重载铁路长大下坡道坡度选择标准的研究

赵昕

（中国铁路设计集团有限公司 高级工程师，天津 300251）

近年来，我国重载铁路得到快速发展，重载运输技术水平跨入世界先进行列。随着重载铁路列车牵引质量和机车车辆轴重的不断提高，对重载铁路的技术标准提出了更高要求。坡度选择是技术标准的重要指标之一，是提高重载铁路运输能力、保证行车安全、降低工程投资及运营费的重要影响因素[1]。根据机车车辆制动性能，对重载铁路长大下坡道坡度影响因素及计算方法进行研究，提出重载铁路长大下坡道坡度选择标准，为同类项目设计提供参考。

1 重载铁路长大下坡道坡度计算

1.1 长大下坡道循环制动

重载列车在长大下坡道的制动主要涉及两个方面，一是循环制动中列车充风时间必须满足再制动的要求，二是循环制动中列车纵向力要满足车钩强度的要求[2]。本次研究的重点为前者。

重载列车在长大下坡道上运行，列车运行速度会迅速升高，为了使列车不超过规定速度，列车需要实施空气制动及动力制动进行降速。列车在使用空气制动时，空气压力不断变小导致制动力逐渐下降，需通过列车缓解，一是降低闸瓦与轮轨踏面温度，二是进行再充风。列车在缓解过程中速度不断提高直至制动限速，此时列车需再次实施空气制动来降低速度，如此循环直至列车驶出长大下坡道。

1.2 主要计算参数[3]

重载列车在长大下坡道实施循环制动，主要受列车编组、缓解充风及再制动要求、制动限速及缓解速度、列车管压力及减压量等因素影响。

1.2.1 机车、车辆技术参数

选择25 t、27 t、30 t轴重机车及车辆进行研究。

分别选择 HXD1、HXD2、HXD1F-27 t、HXD1F-30 t型（与HXD2F差别不大，暂选择HXD1F）机车；货车分别选择C80、C80E及C96。机车、车辆主要技术参数见表1、表2。

表1机车主要技术参数

表2车辆主要技术参数

1.2.2 列车编组方案[4]

结合牵引质量、编组方案及可控列尾的采用，10 000 t及20 000 t重载列车编组方案如表3。

表3列车编组方案

1.2.3 缓解充风时间tc、制动空走时间tk及缓解增速时间tz

为了满足重载列车在长大下坡道上安全平稳运行，采用循环制动时列车再充风时间需满足再次制动要求，即在每一个制动周期内，列车缓解后由缓解速度上升到坡道限制速度时的增速时间tz应不小于充风时间tc和制动空走时间tk之和。

1.2.3.1 缓解充风时间tc

列车充风过程通过风管传输空气完成，而充风的量是由前一次制动的减压量和列车管压力决定的。因此当列车编组及列车管压力、减压量不同时，其充风时间也会存在一定差异。

结合 《列车牵引计算规程》（2014年报批稿）货物列车副风缸再充气时间，采用函数曲线拟合，推算100辆编组列车副风缸再充气时间。60～100辆编组货物列车副风缸再充气时间见表4。

表4货物列车副风缸再充气时间 s

1.2.3.2 制动空走时间tk

制动空走时间tk与列车编组辆数、动力分布、减压量以及坡度有关。采用可控列尾，简化计算将列车空走时间较无可控列尾减少一半。货物列车常用制动空走时间tk计算公式如下：

式中：tk为制动空走时间，单位s；ij为线路加算坡度，‰；n为列车编组辆数；r为列车管减压量，单位kPa。

1.2.3.3 缓解增速时间tz

缓解增速时间为列车在长大下坡道运行，列车由缓解速度升至制动限速的时间，与列车制动限速及缓解速度、坡度及机车电制动力有关。考虑机车电制动力，缓解增速时间tz计算公式如下：

式中：v0为制动限速，单位km/h；vn为缓解速度，单位 km/h；ij为增速地段平均加算坡度千分数；ω＇0为机车单位基本阻力，单位N/kN；ω＇＇0为车辆单位基本阻力，单位N/kN；b为机车电制动力，单位N/kN。

1.2.4 长大下坡制动限速及最低缓解速度

列车在长大下坡道上以制动与惰行工况交替运行，速度曲线呈波浪型，波峰为列车制动限速，波谷为列车最低缓解速度。

1.2.4.1 制动限速[5]

根据《铁路技术管理规程》（2014版）（以下简称《技规》）第263条规定，“货车轴重25 t及以上，紧急制动距离不应超过1 400 m”。列车在下坡道运行，满足在规定紧急制动距离内停车时的速度即为制动限速。列车重量、闸瓦压力及坡度决定列车在长大下坡度的限制速度。

按照《技规》第261条规定，25 t轴重货车（重车位、高摩合成闸瓦）每辆换算闸瓦压力管压500 kpa为170 kN，600 kpa为195 kN。考虑机车制动力不足、关门车及实际货车的非理想状态等因素的影响，导致列车实际制动率低于单车制动率，因此考虑10%的安全余量，计算高摩合成闸瓦每百吨列车重量换算闸瓦压力管压500 kpa时为153 kN，管压600 kpa时为175 kN，计算时分别取150 kN、170 kN；根据制动力和列车重量的对应关系，考虑闸瓦压力提高导致摩擦系数下降的制动力损失，随轴重提高，货车百吨换算闸瓦压力呈小幅下降，但总体看变化不大。30 t轴重货车每百吨列车重量换算闸瓦压力可参照25 t轴重货车取值，即管压500 kpa时为150 kN，管压600 kpa时为170 kN。

以HXD2、HXD1F-30 t单机牵引10 000 t列车为例，列车管压力按500 kpa、600 kpa；列车最高运行速度参照 《重载铁路设计规范》（TB 10625—2017)，分别按80 km/h和100 km/h[6]，检算列车在下坡道上的制动限速见表5。

列车管压500 kpa，以最高速度80 km/h运行，在20‰下坡道上列车无需限速；以最高速度100 km/h运行，在 12‰～20‰下坡道上限速 95～85 km/h。由于管压600 kpa较500 kpa制动力大，因此相同坡道上制动限速值略高。

表5紧急制动限速表km/h

1.2.4.2 最低缓解速度

列车在长大下坡道的最低缓解速度影响列车制动及运输效率。缓解速度过高，可能会造成由于列车升速较快，在副风缸充风时间不足的情况下，降低制动力，影响行车安全；缓解速度过低，会带来列车断钩，闸瓦温度过高，影响再次制动，降低运输效率等。

列车最低缓解速度与列车编组、制动限速、坡度、列车管减压量等因素有关。当制动限速一定时，缓解速度高，列车增速时间短；缓解速度低，列车增速时间长。因此在一定的减压量下，缓解速度的高低，影响长大下坡道的取值；减压量越大，充风时间延长，在缓解速度一定时，长大下坡道坡度值越小。

重载列车最低缓解速度参照《铁路机车操纵规程》（2013年）第28条规定:“货物列车速度在15 km/h以下时，不应缓解列车制动。长大下坡道区段因受制动周期等因素限制，最低缓解速度不应低于10 km/h。重载货物列车速度在30 km/h以下，不应缓解列车制动。”目前我国重载铁路最低缓解速度一般由铁路局统一制定，现状大秦、朔黄铁路长大下坡最低缓解速度取35 km/h。

1.3 长大下坡道计算

结合机型、牵引质量、编组方案，以列车管压600 kpa，减压量 80 kpa，列车最高运行速度 80 km/h为例，最低缓解速度分别取 30 km/h、35 km/h、40 km/h，计算满足循环制动长大下坡道，见表 6。

表6满足周期制动长大下坡道坡度‰

相同的牵引质量，HXD1F牵引30 t轴重列车编组辆数少于HXD1、HXD2牵引25 t轴重列车，使空走时间减少，因此HXD1F对长大坡度的适应性优于HXD1、HXD2；随机车数量增加，电制动力提高，或机车分散布置，空走时间减小，均使长大下坡道坡度值增大；对于单元10 000 t列车，有无可控列尾对长大下坡道坡度影响不大；随缓解速度提高，不同机型及编组方案的10 000 t及20 000 t在长大下坡道的坡度值呈减小趋势。

2 对长大下坡道坡度影响因素的分析

2.1 列车管压力

按照《技规》要求，“快速货物班列自动制动机主管压力为600 kpa，其他列车为500 kpa。长大下坡道区段货物列车和重载货物列车自动制动机主管压力，由铁路局根据管内相关试验结果和列车操纵需要可提高至600 kpa”。计算时列车管压考虑500 kpa 和 600 kpa[7]。

提高列车管压，列车可以获得较大的制动力，但制动时的排风时间和再充风时间也相应延长。

HXD2、HXD1F单机牵引10 000 t列车不同管压满足循环制动长大下坡道如表7。

表7不同管压长大下坡道坡度 ‰

管压500 kpa的长大下坡道值（为坡度绝对值）略大于600 kpa。

2.2 列车管减压量

列车实施空气制动，反映列车管减压的指标为列车管减压量，列车管减压量决定列车制动力，同时影响列车空走时间和再充风时间。

管压 600 kpa，减压量分别取 70 kpa、80 kpa、90 kpa、100 kpa，HXD2单机牵引 10 000 t列车满足循环制动长大下坡道见表8。

表8不同列车管减压量长大下坡道坡度

制动限速及缓解速度一定时，随列车管减压量升高，列车空走时间和再充风时间延长，下坡道坡度值相应减小。

2.3 制动限速

以 HXD2、HXD1F单机牵引 10 000 t列车为例，结合不同列车管压，比较80 km/h、100 km/h速度等级下的坡度，见表9。

表9不同管压及速度等级的长大下坡道坡度 ‰

制动限速越高，适应下坡道的坡度值越大，但对机车车辆制动性能的要求也越高。

2.4 缓解速度

缓解速度与减压量、制动限速、坡度有关。

HXD2单机牵引10 000 t在12‰的下坡道上不同减压量对应缓解速度，见表10。

表10不同减压量对应的缓解速度

通过表9及表10，在减压量和制动限速相同的条件下，缓解速度越高，长大下坡道值越小；制动限速越高，对应相同的缓解速度坡道值越大；相同坡度下，减压量小缓解速度高。

3 满足《技规》316条规定制动检算[5]

《技规》316条规定：“自动闭塞区间通过信号机显示停车信号时，列车必须在该信号机前停车，……。停车等候2 min，该信号机仍未显示允许运行的信号时，即以遇到阻碍能随时停车的速度继续运行，最高不超过20 km/h，运行到次一通过信号机。”《技规》316条有助于提高自动闭塞线路运输效率。

检算重载列车走-停-走模式，考虑机车电电制动力，列车限速20 km/h，缓解速度10 km/h，减压量50 kpa，计算 HXD2、HXD1F 牵引 10 000 t满足《技规》316条规定下坡道，见表11。

表11满足《技规》316条规定下坡道坡度

满足《技规》316 条，HXD2、HXD1F 单、双机牵引10 000 t列车的下坡道分别为-7‰、-11.5‰～-12.5‰。说明牵引10 000 t列车，在满足循环制动单机-11.5‰～-13‰，双机-16.5‰、-18‰的下坡道上（缓解速度35 km/h），不满足《技规》316条规定。为保证行车安全，重载列车在长大下坡道上遇到通过信号机显示停车信号时，列车应在信号机前停车，直至信号灯显示运行信号，列车方能重新起动。

4 研究结论

通过对重载铁路长大下坡道各影响因素分析，牵引质量、机车配置数量及配置形式对坡度影响最大；其次是制动限速、缓解速度对坡度影响较大；列车管压、列车管减压量对坡度影响相对较小。

随着重载列车牵引质量及轴重的不断提高，通过采用列车同步控制系统如电控制动系统ECP或机车同步操纵系统Locotrol，可以有效提高重载列车的制动性能，使重载列车在长大下坡的适应性更强，列车安全运行更能得到保障。