大秦线3万t列车仿真计算与试验验证

王 　磊

（1 中国铁道科学研究院 研究生部，北京100081；

2 中国铁路总公司 运输局 机务部，北京100844）

大秦线3万t列车仿真计算与试验验证

王 磊1，2

（1 中国铁道科学研究院 研究生部，北京100081；

2 中国铁路总公司 运输局 机务部，北京100844）

为实现中国铁路重载运输技术再创新，同时为大秦线进一步增加运量进行技术储备，中国铁路总公司决定在大秦线组织进行3万t组合列车试验，对大秦线（含北同蒲线）在既有设备条件下首次采用Locotrol同步操纵系统开行3万t重载组合列车的牵引方式、安全性、运行品质、可行性等方面进行探索性试验研究。试验并开行3万t列车是一项庞大的系统工程，涉及机车车辆、通信信号、工务工程、牵引供电、运输组织等多方面内容，中国铁路总公司按照循序渐进、积极稳妥的推进原则，首先进行了不同编组方案3万t列车的仿真计算，并结合以往2万t列车试验和开行的成功经验，优选出了3万t列车试验编组，然后对优选的编组依次进行了静置试验和线路运行试验，最终于2014年4月2日成功进行了3万t列车运行试验［1］。

大秦线；模拟；计算；试验研究

1　通过仿真计算优选列车编组方案

1.1计算的编组方式

基于大秦线现有的机车、车辆配置、列车编组方式、装卸需求等因素，进行了以下4种3万t列车编组方式和1种2.5万t列车编组方式的仿真计算：

（1）1+1+1+列尾（A编组）

H XD1机车（主控）+试验车+105辆C80（35组）+ H XD1机车（从控1）+105辆C80（35组）+H XD1机车（从控2）+105辆C80（35组）+列尾。

（2）1+1+1+1（B编组）

H XD1机车（主控）+试验车+105辆C80（35组）+ H XD1机车（从控1）+105辆C80（35组）+H XD1机车（从控2）+102辆C80（35组）+SS4机车（从控3）。

（3）1+1.5万+1+1.5万+1（C编组）

H XD1机车（主控）+试验车+153辆C80（51组）+ H XD1机车（从控1）+153辆C80（51组）+H XD1机车（从控2）。

（4）1.5万+1.5万组合3万t（D编组）

H XD1机车（主控）+试验车+102辆C80（34组）+ SS4机车（从控1）+51辆C80（17组）+H XD1机车（从控2）+102辆C80（34组）++SS4机车（从控1）+51辆C80（17组）。

（5）组合2.5万t（E编组）

H XD1机车（主控）+试验车+105辆C80（35组）+ H XD1机车（从控1）+105辆C80（35组）+SS4机车（从控2）+51辆C80（17组）。

1.2计算条件及工况

1.2.1计算条件说明

（1）由于没有掌握大秦线可控列尾的数学模型，计算中未考虑可控列尾对列车制动性能的影响；

（2）各台从控机车Locotrol同步延时时间均按3 s取值；

（3）机车、车辆钩缓系统均按理想状况进行建模，未考虑长期运用对其性能造成的影响。

（4）仅对制动初速80 km/h工况进行了常用全制动与紧急制动停车计算，按照理论分析，制动初速越低，同样制动工况下的车钩力相对越大。

1.2.2计算工况

结合大秦线以往2万t试验工况，计算工况分别为：①4‰限制坡道起动，②长大下坡道循环制动，③常用全制动停车，④紧急制动停车。

1.3计算结果分析

1.3.14‰限制坡道起动

2007年大秦线试验数据表明：在牵引能力方面，单台H XD1或2台H XD1机车不能充分满足大秦线1万t或2万t列车在4‰长大上坡道停车后恢复正常运行的要求，对轨面黏着状况以及司机的操纵水平都有较高要求。

根据T B/T 1407-1998《列车牵引计算规程》计算，3万t编组在4‰长大上坡道起动阻力接近2 260 k N，3台H X机车最大牵引力为2 280 k N，如果按照机车牵引力使用系数0.9考虑，或者在轨面黏着状况较差时，可能无法起动。3台H X机车加1台SS4机车最大牵引力约为2 880 k N，可以满足3万t列车在大秦线4‰限制坡道的起动要求，且有一定余量。

在列车牵引能力方面，以上5种编组比较B编组最好，D、E编组次之，而A、C编组牵引能力略显不足。

1.3.2长大下坡道循环制动

（1）循环制动车钩力

按速度控制范围76～40 km/h对5种编组方式列车进行了循环制动计算，循环制动的最大车钩力基本均发生在缓解过程中，其最大值的大小与发生时刻与列车的缓解特性有重要对应关系。计算结果见表1。

表1　循环制动计算结果

4种3万t编组相比，B、C、D基本相当，均比编组A减小约30%，编组E（2.5万t）车钩力最小。与现行大秦线2万t相比，编组A增大约22%，B、C、D减小约10%。

A编组方案与现行2万t编组相比，列车的缓解不同步性更加突出，按车钩力增大约22%进行简单推算，采用A编组试验3万t列车，循环制动时车钩力普遍将达到1 500～2 000 k N，1 500 k N以上占比接近80%，严重时可能超过2 250 k N的安全性控制指标，从而可能危及行车安全。

（2）循环制动再充气时间

循环制动再充气时间（减压50 kPa后的再充气时间）的长短对长大列车坡道安全性同样有重要影响，大秦线现行1+1编组2万t列车再充气时间为3～ 3.5 min，A编组方案将延长到4 min左右，相比而言B、C、D、E 4种编组再充气时间相对较短，均为1.5～2 min，均比现存2万t列车和A编组3万t列车缩短50%左右，从而有助于提高坡道运行安全性。

综上所述，从减小循环制动车钩力并缩短再充气时间等因素考虑，3万t编组方案优选B方案。

1.3.3常用全制动停车工况

根据以往大秦线的试验工况，分别对上述5种编组试验列车在大秦线K86+642处实施常用全制动停车进行了仿真计算，制动初速度为80 km/h，图1为K86 +642附近的线路平、纵断面情况，由图可知实施制动时列车前半列处在平直道上，后半列处在2.5～8‰下坡道上。仿真结果见表2。

图1　K86+642处线路平、纵断面情况

表2　常用全制动停车计算结果（制动初速度80 km/h）

计算结果比较：3万tA编组比现行2万t编组在平道常用全制动时的最大压钩力增大22%，其他3种3万t编组方案最大车钩力基本相当，均比A方案减小约15%；E编组（2.5万t）车钩力最小，比较好的3万t编组减小36%。

1.3.4紧急制动停车工况

同样对上述5种编组试验列车在 K86+642处实施紧急制动停车进行了仿真计算，制动初速度为80 km/h，线路平纵断面见图1所示，计算结果见表3。

表3　紧急制动计算结果　（制动初速80 km/h）

计算结果比较：A编组车钩力异常增大，达到5 019 k N，较现行2万t编组增加1倍以上，计算中已出现缓冲器压死现象，车钩与车体之间变为刚性碰撞。B、C、D 3种方案基本相当，均比现存2万吨编组减小约18%。E编组（2.5万t）车钩力最小，比3万t减小20～23%。1.3.5 同步作用时间对紧急制动车钩力的影响计算

针对B编组方案，分别进行了主、从机车同步制动时间差为3，4，5 s的对比仿真计算，计算结果比较见图2。如图2所示通信异常（延时5 s）时，最大纵向力达到5 500 k N，该车钩力值足以造成机车、车辆断钩、脱轨等重大安全事故。

图2　1+1+1+1编组紧急制动（计算结果）

1.4仿真计算结论及建议

（1）3台H X机车牵引3万t列车牵引力略显不足，建议采用3台H X加1台SS4的机车配置方案。

（2）不同编组3万t列车比较为B、C、D三种方案优于A方案，综合考虑牵引能力、列车编组便利性等因素，建议优选B方案，即采用1+1+1+1的3单元4机车牵引模式。

（3）与3万t编组相比，E方案（2.5万t）纵向力相对最小，建议采取循序渐进的运行试验方案，先安排2.5万t试验，依据试验实测结果再组织3万t试验。

（4）Locotrol系统同步时间对列车纵向力有重大影响，建议试验中要确保通信及同步控制信号正常。

2　列车静置试验

为进一步验证3万t列车的制动性能，为列车运行试验提供数据支持，在运行试验前进行了列车静置试验。

2.1列车静置试验内容

静置试验主要是对Locotrol系统在1主3从模式下的同步性能、不同减压量时的制动性能及列车再充气时间，以及模拟通讯中断时列车的制动性能进行测试。按照循序渐进的试验原则，依次进行了2.3万t、2.9万t和3万t共3种编组试验。

2.2静置试验主要结果分析

2.2.1Locotrol同步性测试

Locotrol同步性测试主要包括主、从控机车间牵引与电制动同步性测试和空气制动与缓解同步性测试两方面内容。静置试验表明：从控机车数量的增加和间隔距离的增长对Locotrol同步性能没有明显影响，本次1主3从模式的3万t列车同步作用时间与现行1+1编组方式（即1主1从）基本相同，其中空气制动/缓解同步作用时间基本均在4 s之内，牵引级位调整同步时间基本在6 s以内。

2.2.2列车制动性能

本次试验的2.3万t、2.9万t和3万t 3种编组方式列车，由于在列车尾部加挂了1台SS4机车作为从控，从而显著改善了列车制动、缓解同步性，并缩短了列车再充气时间。图3、图4所示为2.3万t、2.9万t、3万t与1+1 2万t初制动时制动与缓解同步性比较，图5所示为3种编组与现行1+1编组再充气时间比较。从图3可知，4种编组均在8 s之内全列产生制动作用，制动同步性好。从图4可知，2.3万t、2.9万t、3万t 3种编组缓解同步性基本相当，均在10 s之内产生缓解作用，缓解同步性优于1+1 2万t编组。从图5可知，3万t列车再充气时间比现行1+1编组缩短50%以上。列车制动与缓解同步性提高有助于减小列车制动与缓解过程中的纵向力，再充气时间缩短有助于提高列车坡道运行的安全性。

图3　列车制动同步性比较

图4　列车缓解同步性比较

图5　再充气时间比较

3　列车运行试验

列车运行试验的目的是测试列车的动态性能，监测试验列车正常运行工况下的安全性，评估列车运行品质。为了有效评估3万t列车的动态性能，测试包括对4台机车牵引、制动性能、中部2台从控机车和2台C80货车的动力学性能，以及15个货车测试断面（均匀布置于单元万吨的第1、25、52、79和103位）的制动及纵向动力学性能进行测试，涉及5个专业类别，共需换装机车测力轮对4条、测力车钩4个，货车测力车钩15个、测力轮对2条，以及其他各类测试传感器200余个；同时在中部两台从控机车车钩连接处、主控和尾部机车安装了视频设备，监测列车的运行状态。

为了测试大秦线3万t重载列车运行条件下典型轨道、桥涵设备的动态响应，掌握线桥设备的受力状态，为线桥设备适应长大重载列车性能评估和制定强化改造对策提供技术依据，在大秦线选取了7处典型工点并安装相应测试设备进行测试，测点合计80余个。

3.1运行试验内容

同样按照循序渐进、积极稳妥的试验推进原则，首先进行了2.3万t和2.9万t列车运行试验，通过不断总结试验数据并结合数据优化操纵方案，最终在2014年4月2日进行了3万t列车试验，本次运行试验仅模拟列车在大秦线运行时的正常运行工况，试验内容主要包括：Locotrol系统同步性测试、机车能耗测试、网压监测、2个长大下坡道区段的循环制动试验、试验全程列车纵向动力学、从控机车和特殊位置货车运行安全性监测等内容。3万t试验列车编组见图6所示，试验列车由3台H XD1交流机车和1台SS4型直流机车共同牵引，货车编组辆数为315辆，另外在主控机车与第1位货车间加挂了1台测试用试验车，列车牵引质量为31 550 t。

3.2运行试验主要结果分析

3.2.1Locotrol同步性测试

运行试验同步性测试结果与静置试验相当，同样表明从控机车数量的增加和间隔距离的增长对Locotrol同步性能没有明显影响，本次1主3从模式的3万t列车同步作用时间与现行1+1编组方式（即1主1从）基本相同，其中空气制动与缓解同步作用时间基本均在4 s之内，牵引级位调整同步时间基本在6 s以内。

3.2.2循环制动

由于3万t列车尾部加挂SS4机车大大缩短了列车再充气时间，因此与现行1+1 2万t列车相比，按试验操纵方式，两次循环制动间的可用再充气时间远大于3万t列车的实际再充气时间，每次实施制动前均可确保列车充满。

循环制动区段列车的纵向力也是影响列车运行安全的重要因素，现行1+1 2万t列车由于制动缓解时严重的不同步性造成缓解过程中频繁出现较大的车钩力（1 500 k N以上），且一般均发生在中部从控机车附近，经常造成从控机车A、B节连接处渡板变形，危及行车安全。同样本次试验的3万t列车由于尾部加挂了一台SS4机车作为从控，缓解时帮助列车同步充风，从而显著提高了列车缓解的一致性，对降低循环制动区段的纵向力起到了积极作用，图7所示为试验3万t列车与现行2万t列车循环制动区段最大车钩力比较，3万t列车最大值平均降低32～40%，表明3万t列车缓解同步性的提高显著降低了列车在循环制动区段的车钩力。

图6　3万t试验列车编组方式

图7　3万t与现行1+1编组2万t最大车钩力值比较

3.2.3列车纵向动力学

图8（测点从控1位于103位，从控2位于208位，从控3位于313位）所示为试验全程各测试断面（共12个有效断面）的最大纵向力，图9所示为各测试断面（共12个有效断面）最大车体纵向加速度。从两图可知，试验全程仅个别位置出现了略大于1 000 k N的车钩力值，而车体纵向加速度均不大于9.8 m/s2，评价列车纵向动力学的两个关键指标车钩力和车体纵向加速度均处在较低水平，列车运行品质较好。

图8　3万t试验各断面车钩力最大值

图9　2.3万t试验各断面车体纵向加速度最大值

3.2.4从控机车与特殊位置货车运行安全性

本次3万t列车试验，通过编组及操纵优化，试验列车在运行全程的车钩力均处在较低水平，因此被测的2位和3位从控机车的运行安全性参数（脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力以及车钩偏转角）均处在安全限度之内。

同样被测的2台特殊位置货车的运行安全性参数（脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力）同样均处在安全限度之内，最大值出现的位置均与列车编组长度的增加无明显对应关系。

4　结束语

本次系列试验为在大秦线（含北同蒲线）既有设备条件下，首次对采用Locotrol同步操纵系统开行1+1 +1+1编组方式（即3单元4机车牵引模式）的3万t重载组合列车的牵引方式进行的系统研究和运行试验，创造了我国铁路重载列车牵引质量的新纪录。试验前期通过仿真计算和对以往试验及运用情况进行总结梳理，经过科学论证优选了列车编组方案，采用循序渐进、积极稳妥的试验推进方案依次进行静置试验和列车运行试验，通过不断总结归纳静置及运行试验数据，优化操纵方案，确保了3万t列车试验的成功实施，试验表明，采用1+1+1+1编组方式开行3万t重载组合列车的方案基本可行，为实现下阶段3万t列车的常态化开行目标，同时考虑到通信信号、工务、供电、站场、运输组织方式、列车操纵等综合因素，建议进行以下工作：

（1）立足于3万t列车常态化开行的目标进一步完善试验项目，按有关规定程序提出常态化开行的试验项目及方案，按阶段分步实施。

（2）进一步提高同步控制系统的通讯可靠性，研究通讯的连续性、全覆盖问题。

（3）研究线路平纵断面的改造、优化、线路检测的手段和方式等问题。

（4）结合本次试验对大秦全线的供电所供电能力进行梳理，提出设备设施的改造、补强措施及下阶段试验的测试重点。

（5）研究常态化开行的运输组织方案、列车组合分解方式和追踪时间等，研究交会站、组合站的布点选择。

（6）通过优化操纵，3万t列车在个别位置及过分相时的纵向力较2.3，2.9万t有了显著减小，但是依旧出现了3次超出试验建议性指标的车钩力值，建议下阶段参照3万t试验结果进一步优化列车操纵。

［1］ 中国铁道科学研究院机车车辆研究所.大秦线H XD1机车牵引2万t组合列车试验报告，2007年JL字第54号［R］.北京：中国铁道科学研究院机车车辆研究所，2007.

［2］ 中国铁道科学研究院，太原铁路局.大秦线H XD1机车牵引2万t组合列车综合试验大纲［R］.北京：中国铁道科学研究院，2007.

［3］ 高春明，冀 彬，张 波，等.大秦线重载组合列车的Locotrol技术应用研究［J］.电力机车与城轨车辆，2006，29（6）：5-7，41.

［4］ 耿志修.大秦线开行2万t级重载组合列车系统集成与创新［J］.中国工程科学，2008，10（3）：33-45.

Sim ulation Calculation and Test Research of Heavy Haul Train of Datong-Qinhuangdao Railway

W A N G Lei
（1 Graduate Faculty，China Academ y of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Loco m otive Section，Transportation Bureau of China Railway，Beijing 100844，China）

In order to realize the technology re-innovation of China H eavy-haul transportation and provide technical reserves in the light of increasing the carrying capacity，China Railways Corporation determined to organize the test of 30 thousand ton heavy haulloco m otives in Datong-Qinhuangdao line，w hich applied Locotrol synchronous operation system for the first time under the existing device condition to do the exploratory test research in the m ode of traction，safety performance，quality of operation and feasibility at 30 thousand ton heavy haulloco m otives.Testing and driving the train of 30 thousand ton was big system engineering，w hich referred to loco m otives and trains，co m m unication signals，public works projects，traction power supply system and transportation organization and other technology content.China Railways Corporation organized this test step by step and took active and steady steps.Firstly，the sim ulation calculation was applied in heavy haulloco m otives with different marshalling to confirm and select 30 thousand ton groups on the basis of 20 thousand ton loco m otives experience.In the second place，static test and running test carried out on account of optimized groups.Finally，at A pril 4th of 2014，the running test of 30 thousand ton loco m otives was co m pleted.

Datong-Qinhuangdao Railway Line；sim ulation；calculation；test research

U272.6+5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.05

1008-7842（2015）05-0022-06

王磊（1981—）男，高级工程师（2015-05-19）