长大上坡道动车组列车过分相时操纵方式研究

高慧敏，张守帅

（中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081）

近年来，随着我国高速铁路建设重点向中西部转移，受地理环境限制，高速铁路长大坡道不断增加，对高速铁路设备、设施和运营管理等的影响越来越大。关于长大上坡道动车组列车过分相时操纵方式的研究对后续相关高速铁路的运营管理具有借鉴意义，以大西高速铁路(太原—西安) 为例对动车组列车过分相时的操纵方式进行研究。

1 大西高速铁路分相设置情况

大西高速铁路作为《中长期铁路网规划(2008年调整)》的重要组成部分，北起山西省大同市，南至陕西省西安市，全长859km。目前，大西高速铁路南段已经建成通车，其中多处地段为长大坡道，最大坡度达到 30‰，远大于《 铁路技术管理规程 》区间正线 20‰ 的规定。大西高速铁路南段为 CTCS-2 级区段，太原铁路局管内设有18处电分相，采用绝缘锚段关节式结构，每个分相区长度约为1180m，其中无电区长 180m。分相区两端铁路轨枕上设有断合电地面感应器，线路旁设有分相断电标和合电标，大西高速铁路接触网分相设备距离示意图如图1 所示。

2 动车组列车过分相时操纵方式研究

2.1 阻力分析

动车组列车过分相时处于惰行状态，即沿动车组列车前进方向不存在牵引力，只有阻力，阻力包括基本阻力和附加阻力 2个部分[1]。基本阻力是动车组列车在运行过程中一直存在的阻力，反映列车在平直线路运行时所受阻力的状况，包括动车组列车机械阻力和空气阻力，其中机械阻力由冲击震动引起的阻力、车轮滚动阻力、轴承摩擦阻力及轮轨滑动阻力 4个部分构成。受空气阻力影响，基本阻力为速度的二次多项式[2]。根据相关研究所得参数取值，CRH2 型动车组列车单位基本阻力 ω0( N/t) 的计算公式为

式中：v 为动车组列车速度，km/h。

附加阻力是列车在特别线路条件下(如隧道、曲线、坡道等) 遇到的阻力[3]，考虑坡道 θ条件下的附加阻力 ωj(N/kN)，计算公式为

动车组列车在坡道上运行的总单位阻力 ω( N/kN) 计算公式为

式中：g 为重力加速度，取 9.8m/s2。

由于动车组列车惰行过分相的限制情况为低速惰行通过长大上坡道，因而基本阻力相对于附加阻力很小。在坡度大于 17‰、速度低于 80km/h的情况下，基本阻力所占比例在 10% 以内，并且随着惰行时速度的降低，其所占比例会逐渐减小。由于基本阻力所占比例较小，并且其值会不断变化，研究时暂不考虑基本阻力，但在计算结果上保留一定余量以作补偿。

2.2 操纵方式与初速度关系分析

图1 大西高速铁路接触网分相设备距离示意图

动车组列车过分相的操纵方式取决于动车组列车以一定初速度进入分相区后的惰行距离。如果惰行距离大于自动过分相所需距离 LZ，即可采用自动过分相方式；如果不满足自动过分相但惰行距离大于手动过分相所需距离 LS，则采取手动过分相。因此，在研究操纵方式与初速度之间的关系时，应首先考虑在坡道条件下一定初速度动车组列车的惰行距离[4-5]。动车组列车在坡道上惰行时，由于仅考虑坡道阻力，因而动车组列车的动能全部转化为势能，计算公式为

式中：m为动车组列车质量，kg；h为动车组列车惰行过程产生的高度差，m；l为动车组列车惰行距离，m；i为坡度。

当惰行距离 l＞LZ时，即时，可以自动过分相；当惰行距离 l＞LS时，即 v＞2 LSgi时，可以手动过分相。

2.3 司机操纵方式研究

在正常情况下动车组列车采用自动过分相方式，即当动车组列车运行至电分相前时，车载设备接收地面感应器 1 或 2 的定位信息，并且送入动车组网络控制单元，控制牵引传动系统自动断开动车组主断路器，使动车组列车惰行。通过无电区后，车载设备接收地面感应器 3 或 4 的定位信息，自动闭合主断路器，然后起动列车各辅助系统。控制过程完全由车载设备完成，无需动车组列车司机操纵。当自动过分相时，动车组列车最短惰行距离为自地面感应器 1 至地面感应器 3 之间的距离，长度为 1 040m。

遇自动过分相装置故障或非正常行车导致过分相初速度过低时，司机可以采用手动断合主断路器的方式通过分相，即将自动过分相装置隔离。在动车组列车头部越过分相断电标时，司机手动断开主断路器，待通过分相后动车组列车越过分相合电标时，司机手动闭合主断路器。当手动过分相时，动车组列车最短惰行距离为自分相断电标至分相合电标之间的距离，长度为 660m。

当采取手动过分相方式时，动车组列车惰行距离较短，在相同坡度和过分相初速度情况下降速较少，但对动车组列车司机操纵提出更高要求。因此，在长大上坡道过分相初速度较低的情况下，可以采用手动过分相方式，避免动车组列车“掉分相”事故的发生。在过分相初速度较高或分相区处于下坡道时，宜采用自动过分相方式，以减少动车组列车司机劳动强度，使其集中精力于线路瞭望和运行速度的控制[6-8]。

3 实例分析

大西高速铁路南段太原铁路局管内(太原南—永济北) 共 3 处关键分相点，分别是下行灵石东至霍州东间 K409 分相(17.0‰)、上行洪洞西至霍州东间 K462 分相(18.0‰)、上行晋中至太原南间 K280分相(24.0‰)。3 处分相均位于线路坡度超过 17‰ 的长大上坡道上，其所在线路纵断面图分别如图2 至图4 所示。

图2 大西高速铁路下行灵石东至霍州东K409分相所在线路纵断面图

图3 大西高速铁路上行洪洞西至霍州东K462分相所在线路纵断面图

图4 大西高速铁路上行晋中至太原南K280分相所在线路纵断面图

在大西高速铁路联调联试期间，机务行车部门使用 CRH2-295A 统型动车组列车(配重 49t)，对CRH2A 型动车组列车通过上述分相的惰行距离进行模拟测试，测试地点坡度选取与分相所处基本相同，考虑到实际区段线路平纵断面差别、司机反应和操纵时间，以及测量误差、风力温度等因素，预留一定冗余。在测试地点惰行距离的计算结果和实际结果如表1 所示。

表1 大西高速铁路模拟过分相地段动车组列车惰行距离对比表 m

由表1 可知，在不考虑基本阻力的情况下计算的动车组列车惰行距离值仍然小于实际值，原因在于实际运行时提供给电务部门的坡道数据存在一定冗余。根据试验和计算结果，3个关键分相区的操纵方式建议对比表如表2 所示。

表2 大西高速铁路动车组列车过关键分相的建议操纵方式对比表

由表2 可知，计算结果与模拟结果基本一致，仅在 70km/h的动车组列车过 18.0‰ 分相时存在差异。通过对该处惰行距离进行实际模拟，70km/h动车组列车的惰行距离为 1 065m，基本满足自动过分相1040m 的要求，但小于分相区长度1180m，可以考虑采用手动过分相的方式，以减少“掉分相”事故发生概率。

4 结束语

通过对动车组列车过分相时受力情况及惰行距离的研究，得到进入分相时的初速度与司机操纵方式之间的关系。结合动车组列车在相似地段的模拟结果，对计算所得惰行距离及建议的操纵方式进行验证。结果表明，在考虑一定冗余的条件下可以采用简单计算的方法对司机在长大上坡道过关键分相时的操纵方式提出建议，其结论与实际模拟结果基本相同。同时，建议动车组列车司机在作业中严格按照作业标准进行过分相操纵，在通过长大坡道分相时，应在不超过限速要求的情况下尽量加速闯坡，延长动车组列车过分相惰行距离。在采用目视行车模式、隔离模式等限速较低的非正常行车情况下，应准确判别动车组列车通过分相能力，听从列车调度员指挥，按规定采用合理的操纵方式通过分相，尽量减少或杜绝由于动车组列车司机操纵不当导致的长大坡道“掉分相”事故的发生。

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