冬季瓦日線南呂梁山長大隧道內(nèi)列車管壓異常上升研究

謝創(chuàng)舉，周霆，王正衛(wèi)，李春芳，柴彥林，楊國新

（大秦鐵路股份有限公司 侯馬北機(jī)務(wù)段，山西侯馬 043099）

瓦日鐵路是我國煤炭運(yùn)輸?shù)拇笸ǖ?，在貨運(yùn)增量的壓力下，保證鐵路運(yùn)輸安全和效率意義重大。近年來，南呂梁山長大隧道（約23.5 km）內(nèi)的列車管壓在寒冬異常上升的現(xiàn)象較為常見，甚至發(fā)生幾例隧道內(nèi)列車自然減壓途停事件。機(jī)車牽引力較大時(shí)，個(gè)別車輛即使制動抱閘，也不易察覺，車輛長時(shí)間帶閘運(yùn)行，極易造成踏面擦傷，甚至損壞鋼軌。鑒于未檢索到相關(guān)隧道內(nèi)列車管風(fēng)壓異常的文獻(xiàn)報(bào)道，通過調(diào)研和大量的數(shù)據(jù)分析，初步給出長大隧道內(nèi)列車管壓異常上升及車輛制動的原因，并提供有效的措施和建議。

1 調(diào)研及添乘情況

在發(fā)生3 起冬季長大隧道內(nèi)列車自然制動后，對進(jìn)入南呂梁山隧道的大量列車運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和管壓異常排查。發(fā)現(xiàn)2021 年元旦前后，該長大隧道內(nèi)存在大量列車管壓力上升的異常情況，據(jù)個(gè)別乘務(wù)員反映，2019 年冬季也有長大隧道內(nèi)管壓異?，F(xiàn)象。在超過10 km的長大隧道運(yùn)行時(shí)，列車管壓力大多上升10 kPa，部分裝有DK-2 型制動機(jī)的機(jī)車牽引普通列車時(shí)，上升20 kPa，上升的壓力一般在列車駛出隧道后緩慢下降至定壓，但有個(gè)別機(jī)車下降較快，疑似引起車輛意外制動（DK-2 型制動機(jī)）。經(jīng)排查未發(fā)現(xiàn)機(jī)車制動機(jī)系統(tǒng)故障情況。

1.1 調(diào)研數(shù)據(jù)分析

針對冬季大量南呂梁山隧道內(nèi)列車管壓力波動的案例，選取2 個(gè)具有代表性的案例進(jìn)行分析：

案例一：2021 年1 月2日，洪洞北站至臨縣北站的87544 次列車，機(jī)車進(jìn)入南呂梁山隧道后均衡風(fēng)缸壓力自606 kPa 逐步上升至615 kPa，列車管壓力自605 kPa 逐步上升至616 kPa。即均衡風(fēng)缸壓力上升了9 kPa，列車管壓力上升了11 kPa。

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)查詢，臨汾地區(qū)2021 年1 月1 日氣溫為-13～3 ℃，1 月2 日氣溫為-8～6 ℃，該列車進(jìn)入南呂梁山隧道時(shí)間約為1 月2 日凌晨4∶40，最低溫度在-8 ℃左右。隧道內(nèi)溫度一般在0 ℃以上，溫差大于8 ℃。

通過LKJ 數(shù)據(jù)（部分6A 數(shù)據(jù)）分析可知，列車編組后列車保壓1 min，該列車管壓力下降不超過10 kPa，列車管密封性能達(dá)標(biāo)，具體數(shù)據(jù)見表1。推斷該列車進(jìn)入長大隧道后由于溫升超過8 ℃導(dǎo)致均衡風(fēng)缸壓力上升了9 kPa，列車管壓力上升了11 kPa。

表1 87544 次列車簡略試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（LKJ）

案例二：2020 年12 月30日，洪洞北 站至臨 縣北站的87438 次列車，機(jī)車進(jìn)入南呂梁山隧道后均衡風(fēng)缸壓力自606 kPa 逐步上升至619 kPa，列車管壓力自607 kPa 逐步上升至627 kPa，均衡風(fēng)缸壓力上升了13 kPa，列車管壓力上升了20 kPa，列車管壓力高于均衡風(fēng)缸8 kPa，并且疑似發(fā)生了部分車輛意外制動的情況。

經(jīng)網(wǎng)絡(luò)查詢，臨汾地區(qū)2020 年12 月30 日氣溫為-11～-4 ℃，該列車進(jìn)入南呂梁山隧道時(shí)間約為2021 年1 月2 日01∶05，溫度應(yīng)該接近當(dāng)日的最低溫度，估計(jì)在-11 ℃左右。隧道內(nèi)溫度一般在0 ℃以上，溫差大于11 ℃。

通過6A 裝置數(shù)據(jù)分析可知，列車編組后保壓試驗(yàn)4 min，列車管壓力下降不超過3 kPa，列車管密封性能很好，具體數(shù)據(jù)見表2。推斷該列車進(jìn)入長大隧道后由于溫升超過11 ℃導(dǎo)致均衡風(fēng)缸壓力上升了13 kPa，列車管壓力上升了20 kPa。

表2 87438 次列車簡略試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（6A）

1.2 添乘數(shù)據(jù)分析

2021 年2 月25日，太原局重載技術(shù)中心、機(jī)務(wù)部與機(jī)務(wù)段安全科添乘了87042 次列車（HXD1-1886，DK-2 型制動機(jī)），牽引輛數(shù)60輛，牽引質(zhì)量1 373 t。列車上行在南呂梁山隧道（單線，起點(diǎn)308 km+008 m，終點(diǎn)284 km+534 m，長度23 474 m）運(yùn)行期間，記錄了6A 裝置、機(jī)車制動屏顯示的列車管壓力和均衡風(fēng)缸壓力，記錄了6A 裝置監(jiān)測的環(huán)境溫度和列尾裝置顯示的列車尾部壓力，記錄數(shù)據(jù)見表3。由表3 可知：

表3 HXD1-1886 型機(jī)車添乘記錄

（1）列車在進(jìn)入南呂梁山隧道前，均衡風(fēng)缸、列車管、列尾風(fēng)壓以及6A 溫度基本穩(wěn)定。

（2）列車運(yùn)行進(jìn)入隧道一段時(shí)間后，列車管、均衡風(fēng)缸、列尾風(fēng)壓先后緩慢上升，列車出隧道時(shí)風(fēng)壓開始緩慢下降。

（3）列車管壓力先于均衡風(fēng)缸壓力上升和下降，列車管壓力上升幅度更大。

（4）列車在隧道內(nèi)運(yùn)行約24 min，均衡風(fēng)缸壓力上升4～5 kPa、列車管壓力上升8 kPa、列尾壓力上升9 kPa，6A 裝置顯示環(huán)境溫度上升5 ℃。

2 夏季數(shù)據(jù)分析

以上2 個(gè)案例及后期調(diào)研分析的10 余次列車，均為2021 年1 月1 日前后開行的列車，這段時(shí)間是2021 年冬季最冷的時(shí)間，為了驗(yàn)證確實(shí)因隧道內(nèi)外溫差較大導(dǎo)致列車管壓力發(fā)生變化的結(jié)論，特對2020 年8 月3 日（27～35 ℃）通過南呂梁山隧道的87554 次（8∶24 發(fā) 車）、87438 次（12∶38 發(fā)車）、87076 次（13∶26 發(fā) 車）、87556 次（14∶04 發(fā)車）、87906 次（15∶08 發(fā) 車）、87558 次（15∶30 發(fā)車）、87086 次（16∶29 發(fā) 車）、87054 次（17∶14 發(fā)車）、87082 次（18∶44 發(fā)車）、87924 次（19∶22 發(fā)車）10 趟列車進(jìn)行了分析，進(jìn)入南呂梁山隧道后沒有列車管壓力、均衡風(fēng)缸壓力上升的情況。

3 原因分析

李人憲等人［1］通過流體力學(xué)方程三維動態(tài)值計(jì)算，仿真分析了列車高速通過隧道時(shí)壓力波效應(yīng)，計(jì)算得出最大正壓出現(xiàn)在列車進(jìn)入隧道時(shí)（表壓小于1.5 kPa），隧道內(nèi)基本是波動的負(fù)壓（表壓小于4 kPa），符合英國鐵路公司或國際鐵路聯(lián)盟關(guān)于隧道內(nèi)氣體壓力變化在3 s 內(nèi)不得大于3 kPa的規(guī)定。由此可見，列車通過隧道引起的大氣壓力變化僅影響列車制動效能，對列車管和均衡風(fēng)缸風(fēng)壓影響很小。

因此，根據(jù)列車管壓力上升現(xiàn)象，從誤發(fā)控制指令、壓力傳感器異常、環(huán)境影響3 方面進(jìn)行分析。

（1）誤發(fā)控制指令

控制指令由機(jī)車網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)或者傳遞執(zhí)行，機(jī)車制動機(jī)如果有“過充”功能，可能通過“過充”控制指令實(shí)現(xiàn)機(jī)車列管壓力上升到630～640 kPa，但是配置CCBⅡ型制動機(jī)或DK-2 型制動機(jī)的HXD1型機(jī)車的“大閘”沒有過充位，在列車充分緩解狀態(tài)下不存在發(fā)出“過充”指令的可能性。

（2）壓力傳感器異常

針對列車進(jìn)入長大隧道后管壓逐漸上升，駛出隧道后列車管壓逐漸下降情況，分析了6A 裝置均衡風(fēng)缸和列車管壓力、制動機(jī)均衡風(fēng)缸和列車管壓力、列尾裝置壓力等5 個(gè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，在列車進(jìn)入南呂梁山長大隧道后顯示壓力值均呈上升趨勢。對2020 年12 月31 日前后的10 余趟經(jīng)過南呂梁山隧道的列車數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，從6A 數(shù)據(jù)和LKJ 數(shù)據(jù)分析可知，列車進(jìn)入長大隧道后各系統(tǒng)顯示壓力值均呈現(xiàn)上升趨勢，因此判定壓力傳感器異常或故障的可能性極小。

（3）環(huán)境影響

根據(jù)添乘數(shù)據(jù)（表3），列車進(jìn)入隧道前6A裝置顯示溫度為8 ℃，進(jìn)入隧道后環(huán)境溫度逐步上升到13 ℃。6A 裝置均衡風(fēng)缸壓力從608 kPa 逐步上升至611 kPa，6A 裝置列車管壓力從605 kPa 逐步上升到612 kPa；機(jī)車制動屏顯示的均衡風(fēng)缸壓力從611 kPa 逐步上升到613 kPa，列車管壓力從605 kPa 逐步上升到612 kPa，列尾裝置檢測列車尾部壓力由607 kPa 上升至615 kPa。而添乘列車進(jìn)入隧道后環(huán)境溫度逐步上升了5 ℃，通過理想氣體方程P2=T2×P1/T1計(jì)算，列車管內(nèi)氣體壓力上升△P=605×（13-8）/（8+273.15）≈11 kPa。密閉列車管內(nèi)氣體溫度每上升1 ℃，壓力平均上升約2.2 kPa。且初始溫度越低，氣壓上升越快。

隧道內(nèi)的熱傳遞主要有傳導(dǎo)和對流傳熱（由于溫度較低，熱輻射可以忽略不計(jì)）［2］。列車主管分布在每個(gè)車輛的底部，全長幾百米，因此列車主管的體積要遠(yuǎn)大于均衡風(fēng)缸的體積，列車管與周圍熱空氣的換熱比表面積也是均衡風(fēng)缸的百十倍。均衡風(fēng)缸置于機(jī)車內(nèi)部，周圍環(huán)境氣體流速較低，熱對流傳熱更小。因此，單位時(shí)間內(nèi)周圍空氣對列車管的熱傳導(dǎo)和熱對流傳遞的熱量更多，管內(nèi)空氣的溫度先升高，且增壓更大。列車管與均衡風(fēng)缸壓力僅上升7～8 kPa，其數(shù)值小于理論計(jì)算值11 kPa，具體原因?yàn)椋阂皇撬淼纼?nèi)的環(huán)境氣溫向列車管及均衡風(fēng)缸傳熱是一個(gè)緩慢的過程，滯后于環(huán)境溫度的上升，且低于環(huán)境溫度；二是列車管并非絕對密閉空間，存在泄漏情況，一定程度上削弱了管壓上升的幅度；三是理想氣體方程是在理想環(huán)境下得出的，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，溫度升高到壓力升高的轉(zhuǎn)換過程中存在能量損耗，氣體壓力上升幅度要小于理論計(jì)算值。

4 部分車輛意外制動分析

在調(diào)研期間，就列車管及均衡風(fēng)缸風(fēng)壓波動及車輛自然制動異常情況與某公司進(jìn)行了溝通交流，咨詢了DK-2 型制動機(jī)的性能參數(shù)和有關(guān)結(jié)構(gòu)。某公司已獲知2020 年12 月14 日集寧機(jī)務(wù)段發(fā)生的列車在長大隧道內(nèi)列車管壓力上升并出現(xiàn)了車輛意外制動情況，開展了相應(yīng)試驗(yàn)檢測和研究，提出了DK-2 型制動機(jī)的改進(jìn)措施。其研究試驗(yàn)結(jié)論是：列車通過長大隧道時(shí)，由于隧道內(nèi)外存在較大溫差（最大可達(dá)18 ℃），導(dǎo)致列車管壓力上漲，同時(shí)均衡風(fēng)缸也因溫度影響造成壓力上漲（機(jī)械間溫度變化達(dá)7.5 ℃），進(jìn)一步助推了列車管壓力的上升。呼和浩特局燕山隧道檢測具體數(shù)據(jù)見表4，曲線圖如圖1 所示。

圖1 呼和浩特局燕山隧道檢測數(shù)據(jù)曲線圖

表4 HXD1-1669 機(jī)車（DK-2 型制動機(jī)）燕山隧道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（時(shí)間：2020/12/29 16∶39∶57-2020/12/29 17∶02∶50）

根據(jù)圖1 可知，列車進(jìn)入隧道后，隨著環(huán)境溫度的上升，列車管壓力逐漸上升，并超過機(jī)車均衡風(fēng)缸壓力，當(dāng)該差值超過機(jī)車中繼閥啟動壓差（5～8 kPa）后，中繼閥膜板被推動，中繼閥排風(fēng)，壓差越大，中繼閥排風(fēng)程度越大。隧道內(nèi)外的溫差越大，這一現(xiàn)象越明顯。中繼閥排風(fēng)導(dǎo)致列車管壓力下降，當(dāng)車輛副風(fēng)缸與列車管壓差超過車輛制動閥動作阻力時(shí)，車輛產(chǎn)生制動。如果個(gè)別車輛制動閥動作阻力較小，靈敏度較高時(shí)，更容易發(fā)生意外制動現(xiàn)象。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

根據(jù)數(shù)據(jù)分析與計(jì)算，2021 年1 月1 日前后，瓦日線列車進(jìn)入長大隧道列車管壓力與均衡風(fēng)缸壓力均出現(xiàn)上升，駛出隧道后列車管壓力與均衡風(fēng)缸壓力均緩慢恢復(fù)正常，主要由于隧道內(nèi)溫度明顯大于隧道外環(huán)境溫度所致。

（1）由于冬季嚴(yán)寒時(shí)期長大隧道內(nèi)外溫差較大，列車進(jìn)入隧道后，制動系統(tǒng)空氣被加熱溫度升高，使風(fēng)壓緩慢增高，由于列車管和均衡風(fēng)缸處于不同外部環(huán)境，往往列車管比均衡風(fēng)缸溫度上升更高，風(fēng)壓也更高。

（2）當(dāng)列車管與均衡風(fēng)缸風(fēng)壓差達(dá)到機(jī)車中繼閥開啟臨界值時(shí)，中繼閥開啟列車管排風(fēng)，當(dāng)列車管排風(fēng)速率較快時(shí)，引起了部分制動機(jī)靈敏度高的車輛發(fā)生自然制動。

（3）隧道內(nèi)列車管壓波動大小及自然制動與機(jī)車制動機(jī)性能有關(guān)，如中繼閥動作的靈敏度及排風(fēng)速率等。

5.2 建議

當(dāng)發(fā)現(xiàn)列車在隧道內(nèi)列車管壓異常增高時(shí)或列車速度下降異常時(shí)，駛出隧道后，進(jìn)行空氣初制動調(diào)速一次，消除溫度變化對列車空氣制動系統(tǒng)壓力的影響，防止車輛長時(shí)間意外制動，經(jīng)分析和實(shí)踐驗(yàn)證，該措施可行。也可通過對列車主管表面噴涂隔熱漆或包裹隔熱棉，以削減隧道內(nèi)高溫空氣對列車主管的傳熱，進(jìn)而穩(wěn)定管壓。