川藏線貨物列車牽引質(zhì)量主要影響因素分析

李朗

（蘭州交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 碩士研究生，甘肅 蘭州 730070）

川藏線地處高原高寒地區(qū)，目前對復(fù)雜氣象環(huán)境下列車及軌道參數(shù)取值缺乏認(rèn)識(shí)。全線“跨七江穿八山、六起六伏”，為克服高程障礙，節(jié)省工程投資，全線緊坡地段多、長大縱坡多，站間距大?？拓涍\(yùn)結(jié)構(gòu)以客為主、兼顧貨運(yùn)，且多為適箱貨物[1]。由此，本文分析不同因素對牽引質(zhì)量影響，分析并給出普通貨物列車牽引質(zhì)量合理范圍。

1 貨運(yùn)機(jī)車選型及牽引質(zhì)量檢算

1.1 貨運(yùn)機(jī)車選型

目前，我國鐵路主要使用和諧系列交流傳動(dòng)機(jī)車作為貨運(yùn)機(jī)車，主要型號(hào)為HXD1、HXD2等8軸9 600 kW主型機(jī)車和 HXD3、HXD1C等 6軸7 200 kW主型機(jī)車[2]。貨運(yùn)機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)對照詳見表1。

表1 貨運(yùn)機(jī)車主要技術(shù)參數(shù)對照表

川藏線全線大坡道極多，自然環(huán)境復(fù)雜，并需考慮高原、高寒等不利因素。從機(jī)車性能角度，本線機(jī)車選型應(yīng)選擇功率大、牽引力大、制動(dòng)力大且黏著特性好的機(jī)車。同時(shí)參考相鄰線網(wǎng)情況，為減少機(jī)車換掛作業(yè)，提高效率，川藏線成雅段及拉林段擬采用HXD2機(jī)車。因此，為滿足線路要求、統(tǒng)一全線機(jī)型，提高運(yùn)輸作業(yè)效率，選擇HXD2機(jī)車作為川藏線貨物列車牽引機(jī)車。

1.2 滿足上坡道要求的牽引質(zhì)量檢算

列車滿足上坡道要求的牽引質(zhì)量檢算主要包括列車起動(dòng)最大牽引質(zhì)量檢算及在限制坡度上以持續(xù)速度運(yùn)行時(shí)的最大牽引質(zhì)量檢算。列車牽引質(zhì)量需小于起動(dòng)及在限制坡度上由持續(xù)速度所確定的牽引質(zhì)量。相關(guān)公式及參數(shù)參考《列車牽引計(jì)算規(guī)程第一部分：機(jī)車牽引式列車》（TB/T 1407.1—2018）及《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（2014 版）。

1.2.1 滿足限制坡度下持續(xù)速度的機(jī)車牽引質(zhì)量檢算

機(jī)車長時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行而牽引電機(jī)能正常做功所對應(yīng)的最低速度為持續(xù)速度，對應(yīng)的牽引力為持續(xù)牽引力。在限制坡道上，列車以持續(xù)速度運(yùn)行時(shí)的機(jī)車牽引質(zhì)量按式（1）計(jì)算：

式中：Mg1為持續(xù)速度時(shí)的牽引質(zhì)量，t；Mp為 機(jī)車計(jì)算質(zhì)量，t；Fc為機(jī)車持續(xù)牽引力，kN；λy為機(jī)車牽引力使用系數(shù)，取值0.9；w′0為機(jī)車單位運(yùn)行基本阻力,N/kN；w′′0為車輛單位運(yùn)行基本阻力,N/kN；g為重力加速度，m/s2；ix為限制坡度千分?jǐn)?shù)。

由于川藏線條件極其復(fù)雜，為減少工程投資，選擇限制坡度30‰的方案。經(jīng)式（1）計(jì)算得到，持續(xù)速度為62.4 km/h時(shí)，單機(jī)可牽引1 390 t，雙機(jī)可牽引2 760 t。為滿足貨運(yùn)需求，川藏線推薦雙機(jī)牽引。

1.2.2 滿足起動(dòng)牽引力要求的機(jī)車牽引質(zhì)量計(jì)算

列車在上坡道運(yùn)行時(shí)，除了要計(jì)算列車以持續(xù)速度運(yùn)行對應(yīng)的牽引質(zhì)量，還需要計(jì)算列車在坡道起動(dòng)時(shí)的最大牽引質(zhì)量。列車在限制坡道上起動(dòng)時(shí)機(jī)車牽引質(zhì)量按式（2）計(jì)算：

式中：Mg為牽引質(zhì)量，t；Fq為機(jī)車起動(dòng)牽引力，kN；w′q為機(jī)車單位起動(dòng)基本阻力， 取 5.0 N/kN；w′′q為車輛單位運(yùn)行基本阻力，取3.5 N/kN；g為重力加速度，m/s2；iq為起動(dòng)地段加算坡度千分?jǐn)?shù)。

雙機(jī)牽引，限制坡度30‰，計(jì)算可得起動(dòng)牽引質(zhì)量能滿足3 700 t。由持續(xù)速度下牽引質(zhì)量檢算及起動(dòng)牽引質(zhì)量檢算比較可知，持續(xù)速度下的牽引質(zhì)量是列車上坡的限制牽引質(zhì)量。

1.3 滿足長大下坡道制動(dòng)要求的牽引質(zhì)量計(jì)算

1.3.1 長大下坡道制動(dòng)方式選擇

制動(dòng)就是將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為其他形式能的過程，主要分為摩擦制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)兩種。摩擦制動(dòng)是通過摩擦力來消耗列車動(dòng)能的制動(dòng)方式，優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)力與列車速度無關(guān)，特別在低速時(shí)，也能對列車進(jìn)行制動(dòng)直至停車；缺點(diǎn)是受散熱影響，在長大下坡道連續(xù)制動(dòng)時(shí)，單次制動(dòng)時(shí)間有限制且頻繁使用時(shí)需要晾閘。動(dòng)力制動(dòng)基本原理是使?fàn)恳姍C(jī)作為發(fā)電機(jī)消耗動(dòng)能來進(jìn)行制動(dòng)，特點(diǎn)是制動(dòng)力大小與列車運(yùn)行速度相關(guān)，能保證列車在高速運(yùn)行時(shí)也可進(jìn)行調(diào)速，使列車在長大下坡道上也可以限制速度運(yùn)行，減少閘瓦磨耗[3]。綜合長大下坡道實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，建議川藏線采用動(dòng)力制動(dòng)調(diào)速，下坡制動(dòng)時(shí)，以動(dòng)力制動(dòng)為主，動(dòng)力制動(dòng)失效時(shí)，采用空氣制動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)。

1.3.2 緊急制動(dòng)情況下，牽引質(zhì)量計(jì)算

緊急制動(dòng)情況下，普通貨物列車制動(dòng)距離需滿足最大制動(dòng)距離限值。列車緊急制動(dòng)過程分為空走過程和有效制動(dòng)過程[4]。列車空走距離由式（3）和式（4）計(jì)算，其中列車高摩合成閘瓦換算制動(dòng)率取最低值0.15：

式中：Sk為列車空走距離，m；ij為加算坡度千分?jǐn)?shù)，當(dāng)ij＞0時(shí)，取為0；n為牽引輛數(shù)；v0為列車緊急制動(dòng)初速度，km/h；tk為列車制動(dòng)空走時(shí)間，緊急制動(dòng)空走時(shí)間按2.5 s計(jì)算。

列車緊急制動(dòng)有效距離由式 （5）、（6）、（7）計(jì)算：

式中：諄h為列車換算制動(dòng)率；φh為換算摩擦系數(shù)；c為空氣緊急制動(dòng)時(shí)的列車單位合力，kN；w0為列車單位運(yùn)行基本阻力，kN；b為列車單位制動(dòng)力，kN；S為列車運(yùn)行距離，m；v1為速度間隔的初速，km/h；v2為速度間隔的終速，km/h；ij為加算坡度千分?jǐn)?shù)。

由上式，可得在30‰限制坡度下，緊急制動(dòng)距離取 800 m，列車限速為 60 km/h。 對式（6）和式（7）進(jìn)行分析可知，列車緊急制動(dòng)距離主要由列車單位合力決定，列車單位合力則主要由限制坡度決定，牽引質(zhì)量對其影響極小。因此，此處求得的限速，主要由緊急制動(dòng)距離限值和坡度這二者所決定的，其中，緊急制動(dòng)距離限值更關(guān)鍵。若要提高貨物列車運(yùn)行速度，以提高全線通過能力，就需要提高緊急制動(dòng)距離限值[5]。若普通貨物列車緊急制動(dòng)距離限值放寬至1 400 m，此時(shí)對應(yīng)限速為75 km/h，且此限速是換算制動(dòng)率取最小值時(shí)得到的，實(shí)際對應(yīng)速度要大于此值。提高限速至75 km/h可大幅減小客貨列車速差，提高全線通過能力，且此速度小于機(jī)車車輛的構(gòu)造速度，運(yùn)營是安全的。

1.3.3 列車純電制動(dòng)勻速運(yùn)行時(shí)的牽引質(zhì)量

當(dāng)列車在長大下坡道運(yùn)行時(shí)，采用電制動(dòng)方式調(diào)速，當(dāng)電制動(dòng)力、列車運(yùn)行阻力、列車重力的下滑分量三者相平衡時(shí)，列車以某一速度勻速運(yùn)行。此時(shí)列車牽引質(zhì)量計(jì)算公式為式（8），制動(dòng)黏著力采用公式（9）和（10）進(jìn)行計(jì)算，其中公式（10）為潮濕軌面使用防滑裝置時(shí)的制動(dòng)黏著系數(shù)。

式中：B為列車常用制動(dòng)力，kN；Bμ為制動(dòng)黏著力，kN；Mμ為黏著質(zhì)量，kN；g為重力加速度，m/s2；ν為運(yùn)行速度，km/h；μz-a為潮濕軌面使用防滑裝置時(shí)的制動(dòng)黏著系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，在100%電制動(dòng)力使用條件下，基本滿足黏著制動(dòng)力限制，因此，列車下坡使用純電制動(dòng)是安全的。

計(jì)算結(jié)果，下坡貨車不同電制動(dòng)力對應(yīng)牽引質(zhì)量見圖1。分析可知，牽引質(zhì)量大小與列車運(yùn)行速度有關(guān)，在使用電制動(dòng)力進(jìn)行下坡調(diào)速制動(dòng)時(shí)，電制動(dòng)力使用系數(shù)對牽引質(zhì)量也有影響。電制動(dòng)力使用系數(shù)在0.5～0.8之間時(shí)，下坡電制動(dòng)條件下的牽引質(zhì)量范圍在 1 600～2 600 t。

圖1 下坡貨車不同電制動(dòng)力對應(yīng)牽引質(zhì)量

2 受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量分析

車鉤是貨車的重要組成部分，用于連接機(jī)車和車輛并在列車運(yùn)行中傳遞縱向力和沖擊力。由于本線大坡度地段極多，因此需要考慮車鉤抗拉強(qiáng)度對牽引質(zhì)量的影響。表2[6]為國內(nèi)幾種主要車鉤材料的性能說明。

表2 國內(nèi)幾種主要車鉤材料及性能

檢算受車鉤強(qiáng)度限制的最大牽引質(zhì)量，分別按列車在起動(dòng)時(shí)與運(yùn)行中兩種情況進(jìn)行檢算。

2.1 列車起動(dòng)時(shí)

列車起動(dòng)時(shí)，受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量按式(11)計(jì)算：

式中：F為車鉤允許拉力,N;g為 重力加速度，m/s2；iq為起動(dòng)地段加算坡度千分?jǐn)?shù)；w′′q為貨車單位起動(dòng)基本阻力，N/kN。

2.2 列車運(yùn)行時(shí)

受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量Gc按式（12）計(jì)算：

式中：i為牽引地段加算坡度千分?jǐn)?shù)；g為重力加速度，m/s2；w′′02為貨車單位運(yùn)行基本阻力，N/kN。

2.3 受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量檢算及分析

起動(dòng)時(shí)受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量見表3，由表3可知，起動(dòng)時(shí)滿足車鉤強(qiáng)度的最大牽引質(zhì)量為3 040 t。

表3 起動(dòng)時(shí)受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量 t

以計(jì)算速度運(yùn)行時(shí)，受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量見表4。由表4可知，計(jì)算速度運(yùn)行時(shí)，受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量為3 210 t。

表4 計(jì)算速度下受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量 t

綜合分析列車起動(dòng)和計(jì)算速度運(yùn)行時(shí)受車鉤強(qiáng)度限制的牽引質(zhì)量，為保證一定的安全余量且滿足運(yùn)輸需求，建議選用E級車鉤，限制牽引質(zhì)量3 000 t。

3 客貨共線運(yùn)行條件下，為提高通過能力所確定的牽引質(zhì)量

川藏線地形條件極其復(fù)雜，全線限制坡段極多，由于普通貨物列車下坡限速較低，川藏線客貨列車速差較其他普通鐵路客貨列車的速差更大。因此，采用何種方法提高普通貨物列車速度，減少客貨列車速度差，就成為提高全線能力的關(guān)鍵點(diǎn)。為提高貨車運(yùn)行速度，嘗試減少貨車牽引質(zhì)量，增加普通貨物列車對數(shù)，以匹配客車速度，提高全線通過能力。

3.1 客貨列車均衡速度計(jì)算

在30‰上坡運(yùn)行時(shí)，普速客車持續(xù)速度約為100 km/h。上坡普通貨物列車不同牽引質(zhì)量對應(yīng)持續(xù)速度見圖2。分析可知，牽引質(zhì)量越低，貨車上坡運(yùn)行的持續(xù)速度越高。且貨車牽引質(zhì)量降至1 500 t時(shí)，對應(yīng)持續(xù)速度約為100 km/h，與客車速度最接近，此時(shí)能力損失較小。

圖2 上坡貨車不同牽引質(zhì)量對應(yīng)持續(xù)速度

由圖3下坡客車不同電制動(dòng)力對應(yīng)牽引質(zhì)量可知，客車下坡時(shí)的持續(xù)速度約在80～140 km/h之間。結(jié)合圖1下坡貨車不同電制動(dòng)力對應(yīng)牽引質(zhì)量，貨車牽引質(zhì)量在1 500～1 800 t時(shí)，均可達(dá)到客車下坡運(yùn)行時(shí)的限值速度區(qū)間。此時(shí)貨車速度接近客車速度，速差小，能力損失少，且此時(shí)電制動(dòng)力使用系數(shù)在0.75～0.85，保證了一定安全余量，列車以此速度運(yùn)行是安全的。

圖3 下坡客車不同電制動(dòng)力對應(yīng)牽引質(zhì)量

3.2 客貨共線運(yùn)行條件下，牽引質(zhì)量分析

綜合考慮長大上下坡條件，對比分析客貨列車持續(xù)速度及普通貨物列車牽引質(zhì)量對持續(xù)速度的影響。建議普通貨物列車牽引質(zhì)量采用1 500～1 800 t，以提高貨車均衡速度，減少客貨列車速差。

4 研究結(jié)論

貨物列車牽引質(zhì)量受眾多因素影響，且川藏線自然環(huán)境復(fù)雜，對牽引計(jì)算相關(guān)參數(shù)取值有較大影響，但具體影響程度認(rèn)知尚淺。本文分別檢算上坡起動(dòng)、持續(xù)速度、下坡電制動(dòng)各情景牽引質(zhì)量，并考慮客貨列車速度差對通過能力有較大影響，基于川藏線復(fù)雜條件及客貨運(yùn)量需求，建議川藏線普通貨物列車牽引質(zhì)量選擇1 500～1 800 t。