高寒山区长大坡道铁路列车下坡限速研究

2019-05-07任冲

高速铁路技术 2019年2期

任冲

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

在长大坡道上，为充分保证列车运行安全，必须对列车的下坡限速进行严格控制。现行TG/01A-2017《铁路技术管理规程》(普速铁路部分)(以下简称《技规》)第261条规定了0～20‰坡道的下坡限速，而对超过20‰的坡道，只规定其列车限速由铁路局根据实际试验确定[1]。西南山区铁路线路多会采用24‰或30‰的加力坡，且受高寒山区气候条件的影响，实际运营条件更恶劣，对列车的制动力影响较大，因此，有必要对高寒山区长大坡道列车下坡限速进行研究。本文以高寒山区铁路30‰长大坡道为例，结合TB/T 1407.1-2018《列车牵引计算》(以下简称《牵规》)，不考虑其他相关因素，理论计算货物列车采用HXD2双机牵引、最大牵引质量 2 800 t，旅客列车采用HXD1d双机牵引、最大牵引质量 1 200 t情况下，研究列车粘着力与制动力的关系、空气制动闸瓦温升的影响等，得出不同制动距离对应的下坡限速。为合理布置车站、计算区间通过能力提供依据，指导铁路线路的设计工作，并给机车司机提出合理的驾驶及制动操纵方面的建议。

1 列车制动率的分析

1.1 粘着系数下降对列车制动率的影响

列车制动率的取值主要与粘着制动力或粘着制动系数有关。计算制动力不能超出粘着制动力的限制，因此，制动率的选取应慎重。根据《牵规》，潮湿轨面下制动粘着系数大幅度下降。据此可算出不同粘着系数下粘着制动力的数值，以及给定制动率下制动力与粘着制动力的关系。文中的列车制动力采用实算法进行计算。

《牵规》中由闸瓦压力产生的列车制动力，计算方法有2种[6]。

(1)实算法。以列车中每种一块闸瓦实算压力K值之和与各该K值所对应的实算摩擦系数φk的乘积总和来计算，见式(1)。

B=∑(φk×∑K)

(1)

(2)换算法。为了不涉及摩擦系数与闸瓦压力的变化关系以简化计算，用列车中闸瓦的换算闸瓦压力之和∑Kh与该种闸瓦的换算摩察系数φh乘积进行计算，见式(2)。

B=φh×∑Kh

(2)

按照现行《技规》的要求，货物列车闸瓦压力应满足1.50 kN/t(中磷闸瓦)，旅客列车闸瓦压力应满足1.17 kN/t(高摩H合成闸瓦)。根据相关研究成果，不同摩擦材料换算闸瓦压力的二次换算系数，如表1[2]所示。依据该系数，可对不同类型闸瓦情况下的列车制动力进行计算。

表1 不同摩擦材料换算闸瓦压力的换算系数

受气候条件影响，在雨雪天气，线路轨面粘着系数会有一定下降，有可能会有粘着制动力小于列车制动力，这时就可能出现制动时车轮抱死、列车滑动，无法控制列车速度的危险情况。因此，应分析列车粘着制动力的变化情况。

(1)HXD2(25t)型电力机车在前述编组条件下，制动率采用0.35(根据1998年对宝成铁路重车的调查结果，600 kPa时，列车换算制动率大部分为0.34～0.35[2])，考虑轨面潮湿条件下，不同速度的车列粘着制动力与计算制动力，如表2[3]所示。

表2 HXD2粘着制动力与计算制动力

由表2可以看出，在120 km/h速度范围内，无论是采用中磷闸瓦还是高磷闸瓦，车列的粘着制动力均高于计算制动力。另外，HXD2型机车的最大电制动力为510 kN，2台机车为 1 020 kN，考虑电制动力后，仍不会超过粘着制动力。因此，HXD2双机牵引 2 800 t货物列车，制动率取0.35时在潮湿轨面条件下，采用中磷或高磷闸瓦，粘着系数的下降都不会对列车制动力产生影响。

(2)HXD1d型电力机车在前述编组条件下，根据式(1)和表1的换算系数进行计算，制动率取0.42时，计算制动力与粘着制动力的比较，如表3所示。从表中可以看出，HXD1d双机牵引 1 200 t旅客列车，在制动率取0.42的条件下，干燥轨面时，无论高摩合成闸片还是高摩合成闸瓦，列车制动力都没有超过粘着制动力。即使考虑最大电制动力(420 kN)，也不会超过干燥轨面下的粘着制动力。但在潮湿轨面时，采用高摩合成闸瓦，160 km/h的计算制动力(1 049 kN)超出了粘着制动力(1 045.38 kN)，150 km/h及其以下速度的，计算制动力在粘着制动力范围内。若采用于高摩合成闸片，60～160 km/h的所有计算制动力均超过了粘着制动力。因此，应适当降低制动率。降低制动率后的计算制动力与粘着制动力，如表4所示。

表3 HXD1d粘着制动力与计算制动力的比较(制动率0.42)

表4 HXD1d粘着制动力与计算制动力(高摩合成闸瓦制动率0.4，高摩合成闸片制动率0.37)

由表4[4]可以看出，在潮湿轨面条件下，高摩合成闸瓦制动率采用0.40，高摩合成闸片制动率采用0.37时，160 km/h速度范围内列车的粘着制动力均高于计算制动力。因此，HXD1d牵引 1 200 t旅客列车，采用高摩合成闸瓦时，制动率宜控制在0.4及以下，采用高摩合成闸片时，制动率宜控制在0.37及以下。

1.2 制动周期对列车制动率的影响

列车在长大下坡道运行时，若考虑使用空气制动，需要周期性进行充风缓解和排风制动，直至列车驶出坡道。如果列车制动能力不够，列车第一次制动后，需要一定的时间给副风缸充风，同时，实施制动后列车还有一个制动空走时间，如果列车经过这两个时间后，速度不超出制动限速，则列车可以通过周期制动控制速度。否则，列车速度可能超出制动限速，即使再采取制动，也可能失去控制。因此，在长大下坡道，列车制动能力必须保证在速度上升到制动限速之前的时间内完成列车充风和空走过程。列车编组、减压量与列车充风时间和空走时间关系，如表5所示。

表5 列车充风时间与空走时间

根据表5推算，HXD2双机牵引2 800 t，从20 km/h惰行到100 km/h消耗的时间，如表6所示。

表6 HXD2(25 t)惰行消耗时间

综合表5、表6可以看出，列车速度10 km/h间隔内消耗时间基本在10 s左右，30辆编组列车空走和充风总时间为48.3 s，至少需要5个时间间隔，其最高限速不能低于50 km/h。如果列车制动率太低，或者摩擦系数有限，则无法满足这一要求。由此可算出不同闸瓦和制动率下，HXD2双机牵引 2 800 t货车，在30‰坡道上满足周期制动要求的最小制动率，如表7所示。

表7 HXD2(25 t)牵引2 800 t货车周期制动要求

由表7可知，HXD2(25 t)牵引2 800 t货车，在30‰坡道上进行周期制动空气制动时，中磷闸瓦和高磷闸瓦无法满足要求。高摩合成闸瓦和高摩合成闸片可以满足要求，但是制动率不少于0.35。对于采用了电空混合制动的和谐电力机车，由于电制动力只与列车速度有关，与闸瓦材质无关，且不需要周期性充风，因此，优先推荐HXD2机车采用电制动。

对于HXD1d双机牵引1 200 t客运列车，采用制动率0.4的高摩合成闸瓦或制动率0.37的高摩合成闸片，制动能力较HXD2(25 t)牵引2 800 t的能力强很多，故无需验算。

综上分析，HXD2双机牵引 2 800 t货运列车，HXD1d双机牵引 1 200 t客运列车，要适应30‰的长大下坡道和恶劣的气候，合理的闸瓦与制动率选择，如表8所示。

表8 列车编组和制动参数

2 列车下坡限速研究

2.1 列车紧急制动距离限值

紧急制动距离是列车在任何线路上均能制动停车的距离限值，是保证列车安全运行的基础要求。《技规》中规定了各种列车的紧急制动距离，如表9所示[1]。

表9 列车最高运行速度的紧急制动距离限值

在规定的紧急制动距离内，列车能够制动停车的最高速度，称为紧急制动限速。列车在30‰坡道上运行，因坡度过大，《技规》既有的列车紧急制动限速失效[5]，应依据列车紧急制动距离确定限速。

2.2 列车紧急制动距离计算

一般情况下，制动距离可采用分段累加的方法进行计算[6]。即采用“枚举”的思路，分别计算列车在不同制动初速度下的紧急制动距离，得出列车紧急制动距离表[2]，再根据规定的紧急制动距离限值，试算列车在长大下坡道上的紧急制动初速度。根据表7列车编组和制动参数，可算出HXD2双机牵引 2 800 t货物列车，在30‰坡道上的紧急制动距离，如表10所示[6]。

表10 HXD2牵引2 800 t在30‰限坡上的紧急制动距离 (m)

同理可得HXD1d双机牵引1 200 t旅客列车(采用高摩合成闸瓦，制动率取0.4；采用高摩合成闸片，制动率取0.37)，在30‰坡道上的紧急制动距离，如表11[6]所示。

2.3 列车下坡限速确定

从表10中可以看到，在30‰下坡道上，HXD2双机牵引2 800 t货物列车，保证800 m紧急制动距离，采用中磷闸瓦时速度不宜超过65 km/h，采用高磷闸瓦时速度不宜超过75 km/h；保证 1 400 m紧急制动距离，采用中磷闸瓦时速度不宜超过81 km/h，采用高磷闸瓦时速度不宜超过86 km/h。虽然和谐型货运电力机车设计速度可达120 km/h，但考虑到高寒山区铁路运输的安全性，以及目前货车紧急制动距离一般按800 m控制实际情况，建议HXD2双机牵引 2 800 t货物列车，保证 800 m紧急制动距离下的限速为65 km/h。

表11 HXD1d牵引1 200 t在30‰限坡上的紧急制动距离 (m)

从表11中可以看到，在30‰下坡道上，HXD1d双机牵引 1 200 t旅客列车，保证800 m的紧急制动距离，采用高摩合成闸瓦(制动率0.40)时速度不宜超过106 km/h，采用高摩合成闸片(制动率0.37)时速度不宜超过116 km/h；保证 1 400 m的紧急制动距离，采用高摩合成闸瓦(制动率0.40)时速度不宜超过141 km/h，采用高摩合成闸片(制动率0.37)时速度不宜超过143 km/h。由此可知，采用高摩合成闸瓦和高摩合成闸片的紧急制动距离相差不大，本文建议HXD1d双机牵引 1 200 t旅客列车保证800 m紧急制动距离下的限速为110 km/h。

3 闸瓦温升对货物列车调速制动的影响

列车在长大下坡道上运行时，需不断进行调速制动，以免在下坡道上超过限速。多次循环调速制动后，车轮踏面和闸瓦温度将不断升高，会影响到行车安全。为保证行车安全，美国AAR规定：对于中磷铸铁闸瓦，车轮踏面温度应低于343 ℃。而对于高摩合成闸瓦和高摩合成闸片没有限制[3]。因此，采用高摩合成闸瓦和高摩合成闸片的旅客列车，其下坡限速只由列车紧急制动距离决定，不存在闸瓦温升问题。对于货物列车来说，由紧急制动距离确定的下坡限速必须考虑闸瓦温升的影响。

根据相关研究[7]，在30‰长大下坡道上，完全采用空气制动，列车限速60 km/h时，在经过8次周期性调速制动后，车轮踏面温度为340 ℃，接近中磷铸铁闸瓦的限制温度；限速75 km/h时，空气制动时间延长，缓解时间缩短，经过5次调速制动后，车轮踏面温度达到380 ℃，超过中磷铸铁闸瓦的限制温度。反之，若调速制动次数在5次以下，则闸瓦温升不会影响行车安全。

计算HXD2双机牵引2 800 t货物列车，制动率取0.35，采用纯空气制动列车从80 km/h到10 km/h时缓解的单次制动调速情况。计算参数及结果如表12所示。

分析表12可以看出，在30‰长大下坡道上，限速80 km/h，一次调速制动走行距离为 6 395 m，若30‰的连续长下坡道不超过32 km，周期性连续制动不会超过5次，闸瓦温升不会影响行车安全[6]。在30‰长大下坡道上，若限速75 km/h，在站间距不大于15 km的情况下，列车在区间运行需经过3次调速制动，不会超过中磷铸铁闸瓦的限制温度[8]。同理，若限速65 km/h时，当站间距小于20 km时，HXD2双机牵引2 800 t货物列车，区间运行需进行3次周期性调速制动，该过程中不会出现闸瓦温升失控的情况。