160 km/h客货共线铁路长大坡道对货物列车运行性能的影响

张生玉， 寸冬冬， 张树鹏

（中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081）

0 引言

近年来，我国陆续开通了多条客货共线160 km/h速度等级线路，主要有川藏铁路拉萨—林芝段、宁启铁路南通—启东段等，川藏铁路拉萨—林芝段最大坡度为12‰，宁启铁路南通—启东段最大坡度为6‰。磨万铁路磨丁—万荣段最大坡度为24‰，16‰及以上的坡道长度合计89.3 km，占该段线路长度的31.6%。与其他线路相比，磨万铁路的坡度明显偏大，对货物列车的运行性能会产生一定影响。

货物列车在上坡区段运行时受机车牵引能力的限制，速度有所降低，在下坡区段运行时机车施加再生制动或全列空气制动来控制车速，对货车运行性能有一定影响［1-2］。基于磨万铁路动态检测数据对大坡道区段货物列车运行速度和货车动力学性能进行研究与分析。

1 线路简介

磨万铁路采用中国标准建设，为客货共线Ⅰ级单线铁路［3］，正线全长422.441 km，设计速度160 km/h。最小曲线半径一般地段2 000 m、困难地段1 600 m，限制坡度为12‰（磨丁—万荣段加力段为24‰）。磨万铁路沿线80%为山地和高原，孟赛以北为中低山区，与中国云贵高原相接；孟赛—万荣段为中高山、中低山区，地形起伏较大；万荣—丰洪段为低山丘陵地貌；丰洪—万象段为河谷平原及缓丘区，地形平坦开阔。磨万铁路全线海拔高度示意见图1。

图1 磨万铁路全线海拔示意图

磨万铁路设计货物列车牵引质量3 000 t，采用2台HXD3C 型电力机车牵引，货物列车最高运行速度受下坡制动限制，在磨丁—万荣段最高速度为90 km/h，万荣—万象段最高速度为105 km/h。

2 机车车辆及列车编组

货物检测列车主要由HXD3C 型机车［4］和C70型通用敞车［5］（C70型是指 C70、C70H、C70E或 C70EH，下同）组成。机车和货车的主要参数分别见表1、表2。

表1 HXD3C型机车主要参数

表2 C70型货车主要参数

货物检测列车编组39 辆（不含机车），由36 辆C70型货车、2辆C64K型货车（作为隔离车）、1辆试验客车组成，牵引质量约3 000 t。38 辆货车中，重车29 辆、空车9 辆，重车按照车辆的标记载质量装载。2 辆动力学测试车均为C70E型，空车、重车各1 辆。列车长度558 m（不含机车），采用2 台HXD3C 型机车重联牵引，机车轴重25 t，制动主管压力600 kPa。由于列车编组需求，尾部加挂了1 台HXD3C 型机车，列车运行时不顶推。

从图1可以看出，磨万铁路磨丁—万荣段线路坡度大，在长大上坡道时2 台机车必须施加较大的牵引力，因此机车和列车前部的车辆会承受较大的拉钩力；在长大下坡道时，机车施加再生制动或全列空气制动来控制列车速度，会在列车中产生大的压钩力。为保证列车中的客车和空车在上下行方向均不承受大的纵向力，在方便现场作业的基础上，对列车编组进行调整，上下行方向采用不同编组，将客车和空车始终编在列车后部（见图2）。

图2 货物列车编组示意图

3 长大坡道列车运行速度分析

根据磨万铁路货物检测列车的动态测试数据，在磨丁—万荣间坡度较大的上坡区段和下坡区段，列车运行速度都有不同程度下降，通过牵引和制动两方面进行分析。

3.1 机车牵引能力分析

为研究2 台HXD3C 型机车牵引3 000 t 货物列车在通过长大上坡道时列车运行速度受坡度的影响，对在20‰和24‰两种坡度上运行时的列车平衡速度、全列处于上坡道时列车起车能力进行牵引计算。计算条件如下：HXD3C型机车轴重25 t，双机重联，牵引系数取0.9，货车车型为C70，重车轴重23 t。计算结果表明：全列处于24‰上坡道时，起动阻力为855 kN，2 台HXD3C 型机车可以牵引3 000 t 货物列车起车。计算可得20‰和24‰两种坡度上的列车平衡速度分别为65.8、46.2 km/h。

动态检测时，货物列车通过2种坡度速度达到稳定后的运行速度实测结果见表3。可见，实测运行速度与计算平衡速度基本吻合，计算结果略低。

表3 通过不同上坡道时的列车速度实测值

上行方向帕当—嘎西间VBK142—VBK152 是货物列车运行较为困难的区段，17‰～24‰连续上坡道总长度达7 419 m，VBK142+914处有1处分相点。货物列车第1 天试验中在该区段出现了3 次接触网断电现象，发生断电时列车所处线路情况如下：第1次断电发生在列车从10‰上坡道进入20‰上坡道后，客车里程VBK142+879（客车距机车560 m），列车速度62.5 km/h；第2 次断电发生在全列处于17‰上坡道上，客车里程VBK148+622，列车速度50.2 km/h；第3 次断电发生在列车从20‰ 上坡道转入24‰ 上坡道，客车里程VBK143+655，列车速度49.9 km/h。

根据试验当天地方变电站实测数据显示，外电115 kV 地方变电站最高电压为120.30 kV，最低电压仅为103.51 kV，已超过相关标准中电压波动允许范围。此外，变电所馈线保护定值参数较低也是此次发生断电的原因之一。针对上述情况对供电系统进行以下调整：地方变电站采用动态补偿等措施增强供电能力，使网压保持稳定；按照牵引变压器能力调整变电所馈线保护定值参数；将牵引变压器分接挡位由4 挡调整为5 挡，以提高供电臂接触网电压。采取以上调整措施后，后续试验中货物列车可正常通过该区段，未发生接触网断电现象。可见，货物列车在坡度较大上坡道运行时，用电负荷大，需供电系统充分满足机车的牵引功率需求。

VBK140—VBK156 间线路海拔及坡度示意见图3，正常通过该区段时的列车速度实测曲线见图4。可见，在坡度为22.6‰～24.0‰的上坡区段，列车速度保持在50 km/h 左右，进入14.0‰～17.0‰上坡道后，列车速度逐渐增加。

图3 VBK140—VBK156间海拔及坡度示意图

图4 VBK140—VBK156间列车速度实测曲线

3.2 制动方式对列车速度的影响

货物列车在下坡道运行时，坡度较小区段机车可采用再生制动将列车速度控制在相对稳定水平，列车平均速度较高；坡道较大区段则必须进行空气制动配合再生制动来控制列车速度，空气制动后保压使列车减速达到适当速度时再进行缓解［6］，在长大下坡道往往需要进行多次制动—缓解过程来调速，列车平均速度相对较低。

磨万铁路上行方向VBK387+561—VBK391+811是-16‰坡道，长度4 250 m，货物检测列车通过该区段时，机车只采用再生制动，可将列车速度控制在要求的速度级±3 km/h 范围内，列车运行平稳，纵向冲动小。上行方向VBK326+207—VBK333+307 是-20‰坡道，长度7 100 m，列车通过该区段时，机车仅采用再生制动不足以控制列车速度，需进行全列空气制动，减压量一般为50 kPa，缓解速度在68 km/h 左右。90 km/h速度级试验时货物列车通过以上2个区段的实测速度对比见表4，可以看出，-16‰坡道上仅采用再生制动控制车速，列车通过该坡道的平均速度为89.4 km/h，最低速度89.0 km/h；-20‰坡道上进行空气制动配合再生制动控制车速，列车通过该坡道的平均速度为78.7 km/h，最低速度66.0 km/h。可见，采用空气制动调速时，为确保列车有充足的再充风时间，缓解速度相对较低，导致坡道通过的平均速度明显低于仅用再生制动调速情况。

表4 通过不同下坡道时的列车速度实测值（90 km/h速度级）

本次磨万铁路动态检测的货物列车编组3 000 t，与我国重载列车相比吨位较小，但磨万铁路坡度明显大于我国重载线路，如大秦线重车方向最大坡度为-12‰，瓦日线［7］下行方向最大坡度-13‰，因此，磨万铁路货物列车操纵存在一定困难。从重载列车既有运行经验和试验数据来看，长大下坡道采用电空配合循环制动进行调速是列车操纵的难点。采用空气制动调速时，在制动和缓解过程中，由于前后车辆存在不同步性，制动时头部机车和前部车辆首先产生制动作用，后部未制动车辆前涌，会在列车中产生压钩力。列车缓解时，机车和前部车辆首先缓解，与后部未缓解的车辆间出现拉伸现象，在列车中产生拉钩力；后部车辆缓解后又挤压前部车辆产生压钩力，形成“先拉后压”现象。与制动过程相比，缓解过程中列车的纵向冲动及由此产生的拉钩力和压钩力更大。采用再生制动时，前部车辆承受的压钩力与机车施加的再生制动力相同，为避免机车车辆承受很大的压钩力，再生制动力也不宜过大。较大的压钩力对机车和车辆尤其是空车的安全性有一定影响，特别是在小半径曲线和侧向通过道岔时，压钩力会产生一定的横向分力，造成脱轨系数等参数超标，应尽量避免。

由于磨万铁路磨丁—万荣段地形起伏大，无论是上行方向还是下行方向，都存在坡度为20‰左右的上坡区段和下坡区段，在正常开行货物列车时，需要不断优化列车操纵方案，避免产生大的纵向力。在下坡区段时合理利用再生制动进行调速，可以减少空气制动的调速次数，提高列车通过的平均速度，并可适当降低车辆轮对和闸瓦的磨耗。

4 货车动力学性能分析

在磨丁—万荣段下行方向，线路存在多处长大下坡道，坡度为-20‰及以上的坡道共计15 处。从本次试验来看，货物列车在超过-20‰的长大下坡道运行时需采用空气制动配合再生制动进行调速，机车施加再生制动会在列车中产生纵向压钩力，进行空气制动时制动和缓解过程中会引起纵向冲动，产生拉钩力和压钩力［8］，对车辆的动力学性能可能产生影响［9］。针对本次动态检测的实际线路，选取一段典型下坡道分析车辆通过时的动力学性能。

下行方向在VBK319+007—VBK311+457 区段，坡度-20‰，坡道长度7 550 m，R3 500 m和R5 000 m曲线各1处，货物列车通过该区段时的平均速度为63.7 km/h、最高速度为73.9 km/h，期间进行多次空气制动调速，列车缓解速度在50～60 km/h，该区段的实测速度-里程曲线见图5。

图5 典型区段实测速度-里程曲线

为对比分析制动对货车动力学性能的影响，选取同一区段在上行方向、列车处于上坡、机车牵引工况下的货车动力学数据进行比较，列车通过时的平均速度为59.3 km/h，速度基本稳定。

列车通过该区段时动力学测试车（空车）在上坡、下坡方向运行时的测试数据散点图见图6—图8，可见，各项动力学指标均符合要求，且数值较小。对比上坡与下坡的数据可以看出，下坡较上坡时脱轨系数和轮轴横向力略大，轮重减载率基本相同，主要原因是下坡时最高速度73.9 km/h，平均速度63.7 km/h，明显大于上坡时速度。

图6 脱轨系数散点图

图8 轮重减载率散点图

总体来看，在当前机车操纵和列车速度条件下，长大下坡区段列车制动对车辆动力学性能未造成明显影响，动力学数据较小主要是由于列车运行速度相对较低、线路中无小半径曲线。

图7 轮轴横向力散点图

5 结束语

通过对磨万铁路长大坡道对货物列车运行性能影响的分析可知，在保证牵引供电能力的情况下，2 台HXD3C型机车牵引3 000 t货物列车在磨万铁路长大坡道可以顺利通过；货物列车通过长大下坡道时，在满足坡度限速要求的前提下尽量采用再生制动控制车速，减少空气制动的调速次数，可明显提高列车通过的平均速度；在所研究的机车操纵和列车速度条件下，长大下坡道进行调速制动对货车动力学性能未造成明显影响。建议160 km/h 客货共线铁路设计和试验验证应充分考虑牵引供电能力对货物列车通过长大坡道运行的影响。