蒙内铁路长大下坡道制动试验及计算分析

文 / 韩占涛 刘刚 冯洋

引言

蒙内铁路即蒙巴萨—内罗毕铁路，位于非洲东北部印度洋沿海国家肯尼亚共和国境内南部，是肯尼亚的第一条标准铁路，也是东非路网的第一段铁路，2014年9月开工建设，于2017年5月底建成通车[1]。 由当地非洲之星铁路运营有限责任公司（以下简称非洲之星公司）参照中国铁路管理模式负责运营[2]。

蒙内铁路正线全长470.282km，为单线站间自动闭塞客货并行一级线路，现阶段采用内燃机车牵引运行，为远期预留电气化线路改造空间。如图1 所示，蒙巴萨至内罗毕方向为下行方向，采用DF8型内燃机车牵引客运列车以时速120km运行，采用DF11型内燃机车双机重联牵引货运列车以时速80km运行。

值得注意的是蒙内铁路起点站蒙巴萨港(K7+000)位于大陆沿海，其轨面标高仅为7m，K412+650m处轨面标高达到最高为1657.191m，终点站内罗毕(K470+000)位于内陆高原，其轨面标高为1638m。

图1蒙内铁路示意图

这意味着自蒙巴萨港至内罗毕下行方向全线基本为连续上坡道，其最大坡度为12‰，反之上行方向全线几乎一直处于下坡道运行。全线换算坡度超过6‰的区间多达10个，累计坡道长度达259.6km，占全线总长54%；其中坡度最小6.34‰，最大9.66‰，最短区间长度8591m，最长区间长度可达20839m；最大坡度12‰的最长区间长度可达8926m，全线多处符合我国《铁路技术管理规程（普速铁路部分）》中第274条的规定。可见，较为特殊的地理因素导致蒙内铁路具有中外铁路较为罕见的长大坡道线路特点。

蒙内铁路无论是客运还是货运均采用DF型内燃机车，随着运行里程的增加，燃油和冷却水的消耗使得机车自重减轻，进而导致黏着力降低，最终减低牵引和制动性能，加之受到采油机和主发电机功率的限制，使得内燃机车的整体性能和功率均弱于电力机车。当内燃机车牵引列车在在长大坡道区段运行时，上坡段容易发生坡停甚至可能引发二次事故，下坡段惰行时可能因动力制动不足而发生轮轨滑行。

可见针对蒙内铁路的线路条件和采用内燃机车牵引的现实情况，为了保证安全高效的运输质量，有针对性的进行长大下坡道牵引试验并制定相关的安全控制体系十分必要。

图2试验列车编组示意图

国内对铁路长大下坡道行车安全的相关研究开始于上世纪九十年代初期。钱立新登针对铁路长大下坡道行车安全进行了较为系统的理论研究[3]。王青元，林轩等针对货运列车在长大下坡道空气制动无法恒速且两次空气制动之间需满足缓解再充风的特点，以实际中普遍采用的50—70kPa减压调速为依据，研究了长大下坡道上最优的操纵策略[4]。而随着大秦铁路，朔黄铁路等重载线路的投入运营，与长大下坡相关的研究涉及空气制动运用，车钩受力分析，坡道选择以及相关的仿真优化[5]-[8]。

本文以蒙内铁路为工程背景，首先介绍了蒙内铁路的经济价值及经济意义，然后介绍了长大下坡道现场牵引试验的情况并对试验结果进行分析，并采用理论计算和软件计算两种方式，分析了不同坡度下坡段120km/h紧急制动时的制动距离，不同坡度下坡段800m制动距离所对应的制动速度，计算结果为蒙内铁路长大下坡行车安全控制体系的制定提供支撑和依据。

1 蒙内铁路经济价值及政治意义

蒙内铁路下行方向起点站蒙巴萨港，是肯尼亚最大港口也是东非第一大港，亚非航线东非终点站，东非工商业中心，海陆空交通运输重要的枢纽，其中转货物覆盖卢旺达，坦桑尼亚，扎伊尔，南苏丹，刚果(金)等国，年集装箱吞吐量超过25万个。内罗毕为肯尼亚首都，是东非地区最大的城市，也是未来辐射东非路网的主要枢纽站。基于现阶段的实际状况，蒙内铁路开行客车2—4对，上桌率超过97%；货车8—10对。沿线穿越山地、东非大裂谷及多处国家公园。可见蒙内铁路对肯尼亚国内以至于东非境内的商品运输，旅客运输，旅游发展等具有重要的经济价值。

蒙内铁路连接肯尼亚首都和最大港口城市，是肯尼亚独立以来最大的基础设施建设项目，也是肯尼亚实现2030年国家发展远景的旗舰工程，对于肯尼亚国内以及区域内非洲各国的政治稳定和经济发展起到重要的支撑作用。蒙内铁路的建设也是基于我国“一带一路”国家战略的需要，是进一步巩固中—肯关系的重要纽带和保证[9]。

综上所述，针对蒙内铁路所存在的连续长大坡道的线路条件和采用东风内燃机车牵引的现实情况，进行相关的长大坡道牵引试验分析，针对性制定长大坡道行车相关的管理制度和办法措施是蒙内铁路安全高效运营的重要保证。

2 长大坡道紧急制动试验及LKJ数据分析

一方面为构建蒙内铁路长大坡道行车安全控制体系提供理论依据和数据支撑，另一方面为确保蒙内铁路客货列车长大坡道运行的安全性，特选取蒙内铁路最具代表性的长大下坡区段进行列车紧急制动试验。

如图2所示，该次紧急制动试验采用DF11型内燃机车进行牵引，共17辆编组运行，牵引总重929t，总长446m。选取阿西河—路肯尼亚区间（K447+289—K448+389）作为试验区间，该区间为11.7‰下坡道，当运行速度达到118km/h时施行紧急制动，重点关注紧急制动距离这一与运行安全直接相关的重要因素。

图3为制动试验时机车的LKJ数据。如图3(a)所示，图中距离0点对应实际里程标K469+495，此时机车运行速度29km/h。整个试验分为三部分进行：(I) 第一次减压调速，施行常用制动，机车运行速度由29km/h降至21km/h，制动时长25s，制动距离约为200m；(II) 当机车运行3500m左右时达到117km/h速度，此时进行第二次减压调速，司机施行常用制动，机车速度降至92km/h，降速25km/h，制动时长85s，制动距离2539m；(III) 当机车运行至8676m时进入试验区段，机车速度达到最大118km/h，此时司机施行紧急制动,当机车运行至9566m距离时，速度降为0，完成制动，降速118km/h，制动时长50s，制动距离890m。由图3(b)可知，在实施紧急制动前有t1=85s的充风时间，充风时间充足。实施紧急制动后直至列车管压为0经过t2=3s时间，均符合规章要求。实施紧急制动后检查机车，车辆走行部各部件均无异常，机车部分踏面有轻微磨损变色的现象。

图3制动试验LKJ数据分析

3 制动工况计算分析

本节采用采用理论计算的方式和铁科研机辆研究所电算软件分别对上述试验中的紧急制动时的制动距离进行计算，计算结果得到验证后进一步计算不同坡度和不同速度时的制动距离，进而为长大下坡道紧急制动相关标准的制定提供依据。

根据蒙内铁路的实际运行情况，DF11机车采用粉末冶金合成闸瓦，客车采用高摩合成闸片，通过表1和表2可以计算得出17辆编组，15辆编组以及12辆编组时百顿闸瓦压力。

根据表1表2，DF11机车换算至高磷铸铁闸瓦时的压力为

编组17辆客车车辆换算到高磷铸铁闸瓦时的压力为

所以编组17辆整列百吨闸瓦压力为

对应可以依次计算得到编组为15辆客车和12辆客车时的百吨闸瓦压力分别为841kN和812kN，依据技规261条24表中每百吨闸瓦压力低于760kN时需限速运行的相关规定，蒙内旅客列车目前运行速度符合规定，不需限速。

依据《牵规》中相关计算公式可知

紧急制动时间

空走距离

制动距离为

式中：v0为制动初速度km/h，vm为制动末速度km/h，φh为换算摩擦系数，按照平均速度(v0+vm)/2取值， h为列车换算制动率，βc为常用制动系数，紧急制动时取1，w0为列车单位基本阻力N/kN，按平均速度(v0+vm)/2取值，计算列车制动距离时，w0可以用车辆单位基本阻力w0"代替。ij为制动地段的坡度千分数。

表1不同摩擦材料划算闸瓦压力的二次换算系数

表2机车和车辆换算闸瓦(片)压力表

以制动试验相关参数为例计算，12‰坡道，初速度v0为120km/h，vm末速度为0，βc=1，换算制动率盘型制动取0.32，换算摩擦系数0.278，w0取2.94，计算可得空走距离为148.7m，制动距离为751.6m，总制动距离为900.3m，与现场试验结果保持一致。利用试凑法限定制动距离为800m，则可以算出紧急制动速度为112km/h，以此类推如图4所示，可见随着坡度的不断增加，紧急制动速度线性减小。当坡度为5‰时，紧急制动速度为119km/h也可以符合制动距离800m的要求。

图4不同坡度下紧急制动速度理论计算值

采用经过验证的铁科研机辆所电算软件针对17辆编组和12辆编组两种不同编组情况下，120km/h制动速度下的制动距离以及800m以内制动距离所对应的紧急制动速度进行计算，结果如表3及图5所示

图5不同坡度下紧急制动距离理论计算值

表3两种编组方式制动距离软件计算结果

值得注意的是当采用17辆编组方式，在12‰的坡道上，以120km/h的速度实施紧急制动时，其制动距离计算结果为902m，这与理论计算以及现场制动试验的结果保持一致，也意味着理论计算和软件计算结果较为可靠，可以作为长大下坡道上行车相关规定制定的计算依据。无论时17辆编组还是12辆编组时，其制动距离均随坡度增大而线性增大。当采用17辆编组时，为了使得列车在800m制动距离以内完成制动，当坡度为12‰时，建议其制动速度不高于112km/h，坡度6‰以下时，建议其制动速度不高于118km/h。

4 结论

本文以蒙内铁路(蒙巴萨—内罗毕)为工程背景，首先介绍并分析了蒙内铁路所处的特殊的地理位置和以及由此导致的特殊的长大下坡道占比较大的线路特点，进一步分析了蒙内铁路安全运营对肯尼亚国内和东非地区经济发展以及政治稳定的重要意义，以及对中—肯关系，乃至中—非关系长期稳定发展的重要意义。而长大下坡道的安全行车是保证蒙内铁路安全运营的重中之重，所以重点介绍了12‰长大下坡道上进行紧急制动试验的情况，对试验机车的LKJ数据进行分析，一方面对试验结果进行深入分析，另一方面对理论计算和软件计算的计算结果进行验证。最终采用理论计算和软件计算对120km/h制动速度下，不同坡度上紧急制动距离和800m制动距离内的不同坡度下的制动速度进行计算，旨在为蒙内铁路长大下坡道的安全行车运营以及整体安全控制体系的制定提供有效可靠的试验依据和理论支撑。

基于以上的分析，可以得到以下几点结论：

(1) 蒙内铁路起点蒙巴萨港位于沿海地势较低的平原地带，而重点内罗毕位于内陆高原，海拔可达1650m左右，特殊的地理特点导致蒙内铁路全线长大下坡道占比超过50%，制定针对性的安全行车规范以及安全控制体系十分重要。

(2) 采用DF11内燃机车牵引，17辆编组，在11.7‰长大下坡路段以制动速度为118km/h进行紧急制动试验，通过对LKJ数据进行分析可知，制动距离为890m；紧急制动前有85s充风时间，充风时间充足；实施紧急制动后列车管压经过3s减为0，符合规章要求。实施紧急制动后检查机车，车辆走行部各部件均无异常，机车部分踏面有轻微磨损变色的现象。

(3) 理论计算和软件计算结果与试验结果保持一致，通过计算可知以120km/h制动速度紧急制动，制动距离随坡度增加线性增加；800m制动距离要求下，随着坡度增加，制动速度线性减小。

(4) 根据计算结果可知，采用17辆编组时，为了使得列车在800m制动距离以内完成制动，当坡度为12‰时，建议其制动速度不高于112km/h，坡度6‰以下时，建议其制动速度不高于118km/h。