地鐵列車在長(zhǎng)大下坡道上安全運(yùn)行的方案分析

唐建明

(中國(guó)南車集團(tuán) 南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 動(dòng)車設(shè)計(jì)部， 江蘇南京 210031)

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地鐵列車在長(zhǎng)大下坡道上安全運(yùn)行的方案分析

唐建明

(中國(guó)南車集團(tuán) 南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 動(dòng)車設(shè)計(jì)部， 江蘇南京 210031)

基于南京地鐵寧和城際項(xiàng)目的實(shí)際線路特點(diǎn)，分析地鐵列車在該長(zhǎng)大下坡道上施加小制動(dòng)力確保安全運(yùn)行的方案，并通過(guò)制動(dòng)計(jì)算、熱容量計(jì)算和試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證方案的可行性。

地鐵； 長(zhǎng)大下坡道； 小制動(dòng)

地鐵列車憑借其安全、快捷、舒適、環(huán)保的特點(diǎn)，在現(xiàn)代城市快速發(fā)展中成為了不可或缺的交通工具，各大中城市對(duì)其規(guī)劃建設(shè)越來(lái)越多，地鐵列車所需要適應(yīng)的線路條件也越來(lái)越復(fù)雜。露天的長(zhǎng)大下坡道和曲線連接路段在雨雪、霜凍天氣下會(huì)使得輪軌可用黏著顯著下降，對(duì)地鐵列車快速、安全的運(yùn)營(yíng)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本文將對(duì)南京地鐵寧和城際項(xiàng)目的長(zhǎng)大下坡道線路，做安全運(yùn)行方案的探討。

1　地鐵線路和車輛概況

1.1線路概述

寧和城際項(xiàng)目左線朱石路站至生態(tài)科技園站為高架線路，其縱斷面參數(shù)如圖1所示。在接近生態(tài)科技園站前，車輛將連續(xù)經(jīng)過(guò)2個(gè)下坡道，分別是從ZCK21+125開始的坡度為5.9‰，長(zhǎng)度為1 542 m的坡道1；坡度為34.8‰，長(zhǎng)度為698.093 m的坡道2(即長(zhǎng)大下坡道)。另外，在坡道2中還有一個(gè)S型曲線，一個(gè)曲線半徑約為R350 m，另一個(gè)曲線半徑約為R450 m。

根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)線路條件的要求：

(1) 正線的最大坡度不宜大于30‰，困難地段可采用35‰，出入線、聯(lián)絡(luò)線和特殊地形地區(qū)段的最大坡度不宜大于40‰?？梢妼幒统请H項(xiàng)目該段長(zhǎng)大坡道路段已屬于線路地形困難地段。

(2) 根據(jù)該地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范并結(jié)合實(shí)際線路可知，在正常情況下，允許未被平衡橫向加速度為0.4 m/s2，當(dāng)曲線超高為120 mm時(shí)，最高速度限制應(yīng)按式(1)計(jì)算，

(1)

式中v1為列車限速值(km/h)；

R為曲線半徑(m)；

由此，可得v1=73 km/h

并結(jié)合曲線超高值計(jì)算，

h=11.8(v2)2/R

(2)

式中h為超高值,mm；

v2為列車限速值,km/h；

R為曲線半徑,m；

當(dāng)曲線超高設(shè)置為120 mm時(shí)，可得v2=59.6 km/h。

綜上可以得出，地鐵列車在進(jìn)入與離開R350 m曲線時(shí)(曲線超高120 mm)必須保證列車速度不高于59 km/h。

1.2車輛概述

1.2.1車輛編組

-TC* MP* M= M* MP* TC-

TC：帶司機(jī)室的拖車；

MP：帶受電弓的動(dòng)車；

M：不帶受電弓的動(dòng)車；

-：表示全自動(dòng)車鉤；

*：表示半永久牽引桿；

=：表示半自動(dòng)車鉤；

1.2.2列車基本性能參數(shù)

列車結(jié)構(gòu)速度 ≥135 km/h

最大運(yùn)行速度100 km/h

計(jì)算用制動(dòng)黏著系數(shù)0.14～0.16

制動(dòng)時(shí)沖擊極限≤0.75 m/s3

常用制動(dòng)平均減速度(100 km/h～0) ≥1.0 m/s2

緊急制動(dòng)平均減速度(100 km/h～0)≥1.2 m/s2

2　方案分析

由于坡道1的坡度僅為5.9‰，地鐵列車在該下坡道上可正常運(yùn)行。

當(dāng)車輛在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行時(shí)，其重力在坡道方向的分力將產(chǎn)生下滑加速度，如圖2。其產(chǎn)生的坡道下滑加速度值與坡度的關(guān)系為式(3)：

a=gα=9.81×0.0348≈0.34 m/s2，

(3)

式中a為重力加速度瞬時(shí)減速度值；

g為重力加速度常量9.81 m/s2；

α為坡度值。

圖2　列車坡道受力分析

由于在長(zhǎng)大下坡道末端存在曲線半徑為R350 m的路段，列車在進(jìn)入該路段時(shí)其運(yùn)行速度須控制在59 km/h以內(nèi)，而列車在該長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行時(shí)，始終受到重力沿坡道方向的分力F1而產(chǎn)生0.34 m/s2加速度，如果列車在此期間不施加制動(dòng)，以惰行方式通過(guò)，則其進(jìn)入長(zhǎng)大下坡道的初速度需控制在v0以下，才能確保曲線路段限速59 km/h的要求，

(4)

式中v0為進(jìn)入長(zhǎng)大下坡道的初速度；

a為重力加速度沿坡道分力產(chǎn)生的瞬時(shí)加速度值；

S為長(zhǎng)大下坡道距離；

v2為曲線路段限速值。

如此需要列車在坡道1上將運(yùn)行速度調(diào)至27 km/h以下，從而導(dǎo)致列車運(yùn)行限速過(guò)低，影響整個(gè)線路運(yùn)營(yíng)能力。而根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為80 km/h的系統(tǒng)，旅行速度不宜低于35 km/h；設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度大于80 km/h的系統(tǒng)，列車旅行速度應(yīng)相應(yīng)提高。因此，需要列車在此區(qū)段施加制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的制動(dòng)減速度，克服車輛由于重力沿坡道方向產(chǎn)生的加速度，以提高列車在該區(qū)段的運(yùn)行速度，提高運(yùn)營(yíng)能力。

該長(zhǎng)大下坡道路段為露天高架線路，其輪軌黏著易受外界條件的影響(如雨雪、霜凍天氣等)，因此施加的制動(dòng)力不能過(guò)大，以避免列車出現(xiàn)打滑，擦傷車輪。

根據(jù)上述分析，為保障列車運(yùn)行的安全和運(yùn)營(yíng)能力，又不至于列車控制過(guò)于復(fù)雜而增加風(fēng)險(xiǎn)和建造成本，確定列車在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)行時(shí)始終施加一個(gè)小制動(dòng)，產(chǎn)生的小制動(dòng)力正好克服列車受到重力沿坡道方向的分力f1，使列車恒速通過(guò)長(zhǎng)大下坡道。由于在整個(gè)長(zhǎng)大坡道上一直施加著小制動(dòng)力，小制動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，在考慮制動(dòng)力大小、車輪防滑的前提下還需考慮制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤的熱容量負(fù)荷。

下面，我們將從制動(dòng)計(jì)算和熱容量計(jì)算來(lái)分析小制動(dòng)方案。

2.1制動(dòng)計(jì)算

根據(jù)寧和城際項(xiàng)目列車在各載荷下的車重，可計(jì)算出列車在長(zhǎng)大坡道上重力沿坡道的分力f1=mgsinα：(僅列出半列編組見表1，另一半與此對(duì)稱，下同)

表1　列車在長(zhǎng)大坡道上重力沿坡道的分力

由于小制動(dòng)力分為電空混合制動(dòng)方式和純空氣制動(dòng)方式，我們將進(jìn)行對(duì)比分析。

(1) 電空混合制動(dòng)

電空混合制動(dòng)的制動(dòng)力分配原則是優(yōu)先使用電制動(dòng)，電制動(dòng)力不足的時(shí)候由空氣制動(dòng)補(bǔ)充，由于所需總的制動(dòng)力較小，對(duì)于4M2T的6輛編組地鐵列車，其電制動(dòng)能力FED在AW0、AW2、AW3載荷下能提供的電制動(dòng)力分別為240，300，300 kN，因此當(dāng)有電制動(dòng)力參與時(shí)，電制動(dòng)能力完全滿足總制動(dòng)力需求，而不需要補(bǔ)充空氣制動(dòng)。由μ=F1/(4 mg)，計(jì)算各車制動(dòng)所需輪軌黏著見表2。

表2　各車制動(dòng)所需輪軌黏著系數(shù)

(2) 純空氣制動(dòng)

純空氣制動(dòng)的制動(dòng)力分配原則是總的制動(dòng)力需求在所有車輛上平均分配，由μ=F/(6mg)，計(jì)算各車制動(dòng)所需輪軌黏著見表3。

表3　各車制動(dòng)所需輪軌黏著系數(shù)

(3) 1/4電制動(dòng)故障的電空混合制動(dòng)

當(dāng)某輛動(dòng)車故障時(shí)，其電制動(dòng)不可用，則該動(dòng)車視為拖車處理，但電制動(dòng)能力仍然滿足總制動(dòng)動(dòng)力需求，由μ=F/(3mg)，計(jì)算各車制動(dòng)所需輪軌黏著見表4。

表4　各車制動(dòng)所需輪軌黏著系數(shù)

由此看出，電空混合制動(dòng)所需要的最大輪軌黏著約為0.052，純空氣制動(dòng)所需的最大輪軌黏著約為0.035，1/4電制動(dòng)故障的電空混合制動(dòng)所需的最大輪軌黏著約為0.07，3種制動(dòng)方式所需輪軌黏著均小于最惡劣的日本潮濕軌道黏著要求，見圖3，其中速度為60 km/h時(shí)，可用的最差輪軌黏著為0.094。此外，目前大多數(shù)地鐵項(xiàng)目要求的許用計(jì)算黏著為0.14～0.16，根據(jù)最新的輪軌黏著特性試驗(yàn)研究結(jié)果，當(dāng)輪軌濕滑時(shí)，其輪軌黏著相比干軌工況下降約50%，即濕軌可用黏著為0.07～0.08，滿足小制動(dòng)輪軌黏著需求。因此施加該種小制動(dòng)力理論上不會(huì)出現(xiàn)滑行情況。

圖3　速度-黏著關(guān)系

2.2熱容量計(jì)算

采用電空混合的小制動(dòng)時(shí)，由于電制動(dòng)能力完全滿足總制動(dòng)力需求，而無(wú)需空氣制動(dòng)參與，因此只需考慮純空氣制動(dòng)的小制動(dòng)方案中基礎(chǔ)制動(dòng)的熱容量能力是否滿足要求。

南京地鐵寧和城際項(xiàng)目的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置均采用輪盤制動(dòng)，制動(dòng)盤類型為WMD 640/350-21P，制動(dòng)盤材質(zhì)為灰口鑄鐵(GCI)，制動(dòng)閘片類型為Organic UIC 400×24 cm2，其理論設(shè)計(jì)熱負(fù)荷能力為300℃。

考慮最惡劣的AW3載荷工況下，初始環(huán)境溫度為40℃，列車以59 km/h恒速運(yùn)行700 m，期間始終施加大小為F1的制動(dòng)力，列車運(yùn)行時(shí)間t=700/(59/3.6)=42 s，通過(guò)熱容量計(jì)算出來(lái)的制動(dòng)閘片的溫升遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)熱負(fù)荷要求300℃，見圖4。

圖4　熱容量計(jì)算結(jié)果

因此，無(wú)論采用電空混合的小制動(dòng)制動(dòng)方案還是純空氣制動(dòng)的小制動(dòng)方案，其熱容量均滿足要求。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1防滑試驗(yàn)

地鐵列車的防滑保護(hù)系統(tǒng)(WSP)通常按照UIC 541-05-2005《制動(dòng)機(jī)部件制造規(guī)程 車輪防滑保護(hù)裝置》的規(guī)定進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)中第2章“WSP認(rèn)同測(cè)試”，通過(guò)在軌面噴灑按照標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)配的滑行液，可模擬所需要的0.05～0.08之間的輪軌黏著系數(shù)，以模擬雨雪、霜凍等惡劣天氣對(duì)輪軌黏著造成的破壞，從而驗(yàn)證列車在低輪軌黏著條件下施加小制動(dòng)時(shí)是否發(fā)生滑行。

因該項(xiàng)目的司機(jī)控制器手柄為無(wú)級(jí)位制動(dòng)形式，試驗(yàn)前需首先明確施加小制動(dòng)時(shí)司機(jī)控制器手柄的位置。列車以低速運(yùn)行(如40 km/h)，然后施加制動(dòng)力使列車減速，然后制動(dòng)力逐漸增大，同時(shí)通過(guò)制動(dòng)維護(hù)軟件記錄整個(gè)過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并找出所需要的小制動(dòng)力對(duì)應(yīng)的制動(dòng)缸壓力。司機(jī)根據(jù)制動(dòng)缸壓力大小確定司機(jī)控制器手柄的位置，并做好記號(hào)。

在列車運(yùn)行方向的TC車車頭安裝電動(dòng)灑水車噴灑滑行液，當(dāng)列車加速到一定速度后開始噴灑，并施加全常用制動(dòng)(制動(dòng)減速度約1.0 m/s2)，直至列車停車。通過(guò)制動(dòng)維護(hù)軟件記錄整個(gè)制動(dòng)過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖5所示，從圖中可看出各軸滑行深度超過(guò)目標(biāo)值，制動(dòng)控制單元通過(guò)控制制動(dòng)缸壓力來(lái)進(jìn)行防滑控制，并將滑行深度控制在了目標(biāo)范圍內(nèi)，該試驗(yàn)驗(yàn)證了防滑保護(hù)裝置功能正常。

圖5　全常用制動(dòng)防滑測(cè)試

列車加速至70 km/h，并保持該速度恒速行駛，當(dāng)列車整車進(jìn)入試驗(yàn)線路時(shí)司機(jī)立即將司機(jī)控制器手柄拉至小制動(dòng)位置，列車減速直至停車。通過(guò)制動(dòng)維護(hù)軟件記錄整個(gè)制動(dòng)過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖6、圖7所示。

圖6　電空混合小制動(dòng)防滑測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，電空混合的小制動(dòng)和純空氣制動(dòng)的小制動(dòng)在輪軌條件很差(輪軌黏著約0.05～0.08)的情況下均未發(fā)生打滑現(xiàn)象。

3.2熱容量試驗(yàn)

熱容量試驗(yàn)的外界環(huán)境溫度約為35℃，將列車加速至60 km/h并以該速度進(jìn)入長(zhǎng)大下坡道，司機(jī)立即將司機(jī)控制器手柄拉至小制動(dòng)位置，同時(shí)通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)記錄TC車和MP車制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的溫度，此過(guò)程持續(xù)45 s，測(cè)試結(jié)果如圖8所示：

圖7　純空氣制動(dòng)的小制動(dòng)防滑測(cè)試

圖8　小制動(dòng)方案熱容量測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，溫升最高的是MP車的制動(dòng)閘片，最高溫度為89℃，遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)熱負(fù)荷要求300℃。(由于試驗(yàn)環(huán)境的差異，如試驗(yàn)當(dāng)天風(fēng)力較大，利于閘片散熱，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算有一定差異。)

4　結(jié)　論

通過(guò)制動(dòng)計(jì)算、熱容量計(jì)算及相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出采用電空混合的小制動(dòng)方案(即使一輛動(dòng)車電制動(dòng)故障)和純空氣制動(dòng)的小制動(dòng)通過(guò)長(zhǎng)大下坡道方案均滿足各項(xiàng)性能要求，具備可行性。使用純空氣的小制動(dòng)方案雖然需求的輪軌黏著更小，但考慮到純空氣制動(dòng)會(huì)額外造成制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤的長(zhǎng)時(shí)間磨耗，相比電空混合的小制動(dòng)約增加1%～3%的閘片磨耗量，從而增加運(yùn)營(yíng)成本。因此，本著充分利用電制動(dòng)，降低閘片磨耗的原則，在長(zhǎng)大下坡道區(qū)段可優(yōu)先使用電空混合的小制動(dòng)，如果出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，并在一定時(shí)間內(nèi)(2～3 s)無(wú)法糾正，此時(shí)將切斷電制動(dòng)，由空氣制動(dòng)接管補(bǔ)償，實(shí)施純空氣制動(dòng)的小制動(dòng)，空氣制動(dòng)平均分配到所有車輛進(jìn)行制動(dòng)補(bǔ)償，以使得所有車輛均可獲得最大可利用的黏著。

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)，同時(shí)，在司機(jī)臺(tái)上設(shè)置小制動(dòng)觸發(fā)按鈕，以便信號(hào)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，司機(jī)可以在長(zhǎng)大下坡道上手動(dòng)施加小制動(dòng)，從而確保行車安全。

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

[2]UIC 541-05-2005.制動(dòng)機(jī)部件制造規(guī)程 車輪防滑保護(hù)裝置[S].

[3]申鵬,宋建華,王海洋,等.環(huán)境條件對(duì)輪軌黏著特性影響的試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2011,35(5)：26-29.

Analysis of Safe Operation of Metro on the Long and Steep Downgrades

TANG Jianming

(CSR Nanjing Puzhen Rolling Stock Co., Ltd., Nanjing 210031 Jiangsu, China)

According to the characteristics of Nanjing Ninghe subway project, this paper analyses operation scheme of metro that ensure safety on the long and steep downgrades by applying small brake, and verify the feasibility through the braking calculation, heat capacity calculation and test.

metro; long and steep downgrades; small brake

1008-7842 (2016) 01-0114-05

??)男，工程師(

2015-07-20)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.29