穩(wěn)操縱，內(nèi)燃機(jī)車在設(shè)計時普遍安裝有電阻制動裝置［3-4］。文中對充分利用內(nèi)燃機(jī)車電阻制動提高救援限速的可行性進(jìn)行了分析，評估了既有內(nèi)燃機(jī)車空氣制動能力并結(jié)合國內(nèi)實(shí)際提出相關(guān)建議。

1 內(nèi)燃機(jī)車救援限制因素

內(nèi)燃機(jī)車救援無制動能力動車組限制因素需要從機(jī)車牽引能力、機(jī)車制動能力和車鉤構(gòu)件性能特性等方面綜合考慮，如圖1 所示。機(jī)車牽引能力方面，需核算機(jī)車牽引動車組坡道起動、上坡道持續(xù)運(yùn)行能力；機(jī)車制動能力方面，需核算僅依靠機(jī)車制動坡道臨停、下坡道調(diào)速和坡道緊急制動停車能力，下坡道調(diào)速又分為空氣制動調(diào)速和電阻制動調(diào)速2類，并對基礎(chǔ)制動熱負(fù)荷和緊急制動黏著進(jìn)行校核；車鉤構(gòu)件性能特性方面，需核算過渡車鉤強(qiáng)度是否滿足救援工況要求，對于裝有柴田車鉤的動車組，尤需考慮車鉤力作用下的鉤緩裝置運(yùn)動特性和干涉問題［5］。綜合各方面限制因素，對內(nèi)燃機(jī)車救援的限坡和限速進(jìn)行規(guī)定。

圖1 內(nèi)燃機(jī)車救援限制因素

被救援動車組制動不可用時，內(nèi)燃機(jī)車制動能力將成為救援限制因素的核心與基礎(chǔ)。同時鑒于目前高鐵熱備救援機(jī)車以東風(fēng)型為主，文中選取DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速）2 種內(nèi)燃機(jī)車對其救援8 輛編組動車組時的機(jī)車電阻制動和空氣制動能力進(jìn)行仿真計算和試驗(yàn)研究。

2 東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車電阻制動概述

2.1 電阻制動原理

在電阻制動工況時，利用直流電機(jī)的可逆原理，直流牽引電機(jī)工作在發(fā)電模式，通過輪對將列車的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，消耗在制動電阻上，以熱能的形式逸散到大氣中。此過程中，牽引電機(jī)軸上所產(chǎn)生的反力矩作用于機(jī)車動輪上而產(chǎn)生制動力，故名電阻制動。

現(xiàn)役東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車電阻制動的電路大致相同，都是由機(jī)車上的勵磁調(diào)節(jié)器/電阻制動控制柜控制，機(jī)車施加電阻制動時，勵磁調(diào)節(jié)器/電阻制動控制柜根據(jù)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號，規(guī)定了制動電流和制動勵磁電流的基準(zhǔn)值并將實(shí)際制動電流和制動勵磁電流與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，經(jīng)計算輸出相應(yīng)斬波信號控制勵磁系統(tǒng)的勵磁電流，將制動電流和制動勵磁電流限制在規(guī)定范圍內(nèi)。此外，勵磁調(diào)節(jié)器/電阻制動控制柜還根據(jù)機(jī)車速度信號控制機(jī)車電阻制動的I、II 級轉(zhuǎn)換以及機(jī)車在高速時對制動電流進(jìn)行電流限制［6-8］。DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速）機(jī)車的電阻制動特性如圖2 所示。

圖2 DF4D(客)和DF4D(準(zhǔn)高速)電阻制動特性

總的來說，電阻制動在使用中一方面受最大勵磁電流和最大制動電流的限制；另一方面受到機(jī)車高速運(yùn)行換向火花和機(jī)車黏著條件以及機(jī)車構(gòu)造速度限制。

2.2 電阻制動運(yùn)用情況

東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車的電阻制動，最早是在DF4B型機(jī)車上進(jìn)行加裝改造，使其具備了電阻制動功能，在原有空氣制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提高了機(jī)車運(yùn)行中的安全保障，并且具有使用時平穩(wěn)、操作簡單、減少輪對和閘瓦的磨耗等優(yōu)點(diǎn)［9-10］。

其后生產(chǎn)的東風(fēng)型機(jī)車都裝備了電阻制動裝置，但在實(shí)際運(yùn)用中電阻制動也存在一些問題［6，10-13］。針對這些問題，一方面運(yùn)用路局通過加強(qiáng)檢修作業(yè)故障排查，以保障機(jī)車電阻制動裝置的正常使用；另一方面機(jī)車制造商和運(yùn)用路局也提出了一系列改進(jìn)措施，以提升電阻制動的可靠性［14-15］。

但是，隨著東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車服役年限的增長，各路局對于東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車電阻制動的使用情況不一，某些內(nèi)燃機(jī)車電阻制動裝置已被拆除。

3 救援機(jī)車制動能力分析

內(nèi)燃機(jī)車救援動車組時，如果動車組全列空氣制動不可用，則救援列車的調(diào)速與停車需由機(jī)車控制，對機(jī)車制動系統(tǒng)是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。如果機(jī)車不具備電阻制動功能，通過長大下坡道時，需頻繁施加空氣制動控制速度，會導(dǎo)致機(jī)車閘瓦熱負(fù)荷較大，極易發(fā)生空氣制動失效，后果嚴(yán)重。若機(jī)車使用電阻制動控制速度，且可用電阻制動力大于救援列車下滑力，可在不施加空氣制動的情況下，利用電阻制動實(shí)現(xiàn)坡道平穩(wěn)調(diào)速，使提高救援限速成為可能。

3.1 救援機(jī)車制動能力計算

根據(jù)TB/T 1407.1《列車牽引計算 第1 部分：機(jī)車牽引式列車》，機(jī)車救援動車組全列編組下滑力在不同坡道，下滑力為式（1）［16］。

式中：f為下滑力，kN；G為機(jī)車質(zhì)量，t；M為動車組質(zhì)量，t；i1為坡度；f1為機(jī)車運(yùn)行阻力，kN；f2為動車組運(yùn)行阻力，kN；v為速度，km/h。

計算選用DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速）作為救援機(jī)車，其主要計算參數(shù)見表1。因被救援動車組全列無制動，其主要影響參數(shù)為質(zhì)量，經(jīng)統(tǒng)計選用最重的CRH380D 動車組作為被救援動車組，按超員15%計算，質(zhì)量為516.7 t。

表1 內(nèi)燃機(jī)車主要計算參數(shù)

此外，救援機(jī)車和被救援動車組單位基本運(yùn)行阻力（N/kN）為式（2），各項(xiàng)系數(shù)見表2。

表2 計算單位基本阻力系數(shù)

當(dāng)被救援動車組制動不可用時，救援機(jī)車的電阻制動力需大于救援列車的坡道下滑力，才可以滿足坡道調(diào)速要求；最大常用空氣制動力需大于全列編組的坡道下滑力，否則在該下坡道無法減速，此外還需對基礎(chǔ)制動熱負(fù)荷進(jìn)行校核。

DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速）電阻制動力、緊急制動力、最大常用空氣制動力以及各坡道下滑力曲線如圖3 圖、圖4 所示，DF4D（客）閘瓦換算摩擦系數(shù)與制動初速度v0相關(guān)，圖3 中取v0=40 km/h。從圖中可以看出，機(jī)車空氣制動力隨速度的降低而增大，而電阻制動力則根據(jù)設(shè)計特性隨速度而變化。

圖3 DF4D(客)坡道調(diào)速能力計算結(jié)果

圖4 DF4D(準(zhǔn)高速)坡道調(diào)速能力計算結(jié)果

DF4D（客）救援CRH380D 動車組在速度18～60 km/h 范圍內(nèi)運(yùn)行時，機(jī)車電阻制動力可以覆蓋16‰ 及以下坡度的救援列車下滑力，可以滿足救援列車在該速度范圍調(diào)速要求。

DF4D（準(zhǔn)高速）救援CRH380D 動車組在速度24～60 km/h 范圍內(nèi)運(yùn)行時，機(jī)車電阻制動力可以覆蓋12‰及以下坡度的救援列車下滑力，可以滿足救援列車在該速度范圍調(diào)速要求。

分別計算DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速）單機(jī)救援CRH380D 動車組在不同坡道、不同初速度下的緊急制動距離和制動時間，結(jié)果見表3～表5。

表3 單機(jī)救援CRH380D 緊急制動計算結(jié)果（-8‰坡道）

表4 單機(jī)救援CRH380D 緊急制動計算結(jié)果（-12‰坡道）

表5 單機(jī)救援CRH380D 緊急制動計算結(jié)果（-16‰坡道）

3.2 空氣制動臺架試驗(yàn)分析

利用1∶1 制動動力試驗(yàn)臺模擬DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速）機(jī)車救援CRH380D 動車組（超員15%），對上文計算涉及的機(jī)車制動工況進(jìn)行基礎(chǔ)制動熱負(fù)荷校核。

DF4D（客）機(jī)車使用高磷鑄鐵閘瓦，DF4D（準(zhǔn)高速）機(jī)車使用粉末冶金閘瓦，被救援CRH380D 動車組全列無制動力，利用換算等效制動功率的方法作為臺架試驗(yàn)?zāi)M工況的邊界輸入條件，分別模擬了救援列車坡道緊急制動停車、長大坡道控速工況，在閘瓦中預(yù)埋熱電偶測量制動時的閘瓦溫度。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 救援列車典型工況臺架試驗(yàn)結(jié)果

高磷鑄鐵閘瓦制動過程中溫度上升較快，DF4D（客）救援CRH380D 動車組施加緊急制動時，閘瓦最高溫度可達(dá)到700 ℃以上，試驗(yàn)過程中閘瓦表面出現(xiàn)局部融化，如圖5 所示。DF4D（客）救援CRH380D 動車組利用機(jī)車空氣制動調(diào)速，高磷鑄鐵閘瓦長時間溫度超過750 ℃，閘瓦表面熔化加劇，出現(xiàn)異常磨損，車輪表面會出現(xiàn)閘瓦材料轉(zhuǎn)移，如圖6 所示。此外，臺架試驗(yàn)實(shí)測的閘瓦摩擦系數(shù)低于理論計算用摩擦系數(shù)，且速度越高，兩者偏離越大。

圖5 工況1 試驗(yàn)后閘瓦狀態(tài)

圖6 工況2 試驗(yàn)后閘瓦狀態(tài)

粉末冶金閘瓦制動過程中溫度上升較為平緩，DF4D（準(zhǔn)高速）救援CRH380D 動車組施加緊急制動時，閘瓦溫度超過300 ℃，試驗(yàn)過程中閘瓦邊角出現(xiàn)掉塊，但摩擦系數(shù)沒有明顯衰減，閘瓦總體狀態(tài)良好，如圖7 所示。

圖7 工況3 試驗(yàn)后閘瓦狀態(tài)

3.3 實(shí)車線路試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證內(nèi)燃機(jī)車救援無制動能力動車組時的機(jī)車制動能力，在實(shí)際線路開展了實(shí)車試驗(yàn)。救援機(jī)車采用DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速），因受試驗(yàn)條件限制，被救援動車組以CRH380B 替代計算所用的CRH380D，但將其加載至516.7 t，與計算CRH380D 質(zhì)量一致。機(jī)車與動車組制動風(fēng)管不連接，為了保證試驗(yàn)安全，動車組制動保持可用狀態(tài)，當(dāng)機(jī)車制動無法滿足救援編組調(diào)速或停車要求時，由動車組施加制動。

3.3.1 坡道制動調(diào)速

DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速）機(jī)車救援動車組，在-11.2‰坡道調(diào)速試驗(yàn)曲線分別如圖8、圖9 所示。由圖9 可知，DF4D（準(zhǔn)高速）救援CRH380B 動車組，機(jī)車僅使用電阻制動可在-11.2‰坡道維持45 km/h 速度運(yùn)行，全程未施加空氣制動，閘瓦溫度呈下降趨勢。

圖8 DF4D(客)坡道調(diào)速試驗(yàn)曲線

圖9 DF4D(準(zhǔn)高速)坡道調(diào)速試驗(yàn)曲線

作為對照，雖然DF4D（客）電阻制動能力理論上略強(qiáng)于DF4D（準(zhǔn)高速），但試驗(yàn)中未發(fā)揮完全，制動電阻電流約為200 A，無法維持全列編組以50 km/h 速度運(yùn)行，需補(bǔ)充空氣制動，閘瓦溫度迅速由150 ℃升至420 ℃，進(jìn)入9.8‰上坡后緩解空氣制動，閘瓦溫度逐漸下降，如圖8 所示。

3.3.2 坡道制動停車

DF4D（客）救援CRH380B 動車組在-11.2‰坡道進(jìn)行機(jī)車最大減壓量制動，初速度49.1 km/h，試驗(yàn)曲線如圖10 所示。機(jī)車制動施加后，列車速度仍大于50 km/h 并呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。列車速度增至58.5 km/h時，動車組施加小級位制動輔助控速停車。DF4D（客）機(jī)車制動過程中，閘瓦溫度最高達(dá)717 ℃。

圖10 DF4D(客)坡道最大減壓量制動試驗(yàn)曲線

理論上DF4D（客）機(jī)車最大減壓量制動應(yīng)滿足救援CRH380B 動車組在-11.2‰ 坡道停車要求，實(shí)測結(jié)果與理論計算存在差異的原因?yàn)椋?/p>

（1）機(jī)車制動管減壓170 kPa，制動缸壓力355 kPa，較JZ-7 型空氣制動機(jī)最大常用時制動缸壓力410 kPa，低65 kPa。

（2）由于機(jī)車電阻制動不足，空氣制動施加前閘瓦初始溫度已接近400 ℃，閘瓦摩擦系數(shù)也因溫度高而下降，導(dǎo)致制動力不足。

DF4D（準(zhǔn)高速）救援CRH380B 動車組在-11.2‰坡道進(jìn)行機(jī)車緊急制動，初速度44.8 km/h，試驗(yàn)曲線如圖11 所示。實(shí)測制動距離為1 000 m，制動時間為131.8 s，要優(yōu)于理論計算結(jié)果。緊急制動過程中，閘瓦溫度最高為432 ℃。停車檢查，閘瓦未出現(xiàn)掉塊、熔化、明顯變形等缺陷。

圖11 DF4D(準(zhǔn)高速)坡道緊急制動試驗(yàn)曲線

4 限速優(yōu)化與建議

由上文分析可知，內(nèi)燃機(jī)車救援無制動力動車組時，若僅依靠機(jī)車空氣制動力對救援列車控速，將導(dǎo)致機(jī)車閘瓦持續(xù)磨耗和溫度升高，嚴(yán)重時會使機(jī)車基礎(chǔ)制動的摩擦系數(shù)降低，制動距離延長。對于使用分體輪對的機(jī)車，還存在輪轂弛緩風(fēng)險，嚴(yán)重時會導(dǎo)致脫軌。

因此，內(nèi)燃機(jī)車救援無制動力動車組時，空氣制動須配合電阻制動共同使用，才能提高救援列車運(yùn)行速度。電阻制動具有調(diào)速平穩(wěn)、減小閘瓦磨耗等優(yōu)點(diǎn)，是內(nèi)燃機(jī)車救援無制動能力動車組限速優(yōu)化的必要條件。實(shí)際上，由圖2 可知，適當(dāng)提高救援列車的運(yùn)行速度，更有助于機(jī)車電阻制動的發(fā)揮，但前提是機(jī)車空氣制動可滿足在一定距離內(nèi)停車的要求。

因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)車救援無制動能力動車組屬于非正常運(yùn)營工況，對于制動距離和限速沒有明文規(guī)定，可參考技規(guī)按普通旅客列車計算制動距離800 m掌握限速［17］。

表3～表5 給出了DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速）機(jī)車救援無制動能力8 輛短編動車組（516.7 t）在不同坡度、不同速度下的制動距離和制動時間，結(jié)合圖3 和圖4 機(jī)車電阻制動坡道調(diào)速能力計算結(jié)果，可得出不同坡道下的限速值，見表7。其中，對DF4D（客）和DF4D（準(zhǔn)高速）機(jī)車救援限速進(jìn)行了簡統(tǒng)。

表7 單機(jī)救援8 輛短編動車組坡道限速建議

對于更大坡道，根據(jù)電阻制動特性，機(jī)車需運(yùn)行在更高速度（此時電阻制動力更大）才能滿足調(diào)速要求，但又無法滿足空氣制動減速停車要求，因此建議增加救援機(jī)車數(shù)量。

臺架試驗(yàn)和線路實(shí)車試驗(yàn)均表明，鑄鐵閘瓦的實(shí)際摩擦系數(shù)低于預(yù)期，建議擔(dān)當(dāng)救援熱備機(jī)車的DF4D（客）機(jī)車換裝粉末冶金閘瓦。

另外值得注意的是，東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車電阻制動在運(yùn)用中也發(fā)生過諸多問題，總體穩(wěn)定性欠佳，甚至有電阻制動被拆除的報道，這也是受當(dāng)時技術(shù)發(fā)展水平制約。

因此，內(nèi)燃機(jī)車救援無制動能力動車組限速優(yōu)化對電阻制動狀態(tài)保障也提出了新的要求，需加強(qiáng)熱備內(nèi)燃機(jī)車電阻制動檢修，確保其可用性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

文中針對內(nèi)燃機(jī)車救援無制動能力動車組限速優(yōu)化需求，梳理了影響限速提高的各項(xiàng)限制因素，并重點(diǎn)對最關(guān)鍵的機(jī)車制動能力開展了理論計算、臺架試驗(yàn)和實(shí)車線路試驗(yàn)，調(diào)研了東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車電阻制動工作原理和運(yùn)用情況，論證了內(nèi)燃機(jī)車電阻制動對救援限速優(yōu)化的必要性和重要性，并提出了若干建議。