環(huán)境溫度升高對重載列車管壓波動及制動力的影響分析

王 剛，宋逸飛，于永生，盧小永

（大秦鐵路股份有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，太原 030024）

大秦線是我國第一條電氣化重載運煤專線，每 日 大 量 開 行2 萬t 重 載 組 合 列 車［1］。2 萬t 重 載組合列車采用“HXD1+HXD1”的牽引模式，共牽引C80車輛210 輛。列車管是重載列車進(jìn)行空氣制動調(diào)速的關(guān)鍵部件，貫穿整列重載組合列車。在極長的編組模式下，列車管容易受到環(huán)境溫度變化影響產(chǎn)生波動。如果列車管壓力波動較大引起初制動時減壓量偏大，會造成制動力增大，在緩解時極易引起大的縱向沖動，影響行車安全。目前為防止減壓量過大引起縱向沖動，在列車管減壓量超過55 kPa 時，重載組合列車需要停車緩解，這對運輸組織造成了很大的影響。

據(jù)統(tǒng)計，大秦線在試閘區(qū)段和某隧道附近發(fā)生多起重載組合列車停車緩解事件，其中某隧道附近發(fā)生的停車緩解事件主要集中在冬季（1~3月）。對機(jī)車6A 設(shè)備在機(jī)車走行部布置的溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在這些事件發(fā)生時，環(huán)境溫度均有升高的趨勢。

1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

大秦線2022 年上半年發(fā)生的重載組合列車初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解多數(shù)發(fā)生在試閘區(qū)段以及某隧道附近。在試閘區(qū)段發(fā)生的初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解事件統(tǒng)計情況見表1，由表1 可以看出，在此處發(fā)生初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解跟季節(jié)關(guān)聯(lián)性不大，但對具體發(fā)生初制動減壓量偏大停車緩解的車次進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)多數(shù)發(fā)生在中午時刻。

表1 1 月~6 月大秦線試閘區(qū)段初制動減壓量偏大停車緩解統(tǒng)計

2022 年上半年大秦線某隧道處發(fā)生的因初制動減壓量偏大導(dǎo)致重載組合列車停車緩解事件的統(tǒng)計情況見表2，由表2 可以看出，1~3 月某隧道附近發(fā)生的初制動減壓量偏大停車緩解占了多數(shù)，4~6 月發(fā)生的總數(shù)及占比均有明顯下降，表現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)性。

表2 1 月~6 月大秦線軍都山隧道附近初制動減壓量偏大停車緩解統(tǒng)計

統(tǒng)計大秦線2022 年6 月發(fā)生的初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解共計24 趟車的保壓試驗漏泄情況，發(fā)現(xiàn)20 趟漏泄速率為0 kPa/min，3 趟漏泄速率為0.3 kPa/min，1 趟漏泄速率為1 kPa/min，平均漏泄速率為0.08 kPa/min。發(fā)生初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解的列車絕大多數(shù)漏泄情況良好，并非因列車管漏泄造成減壓量偏大。

1.1 線路情況分析

大秦線試閘區(qū)段位于大同縣至陽原縣之間，地勢平坦開闊，線路處于下坡道。

大秦線某隧道附近冬季（1~3 月）發(fā)生數(shù)起初制動減壓量偏大導(dǎo)致重載組合列車停車緩解事件，此位置對應(yīng)大秦線第二個循環(huán)制動區(qū)段的第一把閘。對線路縱斷面信息查看可知，此次制動剛好位于軍都山隧道內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 隧道處制動區(qū)段縱斷面圖

相關(guān)研究表明，華北地區(qū)隧道內(nèi)溫度有較強(qiáng)的季節(jié)性，隧道口區(qū)段最低溫度從1~5 月約升高30 ℃，隧道中間區(qū)段最低溫度從1~5 月約升高9 ℃。

冬季隧道內(nèi)氣溫呈隧道口低、隧道中間高的分布趨勢，夏季呈隧道口高、隧道中間低的分布趨勢［2］，即隧道內(nèi)“冬暖夏涼”。隧道口區(qū)段受外界環(huán)境溫度影響比較大，隧道中間區(qū)段受外界環(huán)境溫度影響比較小。當(dāng)隧道長度達(dá)3 000 m，1 月最寒冷時隧道中間區(qū)段溫度與隧道口區(qū)段溫度最高溫差可達(dá)約25 ℃。

1.2 機(jī)車記錄數(shù)據(jù)分析

大秦線的重載組合列車采取定壓為600 kPa，緩解時一般均衡風(fēng)缸壓力為598~602 kPa，列車管壓力為593~596 kPa，列車制動時，均衡風(fēng)缸與列車管壓力均減至約545 kPa，均衡風(fēng)缸減壓量約55 kPa，列車管減壓量約50 kPa。為了防止制動力過強(qiáng)導(dǎo)致緩解時產(chǎn)生較大的縱向沖動危及行車安全，在大秦線重載組合列車的列車管減壓量超55 kPa 時，規(guī)定必須停車緩解。

對大秦線發(fā)生在某隧道處初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解的某一趟車主控機(jī)車記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該趟車在某隧道附近初制動時均衡風(fēng)缸與列車管的減壓情況如圖2 所示。可以看出，在減壓前，均衡風(fēng)缸的壓力穩(wěn)定在601 kPa，從6∶38 進(jìn)入隧道開始至6∶48 列車管的壓力，逐漸從594 kPa 升高至602 kPa，升高8 kPa。制動結(jié)束后，均衡風(fēng)缸壓力約為546 kPa，減壓量為55 kPa；列車管壓力約為545 kPa，減壓量為57 kPa。

圖2 軍都山隧道處某趟重載組合列車列車管與均衡風(fēng)缸壓力變化示意圖

機(jī)車走行部設(shè)有環(huán)境溫度傳感器記錄了對應(yīng)時刻的環(huán)境溫度變化情況，如圖3 所示。從6∶38列車進(jìn)入隧道開始至6∶48，傳感器記錄的環(huán)境溫度從-5 ℃升至1 ℃，升溫6 ℃。

圖3 軍都山隧道處某趟重載組合列車走行部采集環(huán)境溫度示意圖

由于上升的環(huán)境溫度向列車管中的壓力空氣傳遞較為緩慢，滯后于本身的溫升，另外在溫度傳遞過程中還會有一部分的能量損耗，且在機(jī)車進(jìn)入隧道時，還有部分車輛未進(jìn)入隧道，列車管所處環(huán)境溫度并非完全相同，因此列車管中壓力空氣的實際溫升并不會達(dá)到傳感器記錄的溫升那么大，造成的壓力升高不會達(dá)到理論計算值。據(jù)統(tǒng)計，在冬季軍都山隧道內(nèi)設(shè)備監(jiān)測的環(huán)境溫度一般升高5~7 ℃，列車管壓力升高4~6 kPa。

隨著季節(jié)變化，隧道外環(huán)境溫度升高，隧道內(nèi)外溫差逐漸減小，在隧道附近發(fā)生的初制動減壓量偏大現(xiàn)象減少很多。在試閘區(qū)段發(fā)生的減壓量偏大與季節(jié)無關(guān)聯(lián)性，但很大一部分發(fā)生在接近中午時刻。

在試閘區(qū)段附近發(fā)生減壓量偏大的某趟列車始發(fā)站發(fā)車至試閘區(qū)段初制動時主、從控機(jī)車列車管壓力及走行部監(jiān)測的環(huán)境溫度趨勢如圖4 所示。主控機(jī)車走行部記錄環(huán)境溫度從17 ℃升至24 ℃，升溫7 ℃，列車管壓力從594 kPa 升至600 kPa，上升6 kPa；從控機(jī)車走行部記錄環(huán)境溫度從17 ℃升至24 ℃，升溫7 ℃，列車管壓力從592 kPa 上升至600 kPa，上升8 kPa。在正常初制動列車管減壓至545 kPa 時，列車管的減壓量為55 kPa。

圖4 試閘區(qū)段處某趟重載組合列車主、從控機(jī)車列車管壓力及環(huán)境溫度變化示意圖

據(jù)統(tǒng)計，在接近中午時，試閘區(qū)段處環(huán)境溫升一般為3~9 ℃，引起的列車管壓力上升約3~9 kPa。6 月大秦線重載組合列車在試閘區(qū)段發(fā)生減壓量偏大的環(huán)境溫度變化與管壓變化散點圖如圖5 所示。

圖5 6 月份試閘區(qū)段環(huán)境溫升及列車管壓力升高散點圖

由上述分析可以看出，環(huán)境溫度升高引起的列車管壓力升高在列車初制動減壓時，會疊加在原有的減壓量上，即原列車管從約595 kPa 減壓至約545 kPa，溫度升高后，列車管從約（595+Δ溫度引起壓力變化）減 壓 至 約545 kPa，減 壓 量增大。

2 理論計算

理想氣體狀態(tài)方程（Ideal Gas Law）是描述理想氣體在處于平衡態(tài)時，壓強(qiáng)、體積、溫度之間關(guān)系的狀態(tài)方程。理想氣體是人們對實際氣體簡化而建立的一種理想模型，理想氣體具有以下2 個特點：

（1）分子本身不占有體積。

（2）分子之間無相互作用力。

實際應(yīng)用中把溫度不太低、壓強(qiáng)不太高條件下的氣體可以近似看作理想氣體。

理想氣體狀態(tài)方程建立在波義爾—馬略特定律、查理定律、蓋—呂薩克定律的基礎(chǔ)上，由法國科學(xué)家克拉珀龍于1834 年提出，因此又稱克拉珀龍方程。理想氣體狀態(tài)方程為式（1）：

式中：p為壓強(qiáng)，Pa；V為氣體體積，m3；T為溫度，K；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；R為摩爾氣體常數(shù)，J/mol?K，一般取值8.31。

對于密閉空間內(nèi)的氣體來說，氣體體積V與氣體的物質(zhì)的量n為常數(shù)，摩爾氣體常數(shù)R也為常數(shù)，此時溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系為式（2）：

壓強(qiáng)p與溫度T成正比，溫度越高，壓強(qiáng)越大，溫度越低，壓強(qiáng)越小。

對于重載組合列車的列車管而言，在緩解充風(fēng)結(jié)束之后，不考慮列車管漏泄，列車管內(nèi)空氣的物質(zhì)的量n維持不變，列車管的總體積V維持不變，摩爾氣體常數(shù)R維持不變，由此可得式（3）：

式 中：p為壓強(qiáng)，Pa，T為溫度，K，轉(zhuǎn)換為℃為式（4）：

大秦線重載組合列車列車管定壓為600 kPa，當(dāng)溫度從25 ℃升至26 ℃時，根據(jù)上式計算得管壓從600 kPa 上升至602.01 kPa，上升2.01 kPa。當(dāng)溫度從0 ℃升至1 ℃時，根據(jù)上式計算得管壓從600 kPa 上升至602.20 kPa，上升2.20 kPa。

在列車管定壓600 kPa 不同起始溫度升高1 ℃時，列車管壓力升高數(shù)值統(tǒng)計見表3。

表3 列車管定壓600 kPa 時不同起始溫度升高1 ℃時管壓變化統(tǒng)計

在列車管定壓600 kPa，起始溫度為25 ℃，升高不同溫度時，列車管壓力升高數(shù)值統(tǒng)計見表4。

表4 列車管定壓600 kPa，起始溫度為25 ℃，升高不同溫度時管壓變化統(tǒng)計

由上述表3、表4 可以看出，溫度升高1 ℃，列車管壓力約升高2 kPa。

現(xiàn)實情況中，實際列車管管壓升高數(shù)值小于理論計算數(shù)值，這由以下幾點原因造成：

（1）上升的環(huán)境溫度向列車管中的空氣傳遞是一個緩慢的過程，滯后于環(huán)境本身的溫度上升，列車管的溫度上升過程中其溫度低于環(huán)境溫度。

（2）列車管并非完全密閉的空間，或多或少存在漏泄情況，這在一定程度上減小了管壓上升幅度。

（3）理想氣體狀態(tài)方程是理想環(huán)境中得出，現(xiàn)實環(huán)境與理想環(huán)境還存在差異，溫度升高到壓力升高的過程中還有能量損耗。

3 列車管壓波動對制動力的影響分析

列車管與副風(fēng)缸的壓力在沒有到達(dá)足夠的減壓量時，二者相等。制動時候，進(jìn)入制動缸內(nèi)的空氣是由副風(fēng)缸與列車管壓力平衡時副風(fēng)缸排出的［3］，根據(jù)列車管、副風(fēng)缸、制動缸3 者之間的壓強(qiáng)關(guān)系推導(dǎo)得到式（5）：

式中：pz為制動缸空氣壓力，kPa；VF為副風(fēng)缸容積，L；VZ為制動缸容積；r為列車管的減壓量。對于120-1 型制動機(jī)，副風(fēng)缸容積為50 L，制動缸尺寸為254×305 mm（直徑×行程），容積為11.3 L，由此得到式（6）：

當(dāng)正常列車管減壓50 kPa 時，由上式計算制動缸壓力為121 kPa。當(dāng)列車管減壓量達(dá)到55 kPa時，制動缸壓力為143.1 kPa。

實際計算閘瓦壓力K應(yīng)考慮制動倍率及制動傳動效率［4］，即為式（7）：

制動缸活塞桿推力P（單位：kN）為式（8）：

式中：pz為制動缸中空氣壓力，kPa；dz為制動缸直徑，m。

C80B型敞車的制動倍率為7.3，按TB/T 1407.1—2018《列車牽引計算》規(guī)定：貨車閘瓦制動的傳動效率取值0.90（90%），實際經(jīng)車輛段閘瓦壓力試驗測得傳動效率只能達(dá)到約50%，這里取50% 更接近現(xiàn)場實際值。1 輛C80B型敞車的閘瓦總壓力可由上述公式計算得到。

當(dāng)列車管減壓量為50 kPa 時，1 輛C80B型敞車的閘瓦總壓力為22.38 kN，當(dāng)列車管減壓量為55 kPa 時，1 輛C80B型敞車的閘瓦總壓力為26.47 kN。

列車制動時，在輪軌間保持靜摩擦和忽略車輪回轉(zhuǎn)慣性的情況下，制動力在數(shù)值上可以認(rèn)為等于閘瓦摩擦力，即為式（9）：

式中：B為制動力；K為閘瓦壓力；：?K為閘瓦摩擦系數(shù)。C80B型敞車采用高磨合成閘瓦，按照換算摩擦系數(shù)的公式可以計算出列車不同運行速度v時的摩擦系數(shù)。速度越高，摩擦系數(shù)越低，相同的閘瓦壓力下，制動力越小。閘瓦摩擦系數(shù)為式（10）：

大秦線重載組合列車制動時速度一般為60~75 km/h，取速度70 km/h 計算，減壓量為50 kPa時，整列車制動力為1 147.40 kN，減壓量為55 kPa時，整列車制動力為1 356.97 kN。

速度為60、70 km/h 時制動，列車管減壓量為50~59 kPa 時，列 車 單 個 閘 瓦 壓 力、1 輛C80B型 敞 車閘瓦壓力、1 輛C80B型敞車制動力、整列車制動力的具體計算值見表5。

表5 速度60、70 km/h 時不同列車管減壓量對應(yīng)制動力統(tǒng)計

由表5 可以看出，列車管減壓量增大，整列車制動力隨著增大，當(dāng)減壓量達(dá)到59 kPa 時，速度70 km/h 時整列車制動力相較于減壓50 kPa 時增大377.22 kN，速度60 km/h 時整列車制動力相較于減壓50 kPa 時增大386.74 kN。實際中，受整列車各個位置制動緩解速率不同、列車管存在漏泄、閘瓦磨耗情況不同等各種因素影響［5］，列車制動力的離散性較大，與理論計算值存在一定差異。

根據(jù)大秦線多次跟蹤試驗統(tǒng)計分析，較大的制動力會帶來較大的列車縱向作用力，尤其是在從控機(jī)車處產(chǎn)生的較大車鉤力，這會給重載列車帶來安全隱患［6］。跳鉤分離、渡板變形、軌排橫移等問題均與列車縱向沖動較大的現(xiàn)象密切關(guān)聯(lián)［7］。大秦線2 萬t 重載組合列車第二階段跟蹤試驗研究報告中按不同初制動減壓量對列車第106 位的車鉤力進(jìn)行了統(tǒng)計，見表6。這體現(xiàn)了減壓量與最大車鉤力數(shù)值的正比增長關(guān)系，減壓量每增加2 kPa，車鉤力平均值增加約170 kN。

表6 不同減壓量時車鉤力最值及平均值

4 結(jié)論及解決措施

由上述分析統(tǒng)計，可以得到以下結(jié)論：

（1）在列車運行接近中午時刻，或在冬季經(jīng)過長大隧道時，環(huán)境溫度升高較大，列車管的壓力會隨之上升，一般在冬季，軍都山隧道內(nèi)相對于隧道外溫升為5~7 ℃，在接近中午時，大秦線試閘區(qū)段附近溫升一般為3~9 ℃。

（2）由環(huán)境溫度升高引起的列車管壓力上升在制動時會疊加在原有減壓量上，造成列車管減壓量增大，一般會引起列車管減壓量增大3~9 kPa。

（3）理論計算表明，列車制動力隨列車管減壓量增大而增強(qiáng)，當(dāng)運行速度為70 km/h 時，減壓量為59 kPa，整列車制動力相較減壓量為50 kPa 時會增大377.22 kN。

針對環(huán)境溫度升高導(dǎo)致重載組合列車制動力增強(qiáng)的情況，可以考慮以下措施來解決：

（1）將制動地點做適當(dāng)調(diào)整，避開溫度變化引起管壓波動較大的位置制動。

（2）在制動力滿足列車調(diào)速需求的情況下，適當(dāng)減小初制動減壓量，避免環(huán)境溫度升高使列車管壓力升高過多。