起伏坡道列车车钩受力分析及平稳操纵方法

王 成

（国能朔黄铁路发展有限责任公司机辆分公司，肃宁 062350）

为提高运输能力，朔黄铁路开行2万吨重载组合列车，年运量已突破3亿吨。然而，运载货物质量的增加，会使得车钩受力变大，对机车运行安全及线路设施等造成不良影响。因此，分析起伏坡道等复杂环境中列车车钩受力问题，并制定相应的平稳操纵方法，将有效提升重载铁路运输质量。

1 起伏坡道运行列车的平稳操纵和注意事项

1.1 做好列车平稳操纵的意义

列车牵引是铁路对外经营的一个窗口，其服务质量水平会影响铁路的效益和声誉。因此，做好起伏坡道运行列车的平稳操纵局具有良好的现实意义，具体体现在以下方面。

第一，起伏坡道运行列车做好平稳操纵工作，能够提高铁路对市场经济需求的适应能力，并对国际运输市场中我国铁路运输的地位和铁路运输的经济效益有直接的影响。所以，通过提高起伏坡道运行列车平稳操纵能力，可以提升我国铁路运输在国际运输市场的地位和经济效益。

第二，重载列车在起伏坡道上运行极易发生段钩事故，造成巨大的损失。平稳操纵技术的提高可以减少此类事故的发生，从而降低因操纵不合理引发的各类危险，保障列车人员生命安全，避免货物的损失，提高列车的通过能力。

第三，铁路机务系统的服务质量可以通过起伏坡道运行列车平稳操纵的能力进行体现，同时是机务系统的管理水平、职工素质、机车质量等总体工作的整体水平的真实反映。

1.2 起伏坡道运行需要注意的操纵事项

如果一列重载列车在较长的起伏坡道运行时，应以低级位牵引或者低级位动力制动作为列车操纵的主要方式。列车操纵形式为低级位牵引操纵时，整个列车的车钩呈现出拉伸状态。列车操纵方法为低级位动力制动时，列车的车钩呈现出压缩状态。通常起伏坡道运行的列车采用这两种方法，主要是为了保持车钩状态不会出现变化，使得列车起伏坡道运行情况下可以降低重载列车的纵向冲动。如果由于重载列车的速度问题，导致低级位的操纵方法下无法保障整个列车车钩处于相同的一个状态，操纵列车需要注意减少机车工况的转换，从而将列车纵向冲动的人为因素消除。在起伏坡道区段重载列车需要进行速度调整时，可以充分有效利用列车的动力制动，再结合线路纵断面的特点进行控速。但已经使用空气制动方法时，特别是列车运行到道路类型为鱼背型或者锅底型坡道的情况下，列车可以利用停车缓风的方法降低纵向冲动，保障重载列车的安全运行。

2 重载列车产生冲动、断钩的原因分析

当列车发生冲动或分离事故时，主要原因是车钩连接不牢靠，存在间隙，导致车辆在外力作用下产生无阻尼运动，即车钩间隙效应。当作用在车钩上的力骤然增大时，车钩会因惯性产生很大的冲量，导致车辆之间原有应力关系受到破坏，一旦超出缓冲器的作用范围，会形成刚性冲击，发生车钩断裂，影响到重载列车的行驶安全质量[1]。

3 起伏坡道列车车钩受力分析

本文以朔黄线2万吨列车为例，使用自主创新的动力学测试系统（见图1），通过测力车钩、拉线位移传感器、激光位移传感器、压力传感器以及加速度传感器等设备，监测机车车钩力、车钩偏转角与伸缩量、机车与车辆车钩差、机车均衡风缸与列车管压力、机车转向架位移量与振动加速度、轴箱振动加速度6个项点。该系统可直观反映机车的各类运行参数，用来评定运行中机车的纵向受力情况。

图1 朔黄铁路2万吨列车动力学测试系统

为确保2万吨重载列车安全开行，朔黄铁路先后进行了5种基于800 MHz+400 kHz无线通信传输同步控制系统和LTE-R无线通信传输同步控制系统的编组试验，得到平缓区段工况下不同组合方式的重载列车循环制动车钩力，见表1。

表1 2万吨重载组合列车试验概况

从表1可知：2万吨列车在“2+1+1”组合方式下循环制动车钩力最小，为873 kN；在“神八+可控列尾”组合方式下循环制动车钩力最大，为2 143 kN。无论何种组合方式，都存在车钩断裂的风险。“神八+可控列尾”组合时，车钩断裂的风险最大。

不同型坡道和起伏坡道动力学数据如表2和表3所示。上坡转下坡时，线路坡道为4‰转-4‰，从控机车车钩受力为630 kN；下坡转上坡时，线路坡道为-4‰转4‰，从控机车车钩受力为-584 kN；下坡转平道时，制动方式为减压50 kPa缓解，从控机车车钩受力为1 248 kN。

表2 2万吨重载组合列车不同型坡道动力学数据情况

表3 2万吨重载组合列车起伏坡道动力学数据情况

从表2和表3数据可以得出，重载列车在行驶的过程中，坡道路况时车钩的受力较为复杂，不同的坡道情况车钩受力不断变化，需要对列车进行操纵，保证列车的运行安全。

4 不同工况下重载列车的操纵要点

4.1 重载列车坡道操纵要点

重载列车在坡道行驶时，列车操纵人员不仅要根据上坡转下坡或者下坡转上坡的具体情况进行操纵，还要根据纵断面的信号情况合理给定调速手柄，机位保持小电流牵引运行，保证列车运行速度稳定。同时，通过撒砂装置提高列车车轮的摩擦力，增加重载列车坡道行驶的稳定性，避免打滑（见图2）。撒砂装置由列车内司机操纵，通过砂箱及运砂管道直通列车车轮部位。箱内装载石英砂（见图3），统一规格为直径2～3 mm、尘土量少于5%、湿度低于0.5%，同时规格范围内的石英砂比例不得少于80%。通过撒砂，在雨雪季节也能有效减少20%左右的制动距离。另外，列车在起伏坡道运行时，切不可使牵引力发生突升或突降的变化，否则会给环境复杂下的列车造成较大的车钩应力，引发重载列车冲动或断钩等问题[2]。

图2 撒砂装置

图3 砂箱内的石英砂

4.2 上坡转下坡操纵要点

当重载列车处于上坡向下坡转行时，重载列车的行驶速度会逐渐增加，因此要采取一定的动力制动操纵，将列车的行驶速度始终保持在合理范围。当全列车钩处于拉伸状态时，如果列车头部达到顶坡，则可以缓慢退调速手柄至零位。当列车2/3进入下坡道时，要对调速手柄进行回归，此时全列车钩呈现出自由状态。投入动力制动时，要在电流出现后等待3 s，待全列车钩处于压缩状态后，再对电流进行调整。投入动力制动的时机应选择在全列车进入下坡道后[3]。

4.3 下坡转上坡操纵要点

在重载列车处于下坡转上坡时，应适当追加牵引力。全列车钩处于紧缩状态，加载牵引力时应进行等流操纵，即将手柄极控制在当前速度的0.3级左右，等待电流出现3 s，待全列车钩处于拉伸状态，缓慢平滑地增大电流。原则上应使车钩处于拉伸状态。就坡底对于重载列车的下坡转上坡来说，牵引力供应的停止和动力制动，要根据车钩之间的应力系数进行调控[4]。

5 加强起伏坡道列车平稳运行的操纵办法

5.1 合理调整车钩状态

为了增加起伏坡道中重载列车运行的平稳性，应根据不同的运行环境对车钩的状态进行调整。例如，当列车运行至鱼背形坡道时，车钩会呈现出拉伸状态。采用空气制动措施后，前部车辆会最先发起制动，产生一个向后的压缩力。由于制动波传递速度影响，此时后部车辆尚未完成有效制动，在惯性的作用下，会导致中间车辆之间的车钩处于压缩状态。而车辆处于坡顶时，会受到前后两侧的压力，也容易造成列车冲突及分离事故。此外，当列车在鱼背坡道上进行减速缓解时，由于先前各车钩处于压缩状态，在缓解后前部车辆可以最先得到缓解，但是后部车辆会持续向前部车辆施加压应力。受空气制动影响，此时后部车辆尚未完全缓解，便会导致车钩处于紧缩状态。当列车缓解时，车辆会受到上坡道的影响产生一个向后的拖拽力，此时处于坡顶的车辆会受到前后两个拉力影响，容易使车辆车钩拉断[5]。

5.2 尽量避开线路纵断面

列车在起伏坡道进行空气制动时，还应尽量避开线路纵断面。尤其是重载列车处于空车与重车混编状态时，如果采用空气制动方式，则会影响各车辆之间的有效减压。因此，要采用最小的有效减压方案，使重载货车能够得到减速缓解，同时不会对空车运行状态造成影响，即均量进行减速。如果要追加减压，则不应超过2次，且追加减压量不得超过初次减压量。当列车逐渐缓解时，还要控制好列车的缓解速度，将其控制在15 km·h-1以内。机车应采用单阀制动方式，制动量应不少于200 kPa，列车缓解10 s后，逐渐向单阀制动进行缓解，使每次的缓解量处于合理范围内，保证起伏坡道下重载列车的平稳运行。

6 结语

针对重载列车在起伏坡道下的操纵难点，阐述了列车产生冲动或断钩的原因，并以朔黄线2万吨重载组合列车不同工况下的车钩受力为例进行分析，提出了列车平稳操作措施，强调了上坡与下坡之间的转行操纵要点。此外，通过分析动力制动不足时的操纵方式，提出要合理调整车钩状态，尽量避开线路纵断面，从而将重载列车的运行速度控制在合理范围，保证重载列车安全行驶。。