动力分散式重载货运车组方案可行性分析论证

赵 楠 王 蕾 陈 哲

（1.国能铁路装备有限责任公司，北京 100011；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

随着重载铁路快速发展，国际上重载铁路牵引装备也得到了广泛应用。重载发达国家都采用大轴重机车牵引的单元列车或组合列车的方式来实现重载牵引。国外重载运输的主要特点是单列质量大，但运行速度和线路开通密度相对较低。我国作为人均资源少，资源相对比较集中的国家，重载铁路采用快速度、高密度、大质量和节能绿色的重载的发展道路，主要采用大功率的交流传动电力机车牵引列车模式。

提升列车牵引吨位主要有3 种方式：一是提高轴重，二是扩大列车编组，三是优化车辆结构。但针对国能集团铁路大部分线路、桥梁不能满足30t 及以上大轴重货车的运行。在编组方面已实现2 万t 常态化运用，长大列车纵向冲击力较大，导致设备故障率高。另外，既有车辆已采用轻量化材质，提升空间少。目前，国能集团重载铁路牵引吨位已难以提升，制约了我国“西煤东运”的发展战略。

1 原因分析及解决思路

万吨及以上重载组合列车的规模化开行，在有效提高铁路运能的同时，造成机车车辆纵向力作用加大，作用于线路基础设施的集中荷载增加、频次增大、振动加剧，导致机车车辆设备、线路结构和部件安全储备下降、疲劳伤损、使用寿命缩短等问题凸显，给运输安全带来了挑战[1]。

在轴重和车辆结构短时间内无法进一步提升的情况下，为进一步提升国能集团重载铁路牵引吨位，该文在扩大列车编组方面进行突破，提出了一种货运车组的设计思路，提升在既有条件下的牵引吨位，以达到提升运能的目标[1-2]。

目前，国能集团既有铁路线路大列运输有万t（10800t）（车辆总长1296m）和2 万t（21600t）（车辆总长2592m）2种模式，其中2 万t 运输仅在朔黄铁路开行[4]。编组站场长度为1700m 和2800m 2 种，其中2800m 长度编组站场仅在朔黄铁路。重载货运动车组考虑国能集团所辖的大部分铁路的线路情况，实现全线贯通运营，因此受线路站场条件的限制，考虑采用万t 编组形式。以神朔铁路为基础开展分析，目前线路应用的编组模式为动力集中（非推挽），该文提出了动力集中（推挽式）、 动力分散（非推挽）、动力分散（推挽式）3种编组模式，与既有编组模式在网络传输、制动/缓解同步性、ECP 传输和控制纵向冲动力等方面开展可行性分析。

1.1 动力集中（非推挽）

智能重载货运动车组参考神朔铁路既有运输模式——动力集中非推挽式：1）2 台国能十二轴机车+120 辆C80，如图1 所示。2）1 台国能十二轴机车+60 辆C80+ 1 台国能十二轴机车+60 辆C80，如图2 所示。

图1 2 台国能十二轴机车+120 辆C80 编组模式

图2 1 台国能十二轴机车+60 辆C80+1 台国能十二轴机车+60 辆C80 编组模式

1.2 动力集中（推挽式）

1 台国能十二轴机车+120 辆C80+1 台国能十二轴机车，如图3 所示。

图3 1 台国能十二轴机车+120 辆C80+1 台国能十二轴机车编组模式

1.3 动力分散（非推挽）

1 台4 轴动力单元（带司机室）+20 辆C80+1 台4 轴动力单元（不带司机室）+20 辆C80+1 台4 轴动力单元（不带司机室）+20 辆C80+1 台4 轴动力单元（不带司机室）+20辆C80+1 台4 轴动力单元（不带司机室）+20 辆C80+1 台4轴动力单元（不带司机室）+20 辆C80，如图4 所示。

图4 动力分散非推挽式编组模式

1.4 动力分散（推挽式）

1 台4 轴动力单元（带司机室）+24 辆C80+1 台4 轴动力单元（不带司机室）+24 辆C80+1 台4 轴动力单元（不带司机室）+24 辆C80+1 台4 轴动力单元（不带司机室）+24辆C80+1 台4 轴动力单元（不带司机室）+24 辆C80+1 台4轴动力单元（带司机室），如图5 所示。

图5 动力分散推挽式编组模式

2 可行性论证分析

2.1 网络传输

各通信模式下网络传输距离。

2.1.1 无线传输

电台传输方式传输距离为800m；LTE 传输方式无距离限制，由于全线须建设LTE 网络成本较高，暂不考虑。

2.1.2 有线传输

WTB 总线方式传输距离为860m；LonWorks 总线方式传输距离为2700m；以太网方式通过中继器可以实现无距离限制传输。

动力集中非推挽式动力单元长度约102m，网络控制系统采用电台、WTB、LonWorks、以太网方式，均可满足要求，ECP 可采用LonWorks、以太网方式传输。一台国能十二轴机车+60 辆C80+1 台国能十二轴机车+60 辆C80 编组，2 个动力单元之间距离约820m，网络控制系统可采用电台、WTB、LonWorks、以太网方式，ECP 可采用LonWorks、以太网方式传输。

动力集中推挽式2 个动力单元之间距离约1540m，网络控制系统可采用电台、LonWorks、以太网方式，ECP 可采用LonWorks、以太网方式传输。

动力分散非推挽式最远2 个动力单元之间距离约1400m，网络控制系统可采用LonWorks、以太网方式，ECP可采用LonWorks、以太网方式传输。

动力分散推挽式最远2 个动力单元之间距离约1540m，网络控制系统可采用LonWorks、以太网方式，ECP 可采用LonWorks、以太网方式传输。

综上所述，动力集中非推挽式货运动车组网络系统可采用无线及有线传输方式，动力集中推挽式和动力分散式货运动车组网络系统可采用LonWorks 或以太网的有线传输方式；ECP 采用LonWorks 或以太网方式。由于受线路LTE 限制，无线传输方式稳定性较差，网络控制系统和ECP 推荐使用LonWorks 或以太网方式。

2.2 制动/缓解同步性

目前，重载长大列车的制动控制指令采用有线或无线网络方式基本达到同步，因此制动的一致性、列车的充风/缓解时间均受制于压缩空气在列车管的传播波速（一般约为300m/s），对重载长大列车来说这使循环制动的时间较长，列车制动一致性降低，降低了运行效率。

对上述4 种编组方式，在仅能通过压缩空气波速传播制动指令的前提下，充风缓解时间取决于动力分散的程度，分散的动力单元相当于增加了列车管的充风和排风的口，有利于提高制动的传播速度，提高制动的一致性，降低循环制动时间，提高运行效率[3]。

因此，动力分散推挽式相对充风/缓解时间来说是较好的选择。

但动力分散的编组方式虽然能提高制动同步性，但依旧无法满足长大列车的需求，随着ECP 技术不断完善，如果在动力分散的推挽式编组方式的同时结合ECP 技术的应用，可以有效解决相关问题。

ECP 制动指令通过电缆传输，速度较快，列车的制动缓解一致性非常高，同时通过车辆制动机的改进，列车管仅作为供风管，使制动时的用风量大大降低，再循环制动时间也大大减少，对提高运行效率有很大的帮助[6]。

各种编组及制动缓解传播速度如图6 所示。

图6 不同编组及制动缓解传播速度

综上所述，4 种货运动车组编组方式在充风/缓解同步上，动力分散推挽式具有突出优势、纵向冲击小，建议采用结合ECP 的动力分散推挽式编组形式。

2.3 ECP 传输和控制

4 种货运动车组编组方式ECP 传输网络均采用LonWorks、以太网方式传输，且整列车长度相当情况下，传输和控制可靠性能基本一致。但考虑到动力单元分散供电，可提升连接可靠性和冗余性，因此，动力分散式货运动车组具有突出优势。

综上所述，动力分散式货运动车组编组方式ECP 传输及控制可靠性高。

2.4 纵向冲动力

对比各编组模式，设置3 种典型工况，测试各机车车钩力的大小。工况一在6‰坡道坡停启动；工况二在78km/h速度下紧急制动；工况三在11‰长大下坡道上循环制动。对车钩力最大的工况进行分析。

2.4.1 动力集中非推挽式

2 台十二轴机车+120 辆C80，当坡停启动时，最大车钩力达2050kN，如图7 所示。1 台国能十二轴机车+60 辆C80+ 1 台国能十二轴机车+60 辆C80，当坡停启动时，最大车钩力达1340kN，如图8 所示。

图7 2 台十二轴机车+120 辆C80 牵引起动工况

图8 2 台国能八轴机车+60 辆C80+1 台国能八轴机车+60 辆C80 牵引起动工况

2.4.2 动力集中（推挽式）

当坡停启动时，前牵后推，最大车钩力为1050kN，如图9 所示。

图9 1 台国能十二轴机车+120 辆C80+1 台国能十二轴机车牵引起动工况

2.4.3 动力分散（非推挽式）

当坡停起动时，最大车钩牵引力约为410kN，如图10所示。

图10 动力分散（非推挽式）牵引起动工况

2.4.4 动力分散（推挽式）

当坡停起动时，最大车钩牵引力为370kN，如图11 所示。

图11 动力分散（推挽式）牵引起动工况

综上所述，动力集中非推挽式坡停起动的车钩力最大，动力集中非推挽式次之，动力分散推挽式车钩力最平稳[5]。

2.5 乘务员配置及效率

4 种编组模式下乘务员配置及编组/解编效率分析。

2.5.1 动力集中非推挽式

在动力集中非推挽式在既有万吨编组模式下，需要2-3组乘务员；大列货车车辆固定编组，对规模大的煤矿装卸场可以进行运输组织较快；但对规模较小的装卸场需要进行周转，效率较低。

2.5.2 动力集中推挽式

在动力集中推挽式在万吨编组模式下，需要2 组乘务员；大列货车车辆固定编组，对规模大的煤矿装卸场可以进行运输组织较快；但对规模较小的装卸场需要进行周转，效率较低。

2.5.3 动力分散非推挽式

在动力分散非推挽式在万吨编组模式下，需要1 组乘务员；货车车辆以“动力单元+小编组车辆”为小编组灵活组编，且可通过遥控进行牵引/制动控制，对煤矿装卸场装卸货物运输组织较快，效率较高。

2.5.4 动力分散推挽式

在动力分散推挽式在万吨编组模式下，需要1 组乘务员；货车车辆以“动力单元+小编组车辆”为小编组灵活组编，且可通过遥控进行牵引/制动控制，对煤矿装卸场装卸货物运输组织较快，效率较高。

综上所述，4 种货运动车组编组方式动力集中式需要乘务员数量多、货物装卸效率相对较低；动力分散式需要乘务员数量少、货物装卸效率较高。

2.6 日常检查维护与应用

4 种编组模式下日常检查与维护分析。

2.6.1 动力集中非推挽式

在动力集中非推挽式在日常检查和维护方面，可参考现有模式，动力单元由机务段进行检修，车辆由车辆段进行检修，但须进行解编；也可参考动车组模式，由机务与车辆检修人员整列进行检修与维护。但由于司机室仅在整列车的一端，运行时须进行解编与连挂。

2.6.2 动力集中推挽式

在动力集中推挽式在日常检查和维护方面，可参考现有模式，动力单元由机务段进行检修，车辆由车辆段进行检修，但须进行解编；也可参考动车组模式，由机务与车辆检修人员检修与维护整列。

2.6.3 动力分散非推挽式

在动力分散非推挽式日常检查和维护方面，可参考动车组模式，由机务与车辆检修人员检修与维护整列。由于司机室仅在整列车的一端，因此当运行时须进行解编与连挂。

2.6.4 动力分散推挽式

在动力分散推挽式日常检查和维护方面，可参考动车组模式，由机务与车辆检修人员检修与维护整列。

综上所述4 种货运动车组编组方式，动力集中式可参考既有检修模式解编检修，也可参考动车组检修模式。动力分散式须参考动车组检修模式进行检修和维护。动车组检修模式，由于无须解编，检修和维护耗时相对较短。在运用方便性上，建议采用推挽式。

2.7 对比分析结果

根据以上几个方面的技术论证分析，以“优”、“良”、“差”进行评价，汇总见表1。

表1 各方面技术对比表

综上所述，动力分散推挽式货运动车组在各方面均具有突出的技术优势。可作为未来重载运输的一种模式。

3 结论

随着国民经济快速发展，我国对重载运输运量要求越来越高，该文提出了动力分散货运车组方案从技术可行性、网络传输、制动/缓解同步性、冲向冲动力及经济效率方面有较多优势，为重载运输提供了一种新思路。