重載鐵路長大下坡道坡度選擇標(biāo)準(zhǔn)的研究

趙昕

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 高級工程師，天津 300251）

近年來，我國重載鐵路得到快速發(fā)展，重載運輸技術(shù)水平跨入世界先進行列。隨著重載鐵路列車牽引質(zhì)量和機車車輛軸重的不斷提高，對重載鐵路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出了更高要求。坡度選擇是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)之一，是提高重載鐵路運輸能力、保證行車安全、降低工程投資及運營費的重要影響因素[1]。根據(jù)機車車輛制動性能，對重載鐵路長大下坡道坡度影響因素及計算方法進行研究，提出重載鐵路長大下坡道坡度選擇標(biāo)準(zhǔn)，為同類項目設(shè)計提供參考。

1 重載鐵路長大下坡道坡度計算

1.1 長大下坡道循環(huán)制動

重載列車在長大下坡道的制動主要涉及兩個方面，一是循環(huán)制動中列車充風(fēng)時間必須滿足再制動的要求，二是循環(huán)制動中列車縱向力要滿足車鉤強度的要求[2]。本次研究的重點為前者。

重載列車在長大下坡道上運行，列車運行速度會迅速升高，為了使列車不超過規(guī)定速度，列車需要實施空氣制動及動力制動進行降速。列車在使用空氣制動時，空氣壓力不斷變小導(dǎo)致制動力逐漸下降，需通過列車緩解，一是降低閘瓦與輪軌踏面溫度，二是進行再充風(fēng)。列車在緩解過程中速度不斷提高直至制動限速，此時列車需再次實施空氣制動來降低速度，如此循環(huán)直至列車駛出長大下坡道。

1.2 主要計算參數(shù)[3]

重載列車在長大下坡道實施循環(huán)制動，主要受列車編組、緩解充風(fēng)及再制動要求、制動限速及緩解速度、列車管壓力及減壓量等因素影響。

1.2.1 機車、車輛技術(shù)參數(shù)

選擇25 t、27 t、30 t軸重機車及車輛進行研究。

分別選擇 HXD1、HXD2、HXD1F-27 t、HXD1F-30 t型（與HXD2F差別不大，暫選擇HXD1F）機車；貨車分別選擇C80、C80E及C96。機車、車輛主要技術(shù)參數(shù)見表1、表2。

表1機車主要技術(shù)參數(shù)

表2車輛主要技術(shù)參數(shù)

1.2.2 列車編組方案[4]

結(jié)合牽引質(zhì)量、編組方案及可控列尾的采用，10 000 t及20 000 t重載列車編組方案如表3。

表3列車編組方案

1.2.3 緩解充風(fēng)時間tc、制動空走時間tk及緩解增速時間tz

為了滿足重載列車在長大下坡道上安全平穩(wěn)運行，采用循環(huán)制動時列車再充風(fēng)時間需滿足再次制動要求，即在每一個制動周期內(nèi)，列車緩解后由緩解速度上升到坡道限制速度時的增速時間tz應(yīng)不小于充風(fēng)時間tc和制動空走時間tk之和。

1.2.3.1 緩解充風(fēng)時間tc

列車充風(fēng)過程通過風(fēng)管傳輸空氣完成，而充風(fēng)的量是由前一次制動的減壓量和列車管壓力決定的。因此當(dāng)列車編組及列車管壓力、減壓量不同時，其充風(fēng)時間也會存在一定差異。

結(jié)合 《列車牽引計算規(guī)程》（2014年報批稿）貨物列車副風(fēng)缸再充氣時間，采用函數(shù)曲線擬合，推算100輛編組列車副風(fēng)缸再充氣時間。60～100輛編組貨物列車副風(fēng)缸再充氣時間見表4。

表4貨物列車副風(fēng)缸再充氣時間 s

1.2.3.2 制動空走時間tk

制動空走時間tk與列車編組輛數(shù)、動力分布、減壓量以及坡度有關(guān)。采用可控列尾，簡化計算將列車空走時間較無可控列尾減少一半。貨物列車常用制動空走時間tk計算公式如下：

式中：tk為制動空走時間，單位s；ij為線路加算坡度，‰；n為列車編組輛數(shù)；r為列車管減壓量，單位kPa。

1.2.3.3 緩解增速時間tz

緩解增速時間為列車在長大下坡道運行，列車由緩解速度升至制動限速的時間，與列車制動限速及緩解速度、坡度及機車電制動力有關(guān)?？紤]機車電制動力，緩解增速時間tz計算公式如下：

式中：v0為制動限速，單位km/h；vn為緩解速度，單位 km/h；ij為增速地段平均加算坡度千分?jǐn)?shù)；ω＇0為機車單位基本阻力，單位N/kN；ω＇＇0為車輛單位基本阻力，單位N/kN；b為機車電制動力，單位N/kN。

1.2.4 長大下坡制動限速及最低緩解速度

列車在長大下坡道上以制動與惰行工況交替運行，速度曲線呈波浪型，波峰為列車制動限速，波谷為列車最低緩解速度。

1.2.4.1 制動限速[5]

根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（2014版）（以下簡稱《技規(guī)》）第263條規(guī)定，“貨車軸重25 t及以上，緊急制動距離不應(yīng)超過1 400 m”。列車在下坡道運行，滿足在規(guī)定緊急制動距離內(nèi)停車時的速度即為制動限速。列車重量、閘瓦壓力及坡度決定列車在長大下坡度的限制速度。

按照《技規(guī)》第261條規(guī)定，25 t軸重貨車（重車位、高摩合成閘瓦）每輛換算閘瓦壓力管壓500 kpa為170 kN，600 kpa為195 kN?？紤]機車制動力不足、關(guān)門車及實際貨車的非理想狀態(tài)等因素的影響，導(dǎo)致列車實際制動率低于單車制動率，因此考慮10%的安全余量，計算高摩合成閘瓦每百噸列車重量換算閘瓦壓力管壓500 kpa時為153 kN，管壓600 kpa時為175 kN，計算時分別取150 kN、170 kN；根據(jù)制動力和列車重量的對應(yīng)關(guān)系，考慮閘瓦壓力提高導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降的制動力損失，隨軸重提高，貨車百噸換算閘瓦壓力呈小幅下降，但總體看變化不大。30 t軸重貨車每百噸列車重量換算閘瓦壓力可參照25 t軸重貨車取值，即管壓500 kpa時為150 kN，管壓600 kpa時為170 kN。

以HXD2、HXD1F-30 t單機牽引10 000 t列車為例，列車管壓力按500 kpa、600 kpa；列車最高運行速度參照 《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10625—2017)，分別按80 km/h和100 km/h[6]，檢算列車在下坡道上的制動限速見表5。

列車管壓500 kpa，以最高速度80 km/h運行，在20‰下坡道上列車無需限速；以最高速度100 km/h運行，在 12‰～20‰下坡道上限速 95～85 km/h。由于管壓600 kpa較500 kpa制動力大，因此相同坡道上制動限速值略高。

表5緊急制動限速表km/h

1.2.4.2 最低緩解速度

列車在長大下坡道的最低緩解速度影響列車制動及運輸效率。緩解速度過高，可能會造成由于列車升速較快，在副風(fēng)缸充風(fēng)時間不足的情況下，降低制動力，影響行車安全；緩解速度過低，會帶來列車斷鉤，閘瓦溫度過高，影響再次制動，降低運輸效率等。

列車最低緩解速度與列車編組、制動限速、坡度、列車管減壓量等因素有關(guān)。當(dāng)制動限速一定時，緩解速度高，列車增速時間短；緩解速度低，列車增速時間長。因此在一定的減壓量下，緩解速度的高低，影響長大下坡道的取值；減壓量越大，充風(fēng)時間延長，在緩解速度一定時，長大下坡道坡度值越小。

重載列車最低緩解速度參照《鐵路機車操縱規(guī)程》（2013年）第28條規(guī)定:“貨物列車速度在15 km/h以下時，不應(yīng)緩解列車制動。長大下坡道區(qū)段因受制動周期等因素限制，最低緩解速度不應(yīng)低于10 km/h。重載貨物列車速度在30 km/h以下，不應(yīng)緩解列車制動。”目前我國重載鐵路最低緩解速度一般由鐵路局統(tǒng)一制定，現(xiàn)狀大秦、朔黃鐵路長大下坡最低緩解速度取35 km/h。

1.3 長大下坡道計算

結(jié)合機型、牽引質(zhì)量、編組方案，以列車管壓600 kpa，減壓量 80 kpa，列車最高運行速度 80 km/h為例，最低緩解速度分別取 30 km/h、35 km/h、40 km/h，計算滿足循環(huán)制動長大下坡道，見表 6。

表6滿足周期制動長大下坡道坡度‰

相同的牽引質(zhì)量，HXD1F牽引30 t軸重列車編組輛數(shù)少于HXD1、HXD2牽引25 t軸重列車，使空走時間減少，因此HXD1F對長大坡度的適應(yīng)性優(yōu)于HXD1、HXD2；隨機車數(shù)量增加，電制動力提高，或機車分散布置，空走時間減小，均使長大下坡道坡度值增大；對于單元10 000 t列車，有無可控列尾對長大下坡道坡度影響不大；隨緩解速度提高，不同機型及編組方案的10 000 t及20 000 t在長大下坡道的坡度值呈減小趨勢。

2 對長大下坡道坡度影響因素的分析

2.1 列車管壓力

按照《技規(guī)》要求，“快速貨物班列自動制動機主管壓力為600 kpa，其他列車為500 kpa。長大下坡道區(qū)段貨物列車和重載貨物列車自動制動機主管壓力，由鐵路局根據(jù)管內(nèi)相關(guān)試驗結(jié)果和列車操縱需要可提高至600 kpa”。計算時列車管壓考慮500 kpa 和 600 kpa[7]。

提高列車管壓，列車可以獲得較大的制動力，但制動時的排風(fēng)時間和再充風(fēng)時間也相應(yīng)延長。

HXD2、HXD1F單機牽引10 000 t列車不同管壓滿足循環(huán)制動長大下坡道如表7。

表7不同管壓長大下坡道坡度 ‰

管壓500 kpa的長大下坡道值（為坡度絕對值）略大于600 kpa。

2.2 列車管減壓量

列車實施空氣制動，反映列車管減壓的指標(biāo)為列車管減壓量，列車管減壓量決定列車制動力，同時影響列車空走時間和再充風(fēng)時間。

管壓 600 kpa，減壓量分別取 70 kpa、80 kpa、90 kpa、100 kpa，HXD2單機牽引 10 000 t列車滿足循環(huán)制動長大下坡道見表8。

表8不同列車管減壓量長大下坡道坡度

制動限速及緩解速度一定時，隨列車管減壓量升高，列車空走時間和再充風(fēng)時間延長，下坡道坡度值相應(yīng)減小。

2.3 制動限速

以 HXD2、HXD1F單機牽引 10 000 t列車為例，結(jié)合不同列車管壓，比較80 km/h、100 km/h速度等級下的坡度，見表9。

表9不同管壓及速度等級的長大下坡道坡度 ‰

制動限速越高，適應(yīng)下坡道的坡度值越大，但對機車車輛制動性能的要求也越高。

2.4 緩解速度

緩解速度與減壓量、制動限速、坡度有關(guān)。

HXD2單機牽引10 000 t在12‰的下坡道上不同減壓量對應(yīng)緩解速度，見表10。

表10不同減壓量對應(yīng)的緩解速度

通過表9及表10，在減壓量和制動限速相同的條件下，緩解速度越高，長大下坡道值越?。恢苿酉匏僭礁?，對應(yīng)相同的緩解速度坡道值越大；相同坡度下，減壓量小緩解速度高。

3 滿足《技規(guī)》316條規(guī)定制動檢算[5]

《技規(guī)》316條規(guī)定：“自動閉塞區(qū)間通過信號機顯示停車信號時，列車必須在該信號機前停車，……。停車等候2 min，該信號機仍未顯示允許運行的信號時，即以遇到阻礙能隨時停車的速度繼續(xù)運行，最高不超過20 km/h，運行到次一通過信號機?！薄都家?guī)》316條有助于提高自動閉塞線路運輸效率。

檢算重載列車走-停-走模式，考慮機車電電制動力，列車限速20 km/h，緩解速度10 km/h，減壓量50 kpa，計算 HXD2、HXD1F 牽引 10 000 t滿足《技規(guī)》316條規(guī)定下坡道，見表11。

表11滿足《技規(guī)》316條規(guī)定下坡道坡度

滿足《技規(guī)》316 條，HXD2、HXD1F 單、雙機牽引10 000 t列車的下坡道分別為-7‰、-11.5‰～-12.5‰。說明牽引10 000 t列車，在滿足循環(huán)制動單機-11.5‰～-13‰，雙機-16.5‰、-18‰的下坡道上（緩解速度35 km/h），不滿足《技規(guī)》316條規(guī)定。為保證行車安全，重載列車在長大下坡道上遇到通過信號機顯示停車信號時，列車應(yīng)在信號機前停車，直至信號燈顯示運行信號，列車方能重新起動。

4 研究結(jié)論

通過對重載鐵路長大下坡道各影響因素分析，牽引質(zhì)量、機車配置數(shù)量及配置形式對坡度影響最大；其次是制動限速、緩解速度對坡度影響較大；列車管壓、列車管減壓量對坡度影響相對較小。

隨著重載列車牽引質(zhì)量及軸重的不斷提高，通過采用列車同步控制系統(tǒng)如電控制動系統(tǒng)ECP或機車同步操縱系統(tǒng)Locotrol，可以有效提高重載列車的制動性能，使重載列車在長大下坡的適應(yīng)性更強，列車安全運行更能得到保障。