关于单元万吨重载列车操纵 安全风险分析及对策

王 强，王春雨，张 哲，田 雷

(1. 中国铁路太原局集团有限公司 湖东电力机务段，山西 太原 037300；2. 中国铁路呼和浩特局集团有限公司集宁机务段，内蒙古 呼和浩特 012000；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081)

我国重载铁路通道大面积高质量开行万吨重载列车，有效确保了国民经济强有力持续发展，也标志着我国重载铁路建设及技术装备创新发展跨入世界重载铁路先进行列[1-2]。随着我国铁路重载列车开行类别及数量不断增加， HXD型25 t轴重大功率电力机车牵引的单元万吨重载列车相较于传统SS4型串激直流电动机驱动系统电力机车，以其可靠性能强、粘着性能好、牵引功率大、运用效率高及节能环保等优势已逐步成为国内重载铁路牵引动力的主要机型。因此，结合理论计算与试验仿真，对采用HXD型单机、双机重联集中牵引或2台机车动力分散牵引等编组方式的单元万吨列车分析多种典型工况下的操纵安全风险，提出规避安全风险的操纵对策。

1 单元万吨重载列车操纵安全风险分析

单元万吨重载列车操纵存在变电所供电能力不足瞬间跳闸及起车造成列车分离事故等安全风险。下面对机车工况转换、站内及坡道起车、列车空气制动及机车通过电分相区 4 种典型运行工况下的操纵安全风险分析如下。

1.1 机车工况转换操纵安全风险

HXD1机车2节(或2台4节)机车各通过1个列车管、1个总风管和2个平均管连接气路，通过重联插头连接电气。以105辆C80B、96辆C80E和120辆C80B3种编组的单元万吨重载列车为例，通过空气制动试验数据及分析可知，3种不同编组的万吨单元重载列车常用制动减压后，所有车辆均在9 s内产生制动作用，常用减压50 kPa的充风时间分别为160 s，148 s，131 s；减压70 kPa充风时间在3 ～ 4.5 min之间；减压100 kPa排风70 ～ 97 s之间，充风时间在254 ～ 270 s之间。列车减压50 kPa、排风40 s并稳定后，追加制动减压20 kPa，排风时间在44 ～ 48 s之间。列车紧急制动作用时间均为6 ～ 7 s，自阀运转位，尾部车辆分别于220 s，178 s，253 s后开始缓解。

如果机车工况转换时间短，不仅容易造成重联车牵引电传动系统、网络控制系统、空气管路系统工作不稳定，导致牵引故障，而且会导致列车车钩间隙量变化快，从而产生较大车钩力。列车通过起伏坡道时保持机车工况稳定可以确保全列车钩处于压钩或拉钩状态，实现全列车钩状态不因起伏坡道发生变化引起冲动。

1.2 站内及坡道起车操纵安全风险

1.2.1 站内起车操纵安全风险分析

（1）列车管前后部压力不一致导致纵向冲动引起断钩。列车管尾部压力不足580 kPa时列车管前、后部压力不一致，此时起车遇突发性安全问题要求司机立即停车，或遇不明原因紧急制动，列车制动管压力不均衡制动力前强、后弱，较大冲击力损坏机车及车辆车钩、缓冲器。

（2）列车后部未完全缓解而牵引开车引起拉断车钩。例如，2004年，某线SS4型机车某中间站停车时司机第一次减压60 kPa，司机二次带车前列车充风时间只有17 s强行牵引，走行3 s、速度5 km/h时列车管降零，第53位车辆后钩钩舌断，53位与54位车辆分离11 m。

1.2.2 坡道起车操纵安全风险分析

以大秦铁路遵化北—迁西间为例，对列车进行坡道起动牵引重量计算。线路纵断面参数为限制坡道4‰，列车长度内最多可同时处于1处曲线半径为1 000 m的弯道，列车在该条件下起车，根据《列车牵引计算规程》[3]的计算要求和限制条件可得，当计算速度vj= 65 km/h，计算牵引力Fj= 532 kN时，HXD1型机车单机牵引重量不得超过8 421 t；HXD2型机车，当计算速度vj= 65 km/h，计算牵引力Fj=554 kN时，单机牵引重量不得超过8 782 t，在4‰限制坡道停车后不能起动。

2007年6月5日，一列总重10 756.7 t，计长117.7的货物列车在大秦铁路湖东至柳村间进行牵引运行试验。延庆—下庄K263.165—K274.163、遵化北—迁西K487.647—K495.128限制坡道4‰停车进行快速启动加速试验。坡道启动加速试验结果如表1所示。

表1 坡道启动加速试验结果Tab.1 Results of ramp starting acceleration test

K265 + 143坡道启动加速试验中，机车能较好持续发挥最大牵引力，能够完成4‰坡道启动，但牵引力余量较小；K489 + 216处连续4‰坡道起动加速2次，2次坡停起动加速均非常困难，机车发挥最大起动牵引力最大为803 kN，如遇雨、雪、大雾等不良天气将无法起动。通过理论计算与试验数据可知，HXD型单机牵引10 500 t的限制上坡道为4‰，天气不良情况下列车被迫停在4‰坡道，或停车位置大于4‰坡道，列车均不能起动。

通过调研分析发现，经常出现司机在限制坡道前不利用动能闯坡，列车运行速度低于HXD型机车计算速度65 km/h，导致机车第1转向架第1，2轴粘着力减弱自动减载，司机依旧凭借交—直传动机车防空转操纵经验盲目退手柄，机车各轴串激电动机同时卸载，牵引能力严重丧失而发生途停或列车通过限制坡道电分相时速度低，司机急于投入较大牵引力抢速闪断车钩等事故。

1.3 列车空气制动操纵安全风险

1.3.1 制动过程安全风险

列车空气制动从机车开始，列车前部车辆依次产生制动减速，后部车辆向前涌动并产生压钩力，产生制动的车辆越多，减速度也越大，车钩压缩力从前向后逐渐增大，随着制动车辆增多，向前涌动的车辆减小，压钩力传递到后部车辆达到最大值后开始减弱。以大秦铁路的单元万吨重载列车进行常用全制动、紧急制动停车试验结果为例，一列编组为 HXD10005 + SY997050 + C80×105辆 + HXD10004(备用)，总重10 756.7 t，计长117.7的单元万吨重载列车，从湖东至柳村间利用长大下坡道、平直道，列车初速80 km/h的条件下实施紧急制动及最大常用全制动停车试验。紧急制动停车试验结果统计如表2所示，常用全制动停车试验结果统计如表3所示。

万吨单元重载列车在平直道、长大下坡道进行紧急制动工况试验出现了大于1 000 kN车钩力，最大车钩力地点为-12‰长大下坡道64 km 600 m处，第85位车压钩力1 528 kN。列车常用全制动最大车钩力地点-12‰长大下坡道K324 + 235处，第52位车压钩力690 kN。试验表明，制动减压量与列车纵向压钩力成正比关系，万吨单元列车制动产生的压钩力传递到后部三分之二车辆处达到最大值。单元万吨重载列车采取大减压量制动可引起85位车辆附近较大纵向冲动，紧急制动产生的压钩力会引起一串车辆Z字形转向和翻车。

1.3.2 缓解过程安全风险

缓解列车制动从机车开始逐辆缓解并消减制动力，缓解车辆与制动车辆形成拉钩力逐步向后传递，仿真及试验表明，拉钩力传递至后部车辆2/3处达到最大值后开始减弱，列车制动减压量与纵向拉钩力成正比关系。依据牵引计算并结合列车运行试验结论、操纵经验证明，列车正常情况下使用空气制动调速采取初制动减压量可以满足列车控制速度需要。

单元万吨重载列车缓解速度规定不得低于30 km/h考虑列车缓解后，初制动减压量的缓解时间15—20 s，缓解速度低于30 km/h，列车降速幅度10 km/h左右，由于闸瓦摩擦系数与速度成反比关系，后部车辆2/3处必然形成很大的纵向拉力，极易损坏车钩及缓冲器。例如，某线2003年低速缓解断钩案例：某次编组C64K型110辆、总重10 280 t、计长132.0，茶坞站3道正线停车时距出站信号739 m，40 km/h减压60 kPa，速度降至26 km/h追减至70 kPa，走行15 s，17 km/h制动排风未结束低缓，8 s后11 km/h列车管降零，机后50位与51位分离约5 m远，第50位后钩舌断。

1.4 机车通过电分相区操纵安全风险

（1）当电分相处于连续上坡道地段时，机车通过电分相若低于规定速度，易造成机车断电后速度快速下降而被迫停于无电区。因此，根据规定，乘务区段要制定各型机车担当不同类别列车通过限制坡道电分相最低速度值。

（2）当机车通过电分相后，列车因受坡道附加阻力影响，列车车钩均处于压缩状态，机车合电后如果司机投入牵引力较大、较快，车钩间隙被快速拉开时引起的冲动力可能造成车钩断裂。

表2 紧急制动停车试验结果统计Tab.2 Results of emergency braking and stop tests

表3 常用全制动停车试验结果统计Tab.3 Results of common full stop tests

2 降低单元万吨重载列车操纵安全风险的对策

为完善单元万吨重载列车的操纵办法，提高司机的操纵技能，稳定设备质量和保证运输安全，针对常见的4种存在操纵安全风险的工况，结合现场操纵经验[4]，采取试验仿真和专家咨询的方式，提出降低单元万吨重载列车操纵安全风险的对策[5-6]。

2.1 机车工况转换操纵安全风险对策

针对因机车工况转换时间短而造成的牵引故障及纵向冲动问题，研究提出单元万吨重载列车操纵过程中，机车工况转换时间间隔应不少于8 s。此外，运行过程中应保证施加牵引或动力制动力时调速手柄由“零位”先输出50 kN，待全列车钩状态稳定后再逐步加载至目标值；解除牵引或动力制动力时先减载50%，全列车钩状态稳定再退至50 kN，停顿后调速手柄回“零位”。起伏坡道运行应尽力保持机车工况稳定，变坡点采取小牵引力通过，减少列车冲动。

2.2 站内及坡道起车操纵安全风险对策

2.2.1 站内起车操纵

针对站内起车操纵存在的安全风险，提出站内“三段”起车操纵法，具体操纵方法为：起车前司机确认列车尾部风压应满足580 kPa，第一阶段调速手柄先输出较小牵引力50 kN (双机牵引时为总力值)，稍作停留使机车与车辆车钩平缓拉伸；第二阶段再加大牵引力不超过300 kN，并适量撒砂实现全列车钩平稳拉伸并缓缓起动；第三阶段全列启动再逐步增加牵引力达速运行，并保持车钩状态稳定。

2.2.2 坡道起车操纵

针对坡道起车操纵存在的安全风险，研究提出以下操纵办法。

（1）“车车联控”法。长大上坡道关系站前特别是天气不良时，本务司机与关系站，前、后行列车司机通过机车综合无线通信设备CIR主动联系列车位置及当前速度，合理掌握列车间隔，必要时司机主动请求在关系坡道前方站停车避让。

（2）“动能闯坡”法。上坡道运行，司机采用“先闯后爬，闯爬结合”闯坡操纵办法。坡前高速“贴线”运行，爬坡充分发挥机车牵引力并预防性撒砂，利用“HXD型机车通过电子防空转/滑行系统检测各轮对粘着控制信号，经微机控制单元(TCU)单独控制逆变器输出电压和频率调节单台电机寻求最佳工作点，自动撒砂使机车获得较大平均粘着利用系数，使驱动系统既不空转又能充分发挥牵引力”特点，当机车微机控制单元自动减载某轴(转向架)牵引力期间司机不应盲目退手柄，防止机车牵引功率降低后发生坡停事故。

（3）坡停有预想。司机遇特殊情况被迫坡道停车时应尽量避开曲线、隧道等起车阻力较大地段，选择坡道相对较小有利于起车地点停车，分相前停车应留有2 000 m起车加速距离。坡道停车时应注意：自阀“初制动位”减压后，司机可依据停车地点追加减压，注意适量撒砂，降速至5 km/h单阀投入制动，停稳追减至100 kPa，停车时适量撒砂。坡道起车时应注意：列车前方200 m内的轨面应预先铺砂，司机先缓解单阀，牵引手柄分段给至100 kN力后缓解自阀，9 s内逐步将牵引力给最大，实现逐辆起动，注意适时撒砂，严禁将牵引力一次施加到位或“拉锯式”给退手柄，如起动失败应立即停车汇报，请求救援。

2.3 列车空气制动操纵安全风险对策

随着重载铁路运输的快速发展，列车轴重和编组长度不断增加，列车在制动过程中纵向冲动会随之增大。车辆断钩、脱钩和脱轨等货物列车事故时有发生，严重影响列车运行安全和运输效率。

针对单元万吨重载列车实施空气制动过程中存在的安全风险，根据牵引计算及运行试验，提出了具体的操纵对策：单元万吨列车正常调速宜采用初制动减压；一次减压量超过60 kPa或追加减压时应停车缓解；列车缓解速度必须满足列车管充风2.5 min需求；最低缓解速度不小于30 km/h。发现危及本列安全时，要立即采取紧急停车措施，遇地面信号突变可采取最大减压量停车。

2.4 机车通过电分相区操纵安全风险对策

针对机车过分相后，由于司机操纵不当易引起车钩断裂的问题，研究提出了机车的过分相操纵办法如下。

（1）通过上坡道分相的速度必须满足安全通过要求。“禁止双弓标”前，司机分段将牵引力退至“零位”，确认机车过分相“断合”电、辅机启动正常再分段输出牵引力，防止一次给较大牵引力“闪断”车钩。

（2）通过长大下坡道分相时列车可保持空气制动，“禁止双弓标”前，司机分段将动力制动力退至“零位”，机车过分相“断电”后及时按压“单缓”按钮，确认“合电”及辅机启动正常再分段输出动力制动力，恢复“单缓”按钮，确认“单缓”指示灯灭。

（3）通过起伏坡道分相时应适当控制速度，确保在分相前、后保持机车牵引/动力制动工况不变。

3 结束语

单元万吨重载列车的平稳操纵研究能够有效降低牵引能耗、保障列车运行安全、提高货运运输效率，是影响重载列车创新发展的重要因素之一[7-8]。通过将理论计算、试验数据及实践经验相结合的方式，针对仿真及事故调查中发现的突出问题，研究提出相应的安全风险控制对策，并形成具体的司机操纵方式方法，能够有效解决4种典型工况下的操纵安全问题，对于已开行重载货物列车的铁路线路及铁路局集团公司机务专业职工和管理人员的技术工作起到指导作用，为重载铁路货物运输安全效率的提升产生促进意义。