關(guān)于單元萬(wàn)噸重載列車操縱 安全風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策

王 強(qiáng)，王春雨，張 哲，田 雷

(1. 中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司 湖東電力機(jī)務(wù)段，山西 太原 037300；2. 中國(guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司集寧機(jī)務(wù)段，內(nèi)蒙古 呼和浩特 012000；3. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

我國(guó)重載鐵路通道大面積高質(zhì)量開行萬(wàn)噸重載列車，有效確保了國(guó)民經(jīng)濟(jì)強(qiáng)有力持續(xù)發(fā)展，也標(biāo)志著我國(guó)重載鐵路建設(shè)及技術(shù)裝備創(chuàng)新發(fā)展跨入世界重載鐵路先進(jìn)行列[1-2]。隨著我國(guó)鐵路重載列車開行類別及數(shù)量不斷增加， HXD型25 t軸重大功率電力機(jī)車牽引的單元萬(wàn)噸重載列車相較于傳統(tǒng)SS4型串激直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電力機(jī)車，以其可靠性能強(qiáng)、粘著性能好、牽引功率大、運(yùn)用效率高及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)已逐步成為國(guó)內(nèi)重載鐵路牽引動(dòng)力的主要機(jī)型。因此，結(jié)合理論計(jì)算與試驗(yàn)仿真，對(duì)采用HXD型單機(jī)、雙機(jī)重聯(lián)集中牽引或2臺(tái)機(jī)車動(dòng)力分散牽引等編組方式的單元萬(wàn)噸列車分析多種典型工況下的操縱安全風(fēng)險(xiǎn)，提出規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)的操縱對(duì)策。

1 單元萬(wàn)噸重載列車操縱安全風(fēng)險(xiǎn)分析

單元萬(wàn)噸重載列車操縱存在變電所供電能力不足瞬間跳閘及起車造成列車分離事故等安全風(fēng)險(xiǎn)。下面對(duì)機(jī)車工況轉(zhuǎn)換、站內(nèi)及坡道起車、列車空氣制動(dòng)及機(jī)車通過電分相區(qū) 4 種典型運(yùn)行工況下的操縱安全風(fēng)險(xiǎn)分析如下。

1.1 機(jī)車工況轉(zhuǎn)換操縱安全風(fēng)險(xiǎn)

HXD1機(jī)車2節(jié)(或2臺(tái)4節(jié))機(jī)車各通過1個(gè)列車管、1個(gè)總風(fēng)管和2個(gè)平均管連接氣路，通過重聯(lián)插頭連接電氣。以105輛C80B、96輛C80E和120輛C80B3種編組的單元萬(wàn)噸重載列車為例，通過空氣制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析可知，3種不同編組的萬(wàn)噸單元重載列車常用制動(dòng)減壓后，所有車輛均在9 s內(nèi)產(chǎn)生制動(dòng)作用，常用減壓50 kPa的充風(fēng)時(shí)間分別為160 s，148 s，131 s；減壓70 kPa充風(fēng)時(shí)間在3 ～ 4.5 min之間；減壓100 kPa排風(fēng)70 ～ 97 s之間，充風(fēng)時(shí)間在254 ～ 270 s之間。列車減壓50 kPa、排風(fēng)40 s并穩(wěn)定后，追加制動(dòng)減壓20 kPa，排風(fēng)時(shí)間在44 ～ 48 s之間。列車緊急制動(dòng)作用時(shí)間均為6 ～ 7 s，自閥運(yùn)轉(zhuǎn)位，尾部車輛分別于220 s，178 s，253 s后開始緩解。

如果機(jī)車工況轉(zhuǎn)換時(shí)間短，不僅容易造成重聯(lián)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、空氣管路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致牽引故障，而且會(huì)導(dǎo)致列車車鉤間隙量變化快，從而產(chǎn)生較大車鉤力。列車通過起伏坡道時(shí)保持機(jī)車工況穩(wěn)定可以確保全列車鉤處于壓鉤或拉鉤狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)全列車鉤狀態(tài)不因起伏坡道發(fā)生變化引起沖動(dòng)。

1.2 站內(nèi)及坡道起車操縱安全風(fēng)險(xiǎn)

1.2.1 站內(nèi)起車操縱安全風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）列車管前后部壓力不一致導(dǎo)致縱向沖動(dòng)引起斷鉤。列車管尾部壓力不足580 kPa時(shí)列車管前、后部壓力不一致，此時(shí)起車遇突發(fā)性安全問題要求司機(jī)立即停車，或遇不明原因緊急制動(dòng)，列車制動(dòng)管壓力不均衡制動(dòng)力前強(qiáng)、后弱，較大沖擊力損壞機(jī)車及車輛車鉤、緩沖器。

（2）列車后部未完全緩解而牽引開車引起拉斷車鉤。例如，2004年，某線SS4型機(jī)車某中間站停車時(shí)司機(jī)第一次減壓60 kPa，司機(jī)二次帶車前列車充風(fēng)時(shí)間只有17 s強(qiáng)行牽引，走行3 s、速度5 km/h時(shí)列車管降零，第53位車輛后鉤鉤舌斷，53位與54位車輛分離11 m。

1.2.2 坡道起車操縱安全風(fēng)險(xiǎn)分析

以大秦鐵路遵化北—遷西間為例，對(duì)列車進(jìn)行坡道起動(dòng)牽引重量計(jì)算。線路縱斷面參數(shù)為限制坡道4‰，列車長(zhǎng)度內(nèi)最多可同時(shí)處于1處曲線半徑為1 000 m的彎道，列車在該條件下起車，根據(jù)《列車牽引計(jì)算規(guī)程》[3]的計(jì)算要求和限制條件可得，當(dāng)計(jì)算速度vj= 65 km/h，計(jì)算牽引力Fj= 532 kN時(shí)，HXD1型機(jī)車單機(jī)牽引重量不得超過8 421 t；HXD2型機(jī)車，當(dāng)計(jì)算速度vj= 65 km/h，計(jì)算牽引力Fj=554 kN時(shí)，單機(jī)牽引重量不得超過8 782 t，在4‰限制坡道停車后不能起動(dòng)。

2007年6月5日，一列總重10 756.7 t，計(jì)長(zhǎng)117.7的貨物列車在大秦鐵路湖東至柳村間進(jìn)行牽引運(yùn)行試驗(yàn)。延慶—下莊K263.165—K274.163、遵化北—遷西K487.647—K495.128限制坡道4‰停車進(jìn)行快速啟動(dòng)加速試驗(yàn)。坡道啟動(dòng)加速試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 坡道啟動(dòng)加速試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of ramp starting acceleration test

K265 + 143坡道啟動(dòng)加速試驗(yàn)中，機(jī)車能較好持續(xù)發(fā)揮最大牽引力，能夠完成4‰坡道啟動(dòng)，但牽引力余量較小；K489 + 216處連續(xù)4‰坡道起動(dòng)加速2次，2次坡停起動(dòng)加速均非常困難，機(jī)車發(fā)揮最大起動(dòng)牽引力最大為803 kN，如遇雨、雪、大霧等不良天氣將無(wú)法起動(dòng)。通過理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，HXD型單機(jī)牽引10 500 t的限制上坡道為4‰，天氣不良情況下列車被迫停在4‰坡道，或停車位置大于4‰坡道，列車均不能起動(dòng)。

通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常出現(xiàn)司機(jī)在限制坡道前不利用動(dòng)能闖坡，列車運(yùn)行速度低于HXD型機(jī)車計(jì)算速度65 km/h，導(dǎo)致機(jī)車第1轉(zhuǎn)向架第1，2軸粘著力減弱自動(dòng)減載，司機(jī)依舊憑借交—直傳動(dòng)機(jī)車防空轉(zhuǎn)操縱經(jīng)驗(yàn)盲目退手柄，機(jī)車各軸串激電動(dòng)機(jī)同時(shí)卸載，牽引能力嚴(yán)重喪失而發(fā)生途停或列車通過限制坡道電分相時(shí)速度低，司機(jī)急于投入較大牽引力搶速閃斷車鉤等事故。

1.3 列車空氣制動(dòng)操縱安全風(fēng)險(xiǎn)

1.3.1 制動(dòng)過程安全風(fēng)險(xiǎn)

列車空氣制動(dòng)從機(jī)車開始，列車前部車輛依次產(chǎn)生制動(dòng)減速，后部車輛向前涌動(dòng)并產(chǎn)生壓鉤力，產(chǎn)生制動(dòng)的車輛越多，減速度也越大，車鉤壓縮力從前向后逐漸增大，隨著制動(dòng)車輛增多，向前涌動(dòng)的車輛減小，壓鉤力傳遞到后部車輛達(dá)到最大值后開始減弱。以大秦鐵路的單元萬(wàn)噸重載列車進(jìn)行常用全制動(dòng)、緊急制動(dòng)停車試驗(yàn)結(jié)果為例，一列編組為 HXD10005 + SY997050 + C80×105輛 + HXD10004(備用)，總重10 756.7 t，計(jì)長(zhǎng)117.7的單元萬(wàn)噸重載列車，從湖東至柳村間利用長(zhǎng)大下坡道、平直道，列車初速80 km/h的條件下實(shí)施緊急制動(dòng)及最大常用全制動(dòng)停車試驗(yàn)。緊急制動(dòng)停車試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示，常用全制動(dòng)停車試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

萬(wàn)噸單元重載列車在平直道、長(zhǎng)大下坡道進(jìn)行緊急制動(dòng)工況試驗(yàn)出現(xiàn)了大于1 000 kN車鉤力，最大車鉤力地點(diǎn)為-12‰長(zhǎng)大下坡道64 km 600 m處，第85位車壓鉤力1 528 kN。列車常用全制動(dòng)最大車鉤力地點(diǎn)-12‰長(zhǎng)大下坡道K324 + 235處，第52位車壓鉤力690 kN。試驗(yàn)表明，制動(dòng)減壓量與列車縱向壓鉤力成正比關(guān)系，萬(wàn)噸單元列車制動(dòng)產(chǎn)生的壓鉤力傳遞到后部三分之二車輛處達(dá)到最大值。單元萬(wàn)噸重載列車采取大減壓量制動(dòng)可引起85位車輛附近較大縱向沖動(dòng)，緊急制動(dòng)產(chǎn)生的壓鉤力會(huì)引起一串車輛Z字形轉(zhuǎn)向和翻車。

1.3.2 緩解過程安全風(fēng)險(xiǎn)

緩解列車制動(dòng)從機(jī)車開始逐輛緩解并消減制動(dòng)力，緩解車輛與制動(dòng)車輛形成拉鉤力逐步向后傳遞，仿真及試驗(yàn)表明，拉鉤力傳遞至后部車輛2/3處達(dá)到最大值后開始減弱，列車制動(dòng)減壓量與縱向拉鉤力成正比關(guān)系。依據(jù)牽引計(jì)算并結(jié)合列車運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)論、操縱經(jīng)驗(yàn)證明，列車正常情況下使用空氣制動(dòng)調(diào)速采取初制動(dòng)減壓量可以滿足列車控制速度需要。

單元萬(wàn)噸重載列車緩解速度規(guī)定不得低于30 km/h考慮列車緩解后，初制動(dòng)減壓量的緩解時(shí)間15—20 s，緩解速度低于30 km/h，列車降速幅度10 km/h左右，由于閘瓦摩擦系數(shù)與速度成反比關(guān)系，后部車輛2/3處必然形成很大的縱向拉力，極易損壞車鉤及緩沖器。例如，某線2003年低速緩解斷鉤案例：某次編組C64K型110輛、總重10 280 t、計(jì)長(zhǎng)132.0，茶塢站3道正線停車時(shí)距出站信號(hào)739 m，40 km/h減壓60 kPa，速度降至26 km/h追減至70 kPa，走行15 s，17 km/h制動(dòng)排風(fēng)未結(jié)束低緩，8 s后11 km/h列車管降零，機(jī)后50位與51位分離約5 m遠(yuǎn)，第50位后鉤舌斷。

1.4 機(jī)車通過電分相區(qū)操縱安全風(fēng)險(xiǎn)

（1）當(dāng)電分相處于連續(xù)上坡道地段時(shí)，機(jī)車通過電分相若低于規(guī)定速度，易造成機(jī)車斷電后速度快速下降而被迫停于無(wú)電區(qū)。因此，根據(jù)規(guī)定，乘務(wù)區(qū)段要制定各型機(jī)車擔(dān)當(dāng)不同類別列車通過限制坡道電分相最低速度值。

（2）當(dāng)機(jī)車通過電分相后，列車因受坡道附加阻力影響，列車車鉤均處于壓縮狀態(tài)，機(jī)車合電后如果司機(jī)投入牽引力較大、較快，車鉤間隙被快速拉開時(shí)引起的沖動(dòng)力可能造成車鉤斷裂。

表2 緊急制動(dòng)停車試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Results of emergency braking and stop tests

表3 常用全制動(dòng)停車試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Results of common full stop tests

2 降低單元萬(wàn)噸重載列車操縱安全風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策

為完善單元萬(wàn)噸重載列車的操縱辦法，提高司機(jī)的操縱技能，穩(wěn)定設(shè)備質(zhì)量和保證運(yùn)輸安全，針對(duì)常見的4種存在操縱安全風(fēng)險(xiǎn)的工況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操縱經(jīng)驗(yàn)[4]，采取試驗(yàn)仿真和專家咨詢的方式，提出降低單元萬(wàn)噸重載列車操縱安全風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策[5-6]。

2.1 機(jī)車工況轉(zhuǎn)換操縱安全風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

針對(duì)因機(jī)車工況轉(zhuǎn)換時(shí)間短而造成的牽引故障及縱向沖動(dòng)問題，研究提出單元萬(wàn)噸重載列車操縱過程中，機(jī)車工況轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔應(yīng)不少于8 s。此外，運(yùn)行過程中應(yīng)保證施加牽引或動(dòng)力制動(dòng)力時(shí)調(diào)速手柄由“零位”先輸出50 kN，待全列車鉤狀態(tài)穩(wěn)定后再逐步加載至目標(biāo)值；解除牽引或動(dòng)力制動(dòng)力時(shí)先減載50%，全列車鉤狀態(tài)穩(wěn)定再退至50 kN，停頓后調(diào)速手柄回“零位”。起伏坡道運(yùn)行應(yīng)盡力保持機(jī)車工況穩(wěn)定，變坡點(diǎn)采取小牽引力通過，減少列車沖動(dòng)。

2.2 站內(nèi)及坡道起車操縱安全風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

2.2.1 站內(nèi)起車操縱

針對(duì)站內(nèi)起車操縱存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，提出站內(nèi)“三段”起車操縱法，具體操縱方法為：起車前司機(jī)確認(rèn)列車尾部風(fēng)壓應(yīng)滿足580 kPa，第一階段調(diào)速手柄先輸出較小牽引力50 kN (雙機(jī)牽引時(shí)為總力值)，稍作停留使機(jī)車與車輛車鉤平緩拉伸；第二階段再加大牽引力不超過300 kN，并適量撒砂實(shí)現(xiàn)全列車鉤平穩(wěn)拉伸并緩緩起動(dòng)；第三階段全列啟動(dòng)再逐步增加牽引力達(dá)速運(yùn)行，并保持車鉤狀態(tài)穩(wěn)定。

2.2.2 坡道起車操縱

針對(duì)坡道起車操縱存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，研究提出以下操縱辦法。

（1）“車車聯(lián)控”法。長(zhǎng)大上坡道關(guān)系站前特別是天氣不良時(shí)，本務(wù)司機(jī)與關(guān)系站，前、后行列車司機(jī)通過機(jī)車綜合無(wú)線通信設(shè)備CIR主動(dòng)聯(lián)系列車位置及當(dāng)前速度，合理掌握列車間隔，必要時(shí)司機(jī)主動(dòng)請(qǐng)求在關(guān)系坡道前方站停車避讓。

（2）“動(dòng)能闖坡”法。上坡道運(yùn)行，司機(jī)采用“先闖后爬，闖爬結(jié)合”闖坡操縱辦法。坡前高速“貼線”運(yùn)行，爬坡充分發(fā)揮機(jī)車牽引力并預(yù)防性撒砂，利用“HXD型機(jī)車通過電子防空轉(zhuǎn)/滑行系統(tǒng)檢測(cè)各輪對(duì)粘著控制信號(hào)，經(jīng)微機(jī)控制單元(TCU)單獨(dú)控制逆變器輸出電壓和頻率調(diào)節(jié)單臺(tái)電機(jī)尋求最佳工作點(diǎn)，自動(dòng)撒砂使機(jī)車獲得較大平均粘著利用系數(shù)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既不空轉(zhuǎn)又能充分發(fā)揮牽引力”特點(diǎn)，當(dāng)機(jī)車微機(jī)控制單元自動(dòng)減載某軸(轉(zhuǎn)向架)牽引力期間司機(jī)不應(yīng)盲目退手柄，防止機(jī)車牽引功率降低后發(fā)生坡停事故。

（3）坡停有預(yù)想。司機(jī)遇特殊情況被迫坡道停車時(shí)應(yīng)盡量避開曲線、隧道等起車阻力較大地段，選擇坡道相對(duì)較小有利于起車地點(diǎn)停車，分相前停車應(yīng)留有2 000 m起車加速距離。坡道停車時(shí)應(yīng)注意：自閥“初制動(dòng)位”減壓后，司機(jī)可依據(jù)停車地點(diǎn)追加減壓，注意適量撒砂，降速至5 km/h單閥投入制動(dòng)，停穩(wěn)追減至100 kPa，停車時(shí)適量撒砂。坡道起車時(shí)應(yīng)注意：列車前方200 m內(nèi)的軌面應(yīng)預(yù)先鋪砂，司機(jī)先緩解單閥，牽引手柄分段給至100 kN力后緩解自閥，9 s內(nèi)逐步將牽引力給最大，實(shí)現(xiàn)逐輛起動(dòng)，注意適時(shí)撒砂，嚴(yán)禁將牽引力一次施加到位或“拉鋸式”給退手柄，如起動(dòng)失敗應(yīng)立即停車匯報(bào)，請(qǐng)求救援。

2.3 列車空氣制動(dòng)操縱安全風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

隨著重載鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，列車軸重和編組長(zhǎng)度不斷增加，列車在制動(dòng)過程中縱向沖動(dòng)會(huì)隨之增大。車輛斷鉤、脫鉤和脫軌等貨物列車事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全和運(yùn)輸效率。

針對(duì)單元萬(wàn)噸重載列車實(shí)施空氣制動(dòng)過程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)牽引計(jì)算及運(yùn)行試驗(yàn)，提出了具體的操縱對(duì)策：?jiǎn)卧f(wàn)噸列車正常調(diào)速宜采用初制動(dòng)減壓；一次減壓量超過60 kPa或追加減壓時(shí)應(yīng)停車緩解；列車緩解速度必須滿足列車管充風(fēng)2.5 min需求；最低緩解速度不小于30 km/h。發(fā)現(xiàn)危及本列安全時(shí)，要立即采取緊急停車措施，遇地面信號(hào)突變可采取最大減壓量停車。

2.4 機(jī)車通過電分相區(qū)操縱安全風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

針對(duì)機(jī)車過分相后，由于司機(jī)操縱不當(dāng)易引起車鉤斷裂的問題，研究提出了機(jī)車的過分相操縱辦法如下。

（1）通過上坡道分相的速度必須滿足安全通過要求。“禁止雙弓標(biāo)”前，司機(jī)分段將牽引力退至“零位”，確認(rèn)機(jī)車過分相“斷合”電、輔機(jī)啟動(dòng)正常再分段輸出牽引力，防止一次給較大牽引力“閃斷”車鉤。

（2）通過長(zhǎng)大下坡道分相時(shí)列車可保持空氣制動(dòng)，“禁止雙弓標(biāo)”前，司機(jī)分段將動(dòng)力制動(dòng)力退至“零位”，機(jī)車過分相“斷電”后及時(shí)按壓“單緩”按鈕，確認(rèn)“合電”及輔機(jī)啟動(dòng)正常再分段輸出動(dòng)力制動(dòng)力，恢復(fù)“單緩”按鈕，確認(rèn)“單緩”指示燈滅。

（3）通過起伏坡道分相時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制速度，確保在分相前、后保持機(jī)車牽引/動(dòng)力制動(dòng)工況不變。

3 結(jié)束語(yǔ)

單元萬(wàn)噸重載列車的平穩(wěn)操縱研究能夠有效降低牽引能耗、保障列車運(yùn)行安全、提高貨運(yùn)運(yùn)輸效率，是影響重載列車創(chuàng)新發(fā)展的重要因素之一[7-8]。通過將理論計(jì)算、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式，針對(duì)仿真及事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的突出問題，研究提出相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策，并形成具體的司機(jī)操縱方式方法，能夠有效解決4種典型工況下的操縱安全問題，對(duì)于已開行重載貨物列車的鐵路線路及鐵路局集團(tuán)公司機(jī)務(wù)專業(yè)職工和管理人員的技術(shù)工作起到指導(dǎo)作用，為重載鐵路貨物運(yùn)輸安全效率的提升產(chǎn)生促進(jìn)意義。