长大下坡道重载列车失控可能性检算方法研究

宋宗莹、李乐、郭芙楠、彭建川、王文斌

（1.中国神华能源股份有限公司调运部，北京 100011；2.国能运输技术研究院有限责任公司重载运输技术研究中心，北京100080 3.北京交通大学交通运输学院，北京 100044）

0 引言

如何在陡坡地段保证重载列车行车安全、防止重载列车在长大下坡道上失去控制、避免出现列车放飏等危险情况，是当前重载铁路运输生产中应当引起足够重视的关键问题。通过对既有研究进行梳理也可以发现，国内外学者对列车放飏的研究主要体现在对避难线的研究方面。国外开始研究避难线的运用等问题的时间较早，在20 世纪三四十年代避难线已经得到了广泛运用。20 世纪50 年代以来，国外新建避难线已经少见，近几十年来国外学者很少有关于避难线的研究[1]。国内早期主要对蒸汽机车牵引区段的避难线设置问题进行研究，之后随着内、电牵引的大力发展，国内学者对内燃机车和电力机车牵引区段的避难线设置问题展开了进一步的研究[2-5]。

近年来，原有列车失控可能性检算和作为计算基础的线路设施技术标准、机车车辆运行与制动性能、人工作业规范与运营组织方式等均产生了较大变化，一方面，既有规范已不能覆盖上述装备和组织手段更新所提出的新要求[6]。另一方面，随着我国重载铁路快速发展，复杂地形条件下特别是长大下坡道条件下万吨重载列车和2 万t 重载列车开行规模逐渐增大，线路主要技术标准和组织方式使得在考虑列车是否有失控可能性的过程中，有关参数未能被既有设计规则所覆盖。因此，长大下坡道重载列车失控的可能性也需要重新开展准确的检算。

1 原有列车失控可能性检算方法分析

1.1 原有列车失控可能性检算方法

原有列车制动方法是对在长大下坡道上运行的列车施行连续的周期制动，通过闸瓦摩擦导致其摩擦系数不断下降，从而使制动力不断衰减，但持续制动会使列车失控。

具体内容为：列车从起点出发后，根据列车的初速度判断应采用的工况，若不采用牵引工况，则后续运行过程均不采用；若采用牵引工况，则加速到限制速度的临界范围后，不再采用牵引工况。列车每次通过空气制动减速到缓解速度后，先采用电阻制动工况运行，之后为提高列车的平均运行速度，优先采用惰行工况。若列车的运行速度达到限制速度的临界范围，则采用电阻制动；若列车的运行速度达到限制速度或需要空气制动停车，则进行下一次空气制动。列车运行全程电阻制动始终完好。空气制动初始值为全部制动力的80%，平均每次空气制动递减5%。当施行制动时，列车速度不下降反而上升，或者两次空气制动间的缓解时间小于规定时间，或者列车制动距离大于紧急制动限制距离时，存在列车运行失控的可能性。

1.2 原有列车失控可能性检算结果分析

为了对长大下坡道重载列车运行失控可能性进行检算，基于专门开发的检算系统，采用不同的检算方法，对重载列车在不同坡度条件下的运行结果进行仿真分析。

首先，如果采用原有的检算方法对HXD1 型电力机车单机牵引108 辆重载列车，在-20‰～-6‰坡度、10/15/20km 站间距列车失控可能性的检算结果进行分析，得到存在列车失控可能性的坡度如表1 所示。其中，机车闸瓦压力为高摩合成闸瓦的机车闸瓦压力，取值580kN；每百吨货车闸瓦压力按高摩合成闸瓦取值为195kN；-16‰～-6‰坡度的限制速度取值为80km/h，-18‰～-17‰ 坡度的限制速度取值为75km/h，-20‰～-19‰ 坡度的限制速度取值为70km/h。

表1 采用原有方法检算单机牵引存在列车失控可能性的坡度表

可以看出，随着站间距增大，列车运行存在风险的坡度绝对值有逐渐减小的趋势。

1.3 原有列车失控可能性检算的局限性

在该检算办法中，列车每进行一次空气制动后，空气制动力递减5%，并在下一次空气制动过程中保持不变。然而，造成空气制动力减弱的因素较多且复杂，若以某一个数值来代替显然不合实际。因此，该检算办法对空气制动力减弱的过程描述并不准确。此外，该检算办法没有考虑润湿、雨雪等气候条件的影响，导致检算结果与实际情况相差较大。

2 重载列车失控可能性检算办法分析

基于已有的检算方法，同时参考相关研究文献，提出以下列车失控可能性检算方法：列车从起点出发后，根据列车的初速度判断应采用的工况，若不采用牵引工况，则后续运行过程均不采用；若采用牵引工况，则加速到限制速度的临界范围后不再采用牵引工况。列车每次通过空气制动减速到缓解速度后，先采用电阻制动工况运行，之后为提高列车平均运行速度，优先采用惰行工况。若列车的运行速度达到限制速度的临界范围，则采用电阻制动；若列车的运行速度达到限制速度或需要空气制动停车，则进行下一次空气制动。列车运行全程电阻制动始终完好。空气制动初始值为全部制动力的80%，随制动距离逐渐减弱x/km。当施行制动时，列车速度不下降反而上升，或者两次空气制动间的缓解时间小于规定时间，或者列车制动距离大于紧急制动限制距离时，存在列车运行失控的可能性。关于该检算办法，需要进一步阐述空气制动力随距离减弱的取值问题。

制动距离的逐渐减弱值由原有检算方法计算获得。使用原有检算方法的结果如下：当站间距为10km 时，列车在线路坡度为-8‰的长大下坡道上进行3 次空气制动，共运行1.578km，空气制动力减弱8.9%；列车在线路坡度为-9‰的长大下坡道上进行3次空气制动，共运行1.882km，空气制动力减弱8.9%。当站间距为15km 时，列车在线路坡度为-7‰的长大下坡道上进行3 次空气制动，共运行1.745km，空气制动力减弱8.9%；列车在线路坡度为-8‰的长大下坡道上进行4 次空气制动，共运行2.239km，空气制动力减弱14.9%。当站间距为20km 时，列车在线路坡度为-7‰ 的长大下坡道上进行4 次空气制动，共运行2.206km，空气制动力减弱14.9%；列车在线路坡度为-9‰ 的长大下坡道上进行6 次空气制动，共运行3.479km，空气制动力减弱26.2%；列车在线路坡度为-10‰的长大下坡道上进行7 次空气制动，共运行4.008km，空气制动力减弱31.3%。因此，制动力随制动距离减弱的参数可按式（1）取值。

3 案例分析

3.1 朔黄铁路概况

朔黄铁路属于国家Ⅰ级双线电气化铁路，正线总长近598km。作为国家“九五”“十五”重点工程，朔黄铁路西起朔州，东至沧州，沿线15 次跨越滹沱河，367座桥梁长达80.3km，77 座隧道长达66.3km，呈现出“两高一低（海拔高、护坡高、气温低）、两大一小（站场大、坡度大、曲线半径小）、两长一短（桥隧长、曲线长、夹直线短）”三大特点。朔黄铁路线路自西向东海拔落差1527.63m，有近170km 山区铁路，曲线多，桥隧相连，地形复杂。

3.2 朔黄线检算线路的数据处理

3.2.1 列车编组

选择编组内容为2 台神8 型电力机车和216 辆C80 型车辆的组合2 万t 重载列车，作为检算对象。其中每台机车质量为200t，换算闸瓦压力为580kN；每辆车辆质量为100t，每百吨换算闸瓦压力为195kN。

3.2.2 线路数据

朔黄线上行方向神池南站至三汲站，全长为255.901km，平均坡度为-5.5‰。对朔黄线的线路数据进行分析处理，其中，神池南站至宁武西站区间起点里程K3+400 至终点里程K14+581 的线路，全长为11.181km，平均坡度为-6.8‰；宁武西站至龙宫站区间起点里程K17+781 至终点里程K42+870 的线路，全长为25.089km，平均坡度为-9.5‰；龙宫站至北大牛站区间全长为24.928km，平均坡度为-9.6‰；北大牛站至原平南站区间全长为19.232km，平均坡度为-7.9‰；南湾站至滴流磴站区间全长为27.711km，平均坡度为-7.4‰；滴流磴站至猴刎站区间全长为21.806km，平均坡度为-7.2‰；猴刎站至小觉站区间起点里程K186+468 至终点里程K199+300 的线路，全长为12.832km，平均坡度为-7.7‰。上述区间（或区间的部分线路）为朔黄线上行方向神池南站至三汲站间列车运行最困难的区间，较其他区间更有可能发生列车放飏事故，因此选择上述区间（或区间的部分线路）进行列车失控可能性检算。处理后的线路数据主要包括坡段的坡度、长度以及限速。

3.3 检算结果

对神池南站至三汲站各区间线路，分别进行在干燥、湿润、雨雪的气候条件下的列车失控可能性检算。其中，在干燥条件下的神池南站至宁武西站区间检算线路结果如图1 所示。

图1 在干燥条件下的神池南站至宁武西站区间检算线路结果

3.4 检算结果分析

对以上检算结果进行分析，各区间不同气候条件下检算结果如表2 所示。

表2 各区间不同气候条件下检算结果

编组内容为2 台神8 型电力机车牵引216 辆C80型车辆的组合2 万t 重载列车，在起点里程K17+781至龙宫站、龙宫站至北大牛站、北大牛站至原平南站、南湾站至滴流磴站、滴流磴站至猴刎站的线路上运行时，不论何种气候条件均存在缓解时间不足的风险；而在起点里程K3+400 至终点里程K14+581 的线路、起点里程K186+468 至终点里程K199+300 的线路上运行时，在干燥条件下能正常停车，在湿润和雨雪条件下存在缓解时间不足的风险。对这些区间需要重点关注，及时采取合理的应对措施。

基于前述列车失控可能性检算的结果分析，应全面开展针对列车放飏的事前预防、事中应急和事后处置方案研究，为预防和处理列车放飏和失控提供有效的应对策略。对于上述在列车运行过程中，可能存在缓解时间不足的风险并且需要防范注意的区间或线路，在施行周期制动时，必须将列车速度降至要求的速度，再缓解列车制动，以保证车辆副风缸有足够的充风时间。同时，在运行过程中，必须坚持以电阻制动为主、空气制动为辅、相互配合使用的操纵原则。在运行中，考虑列车速度、线路坡道、牵引辆数和吨数、车辆种类以及闸瓦压力等条件，选择合理的制动、缓解时机，严禁充风不足使用制动机，严禁违反制动机的操作规程。

4 结语

文章基于原有检算办法，参考相关研究文献，对长大下坡道重载列车失控可能性进行检算。以朔黄线神池南站至三汲站部分线路区间为案例，得到编组内容为2 台神8 型电力机车牵引216 辆C80 型车辆的组合2 万t 重载列车，在各检算区间的检算结果，并给出相应的预防措施。