车站到发线停车防溜器布置仿真研究

保鲁昆，许 镇，卫 宁

(1.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；2.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081；3.中国国家铁路集团有限公司 运输调度指挥中心，北京 100844)

0 引言

停留车辆的防溜是车务工作安全的重点和难点。《铁路技术管理规程》规定，中间站停留车辆需要采用“双防溜”方式[1]，拧紧两端车辆的人力制动机，并以铁鞋(或止轮器、防溜枕木等)牢靠固定。在采取防溜措施时，作业人员需要频繁往返各股道，攀爬车辆拧紧人力制动机，存在较大的作业安全隐患。同时，人工放置防溜设备也存在“漏设”和“漏撤”的可能[2]。为此，部分车站尝试在到发线上使用自动化防溜设备，以消除安全隐患。例如，鲅鱼圈北站在到发线上使用高速锁闭止轮顶[2]；包头北站和包头西站等使用停车防溜器[3]。

目前，国内部分停车防溜器厂家在设计到发线停车防溜器布置方案时，根据线路坡度、列车牵引定数及单台停车防溜器制动能力等参数，计算坡道产生的下滑力，除以单台停车防溜器的制动能力，再考虑一定的安全系数，确定到发线需要安装的停车防溜器台数。由于车辆类型较多，车辆纵向几何参数相差较大，部分类型的车辆即使停留在停车防溜器组覆盖区域内，停车防溜器仍然有可能无法作用到车轮，不能有效防止停留车辆溜逸。国内外学者对到发线防溜设备及监控系统的研究较多[4-7]，而在到发线防溜器布置方面的研究较少。龚德文[7]假设相邻2 台停车防溜器分别作用在同一车辆第1 和第2 至4 轮对的情况下，针对不同车辆参数，利用统计方法计算停车防溜器的合理长度及间隔。该方法限定了一组停车防溜器的数量，单台停车防溜器长度过长，不利于现场安装调试。为此，通过仿真方法，研究不同的有效长度、连续布置数量、布置间隔情况下，停车防溜器对车轮的作用效果，为到发线停车防溜器布置提供参考。

1 车站到发线停车防溜器布置

1.1 影响因素

（1）车列(车组)的停留位置。车列(车组)的停留位置决定停车防溜器的布置区域。停车防溜器必须布置在车列(车组)停车位置范围内，才能起到停车防溜作用。

（2）列车牵引定数和线路坡度。这2 个因素共同决定车列(车组)停留时产生的下滑力，而决定停车防溜器布置数量。

（3）车辆纵向几何参数。铁路车辆纵向几何参数如图1 所示。图1 中，A 为车辆长度，C 为车辆定距(车辆2台转向架中心之间的距离)，D为最内侧两轴间距，d 为车辆轴距。典型车辆纵向几何参数如表1 所示。

图1 铁路车辆纵向几何参数Fig.1 Longitudinal Parameters of Railway Vehicles

表1 典型车辆纵向几何参数 mTab.1 Longitudinal Parameters of Typical Vehicles

（4）停车防溜器的有效长度。为了降低成本，便于现场安装调试，停车防溜器的有效长度一般为4 ～ 8 m[8]，而典型车辆的最内侧两车轴距离为8 ～ 22 m，单台停车防溜器作用到车轮上的概率相对较小，一般需要几台停车防溜器成组配合布置，才能够起到防溜作用。例如，包头北站1场部分线路采用“3+3+1”或“2+2+1”布置模式。

1.2 停车防溜器布置方案

车辆纵向几何参数、停车防溜器有效长度和相邻停车防溜器布置间隔的匹配关系决定车列(车组)停留在停车防溜器布置区域时，停车防溜器是否能有效作用在车轮上。定义停车防溜器组覆盖范围(以下简称“覆盖范围”)为当1 组停车防溜器按照一定间隔布置时，从第1 台停车防溜器始端至最后一台停车防溜器末端的范围，包括组内所有停车防溜器总有效长度和相邻停车防溜器间隔距离。定义停车防溜器组作用到车轮的概率(以下简称“作用概率”)为当车辆2 个最外侧轮对处在停车防溜器组覆盖范围内时，停车防溜器组内至少有1 台停车防溜器作用在车轮上的概率。

停车防溜器的布置方案有单台停车防溜器独立布置、2 台停车防溜器成组连续布置、3 台停车防溜器成组连续布置。

（1）单台停车防溜器独立布置。单台停车防溜器独立布置如图2 所示。在单台停车防溜器独立布置时，由表1 可知，典型车辆最内轴间距D 的范围为6.4 ～ 20.85 m，而停车防溜器长度一般为4 ～ 8 m[8]，当停车防溜器正好处在车辆最内轴间距之间时，对于多数车辆，停车防溜器制动状态下无法作用到车轮，起不到防溜的作用。

图2 单台停车防溜器独立布置Fig.2 Layout of a Single Anti-running Device

（2）2 台停车防溜器成组连续布置。使用2 台停车防溜器成组布置，2 台停车防溜器相隔一定距离。如果停车防溜器有效长度和布置间隔配合得当，能够满足多数常见车型的防溜。然而，当车列(车组)停留在停车防溜器组覆盖范围内时，如果2 台停车防溜器布置间隔过大，存在与单台停车防溜器布置相同的问题。2 台停车防溜器布置间隔过大情况如图3 所示。如果停车防溜器有效长度较短，布置间隔过小，则停车防溜器容易完全处于车辆的2 个内侧轮对之间，也不能起到防溜作用。2 台停车防溜器布置间隔过小情况如图4 所示。考虑到相同车型或不同车型车辆连挂情况下，还存在多种不利场景。

图3 2 台停车防溜器布置间隔过大情况Fig.3 Layout of Two Anti-running Devices with Too-large Interval

图4 2 台停车防溜器布置间隔过小情况Fig.4 Layout of a Two Anti-running Devices with Too-small Interval

（3）3 台停车防溜器成组连续布置。当停车防溜器有效长度大于7 m，且按零间隔连续布置时，能使表1 中所有车型完全在停车防溜器组的覆盖区域内，其作用概率为100%，但是布置成本较高，布置难度较大。随着停车防溜器间隔的增大，考虑不同车型连挂情况下，也会出现多种不利情况。3 台停车防溜器成组连续布置不利情况如图5 所示。

图5 3 台停车防溜器成组连续布置不利情况Fig.5 Unfavorable Condition for a Three-anti-running-device Layout

由于车辆型号较多，不同停车防溜器有效长度和布置间隔均为可变因素。优化匹配停车防溜器有效长度、停车防溜器成组连续布置数量、停车防溜器布置间隔和车辆纵向几何参数，可以在节约投资的基础上，提高多数车型的作用概率。

2 车站到发线停车防溜器防溜效果仿真

2.1 仿真软件开发

不同布置方案下有多种不利场景，不易利用公式直接计算停车防溜器与车辆纵向几何参数的匹配关系，可以使用模拟仿真的方式进行研究。为此，开发仿真程序，计算不同车型的作用概率。仿真程序按照停车防溜器和铁路车辆纵向几何尺寸，等比例构建停车防溜器和车辆模型，再按照比例布置在轨道上。测试车辆从停车防溜器组的一侧匀速进入，再从另一侧驶出。从车辆运行方向第1 个轮对进入停车防溜器组覆盖范围时起，至最后一个轮对离开停车防溜器组覆盖范围时止，作用概率的计算公式为

式中：θ 为作用概率；t作用为整个过程中至少1 个停车防溜器作用到车轮上的时间；t覆盖为车辆通过整个停车防溜器组覆盖范围的时间。

为便于仿真计算，把车辆运行连续过程离散化，令车辆按照固定步长向前移动。每移动1 次，判断并记录停车防溜器组是否有停车防溜器作用到轮对上。当步长足够小时，车辆的作用概率计算公式为

式中：c作用为整个过程中至少1 个停车防溜器作用到车轮上的次数；c覆盖为车辆通过整个停车防溜器组覆盖范围的计算次数。

到发线停车防溜器布置验证仿真软件界面如图6所示。仿真程序能够满足针对不同停车防溜器长度、不同布置方案、不同车辆连挂组合情况下，停车防溜器组覆盖范围内作用概率的计算。该程序的输入参数包括停车防溜器有效长度、停车防溜器成组连续布置数量、停车防溜器布置间距、车辆纵向几何参数和不同类型车辆连挂情况等。该程序可以显示停车防溜器有效工作状态，当停车防溜器组至少作用在1 对车轮时，停车防溜器显示为红色，否则显示为绿色。

2.2 仿真结果分析

在仿真实验中，1 组连续布置的停车防溜器有效长度相同，1 组内多个停车防溜器间隔相同。利用到发线停车防溜器仿真程序计算2 台停车防溜器成组连续布置和3 台停车防溜器成组连续布置的作用概率。停车防溜器有效长度分别设为4 m，5 m，6 m，7 m和8 m，停车防溜器间隔分别设为6 m，5 m，4 m 和3 m，将这些情况进行组合，对表1 中的6 种典型车辆进行仿真检算。2 台停车防溜器成组连续布置作用概率如表2 所示；3 台停车防溜器成组连续布置作用概率如表3 所示。

图6 到发线停车防溜器布置验证仿真软件界面Fig.6 Interface of the Simulation Software for Anti-running Device Layout Verification

从表2 和表3 可以看出，对于所有车型，在停车防溜器间隔相同的前提下，随着停车防溜器的长度增加，2 台和3 台成组停车防溜器作用概率均随之增加。对于同一车型，在停车防溜器有效长度一定的前提下，随着停车防溜器间距缩小，车辆内轴距较长车型的作用概率呈上升趋势，而部分车辆内轴距较短车型的作用概率略微下降然后再上升，如C80车型，3 台停车防溜器(有效长度为5 m)连续布置时，作用概率从89.5%下降至88.2%，然后又上升至90%；而个别车型的作用概率随着停车防溜器间距的缩小呈下降趋势，如C62车型，2 台停车防溜器(有效长度为6 m)连续布置时，作用概率从93.7%下降至92.9%。

对于车辆定距较长的车型，在停车防溜器长度和布置间隔相同的情况下，3 台成组连续布置方案的作用概率高于2 台成组连续布置方案。例如，JSQ5 车型在停车防溜器长度为5 m，布置间隔为3 m 的情况下，作用概率分别为88.1%和75.5%。对于车辆定距较短车型，如C80车型，在相同停车防溜器长度和相同布置间隔情况下，3 台成组连续布置与2 台成组连续布置方案停车防溜器组的作用概率差异不大。

仿真程序可以用于到发线停车防溜器布置方案设计。针对不同的布置方案，根据到发线主要停留车型的纵向几何参数，对每种车型分别进行仿真计算，得到停车防溜器组的作用概率，再选取对所有车型均大于某个给定概率的方案，作为停车防溜器的优化布置方案。

表2 2 台停车防溜器成组连续布置作用概率 %Tab.2 Probability of a Two Anti-running Devices Layout

表3 3 台停车防溜器成组连续布置作用概率 %Tab.3 Probability of a Three Anti-running Devices Layout

针对表1 中的6 种车型，给定停车防溜器组的作用概率均大于80%。如果使用2 台停车防溜器成组连续布置方案，要求停车防溜器的有效长度最少为7 m，布置间隔不大于5 m；如果使用3 台停车防溜器成组连续布置方案，要求停车防溜器的有效长度最少为6 m，布置间隔不大于4 m。

2.3 停车防溜器布置位置分析

对于平坡到发线，停车防溜器应优先考虑布置在到发线的两端，然后再考虑布置在到发线中间；而对于存在坡度的到发线，停车防溜器应优先考虑布置在线路下坡方向一端，然后再考虑布置在到发线中间，最后再考虑布置在到发线上坡方向一端。为保证所有车列(车组)都能停留在停车防溜器组覆盖范围内，应在《车站行车工作细则》中规定车列(车组)应停留在停车防溜器布置区域，充分发挥停车防溜器的作用。

停车防溜器在到发线端部的安装位置应考虑机车停车位置距离信号机或警冲标的距离，加上机车长度和一定的冗余距离。机车停车位置距离信号机或警冲标的距离按30 m 计算， 2 台电力机车全长按44 m 计算[1]，冗余距离按30 m 计算，停车防溜器应优先布置在下坡方向距离信号机或警冲标100 ～ 120 m的位置。停车防溜器组优先布置位置如图7 所示。

图7 停车防溜器组优先布置位置Fig.7 Preferred Installation Positions for Anti-running Devices

3 结束语

针对典型车辆在停车防溜器不同长度、不同连续布置数量和不同布置间隔情况的仿真分析，可以为到发线停车防溜器布置方案的设计提供参考；合理确定停车防溜器组优先布置位置，可以为停车防溜器的安装和使用提供依据，以充分发挥停车防溜器的性能，改善防溜作用效果，提升作业安全性。但是，由于车辆型号众多，针对更多车型和不同车型连挂情况下的仿真，还需要进一步深入研究。除此之外，还存在由于外部原因导致的到发线停留车辆溜逸的情况，需要在后续的研究中关注这种情况下的停车防溜器布置优化。