朔黄铁路2万t列车操纵安全及对策

王普

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350）

朔黄铁路2万t列车操纵安全及对策

王普

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350）

从1+1组合2万t列车纵向力、从控机车压钩力、小半径曲线受力及撞墙效应等方面分析2万t列车运行中存在的不安全因素，并结合朔黄铁路实际开行情况，从采用长波浪制动、长大下坡道列车缓解地点、再生力、减压量、关键站压后停车、侧线停车等方面制定具体措施，最后提出推广精细化操纵、树立安全红线意识等安全生产理念。

朔黄铁路；2万t；列车操纵；运行安全

随着朔黄铁路运量的快速增长，列车运行密度趋于饱和，开行2万t重载列车是大幅提高朔黄铁路运能的有效途径。由于2万t列车总质量和辆数的增加，列车纵向力成倍增大，易造成列车断钩分离、钩缓装置失效等问题，也给司机操纵带来更为严峻的考验。实践证明，2万t列车在相同线路条件下，因缓解和制动地点的变化导致完全不同的结果，提高2万t重载列车操纵技术是保障列车运行安全的有效手段[1-3]。因此，研究一套安全、平稳、可靠的精细化操纵方法尤为重要。

1 列车运行安全主要指标

1.1 列车编组方式

朔黄铁路2万t列车编组方式：1台HXD1型交流机车+108辆C80/C80B型车辆+1台HXD1型交流机车+108辆C80/C80B型车辆+可控列尾。基于LTE-R 4G无线网络平台并搭载TD-LTE无线重联设备。

1.2 脱轨系数

车辆运行时，在线路状况、运用条件、车辆结构参数和装载等因素最不利的组合条件下，可能导致车轮脱轨。评定车轮脱轨稳定性的指标为脱轨系数：

式中：Q为爬轨侧车轮作用于钢轨上的横向力，kN；P为爬轨侧车轮作用于钢轨上的垂直力，kN。

GB 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规定：车辆脱轨系数应≤1.2。

1.3 轮重减载率

车辆高速运行时，车轮处于上下运动的振动过程，轮对间的轮重会发生增减变化，轮重减小一侧即使横向力很小，车轮也有可能发生横向相对位移而发生脱轨。轮重减载率定义为轮对垂向减载量与垂向力之比[4]：

GB 5599—1985《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》规定：车辆轮重减载率应≤0.65。

1.4 轮轴横向力

轮轨相互作用力传递到轮轴上的横向力，即为轮轴横向力H：

式中：Pst1、Pst2分别为1、2位轮的静载荷，kN。

根据试验中动态测试的静轮重，计算出轮轴横向力≤110.5 kN。

1.5 车钩力

列车运行中，机车、车辆车钩要承受纵向力，即拉钩力或压钩力。13号车钩主要部件的最小破坏载荷为：钩舌≥2 250 kN、钩体≥2 950 kN、钩尾框≥2 950 kN；16号、17号车钩主要部件的最小破坏载荷为：钩舌≥3 430 kN、钩体≥4 005 kN、钩尾框≥4 005 kN。建议列车常用全制动工况最大车钩力≤1 500 kN，列车正常运行工况最大车钩力≤1 000 kN。

1.6 机车动力学评定标准

参照机车车辆运行安全性的现行有关标准，并借鉴以往重载列车试验中对从控机车的动力学性能控制指标，确定机车运行安全性参数的限度值如下：脱轨系数≤0.90；轮重减载率≤0.65；轮轴横向力≤97.0 kN（HXD1型交流机车）；最大车钩力≤2 250 kN；车钩偏转角≤6°。

2 列车运行安全因素分析

2.1 列车纵向力

动力学理论证明，列车纵向力大小与牵引辆数的平方成正比，即随着辆数增加列车纵向力急剧增加。列车运行过程中，要经过多个操纵阶段，如启动、加速、维持速度、惰力运行、制动调速、缓解、停车等，不同操纵阶段列车也会产生不同的纵向力作用。

2.1.1 机车纵向压钩力

机车、车辆的车钩用来传递纵向拉钩力和压钩力，理想状态下纵向力的方向应与机车运行方向保持完全一致，实际运行中由于曲线、车钩偏转角等因素，纵向力方向和机车运行方向会有一些偏差，当机车车钩偏转角超过一定角度时，在纵向压钩力作用下，车轮轮缘会爬上钢轨而造成脱轨事故。由于机车车钩的横向摆动范围远大于车辆车钩，在同等运行条件下，机车车钩偏转角远大于车辆车钩偏转角，而纵向压钩力的大小直接影响机车车钩的偏转角度。因此，减小机车纵向压钩力是保证列车运行安全的重要因素之一。

2.1.2 从控机车压钩力

根据《朔黄铁路基于LTE网络2万t组合列车系列综合试验报告》[5]可知，1+1组合2万t列车，初制动和减压70 kPa时车辆的开始缓解时间基本相同，整列车在20 s内均产生缓解作用，但前150辆货车与后58辆货车存在较大的缓解时间差，前140辆货车7 s左右产生缓解作用，后58辆货车在18～20 s产生缓解作用，该缓解规律与大秦线1+1编组2万t列车基本相同[6-7]。由于列车前后缓解的严重不同步性造成2万t列车在长大下坡道区段缓解时列车车钩产生先拉后压的运动过程，导致较大的纵向车钩力。在列车制动停车、制动调速后的缓解过程中，从控机车受纵向力冲击尤为突出。从控机车受主控机车的纵向压钩力，同时还受后部车辆在重力作用下的下滑力，二力作用相反，当作用力达到一定值时，从控机车的轴重减轻，增大了从控机车的脱轨系数。因此，减小从控机车纵向压钩力也是保证列车运行安全的重要因素之一。

2.2 撞墙效应

运行中车辆的纵向冲击力通过推动前部车辆向前运动，达到力的释放，当前部车辆相对运行速度远低于后部车辆时，产生了较大的纵向力，超过了车钩缓冲装置的容量范围，纵向力最终释放在钩缓装置的各部件及钢轨、轮对上（即撞墙效应），易发生车钩零部件断裂、破损等问题，在小半径曲线还易发生轨排横移、轨距扩大、脱线等问题。1+1组合2万t列车在大减压量停车或周期制动缓解列车时，机车再生力过大也会发生撞墙效应。因此，避免撞墙效应的发生也是保证列车运行安全的重要因素之一。

2.3 小半径曲线受力

列车在曲线上运行时，由于离心力的方向和列车运行方向不一致，在其作用下会产生一定的横向力，横向力使外侧车轮轮缘紧压外轨内侧，产生曲线阻力和横向力。在列车质量和运行速度不变的情况下，曲线半径越小离心力越大，曲线阻力越大，横向力也越大。由于1+1组合2万t列车缓解的不同步性，调速缓解过程中列车会产生较大的纵向车钩力，如果此时列车又处于小半径曲线，会加大横向力的产生，增大车钩偏转角度，从而使车辆脱轨系数增加。因此，防止列车在小半径曲线缓解也是列车运行安全的重要因素之一。

3 列车操纵安全对策

3.1 采用长波浪制动法

长波浪制动就是采用初减压或小减压量，列车降速慢、制动距离长的空气制动[8]。

1+1组合2万t列车总质量21 600 t，整列车处于10‰的下坡道时产生的下滑力约为1 789 kN，2台HXD1型交流机车的可用再生力总和约800 kN，不足以克服列车下滑力，列车处于加速运动状态，当列车速度接近限制速度时，需投入空气制动，以产生摩擦制动力，阻止列车发生超速，当列车速度降至35 km/h左右，再实施缓解。朔黄铁路全长592 km，其中连续长大下坡道近200 km，其特点是曲线半径小、S形弯道多、隧道多、桥梁多。通过列车运行安全因素分析可知，列车较大的纵向冲击均是在列车缓解时产生，特别是在小半径曲线处缓解，更加剧了不安全因素的产生。因此，2万t列车运行在长大下坡道应遵循带闸距离长、缓解次数少的操纵原则，尽可能减小列车缓解带来的纵向冲击。

3.2 缓解列车时的累计减压量控制

HXD1型交流机车1+1编组216辆电、空配合调速试验数据统计见表1[5]。

表1 HXD1型交流机车1+1编组216辆电、空配合调速试验数据统计

由表1可知，最大车钩力介于1 062～1 344 kN，且均在追加减压或累计减压超过60 kPa以上产生。初制动后缓解最大车钩力介于542～877 kN，明显小于累计减压量超过60 kPa以上缓解所产生的车钩力，且符合“列车正常运行工况最大车钩力≤1 000 kN”的建议要求。

由于制动减压量的增加导致列车制动力的增加，从而更易产生比初制动缓解时更大的纵向车钩力，严重危及行车安全。大秦线1+1组合2万t列车试验表明，当减压量大于60 kPa以上缓解时所产生的最大纵向力比初制动后缓解产生的纵向力显著增加[5]。因此，应避免累计减压量超过60 kPa以上缓解列车。

3.3 缓解时再生力控制

1+1组合2万t列车缓解时，从控机车制动机响应时间在2 s以内，主控机车向前半列充风，从控机车同时向前半列和后半列充风。由于前半列车辆先于后半列充风，且有2个风源口同时充风，其车辆的缓解速率快于后半列，在缓解过程中产生一个向前的瞬时加速度，导致车钩由压缩状态变为拉伸状态。当前半列瞬时加速度消失后，后半列车辆缓解过程中也会产生一个瞬时加速度，车钩又由拉伸状态变为压缩状态。在整个缓解过程中，车辆车钩先要承受一个拉钩力，然后再承受一个压钩力，这种现象在从控机车前、后部车辆尤为明显，通过分析从控机车车钩处的视频发现，车钩状态变化与理论分析完全吻合。实际运用中，列车缓解后的45～50 s，会有一个明显向前涌动的冲击。

列车缓解时，采用“小再生力方法”可以释放压钩力冲击，采用“大再生力方法”可以抑制拉钩力冲击。拉钩力过大，易发生钩舌裂纹、断钩等问题；压钩力过大，易发生钩尾框裂纹、缓冲器失效、纵向力转变为横向力增大脱轨系数等问题。因此，列车缓解时机车再生力应适中，既不产生较大拉钩力，也不产生较大压钩力，确保整列车运行平稳、安全。实践证明，1+1组合2万t列车在长大下坡道缓解时，机车再生力控制在300～350 kN为宜；平原地段缓解时，机车再生力控制在380～400 kN为宜。

3.4 避免惰力运行

惰力运行时，全列车车钩处于自由状态，当运行至变坡点时车钩状态发生变化，在压缩和拉伸两者状态间相互转换，从而引起列车冲动。由于2万t列车长度较长，在起伏坡道上运行时列车同时处于几个不同线路纵断面，惰力运行引起的冲动也较为突出，应尽量避免。

列车在以下坡道为主的起伏坡道上运行时，应通过调整再生力的大小，使车钩一直处于压缩状态通过每个变坡点；列车在以上坡道为主的起伏坡道上运行时，应通过调整牵引力的大小，使车钩一直处于拉伸状态通过每个变坡点。

3.5 避免尾压不足靠标停车

列车尾部风压不足、后部车辆副风缸压力远低于定压（600 kPa）情况下减压靠标停车时，减压后前部车辆立即实施制动，由于后部车辆副风缸压力不足且车辆列车管排风由前向后依次进行，排完风需要一定时间（1+1组合2万t列车减压50 kPa，排风时间为50 s），后部车辆制动力远低于前部车辆，后部车辆的相对运行速度就比前部车辆高，会产生撞墙效应，特别是低速追加减压控速、停车时，撞墙效应尤为严重。

3.6 避免关键站压后停车

1+1组合2万t列车充排风时间见表2。

表2 1+1组合2万t列车充排风时间 s

朔黄线北大牛站是普通站，站线有效长度1 050 m，进站设有分相且进站信号机外均是长大下坡道，若列车在上述车站临时压后停车，最理想的运行曲线见图1（图中红色曲线），一次性停妥，但实际运行中受进站黄灯限速、分相等因素影响很难实现，一般都是先停车，再向前带车（图1中绿色曲线和黄色曲线），向前带车再减压停车时，易发生尾压不足引起的撞墙效应，因此应尽量避免在关键站压后停车。

3.7 推广精细化操纵

精细化操纵就是以列车运行安全为前提，在安全基础上求平稳，根据列车牵引长度、总质量、机车牵引特性及朔黄铁路线路特点，形成一套具有安全、平稳和技术速度最大化特性的列车操纵方法。

图1 北大牛站停车示意图

3.7.1 选择合适的地段缓解列车

根据朔黄铁路线路纵断面复杂的特点，本着避开S形弯道、小半径曲线、隧道、起伏坡道原则，选择“前小后大”的良好地段缓解列车，减小列车纵向冲动，错过缓解地段严格执行停车缓风。朔黄铁路缓解地段见表3。

表3 朔黄铁路缓解地段

3.7.2 制定2万t精细化操纵规则

机车、车辆是通过车钩及牵引缓冲装置机械连接而成的组合体。缓冲装置为弹性元件，用来吸收列车的纵向冲击振动，当机车、车辆间的拉伸或压缩量变化较小时，其冲击能量被缓冲装置完全吸收，列车不会有明显冲动。当列车纵向冲击振动过大，机车、车辆间的拉伸或压缩变化超过缓冲装置容量时，列车就会产生明显冲动。因此只有结合线路纵断面情况，通过改变牵引、制动时机，缓解速度、地点及再生力大小等机车操纵方面，尽可能减小列车的纵向冲击力。2万t列车精细化操纵分析项点见表4。

表4 2万t列车精细化操纵分析项点

3.7.3 细化关键站侧线操纵方法

朔黄铁路原平南、小觉、西柏坡站是2万t车站，上行进站方向为长大下坡道，列车在上述车站侧线停车时，受侧向道岔限速、再生力限制、充风时间等因素影响，易发生超速、充风不足、撞墙效应等行车安全问题，需要不断细化和完善侧线进站操纵提示卡（见表5）。

表5 侧线进站操纵提示卡

4 结束语

2万t列车运行安全关乎朔黄铁路运输的安全与稳定，应树立安全红线意识。同时，操纵安全是永恒的目标，在安全的基础上要平稳，在平稳的前提下追求技术速度最大化。从机车操纵角度探讨列车操纵安全、平稳，仅是研究重载列车运行安全的起点，对于长大下坡道过临时限速、通过信号机突变、机车LTE网络中断等方面的非正常情况还未探究，日后有待继续研究和探讨。

[1] 刘凯强，周志龙．神朔铁路运输能力分析[J]．中国铁路，2015(12)：22-24．

[2] 李林贵．神池南站开行2万t列车的可行性分析[J]．中国铁路，2014(2)：29-31．

[3] 张朝辉．朔黄铁路重载列车智能操控系统研究[J]．中国铁路，2017(2)：86-90．

[4] 王奇钟．列车操纵技术[M]．北京：中国铁道出版社，2013．

[5] 中国铁道科学研究院机车车辆研究所．朔黄铁路基于LTE网络的2万t组合列车综合试验报告[R]．北京，2015．

[6] 丁五一．大秦线2万t重载组合列车车钩受力分析及应用研究[J]．中国铁路，2013(7)：36-39．

[7] 李思昕，冀彬．大秦线重载组合列车中部机车制动阀切除故障分析[J]．中国铁路，2013(9)：78-81．

[8] 济南铁路局机务处．电力机车优化操纵基本知识及操纵方法[M]．北京：中国铁道出版社，2010．

Safety Studies for and Measures o f 20,000 t Train Operation on Shuohuang Railway

WANG Pu
(Shuohuang Railway Development Co Ltd，Suning Hebei 062350，China）

The paper first studies the potential risks in the operation of the 20,000 t combined trains (1+1) from the perspectives of longitudinal force, coupler force of slave locomotive, force bearing in passing curve sections of small radius and collision effect. Taking into account the operation status of Shuohuang railway, the paper suggests some practical means like long wave-type braking, the setting of release points along long downward slope, regenerative capacity, pressure decrement, brake delay at key stations and brake at sidings. On this basis,it proposes the general concept for both operation and workplace safety, for instance a more detailed approach in operation and be mindful of the red line for safety.

Shuohuang railway；20,000 t train；train operation；operation safety

U296

A

1001-683X（2017）09-0052-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.052

王普（1982—），男，助理工程师，本科。E-mail：93607917@qq.com

责任编辑 高红义

2017-05-08