重载组合列车纵向性能的影响因素分析*

姚小沛，王 磊，邵 军，张成国，王孝延

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 中国铁路总公司运输局 机务部，北京100844）

重载组合列车纵向性能的影响因素分析*

姚小沛1，王 磊2，邵 军1，张成国1，王孝延1

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 中国铁路总公司运输局 机务部，北京100844）

介绍2004年以来大秦线开行的5种典型编组方式重载列车，比较了不同编组方式列车纵向力的大小，并分析了列车编组方式对纵向力的影响；同时结合试验数据，对其他关键因素比如Locotrol同步作用时间、机车制动机性能、货车关键技术以及列车操纵方式等对重载列车纵向力的影响进行了分析，并从减小纵向力的角度提出了3种2万t列车编组方式。试验及运用实践表明：目前我国的货车制动可以满足单元万吨货物列车的制动要求，而对于更大编组的长大列车，宜采用机车动力分散布置的组合列车。组合列车中从控机车的布置位置是影响组合列车制动性能和列车纵向力的最主要因素之一，应对其进行详细研究。

重载组合列车；车钩力；编组方式

重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低及环保等优点，已成为世界当今和未来主要发展的运输模式，特别是在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭和矿石等大宗货物运量占有较大比例的国家如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非等发展尤为迅速。

中国铁路从20世纪80年代开始进行重载技术的研究和探索，90年代在大秦线成功开行了万吨单元列车。2003年原铁道部根据国民经济发展的需求，决定在大秦线开行2万t重载列车以大幅度提高运量。通过对Locotrol（机车无线同步控制技术）和ECP（电控空气制动技术）两种方案进行比选，决定采用Locotrol技术开行2万t重载组合列车。2004年大秦线成功开行了第一列4×5 000 t重载组合列车；2006年开行了2× 10 000 t重载组合列车；2007年又开行了2台和谐型机车牵引2万t重载组合列车。2010年大秦线年运量达到4亿t，成为世界年运量最大的铁路之一。

2万t重载组合列车的开行是一项庞大的系统工程，涉及机车车辆、工务工程、通信信号、运输组织及系统集成等多方面内容。为了成功开行2万t组合列车，原铁道部组织有关单位在各相关技术方面开展了一系列科学研究。重载列车线路运行综合试验也是主要研究内容之一，通过综合试验先后发现并解决了HXD1机车的车、网匹配问题、HXD2机车制动机与货车制动机的匹配问题、HXD2机车车钩在大秦重载组合模式下的适应性改进问题，机车无线同步控制装置惩罚制动的实施方式等问题。

列车纵向冲动是采用Locotrol技术开行2万t重载组合列车的3大关键技术难题之一［1］，不仅对机车车辆疲劳破坏造成重大影响，甚至会产生严重的安全问题。Locotrol系统的通信质量、牵引动力配置、列车制动系统性能、机车车辆钩缓性能、列车操纵等均会对列车纵向力产生重要影响。通过综合试验，可以掌握不同编组方式列车纵向车钩力的实际大小及分布规律，为列车的安全运行提供数据支持；通过试验比较不同操纵方式的实施效果，为列车优化操纵提供技术指导。

1 大秦重载试验的主要编组方式

2004年大秦线开始2万t组合列车试验，开行初期，主、从控机车通讯采用800 MHz电台，其传输距离限制了主、从控机车的间隔距离，此阶段采用的列车编组方式为：SS4机车（主控）＋51辆C80＋SS4机车（从控1）＋51辆C80＋SS4机车（从控2）＋51辆C80＋SS4机车（从控3）＋51辆C80，以下简称：4×5 000，2万t。

2005年大秦线开通了GSM－R网络，列车编组不再受主、从控机车间隔距离的限制，同时为了方便运输组织，对列车编组方式进行了调整，停开了4×5 000 t，试验并开行了1＋2＋1编组2万t列车，具体编组方式为：SS4机车（主控）＋102辆C80＋SS4机车（从控1）＋SS4机车（重联）＋102辆C80＋SS4机车（从控2），以下简称：1＋2＋1，2万t。

2007年随着和谐型大功率机车在大秦线陆续投入运用，在大秦线试验并开行了采用2台和谐型大功率机车牵引的组合2万t列车，具体编组方式为：HXD1（或HXD2）机车＋102辆C80＋HXD1（或HXD2）机车＋102辆C80＋可控列尾，以下简称：1＋1，2万t。

2010年随着Locotrol互联互通软件的运用，同时为了满足不同运输组织需求，在大秦线利用HXD1、HXD2和SS4机车开行了1.5万t组合列车，具体编组方式为：HXD1（或HXD2机车）＋108辆C70（或102辆C80）＋SS4机车＋54辆C80＋可控列尾，以下简称：组合1.5万t。

单元万t列车编组是大秦线常用编组方式，同时也是评价2万t组合列车性能优劣的参考编组，具体编组方式为：HXD1（或HXD2）机车＋105辆C80，以下简称：单元万t。

2 不同编组方式的纵向力

2.1 牵引工况时的列车纵向力

随着列车编组辆数的增加，机车集中头部牵引时，列车质量的增加必然造成头部车钩力线性增大，车钩强度将成为列车质量增加的瓶颈；同时也受空气制动、缓解波速的限制。机车动力分散布置的组合列车，可以将由牵引质量增加带来的车钩力增大分散到列车各个部分。图1所示为正常牵引工况动力集中（无DP）与动力分布（有DP）车钩力的理论分布对比，从图1可知，采用动力分布牵引可以有效降低列车牵引时的纵向车钩力。

以上仅是动力分散对减小牵引时车钩力的理想化分析，大秦线实际运用中由于司机采用平稳操纵和优化操纵方式（比如机车工况转换间隔一般不小于10 s，在牵引/电制动进级或退级时采用平滑加减载等），牵引工况单元万吨和组合列车最大车钩力一般也与机车施加的牵引力或电制动力相当。有时由于车钩间隙、缓冲器、列车所处位置平纵断面等因素影响，1＋1＋可控列尾编组的组合列车会在中部从控机车机次位置出现略大于机车施加的牵引力或电制动力，但最大车钩力一般均不大于1 000 k N。

2.2 制动工况时的列车纵向力

列车在制动工况下的纵向力要比牵引工况下复杂得多，制动时列车的纵向力与机车、车辆的制动机性能、钩缓装置性能、制动、缓解初速和列车所处的线路横、纵断面等参数有关。在机车、车辆形式基本固定的情况下，组合列车中从控机车的数量和不同编挂位置决定了列车具有不同的制动、缓解性能，从而影响列车制动、缓解时的纵向力大小。

紧急制动试验是为了测试列车在极端制动工况下的纵向力大小及制动距离，从而评估列车在极端制动工况下的运行安全性。图1所示为不同编组列车紧急制动最大车钩力比较。从图2可知，不同编组方式紧急制动最大纵向力的比较为：1＋1，2万t＞单元万t＞1＋2＋1，2万t*（*表示试验用车辆为老C80）＞4×5 000，2万t和组合1.5万t。同是2万t组合列车，1＋1，2万t最大纵向力接近2 000 k N，约为4×5 000和1＋2＋1，2万t的2.3倍。4×5 000、1＋2＋1编组2万t和1.5万t组合列车，虽然列车长度与质量比单元万t显著增加，但是由于从控机车的数量和编挂位置改善了列车的制动性能，列车紧急制动时的最大纵向力反到小于单元万t。

常用制动是列车调速、进站停车等工况经常用到的制动方式，运用中根据不同需要使用不同的制动减压量，常用全制动停车试验是为了测试列车在使用最大常用制动减压量时列车的纵向力情况。图3所示不同编组列车常用全制动最大车钩力比较。从图2可知，不同编组方式常用全制动最大纵向力比较为：1＋1，2万t＞4×5 000，2万t＞单元万t、组合1.5万t和1＋2＋1，2万t。同是2万t组合列车，1＋1＋可控列尾编组最大纵向力达到1 600 k N，约为1＋2＋1编组的4倍。1＋2＋1编组2万t、1.5万t组合列车和单元万t列车最大纵向力均处于较低水平。

两个长大下坡道的周期循环制动是大秦线开行2万t重载组合列车的3大关键技术之一［1］，也是列车在运行中必须经历的运用工况。循环制动主要涉及两个问题，第1个是列车再充气时间，从不同编组历次试验可知，在两个长大下坡道区段，通过机车电制动和列车空气制动的配合使用，充分利用线路的地理条件，采用长、短波浪相结合的操纵方式，能够满足大秦线循环制动对列车再充气时间的要求；第2个就是循环制动过程中的纵向力问题，为了保证列车再充气时间，循环制动时一般将缓解速度控制在35 km/h左右，此时闸瓦摩擦系数大，低速缓解过程往往容易造成较大的列车纵向冲动［2］。

图4所示为不同编组方式循环制动车钩力散点图比较，从图4可知：1＋1，2万t车钩力最大，接近1 800 k N，有时还会出现大于2 000 k N的车钩力；其余4种编组方式基本相当，最大值介于正负500 k N之间。在机车电制动力发挥正常的情况下，单元万t、组合1.5万吨、4×5 000和1＋2＋1，2万t列车循环制动过程中最大车钩力一般都发生在机车实施的电制动力比较大的工况，而与列车空气制动的缓解过程没有明显关系；1＋1，2万t列车最大车钩力一般出现在列车缓解过程中，车钩的拉压变化与列车空气制动的缓解过程有明显关系。

图5所示为1＋1，2万t列车编组循环制动缓解时车钩力、制动缸压力随时间变化曲线。列车缓解时，前1万t由头部和中部两台机车同时充风，后1万t仅由中部从控机车充风，造成在缓解过程中整列车被分成了2个大的集中质量，前部130辆左右货车基本在8 s之内产生缓解作用，后50辆货车集中在18～20 s产生缓解作用，列车在坡道下滑力的作用下，造成两个质量块的相互冲击，从而产生了较大的车钩力；而且由于在缓解时中部机车处集中了比较大的电制动力，从而造成整个列车中的最大车钩力往往出现在中部从控机车前后，最大拉钩力一般出现在中部机车前部，最大压钩力在中部机车机次，对于1＋1，2万t列车，由于其编组方式所决定的列车在缓解过程中严重的不同步性是造成该编组列车循环制动缓解过程中车钩力较大的主要原因。

3 大秦线影响列车纵向力的其他主要原因

3.1 Locotrol同步作用时间

采用Locotrol技术的重载组合列车，制动时的同步作用时间（即主、从控机车间的动作延时时间）长短，将直接影响重载组合列车的纵向力。文献［3］为同步作用时间对列车纵向力的影响进行了仿真计算，计算表明随着主、从控机车动作滞后时间的延长，组合列车最大纵向力的峰值也在增加。在大秦线试验中也曾出现由于紧急制动时信号中断而造成较大纵向力的工况。与相似工况同步作用时间正常时的车钩力对比见图6所示，由图5可知，同步作用异常将导致车钩力大大增加，车钩力最大值相差4.5倍。

2008年4月16日SS4机车1＋2＋1，2万t列车在K141.8处发生的列车脱轨也是Locotrol系统故障造成中部机车先产生紧急制动，列车只能通过空气管路传递紧急制动信号，致使车钩力过大产生脱轨。2008年7月以来，原铁道部已组织相关单位和专家对Locotrol系统内部故障后实施惩罚制动的惩罚方式进行了改进，消除了大量不必要的紧急制动惩罚方式，有效减少了2万t列车意外紧急的发生频次。同时随着对沿线GSM－R网络不断补强，整个大秦线的Locotrol通信质量有了显著提高，2009年以来的多次试验统计表明：空气制动与缓解同步作用时间基本均在4 s以内，其中3 s以内占90%。

3.2 机车制动机性能

机车制动机的充、排风性能对列车纵向力有重要影响。HXD2机车使用法维莱制动机，在最初1＋1，2万t列车运行试验时，常用全制动时列车纵向力大大超出试验规定的安全指标，循环制动缓解时列车的纵向冲动也比采用HXD1机车时明显增大，经分析表明法维莱制动机充、排风特性是造成以上试验现象的主要原因之一，为此，要求法维莱公司对HXD2机车制动机的充气特性也进行了相应修改，经过2次改进后其充、排风特性基本与CCBⅡ制动机相当。改进前法维莱制动机常用全制动时列车管排风速率较快，导致机车附近车辆制动缸升压速率明显加快，从而造成常用全制动停车时列车纵向力异常增大。制动机改进前、后常用全制动停车最大车钩力比较如图7所示，从图7可知，对法维莱制动机排风特性进行调整后，可以明显减小常用全制动停车时列车的纵向力，各有效测试断面车钩力的最大值减小了50%，平均值减小了51%。

3.3 货车制动、钩缓关键技术

货车的制动机性能、车钩、缓冲器也是影响列车纵向力的关键技术之一。4×5 000和1＋2＋1，2万t列车均进行了2种C80车型的对比试验，两种车型分别是单节C80和3辆1组的单元C80，两种车型的主要区别是单元C80相比单节C80，制动机由120阀升级为120－1阀，120－1阀相比120阀增加了常用制动加速性能，该性能有利于提高常用制动时列车后部车辆的制动缸升压速率，从而有助于缩短列车常用制动距离和减小纵向力；单元C80两端与单节C80相同均使用16号转动车钩和17号固定车钩，中间采用牵引拉杆，同样编组辆数时，相当于车钩间隙缩小了2/3，也有助于减小列车的纵向力。通过对比试验证明：对C80改装牵引拉杆和120－1阀能有效地减小列车运用中的车钩力，最大值减小30～60%，各测试位置平均值减小20%～50%。原铁道部从2006年开始要求在所有新造C80货车上均安装120－1阀和牵引拉杆，并对已有C80货车进行改造。

3.4 列车操纵方式

操纵方式也是影响重载列车安全运行的重要因素，为此，原铁道部专门安排相关单位进行优化操纵的专项研究。通过研究，提出了2万t重载组合列车安全操纵的基本原则，并针对不同编组方式提出相应操纵技术措施。

（1）循环制动缓解时的机车电制动力施加

SS4机车4×5 000和1＋2＋1两种编组2万t列车采用与单编万t列车近似的循环制动操纵方式，对列车纵向力没有显著影响，列车纵向力均处在较低水平。而对于和谐机车1＋1，2万t编组列车，循环制动操纵方式对列车的纵向力有明显影响。图7所示为该编组方式2万t列车在循环制动缓解时使用不同的操纵方式（主要区别为电制动力施加大小和时机）时车钩力的大小比较，可见调整操纵方式可以明显改变1＋1＋可控列尾编组循环制动缓解时的车钩力大小，同时也说明1＋1＋列尾列车编组对操纵方法较敏感，对操纵方法要求严格。因此在运用中应加强对司机进行培训，不断提高其操纵水平。

原操纵方式是空气制动压力稳定后将电制动力降到0～50 k N，列车实施缓解前10 s开始增加电制动力，15 s左右增加到450 k N左右并保持；

新操纵方式1是制动保压过程中和缓解时一直保持250 k N左右电制动力；

新操纵方式2是开始实施缓解时施加150～180 k N左右电制动力，实施缓解后18～20 s将电制动力降到约100 k N。

（2）缓解位置对纵向力的影响

表1中统计了大秦线1＋1，2万t列车在缓坡区段缓解时列车的最大车钩力情况。从中可以看出，如果缓解时列车所处坡度较小且列车运行前方坡道变缓时，机车施加适当电制动力可使列车在整个缓解过程中可以维持在压钩状态，从而避免由于车钩工作状态剧烈的拉压变化而造成过大的车钩力。

大秦线在K141～K179区间有3处缓坡地段，分别是①K152～K153.8，长度1.8 km的1.5‰下坡道；②K161.7～K167.8长度达6 km的5‰至0.5‰的下坡道，其间还夹杂这一些小上坡区段；③K170.4～K173.9长大3.5 km的4‰下坡道。在K275～K325之间也存在2处缓坡区段，分别是①K283.7～K285.8长约2.1 km的1.5‰下坡；②K306.6～K308.3长约1.7 km的1.5‰下坡。列车运行中结合线路纵断面情况，通过合理操纵，尽量选择在以上缓坡区段缓解，可以降低列车缓解过程中出现较大车钩力的几率。

4 减小纵向力的列车编组方式探讨

过大的纵向力势必对列车运行产生重大安全隐患，大秦线3次2万t列车脱轨事故表明纵向力过大是主要诱因之一，由前述分析可知组合列车的组合方式是影响列车纵向力的关键因素，为此本文从减小列车纵向力的角度提出以下两种列车编组方式。

（1）在列车尾部加挂从控机车

1＋1，2万t列车在运用中的主要问题是循环制动缓解时容易产生较大的车钩力，威胁运输安全。另外当线路黏着条件较差时（比如雨雪天气）还存在2台和谐机车牵引2万t列车在限制坡道起动时牵引功率略显不足的现象。随着Locotrol互联互通软件装车运用，目前和谐型机车已实现了和SS4机车互联互通，因此可以考虑按1＋1＋1编组方式开行2万t组合列车，主控和从控1仍用和谐机车，用1台SS4机车替代可控列尾，尾部加挂从控机车后其空气制动与缓解性能应与1＋2＋1编组相当，正常情况下可以有效减小列车的纵向力。2014年4月进行的大秦线3万t试验，虽然列车编组比现行2万t列车增长50%，牵引质量增加10 500 t，但是由于采用3单元4机牵引模式，在列车尾部加挂的从控机车显著提高了列车制动、缓解的同步性，循环制动区段的最大纵向力反到比现行1＋1编组2万t平均减小32～40%。

（2）调整从控机车在列车中的编挂位置

对于现在开行的1＋1，2万t列车，将从控机车后移至列车2/3位置或列车尾部，机车编挂在列车2/3有利于提高列车的制动、缓解同步性。文献［4］对将从控机车置于列车2/3处的编组方案进行了仿真计算，计算结果表明：将从控机车位置移至列车2/3时，列车在紧急制动、常用全制动和循环制动等制动工况下的纵向力与“1＋1＋1”编组相当，与现有1＋1＋可控列尾编组相比可明显减轻列车的最大纵向力，制动距离也有所减小。编挂在列车尾部时，制动与缓解时均可使后部车辆快速动作，有助于降低列车制动和缓解时的压钩力，同时中部从控机车移至尾部后，所受纵向力情况将大为改观，有助于提高从控机车运行安全。从控机车位置调整虽然有利于提高列车制动性能，但可能不利于运输组织，还需综合考虑。

5 结束语

试验及运用实践表明，目前我国的货车制动系统可以满足单元万t货物列车的制动要求，制动时的列车纵向力满足列车安全运行要求；对于万t以上列车编组，宜采用机车动力分散布置的组合列车，这样不仅可以将牵引质量增加而带来车钩力增加分散到列车的各个部分，而且客观上改变了列车中空气信号传递模式，一定程度上提高了制动与缓解波速、有助于缩短制动距离并减小车钩力；在机车、车辆形式基本固定时，组合列车中从控机车的布置位置（即组合列车的组合方式）是影响组合列车制动性能和列车纵向力的最主要因素之一；编组方式优化是解决组合列车纵向力过大的有效途径之一，但是编组方式改变涉及到运输组织、机车利用效率等一系列问题，需要运用部门综合考虑。

［1］ 耿志修.大秦铁路重载运输技术［M］.北京：中国铁道出版社，2009.

［2］ 严隽耄，翟婉明，陈 清，傅茂海.重载列车系统动力学［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［3］ 常崇义，王成国，马大炜，张 波.2万t组合列车纵向力计算研究［J］.铁道学报，2006，（3）：89-94.

Analysis of Factors Affecting Longitudinal Performance of Heavy Haul Combined Train

YAO Xiaopei1，WANG Lei2，SH AO Jun1，ZHANG Chengguo1，WANG Xiaoyan1
（1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2 Locomotive Department，Transportation Bureau of China Railway，Beijing 100844，China）

Five different heavy haul combined trains of Daqin railway line were introduced since 2004，and longitudinal force size of these heavy haul trains was compared，then the impact of train formation was analyzed.Combined with the test data，other factors of impacting longitudinal force such as Locotrol synchronizing time，locomotive brake performance，wagon key technologies and heavy haul train manipulation methods were analyzed，and from the perspective of reducing the longitudinal force three make-up ways of 20 000 tons train were proposed.Testing and use of the practice showed that China＇s truck brake control system performance met braking requirements of the unit 10 000 tons train.Train heavier than 10 000 tons should adopt distributed power.The arrangement location of slave locomotive had important influence on the train braking performance and longitudinal force，and should be studied carefully.

heavy haul combined train；longitudinal force；train formation

U260.13；U292.92＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.02

1008－7842（2014）06－0008－05

*中国铁路总公司科技研究开发计划课题（2013J004-B，2013J004-C）；中国铁道科学研究院科研项目（2013YJ004）。

8—）男，副研究员（

2014－07－09）