大秦線3萬t列車仿真計算與試驗驗證

王 　磊

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京100081；

2 中國鐵路總公司 運(yùn)輸局 機(jī)務(wù)部，北京100844）

大秦線3萬t列車仿真計算與試驗驗證

王 磊1，2

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京100081；

2 中國鐵路總公司 運(yùn)輸局 機(jī)務(wù)部，北京100844）

為實現(xiàn)中國鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)再創(chuàng)新，同時為大秦線進(jìn)一步增加運(yùn)量進(jìn)行技術(shù)儲備，中國鐵路總公司決定在大秦線組織進(jìn)行3萬t組合列車試驗，對大秦線（含北同蒲線）在既有設(shè)備條件下首次采用Locotrol同步操縱系統(tǒng)開行3萬t重載組合列車的牽引方式、安全性、運(yùn)行品質(zhì)、可行性等方面進(jìn)行探索性試驗研究。試驗并開行3萬t列車是一項龐大的系統(tǒng)工程，涉及機(jī)車車輛、通信信號、工務(wù)工程、牽引供電、運(yùn)輸組織等多方面內(nèi)容，中國鐵路總公司按照循序漸進(jìn)、積極穩(wěn)妥的推進(jìn)原則，首先進(jìn)行了不同編組方案3萬t列車的仿真計算，并結(jié)合以往2萬t列車試驗和開行的成功經(jīng)驗，優(yōu)選出了3萬t列車試驗編組，然后對優(yōu)選的編組依次進(jìn)行了靜置試驗和線路運(yùn)行試驗，最終于2014年4月2日成功進(jìn)行了3萬t列車運(yùn)行試驗［1］。

大秦線；模擬；計算；試驗研究

1　通過仿真計算優(yōu)選列車編組方案

1.1計算的編組方式

基于大秦線現(xiàn)有的機(jī)車、車輛配置、列車編組方式、裝卸需求等因素，進(jìn)行了以下4種3萬t列車編組方式和1種2.5萬t列車編組方式的仿真計算：

（1）1+1+1+列尾（A編組）

H XD1機(jī)車（主控）+試驗車+105輛C80（35組）+ H XD1機(jī)車（從控1）+105輛C80（35組）+H XD1機(jī)車（從控2）+105輛C80（35組）+列尾。

（2）1+1+1+1（B編組）

H XD1機(jī)車（主控）+試驗車+105輛C80（35組）+ H XD1機(jī)車（從控1）+105輛C80（35組）+H XD1機(jī)車（從控2）+102輛C80（35組）+SS4機(jī)車（從控3）。

（3）1+1.5萬+1+1.5萬+1（C編組）

H XD1機(jī)車（主控）+試驗車+153輛C80（51組）+ H XD1機(jī)車（從控1）+153輛C80（51組）+H XD1機(jī)車（從控2）。

（4）1.5萬+1.5萬組合3萬t（D編組）

H XD1機(jī)車（主控）+試驗車+102輛C80（34組）+ SS4機(jī)車（從控1）+51輛C80（17組）+H XD1機(jī)車（從控2）+102輛C80（34組）++SS4機(jī)車（從控1）+51輛C80（17組）。

（5）組合2.5萬t（E編組）

H XD1機(jī)車（主控）+試驗車+105輛C80（35組）+ H XD1機(jī)車（從控1）+105輛C80（35組）+SS4機(jī)車（從控2）+51輛C80（17組）。

1.2計算條件及工況

1.2.1計算條件說明

（1）由于沒有掌握大秦線可控列尾的數(shù)學(xué)模型，計算中未考慮可控列尾對列車制動性能的影響；

（2）各臺從控機(jī)車Locotrol同步延時時間均按3 s取值；

（3）機(jī)車、車輛鉤緩系統(tǒng)均按理想狀況進(jìn)行建模，未考慮長期運(yùn)用對其性能造成的影響。

（4）僅對制動初速80 km/h工況進(jìn)行了常用全制動與緊急制動停車計算，按照理論分析，制動初速越低，同樣制動工況下的車鉤力相對越大。

1.2.2計算工況

結(jié)合大秦線以往2萬t試驗工況，計算工況分別為：①4‰限制坡道起動，②長大下坡道循環(huán)制動，③常用全制動停車，④緊急制動停車。

1.3計算結(jié)果分析

1.3.14‰限制坡道起動

2007年大秦線試驗數(shù)據(jù)表明：在牽引能力方面，單臺H XD1或2臺H XD1機(jī)車不能充分滿足大秦線1萬t或2萬t列車在4‰長大上坡道停車后恢復(fù)正常運(yùn)行的要求，對軌面黏著狀況以及司機(jī)的操縱水平都有較高要求。

根據(jù)T B/T 1407-1998《列車牽引計算規(guī)程》計算，3萬t編組在4‰長大上坡道起動阻力接近2 260 k N，3臺H X機(jī)車最大牽引力為2 280 k N，如果按照機(jī)車牽引力使用系數(shù)0.9考慮，或者在軌面黏著狀況較差時，可能無法起動。3臺H X機(jī)車加1臺SS4機(jī)車最大牽引力約為2 880 k N，可以滿足3萬t列車在大秦線4‰限制坡道的起動要求，且有一定余量。

在列車牽引能力方面，以上5種編組比較B編組最好，D、E編組次之，而A、C編組牽引能力略顯不足。

1.3.2長大下坡道循環(huán)制動

（1）循環(huán)制動車鉤力

按速度控制范圍76～40 km/h對5種編組方式列車進(jìn)行了循環(huán)制動計算，循環(huán)制動的最大車鉤力基本均發(fā)生在緩解過程中，其最大值的大小與發(fā)生時刻與列車的緩解特性有重要對應(yīng)關(guān)系。計算結(jié)果見表1。

表1　循環(huán)制動計算結(jié)果

4種3萬t編組相比，B、C、D基本相當(dāng)，均比編組A減小約30%，編組E（2.5萬t）車鉤力最小。與現(xiàn)行大秦線2萬t相比，編組A增大約22%，B、C、D減小約10%。

A編組方案與現(xiàn)行2萬t編組相比，列車的緩解不同步性更加突出，按車鉤力增大約22%進(jìn)行簡單推算，采用A編組試驗3萬t列車，循環(huán)制動時車鉤力普遍將達(dá)到1 500～2 000 k N，1 500 k N以上占比接近80%，嚴(yán)重時可能超過2 250 k N的安全性控制指標(biāo)，從而可能危及行車安全。

（2）循環(huán)制動再充氣時間

循環(huán)制動再充氣時間（減壓50 kPa后的再充氣時間）的長短對長大列車坡道安全性同樣有重要影響，大秦線現(xiàn)行1+1編組2萬t列車再充氣時間為3～ 3.5 min，A編組方案將延長到4 min左右，相比而言B、C、D、E 4種編組再充氣時間相對較短，均為1.5～2 min，均比現(xiàn)存2萬t列車和A編組3萬t列車縮短50%左右，從而有助于提高坡道運(yùn)行安全性。

綜上所述，從減小循環(huán)制動車鉤力并縮短再充氣時間等因素考慮，3萬t編組方案優(yōu)選B方案。

1.3.3常用全制動停車工況

根據(jù)以往大秦線的試驗工況，分別對上述5種編組試驗列車在大秦線K86+642處實施常用全制動停車進(jìn)行了仿真計算，制動初速度為80 km/h，圖1為K86 +642附近的線路平、縱斷面情況，由圖可知實施制動時列車前半列處在平直道上，后半列處在2.5～8‰下坡道上。仿真結(jié)果見表2。

圖1　K86+642處線路平、縱斷面情況

表2　常用全制動停車計算結(jié)果（制動初速度80 km/h）

計算結(jié)果比較：3萬tA編組比現(xiàn)行2萬t編組在平道常用全制動時的最大壓鉤力增大22%，其他3種3萬t編組方案最大車鉤力基本相當(dāng)，均比A方案減小約15%；E編組（2.5萬t）車鉤力最小，比較好的3萬t編組減小36%。

1.3.4緊急制動停車工況

同樣對上述5種編組試驗列車在 K86+642處實施緊急制動停車進(jìn)行了仿真計算，制動初速度為80 km/h，線路平縱斷面見圖1所示，計算結(jié)果見表3。

表3　緊急制動計算結(jié)果　（制動初速80 km/h）

計算結(jié)果比較：A編組車鉤力異常增大，達(dá)到5 019 k N，較現(xiàn)行2萬t編組增加1倍以上，計算中已出現(xiàn)緩沖器壓死現(xiàn)象，車鉤與車體之間變?yōu)閯傂耘鲎?。B、C、D 3種方案基本相當(dāng)，均比現(xiàn)存2萬噸編組減小約18%。E編組（2.5萬t）車鉤力最小，比3萬t減小20～23%。1.3.5 同步作用時間對緊急制動車鉤力的影響計算

針對B編組方案，分別進(jìn)行了主、從機(jī)車同步制動時間差為3，4，5 s的對比仿真計算，計算結(jié)果比較見圖2。如圖2所示通信異常（延時5 s）時，最大縱向力達(dá)到5 500 k N，該車鉤力值足以造成機(jī)車、車輛斷鉤、脫軌等重大安全事故。

圖2　1+1+1+1編組緊急制動（計算結(jié)果）

1.4仿真計算結(jié)論及建議

（1）3臺H X機(jī)車牽引3萬t列車牽引力略顯不足，建議采用3臺H X加1臺SS4的機(jī)車配置方案。

（2）不同編組3萬t列車比較為B、C、D三種方案優(yōu)于A方案，綜合考慮牽引能力、列車編組便利性等因素，建議優(yōu)選B方案，即采用1+1+1+1的3單元4機(jī)車牽引模式。

（3）與3萬t編組相比，E方案（2.5萬t）縱向力相對最小，建議采取循序漸進(jìn)的運(yùn)行試驗方案，先安排2.5萬t試驗，依據(jù)試驗實測結(jié)果再組織3萬t試驗。

（4）Locotrol系統(tǒng)同步時間對列車縱向力有重大影響，建議試驗中要確保通信及同步控制信號正常。

2　列車靜置試驗

為進(jìn)一步驗證3萬t列車的制動性能，為列車運(yùn)行試驗提供數(shù)據(jù)支持，在運(yùn)行試驗前進(jìn)行了列車靜置試驗。

2.1列車靜置試驗內(nèi)容

靜置試驗主要是對Locotrol系統(tǒng)在1主3從模式下的同步性能、不同減壓量時的制動性能及列車再充氣時間，以及模擬通訊中斷時列車的制動性能進(jìn)行測試。按照循序漸進(jìn)的試驗原則，依次進(jìn)行了2.3萬t、2.9萬t和3萬t共3種編組試驗。

2.2靜置試驗主要結(jié)果分析

2.2.1Locotrol同步性測試

Locotrol同步性測試主要包括主、從控機(jī)車間牽引與電制動同步性測試和空氣制動與緩解同步性測試兩方面內(nèi)容。靜置試驗表明：從控機(jī)車數(shù)量的增加和間隔距離的增長對Locotrol同步性能沒有明顯影響，本次1主3從模式的3萬t列車同步作用時間與現(xiàn)行1+1編組方式（即1主1從）基本相同，其中空氣制動/緩解同步作用時間基本均在4 s之內(nèi)，牽引級位調(diào)整同步時間基本在6 s以內(nèi)。

2.2.2列車制動性能

本次試驗的2.3萬t、2.9萬t和3萬t 3種編組方式列車，由于在列車尾部加掛了1臺SS4機(jī)車作為從控，從而顯著改善了列車制動、緩解同步性，并縮短了列車再充氣時間。圖3、圖4所示為2.3萬t、2.9萬t、3萬t與1+1 2萬t初制動時制動與緩解同步性比較，圖5所示為3種編組與現(xiàn)行1+1編組再充氣時間比較。從圖3可知，4種編組均在8 s之內(nèi)全列產(chǎn)生制動作用，制動同步性好。從圖4可知，2.3萬t、2.9萬t、3萬t 3種編組緩解同步性基本相當(dāng)，均在10 s之內(nèi)產(chǎn)生緩解作用，緩解同步性優(yōu)于1+1 2萬t編組。從圖5可知，3萬t列車再充氣時間比現(xiàn)行1+1編組縮短50%以上。列車制動與緩解同步性提高有助于減小列車制動與緩解過程中的縱向力，再充氣時間縮短有助于提高列車坡道運(yùn)行的安全性。

圖3　列車制動同步性比較

圖4　列車緩解同步性比較

圖5　再充氣時間比較

3　列車運(yùn)行試驗

列車運(yùn)行試驗的目的是測試列車的動態(tài)性能，監(jiān)測試驗列車正常運(yùn)行工況下的安全性，評估列車運(yùn)行品質(zhì)。為了有效評估3萬t列車的動態(tài)性能，測試包括對4臺機(jī)車牽引、制動性能、中部2臺從控機(jī)車和2臺C80貨車的動力學(xué)性能，以及15個貨車測試斷面（均勻布置于單元萬噸的第1、25、52、79和103位）的制動及縱向動力學(xué)性能進(jìn)行測試，涉及5個專業(yè)類別，共需換裝機(jī)車測力輪對4條、測力車鉤4個，貨車測力車鉤15個、測力輪對2條，以及其他各類測試傳感器200余個；同時在中部兩臺從控機(jī)車車鉤連接處、主控和尾部機(jī)車安裝了視頻設(shè)備，監(jiān)測列車的運(yùn)行狀態(tài)。

為了測試大秦線3萬t重載列車運(yùn)行條件下典型軌道、橋涵設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)，掌握線橋設(shè)備的受力狀態(tài)，為線橋設(shè)備適應(yīng)長大重載列車性能評估和制定強(qiáng)化改造對策提供技術(shù)依據(jù)，在大秦線選取了7處典型工點并安裝相應(yīng)測試設(shè)備進(jìn)行測試，測點合計80余個。

3.1運(yùn)行試驗內(nèi)容

同樣按照循序漸進(jìn)、積極穩(wěn)妥的試驗推進(jìn)原則，首先進(jìn)行了2.3萬t和2.9萬t列車運(yùn)行試驗，通過不斷總結(jié)試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合數(shù)據(jù)優(yōu)化操縱方案，最終在2014年4月2日進(jìn)行了3萬t列車試驗，本次運(yùn)行試驗僅模擬列車在大秦線運(yùn)行時的正常運(yùn)行工況，試驗內(nèi)容主要包括：Locotrol系統(tǒng)同步性測試、機(jī)車能耗測試、網(wǎng)壓監(jiān)測、2個長大下坡道區(qū)段的循環(huán)制動試驗、試驗全程列車縱向動力學(xué)、從控機(jī)車和特殊位置貨車運(yùn)行安全性監(jiān)測等內(nèi)容。3萬t試驗列車編組見圖6所示，試驗列車由3臺H XD1交流機(jī)車和1臺SS4型直流機(jī)車共同牽引，貨車編組輛數(shù)為315輛，另外在主控機(jī)車與第1位貨車間加掛了1臺測試用試驗車，列車牽引質(zhì)量為31 550 t。

3.2運(yùn)行試驗主要結(jié)果分析

3.2.1Locotrol同步性測試

運(yùn)行試驗同步性測試結(jié)果與靜置試驗相當(dāng)，同樣表明從控機(jī)車數(shù)量的增加和間隔距離的增長對Locotrol同步性能沒有明顯影響，本次1主3從模式的3萬t列車同步作用時間與現(xiàn)行1+1編組方式（即1主1從）基本相同，其中空氣制動與緩解同步作用時間基本均在4 s之內(nèi)，牽引級位調(diào)整同步時間基本在6 s以內(nèi)。

3.2.2循環(huán)制動

由于3萬t列車尾部加掛SS4機(jī)車大大縮短了列車再充氣時間，因此與現(xiàn)行1+1 2萬t列車相比，按試驗操縱方式，兩次循環(huán)制動間的可用再充氣時間遠(yuǎn)大于3萬t列車的實際再充氣時間，每次實施制動前均可確保列車充滿。

循環(huán)制動區(qū)段列車的縱向力也是影響列車運(yùn)行安全的重要因素，現(xiàn)行1+1 2萬t列車由于制動緩解時嚴(yán)重的不同步性造成緩解過程中頻繁出現(xiàn)較大的車鉤力（1 500 k N以上），且一般均發(fā)生在中部從控機(jī)車附近，經(jīng)常造成從控機(jī)車A、B節(jié)連接處渡板變形，危及行車安全。同樣本次試驗的3萬t列車由于尾部加掛了一臺SS4機(jī)車作為從控，緩解時幫助列車同步充風(fēng)，從而顯著提高了列車緩解的一致性，對降低循環(huán)制動區(qū)段的縱向力起到了積極作用，圖7所示為試驗3萬t列車與現(xiàn)行2萬t列車循環(huán)制動區(qū)段最大車鉤力比較，3萬t列車最大值平均降低32～40%，表明3萬t列車緩解同步性的提高顯著降低了列車在循環(huán)制動區(qū)段的車鉤力。

圖6　3萬t試驗列車編組方式

圖7　3萬t與現(xiàn)行1+1編組2萬t最大車鉤力值比較

3.2.3列車縱向動力學(xué)

圖8（測點從控1位于103位，從控2位于208位，從控3位于313位）所示為試驗全程各測試斷面（共12個有效斷面）的最大縱向力，圖9所示為各測試斷面（共12個有效斷面）最大車體縱向加速度。從兩圖可知，試驗全程僅個別位置出現(xiàn)了略大于1 000 k N的車鉤力值，而車體縱向加速度均不大于9.8 m/s2，評價列車縱向動力學(xué)的兩個關(guān)鍵指標(biāo)車鉤力和車體縱向加速度均處在較低水平，列車運(yùn)行品質(zhì)較好。

圖8　3萬t試驗各斷面車鉤力最大值

圖9　2.3萬t試驗各斷面車體縱向加速度最大值

3.2.4從控機(jī)車與特殊位置貨車運(yùn)行安全性

本次3萬t列車試驗，通過編組及操縱優(yōu)化，試驗列車在運(yùn)行全程的車鉤力均處在較低水平，因此被測的2位和3位從控機(jī)車的運(yùn)行安全性參數(shù)（脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力以及車鉤偏轉(zhuǎn)角）均處在安全限度之內(nèi)。

同樣被測的2臺特殊位置貨車的運(yùn)行安全性參數(shù)（脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力）同樣均處在安全限度之內(nèi)，最大值出現(xiàn)的位置均與列車編組長度的增加無明顯對應(yīng)關(guān)系。

4　結(jié)束語

本次系列試驗為在大秦線（含北同蒲線）既有設(shè)備條件下，首次對采用Locotrol同步操縱系統(tǒng)開行1+1 +1+1編組方式（即3單元4機(jī)車牽引模式）的3萬t重載組合列車的牽引方式進(jìn)行的系統(tǒng)研究和運(yùn)行試驗，創(chuàng)造了我國鐵路重載列車牽引質(zhì)量的新紀(jì)錄。試驗前期通過仿真計算和對以往試驗及運(yùn)用情況進(jìn)行總結(jié)梳理，經(jīng)過科學(xué)論證優(yōu)選了列車編組方案，采用循序漸進(jìn)、積極穩(wěn)妥的試驗推進(jìn)方案依次進(jìn)行靜置試驗和列車運(yùn)行試驗，通過不斷總結(jié)歸納靜置及運(yùn)行試驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化操縱方案，確保了3萬t列車試驗的成功實施，試驗表明，采用1+1+1+1編組方式開行3萬t重載組合列車的方案基本可行，為實現(xiàn)下階段3萬t列車的常態(tài)化開行目標(biāo)，同時考慮到通信信號、工務(wù)、供電、站場、運(yùn)輸組織方式、列車操縱等綜合因素，建議進(jìn)行以下工作：

（1）立足于3萬t列車常態(tài)化開行的目標(biāo)進(jìn)一步完善試驗項目，按有關(guān)規(guī)定程序提出常態(tài)化開行的試驗項目及方案，按階段分步實施。

（2）進(jìn)一步提高同步控制系統(tǒng)的通訊可靠性，研究通訊的連續(xù)性、全覆蓋問題。

（3）研究線路平縱斷面的改造、優(yōu)化、線路檢測的手段和方式等問題。

（4）結(jié)合本次試驗對大秦全線的供電所供電能力進(jìn)行梳理，提出設(shè)備設(shè)施的改造、補(bǔ)強(qiáng)措施及下階段試驗的測試重點。

（5）研究常態(tài)化開行的運(yùn)輸組織方案、列車組合分解方式和追蹤時間等，研究交會站、組合站的布點選擇。

（6）通過優(yōu)化操縱，3萬t列車在個別位置及過分相時的縱向力較2.3，2.9萬t有了顯著減小，但是依舊出現(xiàn)了3次超出試驗建議性指標(biāo)的車鉤力值，建議下階段參照3萬t試驗結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化列車操縱。

［1］ 中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所.大秦線H XD1機(jī)車牽引2萬t組合列車試驗報告，2007年JL字第54號［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，2007.

［2］ 中國鐵道科學(xué)研究院，太原鐵路局.大秦線H XD1機(jī)車牽引2萬t組合列車綜合試驗大綱［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2007.

［3］ 高春明，冀 彬，張 波，等.大秦線重載組合列車的Locotrol技術(shù)應(yīng)用研究［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2006，29（6）：5-7，41.

［4］ 耿志修.大秦線開行2萬t級重載組合列車系統(tǒng)集成與創(chuàng)新［J］.中國工程科學(xué)，2008，10（3）：33-45.

Sim ulation Calculation and Test Research of Heavy Haul Train of Datong-Qinhuangdao Railway

W A N G Lei
（1 Graduate Faculty，China Academ y of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Loco m otive Section，Transportation Bureau of China Railway，Beijing 100844，China）

In order to realize the technology re-innovation of China H eavy-haul transportation and provide technical reserves in the light of increasing the carrying capacity，China Railways Corporation determined to organize the test of 30 thousand ton heavy haulloco m otives in Datong-Qinhuangdao line，w hich applied Locotrol synchronous operation system for the first time under the existing device condition to do the exploratory test research in the m ode of traction，safety performance，quality of operation and feasibility at 30 thousand ton heavy haulloco m otives.Testing and driving the train of 30 thousand ton was big system engineering，w hich referred to loco m otives and trains，co m m unication signals，public works projects，traction power supply system and transportation organization and other technology content.China Railways Corporation organized this test step by step and took active and steady steps.Firstly，the sim ulation calculation was applied in heavy haulloco m otives with different marshalling to confirm and select 30 thousand ton groups on the basis of 20 thousand ton loco m otives experience.In the second place，static test and running test carried out on account of optimized groups.Finally，at A pril 4th of 2014，the running test of 30 thousand ton loco m otives was co m pleted.

Datong-Qinhuangdao Railway Line；sim ulation；calculation；test research

U272.6+5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.05

1008-7842（2015）05-0022-06

王磊（1981—）男，高級工程師（2015-05-19）