定壓對(duì)貨物列車(chē)限速及運(yùn)行時(shí)分的?影響研究

0 引言

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《技規(guī)》)第261條規(guī)定：旅客列車(chē)、特快及快速貨物班列自動(dòng)制動(dòng)機(jī)主管壓力為600 kPa；其他列車(chē)為500 kPa。長(zhǎng)大下坡道區(qū)段貨物列車(chē)及重載貨物列車(chē)的自動(dòng)制動(dòng)機(jī)主管壓力，由鐵路局集團(tuán)公司根據(jù)管內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果和列車(chē)實(shí)際操縱需要可提高至600 kPa[1]。各鐵路局集團(tuán)公司依據(jù)這一條款及各自線路、運(yùn)輸?shù)膶?shí)際情況，對(duì)局管內(nèi)的貨物列車(chē)制動(dòng)主管壓力進(jìn)行進(jìn)一步規(guī)定。

目前，貨物列車(chē)制動(dòng)主管定壓實(shí)施500 kPa的有6個(gè)鐵路局集團(tuán)公司，分別為中國(guó)鐵路沈陽(yáng)、成都、上海、廣州、南寧、南昌局集團(tuán)有限公司；制動(dòng)主管定壓實(shí)施600 kPa的有5個(gè)鐵路局集團(tuán)公司，分別為中國(guó)鐵路西安、太原、呼和浩特、烏魯木齊局以及青藏集團(tuán)有限公司；制動(dòng)主管定壓500 kPa與600 kPa并存的有7個(gè)鐵路局集團(tuán)公司，分別為中國(guó)鐵路北京、哈爾濱、鄭州、武漢、濟(jì)南、蘭州、昆明局集團(tuán)有限公司。制動(dòng)主管定壓為500 kPa和600 kPa長(zhǎng)期并存的局面，使部分列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中需進(jìn)行定壓轉(zhuǎn)換，對(duì)列車(chē)的運(yùn)行效率產(chǎn)生了影響，同時(shí)還帶來(lái)了一定的車(chē)輛抱閘風(fēng)險(xiǎn)，因而有必要開(kāi)展統(tǒng)一定壓的研究[2-3]。

由于不同的制動(dòng)主管定壓下，列車(chē)的最大制動(dòng)力不同，每百?lài)嵙熊?chē)重量換算閘瓦壓力也不同。根據(jù)《技規(guī)》規(guī)定，普通貨物列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道運(yùn)行時(shí)，應(yīng)按照每百?lài)嵙熊?chē)重量換算閘瓦壓力及下坡道坡度進(jìn)行列車(chē)制動(dòng)限速，故研究制動(dòng)主管統(tǒng)一定壓?jiǎn)栴}，需考慮定壓變化對(duì)列車(chē)限速及運(yùn)行時(shí)分的影響[4-5]。

1 換算閘瓦壓力

為保證列車(chē)運(yùn)行安全，必須保證列車(chē)具有足夠的制動(dòng)能力使之在限定的制動(dòng)距離內(nèi)停車(chē)，因此需要對(duì)列車(chē)的制動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算校核。對(duì)于由各種不同車(chē)型混編而成的貨物列車(chē)，列車(chē)制動(dòng)力計(jì)算公式為

式中：B為列車(chē)制動(dòng)力，kN；Bi為車(chē)輛的制動(dòng)力，kN；Ki為車(chē)輛的實(shí)算閘瓦壓力，kN；φki為與閘瓦壓力相對(duì)應(yīng)的實(shí)算摩擦系數(shù)。

在列車(chē)運(yùn)用的過(guò)程中，部分車(chē)輛由于裝載貨物的規(guī)定，或自動(dòng)制動(dòng)機(jī)臨時(shí)故障而導(dǎo)致車(chē)輛制動(dòng)關(guān)門(mén)。為方便實(shí)際工作中的運(yùn)用，便于車(chē)輛部門(mén)按編組逐輛統(tǒng)計(jì)計(jì)算列車(chē)制動(dòng)力，需要以輛為單位來(lái)計(jì)算每輛貨車(chē)的閘瓦制動(dòng)力。

假定閘瓦摩擦系數(shù)與閘瓦壓強(qiáng)無(wú)關(guān)，用不隨閘瓦壓強(qiáng)變化的換算摩擦系數(shù)φh代替實(shí)算摩擦系數(shù)，并將實(shí)際閘瓦壓力修正為換算閘瓦壓力，則每輛貨車(chē)的制動(dòng)力計(jì)算公式為

式中：Khi為車(chē)輛的換算閘瓦壓力，kN。

我國(guó)鐵路貨車(chē)制動(dòng)機(jī)均采用二壓力機(jī)構(gòu)，按照其設(shè)計(jì)原理，貨車(chē)的制動(dòng)缸最高壓力取決于副風(fēng)缸和制動(dòng)缸的壓力容積比。列車(chē)制動(dòng)主管采用不同定壓時(shí)，副風(fēng)缸充滿(mǎn)時(shí)的壓力不同，從而影響制動(dòng)缸壓力。對(duì)于裝用120閥的貨車(chē)，制動(dòng)主管定壓為500 kPa時(shí)，最大制動(dòng)缸壓力為360 kPa；制動(dòng)主管定壓為600 kPa時(shí)，最大制動(dòng)缸壓力為420 kPa；而裝用120-1閥的貨車(chē)，在定壓600 kPa條件下的最大制動(dòng)缸壓力達(dá)到470 ～ 480 kPa，故不同定壓條件下的車(chē)輛換算閘瓦壓力有所不同?！都家?guī)》第261條第20表規(guī)定了不同軸重貨車(chē)分別在定壓500 kPa，600 kPa下的每輛換算閘瓦壓力，所規(guī)定的不同軸重貨車(chē)換算閘瓦壓力如表1所示。對(duì)于不同的列車(chē)，牽引定數(shù)不同，需根據(jù)貨車(chē)的每輛換算閘瓦壓力、列車(chē)編組的貨車(chē)類(lèi)型和數(shù)量、列車(chē)牽引總重，進(jìn)一步計(jì)算貨物列車(chē)的每百?lài)崜Q算閘瓦壓力。每百?lài)崜Q算閘瓦壓力實(shí)際上表征了列車(chē)制動(dòng)率，代表了列車(chē)的空氣制動(dòng)能力。

表1 貨車(chē)換算閘瓦壓力Tab.1 Equivalent force on brake shoes of trains

目前，我國(guó)普速鐵路的貨物列車(chē)均由各型貨車(chē)混編而成。但是，不同軸重下的貨車(chē)種類(lèi)品種較多，其自重、總重不盡相同，因而需綜合考慮全路數(shù)量占絕大多數(shù)的敞車(chē)、棚車(chē)、平車(chē)、罐車(chē)4種車(chē)來(lái)計(jì)算列車(chē)每百?lài)崜Q算閘瓦壓力。按照《技規(guī)》第259條第16表車(chē)輛重量及長(zhǎng)度，考慮不利情況，在21 t軸重、23 t軸重、25 t軸重貨車(chē)中，P65型棚車(chē)、P70型棚車(chē)、C80型敞車(chē)的自重和總重最大，而C64K和C70型敞車(chē)數(shù)量最大，因而取這幾種貨車(chē)分別進(jìn)行計(jì)算，不同工況下的每百?lài)崜Q算閘瓦壓力如表2所示。

表2 不同工況下的每百?lài)崜Q算閘瓦壓力 kNTab.2 Equivalent force on brake shoes per 100 tons under different conditions

貨車(chē)空重車(chē)調(diào)整裝置對(duì)制動(dòng)缸壓力的調(diào)節(jié)作用并非按照貨車(chē)的總重成比例調(diào)整。以定壓500 kPa為例，C70型敞車(chē)空車(chē)時(shí)車(chē)輛自重23.8 t，制動(dòng)缸壓力為140 kPa，而重車(chē)時(shí)車(chē)輛總重為93.8 t，制動(dòng)缸壓力為360 kPa。因此，貨車(chē)空車(chē)工況的制動(dòng)率比重車(chē)工況要大得多。從表2也可以看出，重車(chē)工況比空車(chē)工況的列車(chē)每百?lài)崜Q算閘瓦壓力低得多。因此考慮列車(chē)制動(dòng)限速時(shí)更宜采用重車(chē)工況。

對(duì)于空車(chē)工況，按最不利情況來(lái)考慮，編入列車(chē)的關(guān)門(mén)車(chē)數(shù)量為6%，每百?lài)崜Q算閘瓦壓力最低的車(chē)型為P65型棚車(chē)，定壓500 kPa時(shí)，其值為216.9 kN，接近220 kN。重車(chē)工況下，列車(chē)無(wú)關(guān)門(mén)車(chē)時(shí)，每百?lài)崜Q算閘瓦壓力分別為170 kN和190 kN；考慮編入列車(chē)的關(guān)門(mén)車(chē)數(shù)量為6%，則定壓500 kPa和定壓600 kPa下的每百?lài)崜Q算閘瓦壓力分別約為160 kN和180 kN。各車(chē)型的每百?lài)崜Q算閘瓦壓力均滿(mǎn)足《技規(guī)》換算閘瓦壓力不得低于150 kN的要求，可據(jù)此來(lái)計(jì)算列車(chē)制動(dòng)限速。

2 列車(chē)制動(dòng)限速

列車(chē)在線路上的最高運(yùn)行速度受到列車(chē)制動(dòng)能力的影響。列車(chē)應(yīng)當(dāng)具有在限制的緊急制動(dòng)距離范圍內(nèi)停車(chē)的能力，否則就需要對(duì)列車(chē)進(jìn)行限速，此即為列車(chē)制動(dòng)限速。當(dāng)列車(chē)中存在較多的制動(dòng)關(guān)門(mén)車(chē)時(shí)，列車(chē)制動(dòng)率會(huì)減小，列車(chē)制動(dòng)距離將相應(yīng)延長(zhǎng)；當(dāng)列車(chē)處于下坡道時(shí)，由于坡道下滑力的影響，列車(chē)的制動(dòng)減速度將會(huì)減小，坡度越大，則列車(chē)的制動(dòng)距離也將越長(zhǎng)[6]。因此，列車(chē)運(yùn)行速度受到每百?lài)嵙熊?chē)重量換算閘瓦壓力及下坡道坡度限制。根據(jù)列車(chē)牽引計(jì)算[7]，列車(chē)制動(dòng)距離Sz等于制動(dòng)空走距離Sk與制動(dòng)有效距離Se之和，其計(jì)算公式為

式中：v0為制動(dòng)初速，km/h；tk為制動(dòng)空走時(shí)間，s；v1，v2分別為速度間隔的初速和末速，km/h；?h為列車(chē)換算制動(dòng)率；w0為列車(chē)運(yùn)行單位基本阻力，N/kN；ij為坡道坡度，‰。

在一定的列車(chē)編組情況下，列車(chē)制動(dòng)距離受到列車(chē)換算閘瓦壓力、摩擦系數(shù)及坡道的影響。

根據(jù)不同定壓下的每百?lài)嵙熊?chē)重量換算閘瓦壓力，按照列車(chē)制動(dòng)距離800 m限值計(jì)算列車(chē)制動(dòng)限速，可得貨物列車(chē)分別以80 km/h和90 km/h運(yùn)行的限速表。不同工況下的貨物列車(chē)制動(dòng)限速如表3所示。

表3 不同工況下的貨物列車(chē)制動(dòng)限速Tab.3 Speed limit of freight trains under different conditions

對(duì)于空車(chē)工況，按前述最不利情況下列車(chē)定壓500 kPa下每百?lài)崜Q算閘瓦壓力約為220 kN，按照《技規(guī)》第21表，貨車(chē)在20‰及以上坡道運(yùn)行才需進(jìn)行坡道限速。而從表3可以看出，在現(xiàn)有貨車(chē)(重車(chē))按80 km/h限速運(yùn)行條件下，考慮關(guān)門(mén)車(chē)6%，定壓500 kPa時(shí)列車(chē)運(yùn)行在14‰下坡道才需要限速，定壓600 kPa時(shí)在19‰下坡道才需要限速。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行客貨共線鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[8]，I級(jí)鐵路區(qū)間線路中內(nèi)燃機(jī)車(chē)和電力機(jī)車(chē)最大限制坡度困難條件下分別不大于12‰和15‰，II級(jí)鐵路中內(nèi)燃機(jī)車(chē)和電力機(jī)車(chē)最大限制坡度不大于15‰和20‰。因此，現(xiàn)有情況下貨物列車(chē)按最高速度90 km/h運(yùn)行，則定壓500 kPa和600 kPa時(shí)分別在5‰和10‰下坡道運(yùn)行時(shí)需要進(jìn)行制動(dòng)限速；按最高速度80 km/h運(yùn)行，在國(guó)鐵主要干線上則基本無(wú)需考慮長(zhǎng)大下坡道百?lài)崜Q算閘瓦壓力限速。

3 列車(chē)運(yùn)行時(shí)分

列車(chē)區(qū)間運(yùn)行時(shí)分是列車(chē)運(yùn)行圖的組成要素，它是列車(chē)在兩相鄰車(chē)站或線路之間的運(yùn)行時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，包括區(qū)間純運(yùn)行時(shí)分和起停車(chē)附加時(shí)分。列車(chē)運(yùn)行時(shí)分受到線路的平面、縱斷面條件和列車(chē)的運(yùn)行速度、運(yùn)行方向的影響。因此，不同定壓下的列車(chē)制動(dòng)限速不同，會(huì)造成列車(chē)運(yùn)行時(shí)分的調(diào)整，繼而影響到區(qū)間通過(guò)能力。

定壓500 kPa和600 kPa的列車(chē)在平直道上的制動(dòng)距離均滿(mǎn)足限值要求，制動(dòng)限速主要是由于線路中的長(zhǎng)大下坡道造成的。從表3中的制動(dòng)限速值來(lái)看，在坡度為20‰的長(zhǎng)大下坡道上，定壓500 kPa和600 kPa的列車(chē)制動(dòng)限速分別為72 km/h和78 km/h。對(duì)于同一坡度值(9‰及以上)，在不同制動(dòng)主管定壓情況下，定壓600 kPa時(shí)的限速值 比 定 壓 500 kPa 高 5 ～ 6 km/h，因此影響貨物列車(chē)在區(qū)間內(nèi)的平均運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)分。假定列車(chē)平均運(yùn)行速度相差5 km/h，按不同坡道長(zhǎng)度計(jì)算，不同平均運(yùn)行速度下的運(yùn)行時(shí)分如表4所示。

由表4計(jì)算結(jié)果可知，坡道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，平均運(yùn)行速度越低，列車(chē)的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間相應(yīng)增加越多。平均運(yùn)行速度相差5 km/h，每1 km長(zhǎng)的長(zhǎng)大下坡道造成的運(yùn)行時(shí)分相差約為3 ～ 5 s，若長(zhǎng)大下坡道長(zhǎng)度為10 km，平均運(yùn)行速度分別按60 km/h和55 km/h計(jì)算時(shí)，運(yùn)行時(shí)分相差54 s。列車(chē)制動(dòng)主管定壓從600 kPa調(diào)整為500 kPa，會(huì)使長(zhǎng)大坡道上的列車(chē)限速值和平均運(yùn)行速度降低約5 km/h，但從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，采用不同制動(dòng)主管定壓對(duì)列車(chē)運(yùn)行時(shí)分的總體影響較小。

表4 不同平均運(yùn)行速度下的運(yùn)行時(shí)分 sTab.4 Running time under different average speeds

4 列車(chē)運(yùn)行仿真計(jì)算

4.1 襄渝線仿真計(jì)算

襄渝線(襄陽(yáng)—興隆場(chǎng))是國(guó)家Ⅰ級(jí)客貨共線鐵路，其中襄陽(yáng)至老河口東與漢丹線共線，老河口東至重慶興隆場(chǎng)全長(zhǎng)837 km。襄渝線是典型的山區(qū)鐵路，具有坡道大、曲線多、半徑小的基本技術(shù)特征[9]。襄渝線長(zhǎng)大下坡道及限速如表5所示。

表5 襄渝線長(zhǎng)大下坡道及限速Tab.5 Long and large downhill sections of Xiangyang-Chongqing Railway and speed limit

綜合襄渝線長(zhǎng)大下坡道分布和機(jī)車(chē)交路情況，選擇老河口東(K0.701)至達(dá)州(K587.832)區(qū)間進(jìn)行牽引計(jì)算。采用前述計(jì)算原理計(jì)算長(zhǎng)大下坡道的制動(dòng)限速，結(jié)合襄渝線的其他類(lèi)型限速、坡道、分相等線路條件，依據(jù)列車(chē)牽引計(jì)算對(duì)貨物列車(chē)運(yùn)行時(shí)分進(jìn)行仿真[10]。上行、下行方向運(yùn)行均途經(jīng)全部長(zhǎng)大坡道，列車(chē)編組采用HXD1機(jī)車(chē)牽引4 500 t(C64K型敞車(chē))貨車(chē)。襄渝線區(qū)間運(yùn)行時(shí)分仿真計(jì)算結(jié)果如表6所示，襄渝線小花果至胡家營(yíng)區(qū)間運(yùn)行圖如圖1所示，圖1為小花果至胡家營(yíng)區(qū)間下行方向，最高運(yùn)行速度80 km/h。

圖1 襄渝線小花果至胡家營(yíng)區(qū)間運(yùn)行圖Fig.1 Running chart of Xiaohuaguo-Hujiaying section of Xiangyang-Chongqing Railway

表6 襄渝線區(qū)間運(yùn)行時(shí)分仿真計(jì)算結(jié)果 minTab.6 Simulation results of running time of Xiangyang-Chongqing Railway

計(jì)算結(jié)果表明，老河口東至達(dá)州區(qū)間全長(zhǎng)587.1 km，按最高速度90 km/h運(yùn)行，定壓600 kPa時(shí)的運(yùn)行時(shí)分與定壓500 kPa時(shí)相比，下行方向運(yùn)行時(shí)分相差21 s，上行方向運(yùn)行時(shí)分僅相差4 s，故2種主管定壓對(duì)列車(chē)全程運(yùn)行時(shí)分的影響很小。

4.2 其他主要貨運(yùn)線路仿真計(jì)算

我國(guó)地勢(shì)的總體特征是西高東低，呈階梯狀分布，造成我國(guó)鐵路的困難地段主要集中于部分東西走向的線路及西部山區(qū)鐵路?？紤]定壓變化對(duì)列車(chē)限速及運(yùn)行時(shí)分的影響，結(jié)合實(shí)際線路條件，選擇滬昆線(上?！ッ?、隴海線(蘭州—連云)、寧西線(永寧鎮(zhèn)—新豐鎮(zhèn))、太中銀鐵路(太原南—銀川)、侯月鐵路(侯馬北—月山)、石太鐵路(石家莊北—太原北)等主要貨運(yùn)線路也進(jìn)行了長(zhǎng)大下坡道研究和運(yùn)行仿真分析。針對(duì)每條線路的長(zhǎng)大下坡道計(jì)算制動(dòng)限速，同樣結(jié)合其他類(lèi)型限速、坡道、分相等線路條件對(duì)各條線路的典型交路進(jìn)行運(yùn)行時(shí)分仿真，得到線路仿真計(jì)算的主要結(jié)果如下。

（1）列車(chē)按最高速度80 km/h運(yùn)行時(shí)，主管定壓變化不影響線路限速，不影響列車(chē)運(yùn)行時(shí)分。

（2）列車(chē)按最高速度90 km/h運(yùn)行，制動(dòng)主管定壓分別為500 kPa和600 kPa，在長(zhǎng)大下坡道區(qū)間運(yùn)行時(shí)，區(qū)間運(yùn)行時(shí)分相差最多的區(qū)段為太中銀鐵路吳城至173線路所，區(qū)間長(zhǎng)度27.7 km，其中長(zhǎng)大下坡道長(zhǎng)25 km，下行方向運(yùn)行時(shí)分相差1 min 17 s；其他區(qū)間運(yùn)行時(shí)分相差基本在1 min以?xún)?nèi)。長(zhǎng)大下坡道限速對(duì)各線路運(yùn)行交路的運(yùn)行時(shí)分影響最多為太中銀線上行方向，中鼎物流園至定邊區(qū)間長(zhǎng)492.7 km，運(yùn)行時(shí)分相差4 min 6 s；其他交路上下行相差均在2 min以?xún)?nèi)。

5 結(jié)論

我國(guó)貨物列車(chē)制動(dòng)主管定壓為500 kPa和600 kPa的局面長(zhǎng)期并存。不同的制動(dòng)主管定壓會(huì)使列車(chē)每百?lài)崜Q算閘瓦壓力發(fā)生變化，從而影響其緊急制動(dòng)距離、限速和運(yùn)行時(shí)分。通過(guò)研究得出以下結(jié)論。

（1）貨車(chē)按最高速度80 km/h運(yùn)行條件下，定壓500 kPa時(shí)在14‰及以上的下坡道才需要限速，定壓600 kPa時(shí)在19‰及以上的下坡道上需要限速。而普速鐵路主要線路的限制坡度均在15‰以下，因此按最高速度80 km/h運(yùn)行時(shí)，定壓變化帶來(lái)的坡道限速不影響線路限速，不影響列車(chē)運(yùn)行時(shí)分。

（2）若貨車(chē)按最高速度90 km/h運(yùn)行，定壓500 kPa和600 kPa時(shí)分別在5‰和10‰及以上的下坡道才需要限速。但由于列車(chē)運(yùn)行時(shí)分受到線路限速、坡道、分相等多重因素制約，定壓變化對(duì)列車(chē)運(yùn)行時(shí)分影響很小。