駝峰調(diào)車場尾部停車器布置方案仿真研究

袁敦磊，保魯昆，陳福恩

(1. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

經(jīng)過多年發(fā)展，我國鐵路編組站自動化水平有了大幅度的提高，調(diào)車場尾部的停車防溜問題也有了大幅改進(jìn)[1-2]，多家單位針對編組站調(diào)車場尾部設(shè)計(jì)開發(fā)了止輪頂、防溜器 (有源、無源 2 種)、鐵鞋 (普通、電子 2 種) 等，改變了編尾停車防溜作業(yè)方式，提高了停車防溜效果，為編尾最終實(shí)現(xiàn)自動控制提供了必要條件。但是，由于現(xiàn)場條件多樣、溜放車組大小隨機(jī)等問題，再加上部分編組站尾部停車防溜設(shè)備數(shù)量和安裝位置不盡合理，造成部分車站編尾停車防溜能力不足，防護(hù)沒能徹底甩掉鐵鞋，人機(jī)共存引起費(fèi)用和成本增加。研究采用計(jì)算機(jī)模擬手段，模擬各種設(shè)備布置方案下的停車防溜效果，評估停車防溜安全性，為編組站調(diào)車場防溜設(shè)備布置提供支持。

1 駝峰調(diào)車場尾部停車器布置現(xiàn)狀

1.1 停車器布置方案多樣

《鐵路駝峰及調(diào)車場設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，第一臺停車防溜設(shè)備可設(shè)置在距尾部警沖標(biāo) 100～150 m 處，最后一臺停車防溜設(shè)備距尾部警沖標(biāo)不應(yīng)小于 50 m[3-4]。目前在實(shí)際的線路設(shè)計(jì)及防溜設(shè)備布置中，駝峰調(diào)車場尾部停車器的布置方案較多。通過對相關(guān)鐵路局的16 個(gè)編組站調(diào)研得知，目前各調(diào)車場使用的停車器布置方案主要有“1+1”“2+1”“3+1”和“1+2”4 種形式，各停車器布置方案的車站分布如表 1 所示。

由表 1 可以看出，目前大部分車站編尾停車器采用了“2+1”布置模式，部分車站還根據(jù)線路條件的不同采用了“1+1”和“2+1”混合使用的模式，如來舟站和向塘西站；大西三場由于解編列車多為大組運(yùn)煤重車，編尾停車器采用了“3+1”布置模式；鷹潭站根據(jù)線路條件，采用了“1+2”的布置形式。

表1 各停車器布置方案的車站分布Tab.1 Stop device layout schem a and relevant station at the tail of hum p shunting yard

1.2 停車器布置間隔差異大

通過對 16 個(gè)編組站的調(diào)研結(jié)果整理，分別統(tǒng)計(jì)了不同布置方案下最后一臺停車器距尾部警沖標(biāo)的距離和兩組停車器間的距離，如表 2 所示。

表2 編組站調(diào)車場尾部停車器布置位置間隔 m Tab.2 Stop device layout distance interval at the tail of hum p shunting yard

由表 2 可以看出，停車器布置間隔差異較大，如“1+1”方案下最后一臺停車器距離警沖標(biāo)最遠(yuǎn)距離為 305 m，最近的只有 30 m，兩組停車器間最大距離為 50 m，最小距離為 17 m。

1.3 調(diào)車場尾部還需要人工防護(hù)

從調(diào)研結(jié)果看，由于溜放勾車輛數(shù)隨機(jī)，以及油輪車等其他因素的影響，還存在部分車輛溜出停車器的情況。此外，編組站調(diào)車場尾部車輛溜放狀態(tài)缺少有效的監(jiān)控手段和措施，仍然以人員的防護(hù)為主[5-10]，調(diào)研范圍內(nèi)的 16 個(gè)編組站調(diào)車場尾部均設(shè)有人員防護(hù)。

2 調(diào)車場尾部停車防溜設(shè)備布置輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇

調(diào)車場尾部防溜效果評估的難度在于涉及的因素多，溜放條件隨機(jī)性強(qiáng)，既要考慮溜放勾車編成的變化，也要考慮線路坡度和停車防溜設(shè)備布置條件，還要考慮連掛區(qū)的線路條件及調(diào)速設(shè)備類型，因而防溜效果評估不可能通過簡單計(jì)算完成。為了模擬駝峰調(diào)車場尾部停車防溜效果，開發(fā)了編組站調(diào)車場尾部設(shè)備布置輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)[11-12]。

2.1 輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)盡量符合現(xiàn)場實(shí)際并且簡單易用，在開發(fā)過程中做到了系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)化、模擬過程動態(tài)可視化和模擬結(jié)果輸出多樣化。調(diào)車場尾部停車防溜輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面如圖 1 所示。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)選擇及設(shè)置

調(diào)車場尾部設(shè)備輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)主要包括系統(tǒng)基本參數(shù)、線路參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和溜放車組參數(shù)。其中，基本參數(shù)包括計(jì)算鉤數(shù)、計(jì)算步長、能量轉(zhuǎn)移系數(shù)、設(shè)備布置特點(diǎn)等；線路參數(shù)主要包括坡段長度和坡度；設(shè)備參數(shù)主要包括調(diào)速設(shè)備參數(shù)和停車防溜設(shè)備參數(shù)；溜放車組參數(shù)主要包括車組大小、溜放阻力、車重及是否連掛等。

2.2.1 線路仿真參數(shù)設(shè)置

按照《鐵路駝峰調(diào)車場設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，駝峰調(diào)車場內(nèi)線路的坡度一般按照“凹”型模式設(shè)計(jì)，一般分作 6 個(gè)坡段：打靶區(qū)、陡坡連掛區(qū)、中間坡連掛區(qū)、緩坡連掛區(qū)、平坡連掛區(qū)和反坡連掛區(qū)。該仿真試驗(yàn)是在打靶區(qū)、陡坡連掛區(qū)、中間坡連掛區(qū)、緩坡連掛區(qū)和平坡連掛區(qū)坡度固定情況下，針對反坡連掛區(qū)不同坡度情況下的綜合仿真。反坡連掛區(qū)的坡度取值為 -2.0‰，-1.5‰，-1‰，0.0‰，1.0‰，1.5‰，2.0‰，其中正值為下坡，負(fù)值為上坡。

圖1 調(diào)車場尾部停車防溜輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面Fig.1 Main page of aided design system at the tail of hum p shunting yard

針對調(diào)車場線路有效長 850 m 調(diào)車場線路，該仿真試驗(yàn)中打靶區(qū)坡度取0.8‰，坡長120 m；陡坡連掛區(qū)坡度取2.8‰，坡長150 m；中間坡連掛區(qū)坡度取1.8‰，坡長 250 m；緩坡連掛區(qū)坡度取 0.6‰，坡長100 m；平坡連掛區(qū)坡度為 0‰，坡長 100 m。線路設(shè)置減速頂 212 臺，制動功按 850 J/輪次計(jì)算。

針對有效長 1050 m 的調(diào)車場線路，該仿真試驗(yàn)中打靶區(qū)坡度取 0.8‰，坡長 120 m；陡坡連掛區(qū)坡度取 2.8‰，坡長 150 m；中間坡連掛區(qū)坡度取1.8‰，坡長 400 m；緩坡連掛區(qū)坡度取 0.6‰，坡長150 m；平坡連掛區(qū)坡度為 0‰，坡長 100 m。線路設(shè)置減速頂 264 臺，制動功按 850 J/輪次計(jì)算。

2.2.2 停車防溜設(shè)備布置

編尾防溜設(shè)備主要包括停車器和防溜鐵鞋，停車器的布置方案主要選取“2+1”和“1+1”2 種布置方案，為了驗(yàn)證大車組溜放的臨界安全條件，部分場景選用了“3+1”布置方案；防溜鐵鞋采用主副鐵鞋的布置模式，防溜設(shè)備安裝位置從調(diào)車場頭部減速器出口起算。

針對調(diào)車場線路有效長 850 m 和 1050 m 的線路，“2+1”布置方案中防溜設(shè)備安裝位置從車場制動位減速器出口計(jì)算，停車器制動能高按 0.25 m 計(jì)算，防溜器摩擦系數(shù)按 0.15 計(jì)算，受壓力根據(jù)車輛總重確定?！?+1”布置方案調(diào)車場尾部防溜設(shè)備參數(shù)如表 3 所示。去掉“2+1”布置方案的第一臺停車器即為“1+1”布置方案，在“2+1”布置方案第一臺停車器前 6 m 處增加布置一臺停車器即為“3+1”布置方案。

2.2.3 勾車方案

大組車是尾部防溜的重點(diǎn)和典型工況，作業(yè)中一般把單組 10 輛及以上的勾車稱作大組車，對于一般溜放作業(yè)來說，單組 20 輛及以上的車組是經(jīng)?？梢姷模窜囕v數(shù)越多對尾部停車防溜的要求越高。從設(shè)計(jì)的角度來看，考慮投資的經(jīng)濟(jì)性，不能把極端情況作為普遍現(xiàn)象進(jìn)行設(shè)備布設(shè)，而應(yīng)選擇一個(gè)合適場景作為計(jì)算條件，超過計(jì)算條件的情況出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)通過作業(yè)組織方式改變作業(yè)條件，限值極端情況的出現(xiàn)，保證生產(chǎn)過程的安全。從一般駝峰溜放作業(yè)統(tǒng)計(jì)來看，單勾大組車超過 20 輛的情況不到 1%，超過 25輛的情況不到 0.5%。因此，一般情況下應(yīng)選擇單勾20～25 輛單組車作為防溜計(jì)算和設(shè)備布設(shè)的計(jì)算條件，超過以上計(jì)算條件的大組車，應(yīng)分作多勾車進(jìn)行溜放作業(yè)。

表3 “2+1”布置方案調(diào)車場尾部防溜設(shè)備參數(shù)Tab.3 Anti-slip device position at the tail of hum p shunting yard

由于溜放時(shí)勾車輛數(shù)是隨機(jī)分布的，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了 5 種典型勾車方案進(jìn)行仿真測試。調(diào)車場尾部仿真試驗(yàn)勾車數(shù)據(jù)如表 4 所示。

表4 調(diào)車場尾部仿真試驗(yàn)勾車數(shù)據(jù)Tab.4 Simulation vehicle count per hook at the tail of hum p shunting yard

2.2.4 勾車進(jìn)入停車器速度

一般情況下，為了保證溜放車組連掛和進(jìn)入停車器的速度，減速頂臨界速度設(shè)置為 5.0 km/h，但經(jīng)常由于部分減速頂失效或者線路坡度發(fā)生了變化，出現(xiàn)溜放車組進(jìn)入停車器速度過高的現(xiàn)象。為了測試車組在高于臨界速度情況下進(jìn)入停車器的停車防溜效果，通過調(diào)整線路減速頂?shù)呐R界速度 (5.0 km/h 和 5.5 km/h)實(shí)現(xiàn)勾車進(jìn)入停車器的速度變化，達(dá)到驗(yàn)證停車防溜效果的目的。

2.3 編尾防溜仿真結(jié)果分析

針對調(diào)車場有效長 850 m 和 1050 m 的線路坡度及調(diào)速設(shè)備布置固定的情況下，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)使得尾部坡度取值 (-2‰，-1.5‰，-1‰，0‰，1‰，1.5‰，2‰) 和停車器布置方案 (“2+1”“1+1”“3+1”)，得到相關(guān)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。根據(jù)防溜安全評判原則，得出調(diào)車場尾部停車器布置方案。

3 駝峰調(diào)車場尾部停車器布置方案建議

3.1 停車器布置建議方案

在編組站尾部各種坡度情況下，按照最大 25 輛大組重車，連掛速度按 5 km/h 計(jì)算，最后一臺停車器距尾部警沖標(biāo) 50 m，兩組停車器間距離按 3 輛車長度計(jì)算 (46.2 m)，停車器制動能高按 0.25 m 計(jì)算。調(diào)車場尾部不同坡度停車器布置建議方案如表 5 所示。

表5 調(diào)車場尾部不同坡度停車器布置建議方案Tab.5 Proposal layout schem a at different tail slope

3.2 推薦方案說明

由于溜放勾車輛數(shù)是隨機(jī)分布的，單組車 20 輛及以上是存在的，建議方案中最大車組輛數(shù)按 25 輛取值，勾車連掛速度按 5 km/h 計(jì)算，停車器和防溜鐵鞋按照最后一臺停車器距尾部警沖標(biāo) 50 m 和兩組停車器間距離按 3 輛車長度計(jì)算 (46.2 m) 方案布置，停車器制動能高按 0.25 m 計(jì)算。超過 25 輛的大組車，應(yīng)分作多勾車進(jìn)行溜放作業(yè)。

考慮到部分車站存在個(gè)別減速頂失效、線路縱斷面變形及油輪車等不利情況，為了保證推薦方案有效可用，推薦方案在以下 2 個(gè)方面做了安全冗余：①保證 25 輛大組重車以 5.5 km/h 連掛速度下能夠?qū)崿F(xiàn)停車防溜；②滿足 30 輛大組重車以 5.0 km/h 連掛速度下，在防溜鐵鞋的作用下實(shí)現(xiàn)停車防溜。

4 結(jié)束語

駝峰調(diào)車場尾部停車防溜設(shè)備的布置形式影響溜放安全和作業(yè)效率，通過對調(diào)車場尾部停車防溜輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置及調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對駝峰調(diào)車場尾部不同的坡度和停車器布置方案的仿真分析，對于精確評估編組站調(diào)車場尾部停車防溜有重要意義。在對編組站調(diào)車場尾部不同狀況全面仿真的基礎(chǔ)上，充分考慮一定安全冗余，提出按編組站調(diào)車場尾部不同坡度情況下停車器布置建議方案，為停車器布置提供設(shè)計(jì)依據(jù)，有利于編組站整體作業(yè)效率的提高。

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