貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線長(zhǎng)大坡道車輛安全運(yùn)行控制方案的研究

李大偉，李 蘭

（貴陽(yáng)市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽(yáng)550091）

貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線長(zhǎng)大坡道車輛安全運(yùn)行控制方案的研究

李大偉，李 蘭

（貴陽(yáng)市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽(yáng)550091）

貴陽(yáng)市位于群山圍繞的盆地之內(nèi)，全市地形起伏較大，地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜。由于貴陽(yáng)市特殊的地形地貌，造成了貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線在經(jīng)過(guò)個(gè)別區(qū)間落差較大，坡道較長(zhǎng)的問(wèn)題。著重從車輛制動(dòng)適應(yīng)性方面進(jìn)行研究探討。

貴陽(yáng)市軌道交通；長(zhǎng)大坡道；控制策略；運(yùn)營(yíng)安全

貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線為貴陽(yáng)市城市軌道交通骨干線，始于下麥西站，沿西北－東南向敷設(shè)，終點(diǎn)于場(chǎng)壩村站。1號(hào)線線路全長(zhǎng)34.308 km，地下線總長(zhǎng)約29.02 km，地上線總長(zhǎng)約5.288 km，其中貴陽(yáng)北站至安云路站為連續(xù)10 km長(zhǎng)大坡道，坡度為28‰，車輛段出入段線最大坡度為38‰。全線共設(shè)車站24座，地下車站20座，地上車站4座，其中換乘車站5座。1號(hào)線于下麥西設(shè)金陽(yáng)車輛段，場(chǎng)壩村設(shè)小河停車場(chǎng)，在誠(chéng)信路站附近設(shè)控制中心1處，在朱家灣站及貴陽(yáng)火車站附近各設(shè)主變電所1處。

1 車輛概述

（1）車輛編組

貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線采用4動(dòng)2拖6節(jié)編組B型車，M車為無(wú)司機(jī)室的動(dòng)車，Mp車為無(wú)司機(jī)室?guī)茈姽膭?dòng)車，Tc車為有司機(jī)室的拖車。列車兩端采用全自動(dòng)車鉤，動(dòng)力單元間采用半自動(dòng)車鉤及半永久式牽引桿。

編組6輛／列為：＝Tc－Mp－M＋M－Mp－Tc＝

（2）車輛基本參數(shù)

列車結(jié)構(gòu)速度／（km·h－1） ≥90；

最大運(yùn)行速度／（km·h－1） 80；

計(jì)算用制動(dòng)黏著系數(shù)： 0.14～0.16；

列車縱向沖擊率／（m·s－3） ≤0.75；

列車從0加速到40 km·h－1／（m·s－2）≥1.0；

列車從0加速到80 km·h－1／（m·s－2）≥0.6。

2 長(zhǎng)大坡道分析

2.1 坡度定義

根據(jù)《CJJ104城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)線路坡度或連續(xù)提升高度滿足下列條件時(shí)，須對(duì)列車各種運(yùn)行狀態(tài)下的安全性及運(yùn)行速度進(jìn)行分析，即視為長(zhǎng)大坡道見(jiàn)表1。

表1 正線線路長(zhǎng)大陡坡規(guī)定值

針對(duì)貴陽(yáng)1號(hào)線，則當(dāng)線路坡度大于30‰或連續(xù)提升高度大于16 m，則可認(rèn)為是長(zhǎng)大坡道。貴陽(yáng)1號(hào)線長(zhǎng)大坡道區(qū)間如下：

①下麥西站—將軍山站；

②行政中心站—會(huì)展中心站；

③貴陽(yáng)北站—雅關(guān)站—蠻坡站—安云路站；

④北京路站—延安路站；

⑤沙沖路站—望城坡站；

⑥清水江路站—楊壩村站。

2.2 坡度線路參數(shù)及限速

貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線的特點(diǎn)是線路連續(xù)坡道長(zhǎng)，站間距短。其中下麥西站—將軍山站、貴陽(yáng)北站—雅關(guān)站和清水江路站—場(chǎng)壩村站長(zhǎng)大坡道同時(shí)在隧道內(nèi)和隧道外，其他長(zhǎng)大坡道均全部在隧道內(nèi)，數(shù)據(jù)如下表2所示。

3 輪軌黏著計(jì)算分析

3.1 貴陽(yáng)氣候條件

貴陽(yáng)地處低緯度高海拔的高原地區(qū)，海拔高度為1 200 m左右，年平均氣溫為15.3℃，年極端最高溫度為35.4℃，年極端最低溫度為－7.3℃。其中，貴陽(yáng)冬季以陰冷多雨天氣為主，期間有長(zhǎng)達(dá)半個(gè)月的凍雨天氣，詳細(xì)天氣數(shù)據(jù)如表3。

表2 正線露天段線路數(shù)據(jù)

表3 貴陽(yáng)氣候條件

3.2 黏著計(jì)算

由于列車在長(zhǎng)大坡道持續(xù)自由下滑，為避免列車超過(guò)安全限速值，考慮在進(jìn)入坡道后施加一個(gè)克服下滑力的小制動(dòng)力，使列車以坡道入口速度安全運(yùn)行。

在列車網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，小制動(dòng)力優(yōu)先采用電制動(dòng)力，若電制動(dòng)力不足則由氣制動(dòng)補(bǔ)充。按制動(dòng)力平均分配施加電制動(dòng)力，由μ＝F／mg，計(jì)算各車電制動(dòng)所需黏著如表4（初步計(jì)算值）：

表4 小電制動(dòng)黏著系數(shù)需求表

根據(jù)計(jì)算所知，電制動(dòng)所需最大黏著系數(shù)為0.043，純空氣制動(dòng)所需最大黏著系數(shù)為0.038（考慮氣制動(dòng)壓力偏差的影響），如果所需黏著不高于此值，一般可以認(rèn)為車輛處于不會(huì)發(fā)生滑行的安全范圍內(nèi)。

而事實(shí)上，列車的黏著系數(shù)受車輛運(yùn)行速度、氣候條件、輪軌表面狀態(tài)等諸多因素的影響，是一個(gè)離散性很大的參數(shù)，目前尚未有黏著系數(shù)的理論公式，各國(guó)主要通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)得到經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)中國(guó)和日本對(duì)不同軌狀態(tài)下的黏著研究經(jīng)驗(yàn)公式推算出120 km／h以下列車各速度等級(jí)黏著系數(shù)如下：

由于貴陽(yáng)冬季氣候以陰冷多雨為主，又偶爾會(huì)出現(xiàn)凍雨的天氣，很難預(yù)估露天段線路實(shí)際輪軌黏著情況，無(wú)法保證制動(dòng)黏著需求，并且由于貴陽(yáng)常年濕度較大，空氣中的水氣對(duì)露天段線路的軌道產(chǎn)生銹蝕，會(huì)進(jìn)一步降低輪軌之間的黏著。因此惡劣情況下在露天段長(zhǎng)大坡道，車輛有可能會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)打滑剎不住車的情況，對(duì)列車正線安全運(yùn)營(yíng)造成很大的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 中國(guó)和日本對(duì)濕軌狀態(tài)下的黏著系數(shù)

4 車輛網(wǎng)絡(luò)控制方案

4.1 速度控制

由表5可知在列車最大速度80 km／h時(shí)的濕軌黏著不發(fā)生滑行的最大可利用黏著系數(shù)為0.082，如果所需黏著系數(shù)不高于此值，一般認(rèn)為車輛處于不會(huì)發(fā)生滑行的安全范圍內(nèi)。施加小制動(dòng)所需最大黏著系數(shù)0.043遠(yuǎn)小于此值。理論分析施加小電制動(dòng)基本沒(méi)有發(fā)生滑行的可能性，但建議保留一定的安全余量。大坡道越長(zhǎng)，高架線路越多，考慮的余量應(yīng)越大。設(shè)一般坡道考慮安全余量10 km／h，對(duì)（部分）在隧道外的大坡道且長(zhǎng)大于2 km的考慮余量20 km／h，長(zhǎng)度小于2 km但大于1 km的考慮余量15 km／h。

則各長(zhǎng)大坡道進(jìn)入坡道時(shí)的最大初始速度需限制在：

表6 建議限速

緊急牽引情況下的限速：

在緊急牽引情況下，小制動(dòng)力采用純氣制動(dòng)力。考慮到制動(dòng)缸壓力存在±15 k Pa的固有偏差，列車施加小制動(dòng)力時(shí)在坡道上最大還可能有0.1 m／s2的加速度，以貴陽(yáng)北站—雅關(guān)站的長(zhǎng)大坡道為例，由偏差帶來(lái)的加速在出坡道時(shí)列車已超過(guò)安全限速（約97 km／h），仍需司機(jī)施加大制動(dòng)力控制車速。在緊急牽引時(shí)，建議直接由司機(jī)根據(jù)建議的限速值控制行車。氣制動(dòng)壓力偏差及黏著計(jì)算如表7所示（初步計(jì)算值）：施加同樣的小制動(dòng)力，純氣制動(dòng)所需最大黏著系數(shù)為0.038。

表7 小氣制動(dòng)力黏著計(jì)算表

4.2 控制策略

由于貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線坡道較多，位置不集中，且各個(gè)大坡道的坡度及長(zhǎng)度都不同，若采用在每個(gè)長(zhǎng)大坡道觸發(fā)大坡道信號(hào)后直接施加小制動(dòng)的方式，很難統(tǒng)一控制?，F(xiàn)考慮設(shè)置大坡道限速模式，在司控臺(tái)設(shè)大坡道限速按鈕，進(jìn)入大坡道區(qū)間后，觸發(fā)限速模式，將速度限制在60 km／h（暫定），離開(kāi)大坡道區(qū)間后，將限速模式解除，列車正常行駛。限速值最終在調(diào)試階段確定（可調(diào)）。網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)限速由網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行，優(yōu)先使用電制動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)限速策略示意如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)限速策略示意圖

A段：列車牽引加速。加速到60 km／h切除牽引力后，列車若仍在平道上，將緩慢減速到55 km／h重新施加牽引加速（A′－B′段）。

B段：切除牽引力后，在坡道上自由滑行，加速到63 km／h后，施加0.28 m／s2的小制動(dòng)力。

C段：施加小制動(dòng)力后，在－28‰長(zhǎng)大坡道上依靠空氣阻力緩慢減速。

D段：進(jìn)入不足－28‰甚至更小的坡道，列車速度較快下降，降至57 km／h以下。

E段：小制動(dòng)力切除，列車在坡道上繼續(xù)加速下滑到63 km／h以上。

F段：施加小制動(dòng)力，列車減速，減速到57 km／h以下，小制動(dòng)力切除。

G段：小制動(dòng)力切除后，進(jìn)入平道，在平道上惰行減速。若仍在坡道上，繼續(xù)加速，重復(fù)上面的過(guò)程。在平道上若惰行減速到55 km／h重新施加牽引，加速到60 km／h切除牽引繼續(xù)惰行直至下一站停車（G′－H′段）。

H段：到下一站，施加最大制動(dòng)停車。各閾值設(shè)定最終在調(diào)試階段確定（可調(diào)）。

列車即將進(jìn)入下一站時(shí)，不論速度多少，可直接施加最大制動(dòng)力停車。即牽引、制動(dòng)同時(shí)有效時(shí)制動(dòng)優(yōu)先，小制動(dòng)和大制動(dòng)同時(shí)有效時(shí)，以大制動(dòng)優(yōu)先。

在有一個(gè)或多個(gè)電制動(dòng)故障時(shí)，相應(yīng)故障單元的制動(dòng)力由氣制動(dòng)補(bǔ)充，所需最大黏著系數(shù)在0.038～0.043之間。

在單車多個(gè)牽引制動(dòng)故障、列車救援等情況下，列車需要的限速值小于60 km／h時(shí)，按要求最低的限速值行駛，各閾值做相應(yīng)調(diào)整。如需限速30 km／h運(yùn)行時(shí)，33 km／h時(shí)，開(kāi)始施加小制動(dòng)力，27 km／h時(shí)切除小制動(dòng)力。

在大坡道限速模式下，若列車速度超過(guò)68 km／h（暫定），網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行超速防護(hù)，施加最大制動(dòng)力。緊急牽引時(shí)，采用空氣制動(dòng)，司機(jī)根據(jù)限速建議手動(dòng)控車。

相比在大坡道信號(hào)觸發(fā)后直接施加小制動(dòng)力（故必須在列車速度達(dá)到一定值后才能觸發(fā)），采用限速方案可在列車速度很低或零速時(shí)就能觸發(fā)限速模式，操作靈活。同時(shí)分析各大坡道的線路數(shù)據(jù)可知，由站中心到坡道起點(diǎn)平道距離最長(zhǎng)的為雅關(guān)站450 m（其他均在300 m以下，最短為行政中心站90 m），由于平道加速距離較短，可到大坡道區(qū)間時(shí)，在站始發(fā)位置就觸發(fā)限速按鈕，方便設(shè)置標(biāo)志牌。

貴陽(yáng)北站—雅關(guān)站—蠻坡站—安云路站為多站連續(xù)長(zhǎng)大坡道，可在貴陽(yáng)北站觸發(fā)限速模式，離開(kāi)安云路站再恢復(fù)正常行駛，避免司機(jī)反復(fù)操作。

進(jìn)入長(zhǎng)大坡道時(shí)，需及時(shí)提醒司機(jī)觸發(fā)限速模式。由于到站就可觸發(fā)，可由網(wǎng)絡(luò)根據(jù)站信息，在DDU上提醒司機(jī)觸發(fā)或恢復(fù)大坡道限速按鈕，但為防止網(wǎng)絡(luò)故障或報(bào)站信息錯(cuò)誤時(shí)，不能及時(shí)限速，仍建議設(shè)置標(biāo)志牌提醒司機(jī)。

根據(jù)分析的長(zhǎng)大坡道線路，在下列站的始發(fā)位置應(yīng)設(shè)置標(biāo)志牌提醒司機(jī)，前方進(jìn)入大坡道，限速60 km／h，按下大坡道限速按鈕：

①將軍山站（往下麥西站方向）；

②行政中心站（往會(huì)展中心站方向）；

③貴陽(yáng)北站（往雅關(guān)－蠻坡－安云路站方向）；

④北京路站（往延安路站方向）；

⑤望城坡站（往沙沖路站方向）；

⑥場(chǎng)壩村站（往清水江路站方向）。

同時(shí)在下麥西站、會(huì)展中心站、安云路站、延安路站、沙沖路站、清水江路各站的終點(diǎn)位置設(shè)置標(biāo)志牌提醒司機(jī)，駛離大坡道正常行駛 ，注意復(fù)位大坡道限速按鈕。

5 結(jié) 論

基于貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線線路參數(shù)及天氣情況，通過(guò)制動(dòng)、黏著計(jì)算，可以看出采用電空混合的小制動(dòng)方案和純空氣制動(dòng)的小制動(dòng)力通過(guò)長(zhǎng)大坡道方案均滿足各性能要求，方案具備操作可行性。并且使用純空氣制動(dòng)的小制動(dòng)力需求的制動(dòng)黏著要求更小。

正常情況下，在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行時(shí)可完全由信號(hào)系統(tǒng)控制施加小制動(dòng)力控制。同時(shí)，當(dāng)人工駕駛時(shí)，在司機(jī)臺(tái)上設(shè)置大坡道限速按鈕，以便信號(hào)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可自動(dòng)施加小制動(dòng)力，避免人工操作不當(dāng)造成制動(dòng)力過(guò)大出現(xiàn)滑行的情況，從而確保行車安全。

［1］ GB 50157－2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ GB／T 50438－2007地鐵運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］ 何建枝，張海波，王 剛，等.貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線工程可行性研究報(bào)告［R］.

Research on Control Scheme of Vehicle Safety Operation in Long Ramp for Guiyang Rail Transit Line 1

LI Dawei，LI Lan
（Guiyang Urban Rail Transit Co.，Ltd.，Guiyang 550091 Guizhou，China）

Guizhou province is one of the most concentrated areas of Karst landform，Guiyang city is located in the mountains around the basin，its topographic relief is bigger，and its geological conditions is relatively complex.Due to Guiyang’s special topography，the rail transit line 1 has the problems of big terrain gap and long ramp.This paper focuses on the research and discussion of the vehicle braking adaptability.

Guiyang rail transit；long ramp；control strategy；operation safety

U239.5

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.29

1008－7842（2016）06－0111－04

8—）男，助理工程師（

2016－06－03）