蒙內鐵路長大下坡道制動試驗及計算分析

文 / 韓占濤 劉剛 馮洋

引言

蒙內鐵路即蒙巴薩—內羅畢鐵路，位于非洲東北部印度洋沿海國家肯尼亞共和國境內南部，是肯尼亞的第一條標準鐵路，也是東非路網(wǎng)的第一段鐵路，2014年9月開工建設，于2017年5月底建成通車[1]。 由當?shù)胤侵拗氰F路運營有限責任公司（以下簡稱非洲之星公司）參照中國鐵路管理模式負責運營[2]。

蒙內鐵路正線全長470.282km，為單線站間自動閉塞客貨并行一級線路，現(xiàn)階段采用內燃機車牽引運行，為遠期預留電氣化線路改造空間。如圖1 所示，蒙巴薩至內羅畢方向為下行方向，采用DF8型內燃機車牽引客運列車以時速120km運行，采用DF11型內燃機車雙機重聯(lián)牽引貨運列車以時速80km運行。

值得注意的是蒙內鐵路起點站蒙巴薩港(K7+000)位于大陸沿海，其軌面標高僅為7m，K412+650m處軌面標高達到最高為1657.191m，終點站內羅畢(K470+000)位于內陸高原，其軌面標高為1638m。

圖1蒙內鐵路示意圖

這意味著自蒙巴薩港至內羅畢下行方向全線基本為連續(xù)上坡道，其最大坡度為12‰，反之上行方向全線幾乎一直處于下坡道運行。全線換算坡度超過6‰的區(qū)間多達10個，累計坡道長度達259.6km，占全線總長54%；其中坡度最小6.34‰，最大9.66‰，最短區(qū)間長度8591m，最長區(qū)間長度可達20839m；最大坡度12‰的最長區(qū)間長度可達8926m，全線多處符合我國《鐵路技術管理規(guī)程（普速鐵路部分）》中第274條的規(guī)定?？梢姡^為特殊的地理因素導致蒙內鐵路具有中外鐵路較為罕見的長大坡道線路特點。

蒙內鐵路無論是客運還是貨運均采用DF型內燃機車，隨著運行里程的增加，燃油和冷卻水的消耗使得機車自重減輕，進而導致黏著力降低，最終減低牽引和制動性能，加之受到采油機和主發(fā)電機功率的限制，使得內燃機車的整體性能和功率均弱于電力機車。當內燃機車牽引列車在在長大坡道區(qū)段運行時，上坡段容易發(fā)生坡停甚至可能引發(fā)二次事故，下坡段惰行時可能因動力制動不足而發(fā)生輪軌滑行。

可見針對蒙內鐵路的線路條件和采用內燃機車牽引的現(xiàn)實情況，為了保證安全高效的運輸質量，有針對性的進行長大下坡道牽引試驗并制定相關的安全控制體系十分必要。

圖2試驗列車編組示意圖

國內對鐵路長大下坡道行車安全的相關研究開始于上世紀九十年代初期。錢立新登針對鐵路長大下坡道行車安全進行了較為系統(tǒng)的理論研究[3]。王青元，林軒等針對貨運列車在長大下坡道空氣制動無法恒速且兩次空氣制動之間需滿足緩解再充風的特點，以實際中普遍采用的50—70kPa減壓調速為依據(jù)，研究了長大下坡道上最優(yōu)的操縱策略[4]。而隨著大秦鐵路，朔黃鐵路等重載線路的投入運營，與長大下坡相關的研究涉及空氣制動運用，車鉤受力分析，坡道選擇以及相關的仿真優(yōu)化[5]-[8]。

本文以蒙內鐵路為工程背景，首先介紹了蒙內鐵路的經(jīng)濟價值及經(jīng)濟意義，然后介紹了長大下坡道現(xiàn)場牽引試驗的情況并對試驗結果進行分析，并采用理論計算和軟件計算兩種方式，分析了不同坡度下坡段120km/h緊急制動時的制動距離，不同坡度下坡段800m制動距離所對應的制動速度，計算結果為蒙內鐵路長大下坡行車安全控制體系的制定提供支撐和依據(jù)。

1 蒙內鐵路經(jīng)濟價值及政治意義

蒙內鐵路下行方向起點站蒙巴薩港，是肯尼亞最大港口也是東非第一大港，亞非航線東非終點站，東非工商業(yè)中心，海陸空交通運輸重要的樞紐，其中轉貨物覆蓋盧旺達，坦桑尼亞，扎伊爾，南蘇丹，剛果(金)等國，年集裝箱吞吐量超過25萬個。內羅畢為肯尼亞首都，是東非地區(qū)最大的城市，也是未來輻射東非路網(wǎng)的主要樞紐站。基于現(xiàn)階段的實際狀況，蒙內鐵路開行客車2—4對，上桌率超過97%；貨車8—10對。沿線穿越山地、東非大裂谷及多處國家公園。可見蒙內鐵路對肯尼亞國內以至于東非境內的商品運輸，旅客運輸，旅游發(fā)展等具有重要的經(jīng)濟價值。

蒙內鐵路連接肯尼亞首都和最大港口城市，是肯尼亞獨立以來最大的基礎設施建設項目，也是肯尼亞實現(xiàn)2030年國家發(fā)展遠景的旗艦工程，對于肯尼亞國內以及區(qū)域內非洲各國的政治穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展起到重要的支撐作用。蒙內鐵路的建設也是基于我國“一帶一路”國家戰(zhàn)略的需要，是進一步鞏固中—肯關系的重要紐帶和保證[9]。

綜上所述，針對蒙內鐵路所存在的連續(xù)長大坡道的線路條件和采用東風內燃機車牽引的現(xiàn)實情況，進行相關的長大坡道牽引試驗分析，針對性制定長大坡道行車相關的管理制度和辦法措施是蒙內鐵路安全高效運營的重要保證。

2 長大坡道緊急制動試驗及LKJ數(shù)據(jù)分析

一方面為構建蒙內鐵路長大坡道行車安全控制體系提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，另一方面為確保蒙內鐵路客貨列車長大坡道運行的安全性，特選取蒙內鐵路最具代表性的長大下坡區(qū)段進行列車緊急制動試驗。

如圖2所示，該次緊急制動試驗采用DF11型內燃機車進行牽引，共17輛編組運行，牽引總重929t，總長446m。選取阿西河—路肯尼亞區(qū)間（K447+289—K448+389）作為試驗區(qū)間，該區(qū)間為11.7‰下坡道，當運行速度達到118km/h時施行緊急制動，重點關注緊急制動距離這一與運行安全直接相關的重要因素。

圖3為制動試驗時機車的LKJ數(shù)據(jù)。如圖3(a)所示，圖中距離0點對應實際里程標K469+495，此時機車運行速度29km/h。整個試驗分為三部分進行：(I) 第一次減壓調速，施行常用制動，機車運行速度由29km/h降至21km/h，制動時長25s，制動距離約為200m；(II) 當機車運行3500m左右時達到117km/h速度，此時進行第二次減壓調速，司機施行常用制動，機車速度降至92km/h，降速25km/h，制動時長85s，制動距離2539m；(III) 當機車運行至8676m時進入試驗區(qū)段，機車速度達到最大118km/h，此時司機施行緊急制動,當機車運行至9566m距離時，速度降為0，完成制動，降速118km/h，制動時長50s，制動距離890m。由圖3(b)可知，在實施緊急制動前有t1=85s的充風時間，充風時間充足。實施緊急制動后直至列車管壓為0經(jīng)過t2=3s時間，均符合規(guī)章要求。實施緊急制動后檢查機車，車輛走行部各部件均無異常，機車部分踏面有輕微磨損變色的現(xiàn)象。

圖3制動試驗LKJ數(shù)據(jù)分析

3 制動工況計算分析

本節(jié)采用采用理論計算的方式和鐵科研機輛研究所電算軟件分別對上述試驗中的緊急制動時的制動距離進行計算，計算結果得到驗證后進一步計算不同坡度和不同速度時的制動距離，進而為長大下坡道緊急制動相關標準的制定提供依據(jù)。

根據(jù)蒙內鐵路的實際運行情況，DF11機車采用粉末冶金合成閘瓦，客車采用高摩合成閘片，通過表1和表2可以計算得出17輛編組，15輛編組以及12輛編組時百頓閘瓦壓力。

根據(jù)表1表2，DF11機車換算至高磷鑄鐵閘瓦時的壓力為

編組17輛客車車輛換算到高磷鑄鐵閘瓦時的壓力為

所以編組17輛整列百噸閘瓦壓力為

對應可以依次計算得到編組為15輛客車和12輛客車時的百噸閘瓦壓力分別為841kN和812kN，依據(jù)技規(guī)261條24表中每百噸閘瓦壓力低于760kN時需限速運行的相關規(guī)定，蒙內旅客列車目前運行速度符合規(guī)定，不需限速。

依據(jù)《牽規(guī)》中相關計算公式可知

緊急制動時間

空走距離

制動距離為

式中：v0為制動初速度km/h，vm為制動末速度km/h，φh為換算摩擦系數(shù)，按照平均速度(v0+vm)/2取值， h為列車換算制動率，βc為常用制動系數(shù)，緊急制動時取1，w0為列車單位基本阻力N/kN，按平均速度(v0+vm)/2取值，計算列車制動距離時，w0可以用車輛單位基本阻力w0"代替。ij為制動地段的坡度千分數(shù)。

表1不同摩擦材料劃算閘瓦壓力的二次換算系數(shù)

表2機車和車輛換算閘瓦(片)壓力表

以制動試驗相關參數(shù)為例計算，12‰坡道，初速度v0為120km/h，vm末速度為0，βc=1，換算制動率盤型制動取0.32，換算摩擦系數(shù)0.278，w0取2.94，計算可得空走距離為148.7m，制動距離為751.6m，總制動距離為900.3m，與現(xiàn)場試驗結果保持一致。利用試湊法限定制動距離為800m，則可以算出緊急制動速度為112km/h，以此類推如圖4所示，可見隨著坡度的不斷增加，緊急制動速度線性減小。當坡度為5‰時，緊急制動速度為119km/h也可以符合制動距離800m的要求。

圖4不同坡度下緊急制動速度理論計算值

采用經(jīng)過驗證的鐵科研機輛所電算軟件針對17輛編組和12輛編組兩種不同編組情況下，120km/h制動速度下的制動距離以及800m以內制動距離所對應的緊急制動速度進行計算，結果如表3及圖5所示

圖5不同坡度下緊急制動距離理論計算值

表3兩種編組方式制動距離軟件計算結果

值得注意的是當采用17輛編組方式，在12‰的坡道上，以120km/h的速度實施緊急制動時，其制動距離計算結果為902m，這與理論計算以及現(xiàn)場制動試驗的結果保持一致，也意味著理論計算和軟件計算結果較為可靠，可以作為長大下坡道上行車相關規(guī)定制定的計算依據(jù)。無論時17輛編組還是12輛編組時，其制動距離均隨坡度增大而線性增大。當采用17輛編組時，為了使得列車在800m制動距離以內完成制動，當坡度為12‰時，建議其制動速度不高于112km/h，坡度6‰以下時，建議其制動速度不高于118km/h。

4 結論

本文以蒙內鐵路(蒙巴薩—內羅畢)為工程背景，首先介紹并分析了蒙內鐵路所處的特殊的地理位置和以及由此導致的特殊的長大下坡道占比較大的線路特點，進一步分析了蒙內鐵路安全運營對肯尼亞國內和東非地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展以及政治穩(wěn)定的重要意義，以及對中—肯關系，乃至中—非關系長期穩(wěn)定發(fā)展的重要意義。而長大下坡道的安全行車是保證蒙內鐵路安全運營的重中之重，所以重點介紹了12‰長大下坡道上進行緊急制動試驗的情況，對試驗機車的LKJ數(shù)據(jù)進行分析，一方面對試驗結果進行深入分析，另一方面對理論計算和軟件計算的計算結果進行驗證。最終采用理論計算和軟件計算對120km/h制動速度下，不同坡度上緊急制動距離和800m制動距離內的不同坡度下的制動速度進行計算，旨在為蒙內鐵路長大下坡道的安全行車運營以及整體安全控制體系的制定提供有效可靠的試驗依據(jù)和理論支撐。

基于以上的分析，可以得到以下幾點結論：

(1) 蒙內鐵路起點蒙巴薩港位于沿海地勢較低的平原地帶，而重點內羅畢位于內陸高原，海拔可達1650m左右，特殊的地理特點導致蒙內鐵路全線長大下坡道占比超過50%，制定針對性的安全行車規(guī)范以及安全控制體系十分重要。

(2) 采用DF11內燃機車牽引，17輛編組，在11.7‰長大下坡路段以制動速度為118km/h進行緊急制動試驗，通過對LKJ數(shù)據(jù)進行分析可知，制動距離為890m；緊急制動前有85s充風時間，充風時間充足；實施緊急制動后列車管壓經(jīng)過3s減為0，符合規(guī)章要求。實施緊急制動后檢查機車，車輛走行部各部件均無異常，機車部分踏面有輕微磨損變色的現(xiàn)象。

(3) 理論計算和軟件計算結果與試驗結果保持一致，通過計算可知以120km/h制動速度緊急制動，制動距離隨坡度增加線性增加；800m制動距離要求下，隨著坡度增加，制動速度線性減小。

(4) 根據(jù)計算結果可知，采用17輛編組時，為了使得列車在800m制動距離以內完成制動，當坡度為12‰時，建議其制動速度不高于112km/h，坡度6‰以下時，建議其制動速度不高于118km/h。