160 km/h客貨共線鐵路長大坡道對(duì)貨物列車運(yùn)行性能的影響

張生玉， 寸冬冬， 張樹鵬

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

0 引言

近年來，我國陸續(xù)開通了多條客貨共線160 km/h速度等級(jí)線路，主要有川藏鐵路拉薩—林芝段、寧啟鐵路南通—啟東段等，川藏鐵路拉薩—林芝段最大坡度為12‰，寧啟鐵路南通—啟東段最大坡度為6‰。磨萬鐵路磨丁—萬榮段最大坡度為24‰，16‰及以上的坡道長度合計(jì)89.3 km，占該段線路長度的31.6%。與其他線路相比，磨萬鐵路的坡度明顯偏大，對(duì)貨物列車的運(yùn)行性能會(huì)產(chǎn)生一定影響。

貨物列車在上坡區(qū)段運(yùn)行時(shí)受機(jī)車牽引能力的限制，速度有所降低，在下坡區(qū)段運(yùn)行時(shí)機(jī)車施加再生制動(dòng)或全列空氣制動(dòng)來控制車速，對(duì)貨車運(yùn)行性能有一定影響［1-2］?；谀トf鐵路動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)對(duì)大坡道區(qū)段貨物列車運(yùn)行速度和貨車動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究與分析。

1 線路簡介

磨萬鐵路采用中國標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，為客貨共線Ⅰ級(jí)單線鐵路［3］，正線全長422.441 km，設(shè)計(jì)速度160 km/h。最小曲線半徑一般地段2 000 m、困難地段1 600 m，限制坡度為12‰（磨丁—萬榮段加力段為24‰）。磨萬鐵路沿線80%為山地和高原，孟賽以北為中低山區(qū)，與中國云貴高原相接；孟賽—萬榮段為中高山、中低山區(qū)，地形起伏較大；萬榮—豐洪段為低山丘陵地貌；豐洪—萬象段為河谷平原及緩丘區(qū)，地形平坦開闊。磨萬鐵路全線海拔高度示意見圖1。

圖1 磨萬鐵路全線海拔示意圖

磨萬鐵路設(shè)計(jì)貨物列車牽引質(zhì)量3 000 t，采用2臺(tái)HXD3C 型電力機(jī)車牽引，貨物列車最高運(yùn)行速度受下坡制動(dòng)限制，在磨丁—萬榮段最高速度為90 km/h，萬榮—萬象段最高速度為105 km/h。

2 機(jī)車車輛及列車編組

貨物檢測列車主要由HXD3C 型機(jī)車［4］和C70型通用敞車［5］（C70型是指 C70、C70H、C70E或 C70EH，下同）組成。機(jī)車和貨車的主要參數(shù)分別見表1、表2。

表1 HXD3C型機(jī)車主要參數(shù)

表2 C70型貨車主要參數(shù)

貨物檢測列車編組39 輛（不含機(jī)車），由36 輛C70型貨車、2輛C64K型貨車（作為隔離車）、1輛試驗(yàn)客車組成，牽引質(zhì)量約3 000 t。38 輛貨車中，重車29 輛、空車9 輛，重車按照車輛的標(biāo)記載質(zhì)量裝載。2 輛動(dòng)力學(xué)測試車均為C70E型，空車、重車各1 輛。列車長度558 m（不含機(jī)車），采用2 臺(tái)HXD3C 型機(jī)車重聯(lián)牽引，機(jī)車軸重25 t，制動(dòng)主管壓力600 kPa。由于列車編組需求，尾部加掛了1 臺(tái)HXD3C 型機(jī)車，列車運(yùn)行時(shí)不頂推。

從圖1可以看出，磨萬鐵路磨丁—萬榮段線路坡度大，在長大上坡道時(shí)2 臺(tái)機(jī)車必須施加較大的牽引力，因此機(jī)車和列車前部的車輛會(huì)承受較大的拉鉤力；在長大下坡道時(shí)，機(jī)車施加再生制動(dòng)或全列空氣制動(dòng)來控制列車速度，會(huì)在列車中產(chǎn)生大的壓鉤力。為保證列車中的客車和空車在上下行方向均不承受大的縱向力，在方便現(xiàn)場作業(yè)的基礎(chǔ)上，對(duì)列車編組進(jìn)行調(diào)整，上下行方向采用不同編組，將客車和空車始終編在列車后部（見圖2）。

圖2 貨物列車編組示意圖

3 長大坡道列車運(yùn)行速度分析

根據(jù)磨萬鐵路貨物檢測列車的動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)，在磨丁—萬榮間坡度較大的上坡區(qū)段和下坡區(qū)段，列車運(yùn)行速度都有不同程度下降，通過牽引和制動(dòng)兩方面進(jìn)行分析。

3.1 機(jī)車牽引能力分析

為研究2 臺(tái)HXD3C 型機(jī)車牽引3 000 t 貨物列車在通過長大上坡道時(shí)列車運(yùn)行速度受坡度的影響，對(duì)在20‰和24‰兩種坡度上運(yùn)行時(shí)的列車平衡速度、全列處于上坡道時(shí)列車起車能力進(jìn)行牽引計(jì)算。計(jì)算條件如下：HXD3C型機(jī)車軸重25 t，雙機(jī)重聯(lián)，牽引系數(shù)取0.9，貨車車型為C70，重車軸重23 t。計(jì)算結(jié)果表明：全列處于24‰上坡道時(shí)，起動(dòng)阻力為855 kN，2 臺(tái)HXD3C 型機(jī)車可以牽引3 000 t 貨物列車起車。計(jì)算可得20‰和24‰兩種坡度上的列車平衡速度分別為65.8、46.2 km/h。

動(dòng)態(tài)檢測時(shí)，貨物列車通過2種坡度速度達(dá)到穩(wěn)定后的運(yùn)行速度實(shí)測結(jié)果見表3。可見，實(shí)測運(yùn)行速度與計(jì)算平衡速度基本吻合，計(jì)算結(jié)果略低。

表3 通過不同上坡道時(shí)的列車速度實(shí)測值

上行方向帕當(dāng)—嘎西間VBK142—VBK152 是貨物列車運(yùn)行較為困難的區(qū)段，17‰～24‰連續(xù)上坡道總長度達(dá)7 419 m，VBK142+914處有1處分相點(diǎn)。貨物列車第1 天試驗(yàn)中在該區(qū)段出現(xiàn)了3 次接觸網(wǎng)斷電現(xiàn)象，發(fā)生斷電時(shí)列車所處線路情況如下：第1次斷電發(fā)生在列車從10‰上坡道進(jìn)入20‰上坡道后，客車?yán)锍蘓BK142+879（客車距機(jī)車560 m），列車速度62.5 km/h；第2 次斷電發(fā)生在全列處于17‰上坡道上，客車?yán)锍蘓BK148+622，列車速度50.2 km/h；第3 次斷電發(fā)生在列車從20‰ 上坡道轉(zhuǎn)入24‰ 上坡道，客車?yán)锍蘓BK143+655，列車速度49.9 km/h。

根據(jù)試驗(yàn)當(dāng)天地方變電站實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，外電115 kV 地方變電站最高電壓為120.30 kV，最低電壓僅為103.51 kV，已超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中電壓波動(dòng)允許范圍。此外，變電所饋線保護(hù)定值參數(shù)較低也是此次發(fā)生斷電的原因之一。針對(duì)上述情況對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行以下調(diào)整：地方變電站采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)却胧┰鰪?qiáng)供電能力，使網(wǎng)壓保持穩(wěn)定；按照牽引變壓器能力調(diào)整變電所饋線保護(hù)定值參數(shù)；將牽引變壓器分接擋位由4 擋調(diào)整為5 擋，以提高供電臂接觸網(wǎng)電壓。采取以上調(diào)整措施后，后續(xù)試驗(yàn)中貨物列車可正常通過該區(qū)段，未發(fā)生接觸網(wǎng)斷電現(xiàn)象?？梢?，貨物列車在坡度較大上坡道運(yùn)行時(shí)，用電負(fù)荷大，需供電系統(tǒng)充分滿足機(jī)車的牽引功率需求。

VBK140—VBK156 間線路海拔及坡度示意見圖3，正常通過該區(qū)段時(shí)的列車速度實(shí)測曲線見圖4。可見，在坡度為22.6‰～24.0‰的上坡區(qū)段，列車速度保持在50 km/h 左右，進(jìn)入14.0‰～17.0‰上坡道后，列車速度逐漸增加。

圖3 VBK140—VBK156間海拔及坡度示意圖

圖4 VBK140—VBK156間列車速度實(shí)測曲線

3.2 制動(dòng)方式對(duì)列車速度的影響

貨物列車在下坡道運(yùn)行時(shí)，坡度較小區(qū)段機(jī)車可采用再生制動(dòng)將列車速度控制在相對(duì)穩(wěn)定水平，列車平均速度較高；坡道較大區(qū)段則必須進(jìn)行空氣制動(dòng)配合再生制動(dòng)來控制列車速度，空氣制動(dòng)后保壓使列車減速達(dá)到適當(dāng)速度時(shí)再進(jìn)行緩解［6］，在長大下坡道往往需要進(jìn)行多次制動(dòng)—緩解過程來調(diào)速，列車平均速度相對(duì)較低。

磨萬鐵路上行方向VBK387+561—VBK391+811是-16‰坡道，長度4 250 m，貨物檢測列車通過該區(qū)段時(shí)，機(jī)車只采用再生制動(dòng)，可將列車速度控制在要求的速度級(jí)±3 km/h 范圍內(nèi)，列車運(yùn)行平穩(wěn)，縱向沖動(dòng)小。上行方向VBK326+207—VBK333+307 是-20‰坡道，長度7 100 m，列車通過該區(qū)段時(shí)，機(jī)車僅采用再生制動(dòng)不足以控制列車速度，需進(jìn)行全列空氣制動(dòng)，減壓量一般為50 kPa，緩解速度在68 km/h 左右。90 km/h速度級(jí)試驗(yàn)時(shí)貨物列車通過以上2個(gè)區(qū)段的實(shí)測速度對(duì)比見表4，可以看出，-16‰坡道上僅采用再生制動(dòng)控制車速，列車通過該坡道的平均速度為89.4 km/h，最低速度89.0 km/h；-20‰坡道上進(jìn)行空氣制動(dòng)配合再生制動(dòng)控制車速，列車通過該坡道的平均速度為78.7 km/h，最低速度66.0 km/h。可見，采用空氣制動(dòng)調(diào)速時(shí)，為確保列車有充足的再充風(fēng)時(shí)間，緩解速度相對(duì)較低，導(dǎo)致坡道通過的平均速度明顯低于僅用再生制動(dòng)調(diào)速情況。

表4 通過不同下坡道時(shí)的列車速度實(shí)測值（90 km/h速度級(jí)）

本次磨萬鐵路動(dòng)態(tài)檢測的貨物列車編組3 000 t，與我國重載列車相比噸位較小，但磨萬鐵路坡度明顯大于我國重載線路，如大秦線重車方向最大坡度為-12‰，瓦日線［7］下行方向最大坡度-13‰，因此，磨萬鐵路貨物列車操縱存在一定困難。從重載列車既有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，長大下坡道采用電空配合循環(huán)制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速是列車操縱的難點(diǎn)。采用空氣制動(dòng)調(diào)速時(shí)，在制動(dòng)和緩解過程中，由于前后車輛存在不同步性，制動(dòng)時(shí)頭部機(jī)車和前部車輛首先產(chǎn)生制動(dòng)作用，后部未制動(dòng)車輛前涌，會(huì)在列車中產(chǎn)生壓鉤力。列車緩解時(shí)，機(jī)車和前部車輛首先緩解，與后部未緩解的車輛間出現(xiàn)拉伸現(xiàn)象，在列車中產(chǎn)生拉鉤力；后部車輛緩解后又?jǐn)D壓前部車輛產(chǎn)生壓鉤力，形成“先拉后壓”現(xiàn)象。與制動(dòng)過程相比，緩解過程中列車的縱向沖動(dòng)及由此產(chǎn)生的拉鉤力和壓鉤力更大。采用再生制動(dòng)時(shí)，前部車輛承受的壓鉤力與機(jī)車施加的再生制動(dòng)力相同，為避免機(jī)車車輛承受很大的壓鉤力，再生制動(dòng)力也不宜過大。較大的壓鉤力對(duì)機(jī)車和車輛尤其是空車的安全性有一定影響，特別是在小半徑曲線和側(cè)向通過道岔時(shí)，壓鉤力會(huì)產(chǎn)生一定的橫向分力，造成脫軌系數(shù)等參數(shù)超標(biāo)，應(yīng)盡量避免。

由于磨萬鐵路磨丁—萬榮段地形起伏大，無論是上行方向還是下行方向，都存在坡度為20‰左右的上坡區(qū)段和下坡區(qū)段，在正常開行貨物列車時(shí)，需要不斷優(yōu)化列車操縱方案，避免產(chǎn)生大的縱向力。在下坡區(qū)段時(shí)合理利用再生制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速，可以減少空氣制動(dòng)的調(diào)速次數(shù)，提高列車通過的平均速度，并可適當(dāng)降低車輛輪對(duì)和閘瓦的磨耗。

4 貨車動(dòng)力學(xué)性能分析

在磨丁—萬榮段下行方向，線路存在多處長大下坡道，坡度為-20‰及以上的坡道共計(jì)15 處。從本次試驗(yàn)來看，貨物列車在超過-20‰的長大下坡道運(yùn)行時(shí)需采用空氣制動(dòng)配合再生制動(dòng)進(jìn)行調(diào)速，機(jī)車施加再生制動(dòng)會(huì)在列車中產(chǎn)生縱向壓鉤力，進(jìn)行空氣制動(dòng)時(shí)制動(dòng)和緩解過程中會(huì)引起縱向沖動(dòng)，產(chǎn)生拉鉤力和壓鉤力［8］，對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能可能產(chǎn)生影響［9］。針對(duì)本次動(dòng)態(tài)檢測的實(shí)際線路，選取一段典型下坡道分析車輛通過時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能。

下行方向在VBK319+007—VBK311+457 區(qū)段，坡度-20‰，坡道長度7 550 m，R3 500 m和R5 000 m曲線各1處，貨物列車通過該區(qū)段時(shí)的平均速度為63.7 km/h、最高速度為73.9 km/h，期間進(jìn)行多次空氣制動(dòng)調(diào)速，列車緩解速度在50～60 km/h，該區(qū)段的實(shí)測速度-里程曲線見圖5。

圖5 典型區(qū)段實(shí)測速度-里程曲線

為對(duì)比分析制動(dòng)對(duì)貨車動(dòng)力學(xué)性能的影響，選取同一區(qū)段在上行方向、列車處于上坡、機(jī)車牽引工況下的貨車動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，列車通過時(shí)的平均速度為59.3 km/h，速度基本穩(wěn)定。

列車通過該區(qū)段時(shí)動(dòng)力學(xué)測試車（空車）在上坡、下坡方向運(yùn)行時(shí)的測試數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖見圖6—圖8，可見，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均符合要求，且數(shù)值較小。對(duì)比上坡與下坡的數(shù)據(jù)可以看出，下坡較上坡時(shí)脫軌系數(shù)和輪軸橫向力略大，輪重減載率基本相同，主要原因是下坡時(shí)最高速度73.9 km/h，平均速度63.7 km/h，明顯大于上坡時(shí)速度。

圖6 脫軌系數(shù)散點(diǎn)圖

圖8 輪重減載率散點(diǎn)圖

總體來看，在當(dāng)前機(jī)車操縱和列車速度條件下，長大下坡區(qū)段列車制動(dòng)對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能未造成明顯影響，動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)較小主要是由于列車運(yùn)行速度相對(duì)較低、線路中無小半徑曲線。

圖7 輪軸橫向力散點(diǎn)圖

5 結(jié)束語

通過對(duì)磨萬鐵路長大坡道對(duì)貨物列車運(yùn)行性能影響的分析可知，在保證牽引供電能力的情況下，2 臺(tái)HXD3C型機(jī)車牽引3 000 t貨物列車在磨萬鐵路長大坡道可以順利通過；貨物列車通過長大下坡道時(shí)，在滿足坡度限速要求的前提下盡量采用再生制動(dòng)控制車速，減少空氣制動(dòng)的調(diào)速次數(shù)，可明顯提高列車通過的平均速度；在所研究的機(jī)車操縱和列車速度條件下，長大下坡道進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)對(duì)貨車動(dòng)力學(xué)性能未造成明顯影響。建議160 km/h 客貨共線鐵路設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證應(yīng)充分考慮牽引供電能力對(duì)貨物列車通過長大坡道運(yùn)行的影響。