内燃机车救援制动不可用动车组限速优化研究

2024-01-16陈波郭奇宗张波马忠吕宝佳

铁道机车车辆 2023年6期

陈波，郭奇宗，张波，马忠，吕宝佳

（1 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，北京 100081；2 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；3 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094）

当动车组因自身发生故障、接触网供电中断等原因无法继续运行时，需申请救援，由其他动车组或救援机车牵引运行至下一站。为了满足救援需要，目前动车组基本都配备了过渡车钩［1］和救援回送装置［2］，被救援时可以分担一部分制动力。按铁总运〔2014〕157 号《动车组回送作业办法》第二十条：“动车组无动力回送，制动可用时限速120 km/h，制动不可用时限速5 km/h”。在被救援动车组全列制动不可用的极端情况下，按限速5 km/h 执行，对救援效率带来较大影响。

为了降低闸瓦磨耗，提高牵引吨数，便于平稳操纵，内燃机车在设计时普遍安装有电阻制动装置［3-4］。文中对充分利用内燃机车电阻制动提高救援限速的可行性进行了分析，评估了既有内燃机车空气制动能力并结合国内实际提出相关建议。

1 内燃机车救援限制因素

内燃机车救援无制动能力动车组限制因素需要从机车牵引能力、机车制动能力和车钩构件性能特性等方面综合考虑，如图1 所示。机车牵引能力方面，需核算机车牵引动车组坡道起动、上坡道持续运行能力；机车制动能力方面，需核算仅依靠机车制动坡道临停、下坡道调速和坡道紧急制动停车能力，下坡道调速又分为空气制动调速和电阻制动调速2类，并对基础制动热负荷和紧急制动黏着进行校核；车钩构件性能特性方面，需核算过渡车钩强度是否满足救援工况要求，对于装有柴田车钩的动车组，尤需考虑车钩力作用下的钩缓装置运动特性和干涉问题［5］。综合各方面限制因素，对内燃机车救援的限坡和限速进行规定。

图1 内燃机车救援限制因素

被救援动车组制动不可用时，内燃机车制动能力将成为救援限制因素的核心与基础。同时鉴于目前高铁热备救援机车以东风型为主，文中选取DF4D（客）和DF4D（准高速）2 种内燃机车对其救援8 辆编组动车组时的机车电阻制动和空气制动能力进行仿真计算和试验研究。

2 东风型内燃机车电阻制动概述

2.1 电阻制动原理

在电阻制动工况时，利用直流电机的可逆原理，直流牵引电机工作在发电模式，通过轮对将列车的动能转变为电能，消耗在制动电阻上，以热能的形式逸散到大气中。此过程中，牵引电机轴上所产生的反力矩作用于机车动轮上而产生制动力，故名电阻制动。

现役东风型内燃机车电阻制动的电路大致相同，都是由机车上的励磁调节器/电阻制动控制柜控制，机车施加电阻制动时，励磁调节器/电阻制动控制柜根据柴油机转速信号，规定了制动电流和制动励磁电流的基准值并将实际制动电流和制动励磁电流与基准值进行比较，经计算输出相应斩波信号控制励磁系统的励磁电流，将制动电流和制动励磁电流限制在规定范围内。此外，励磁调节器/电阻制动控制柜还根据机车速度信号控制机车电阻制动的I、II 级转换以及机车在高速时对制动电流进行电流限制［6-8］。DF4D（客）和DF4D（准高速）机车的电阻制动特性如图2 所示。

图2 DF4D(客)和DF4D(准高速)电阻制动特性

总的来说，电阻制动在使用中一方面受最大励磁电流和最大制动电流的限制；另一方面受到机车高速运行换向火花和机车黏着条件以及机车构造速度限制。

2.2 电阻制动运用情况

东风型内燃机车的电阻制动，最早是在DF4B型机车上进行加装改造，使其具备了电阻制动功能，在原有空气制动系统的基础上，提高了机车运行中的安全保障，并且具有使用时平稳、操作简单、减少轮对和闸瓦的磨耗等优点［9-10］。

其后生产的东风型机车都装备了电阻制动装置，但在实际运用中电阻制动也存在一些问题［6，10-13］。针对这些问题，一方面运用路局通过加强检修作业故障排查，以保障机车电阻制动装置的正常使用；另一方面机车制造商和运用路局也提出了一系列改进措施，以提升电阻制动的可靠性［14-15］。

但是，随着东风型内燃机车服役年限的增长，各路局对于东风型内燃机车电阻制动的使用情况不一，某些内燃机车电阻制动装置已被拆除。

3 救援机车制动能力分析

内燃机车救援动车组时，如果动车组全列空气制动不可用，则救援列车的调速与停车需由机车控制，对机车制动系统是严峻的考验。如果机车不具备电阻制动功能，通过长大下坡道时，需频繁施加空气制动控制速度，会导致机车闸瓦热负荷较大，极易发生空气制动失效，后果严重。若机车使用电阻制动控制速度，且可用电阻制动力大于救援列车下滑力，可在不施加空气制动的情况下，利用电阻制动实现坡道平稳调速，使提高救援限速成为可能。

3.1 救援机车制动能力计算

根据TB/T 1407.1《列车牵引计算第1 部分：机车牵引式列车》，机车救援动车组全列编组下滑力在不同坡道，下滑力为式（1）［16］。

式中：f为下滑力，kN；G为机车质量，t；M为动车组质量，t；i1为坡度；f1为机车运行阻力，kN；f2为动车组运行阻力，kN；v为速度，km/h。

计算选用DF4D（客）和DF4D（准高速）作为救援机车，其主要计算参数见表1。因被救援动车组全列无制动，其主要影响参数为质量，经统计选用最重的CRH380D 动车组作为被救援动车组，按超员15%计算，质量为516.7 t。

表1 内燃机车主要计算参数

此外，救援机车和被救援动车组单位基本运行阻力（N/kN）为式（2），各项系数见表2。

表2 计算单位基本阻力系数

当被救援动车组制动不可用时，救援机车的电阻制动力需大于救援列车的坡道下滑力，才可以满足坡道调速要求；最大常用空气制动力需大于全列编组的坡道下滑力，否则在该下坡道无法减速，此外还需对基础制动热负荷进行校核。

DF4D（客）和DF4D（准高速）电阻制动力、紧急制动力、最大常用空气制动力以及各坡道下滑力曲线如图3 图、图4 所示，DF4D（客）闸瓦换算摩擦系数与制动初速度v0相关，图3 中取v0=40 km/h。从图中可以看出，机车空气制动力随速度的降低而增大，而电阻制动力则根据设计特性随速度而变化。

图3 DF4D(客)坡道调速能力计算结果

图4 DF4D(准高速)坡道调速能力计算结果

DF4D（客）救援CRH380D 动车组在速度18～60 km/h 范围内运行时，机车电阻制动力可以覆盖16‰ 及以下坡度的救援列车下滑力，可以满足救援列车在该速度范围调速要求。

DF4D（准高速）救援CRH380D 动车组在速度24～60 km/h 范围内运行时，机车电阻制动力可以覆盖12‰及以下坡度的救援列车下滑力，可以满足救援列车在该速度范围调速要求。

分别计算DF4D（客）和DF4D（准高速）单机救援CRH380D 动车组在不同坡道、不同初速度下的紧急制动距离和制动时间，结果见表3～表5。

表3 单机救援CRH380D 紧急制动计算结果（-8‰坡道）

表4 单机救援CRH380D 紧急制动计算结果（-12‰坡道）

表5 单机救援CRH380D 紧急制动计算结果（-16‰坡道）

3.2 空气制动台架试验分析

利用1∶1 制动动力试验台模拟DF4D（客）和DF4D（准高速）机车救援CRH380D 动车组（超员15%），对上文计算涉及的机车制动工况进行基础制动热负荷校核。

DF4D（客）机车使用高磷铸铁闸瓦，DF4D（准高速）机车使用粉末冶金闸瓦，被救援CRH380D 动车组全列无制动力，利用换算等效制动功率的方法作为台架试验模拟工况的边界输入条件，分别模拟了救援列车坡道紧急制动停车、长大坡道控速工况，在闸瓦中预埋热电偶测量制动时的闸瓦温度。试验结果见表6。

表6 救援列车典型工况台架试验结果

高磷铸铁闸瓦制动过程中温度上升较快，DF4D（客）救援CRH380D 动车组施加紧急制动时，闸瓦最高温度可达到700 ℃以上，试验过程中闸瓦表面出现局部融化，如图5 所示。DF4D（客）救援CRH380D 动车组利用机车空气制动调速，高磷铸铁闸瓦长时间温度超过750 ℃，闸瓦表面熔化加剧，出现异常磨损，车轮表面会出现闸瓦材料转移，如图6 所示。此外，台架试验实测的闸瓦摩擦系数低于理论计算用摩擦系数，且速度越高，两者偏离越大。

图5 工况1 试验后闸瓦状态

图6 工况2 试验后闸瓦状态

粉末冶金闸瓦制动过程中温度上升较为平缓，DF4D（准高速）救援CRH380D 动车组施加紧急制动时，闸瓦温度超过300 ℃，试验过程中闸瓦边角出现掉块，但摩擦系数没有明显衰减，闸瓦总体状态良好，如图7 所示。

图7 工况3 试验后闸瓦状态

3.3 实车线路试验验证

为进一步验证内燃机车救援无制动能力动车组时的机车制动能力，在实际线路开展了实车试验。救援机车采用DF4D（客）和DF4D（准高速），因受试验条件限制，被救援动车组以CRH380B 替代计算所用的CRH380D，但将其加载至516.7 t，与计算CRH380D 质量一致。机车与动车组制动风管不连接，为了保证试验安全，动车组制动保持可用状态，当机车制动无法满足救援编组调速或停车要求时，由动车组施加制动。

3.3.1 坡道制动调速

DF4D（客）和DF4D（准高速）机车救援动车组，在-11.2‰坡道调速试验曲线分别如图8、图9 所示。由图9 可知，DF4D（准高速）救援CRH380B 动车组，机车仅使用电阻制动可在-11.2‰坡道维持45 km/h 速度运行，全程未施加空气制动，闸瓦温度呈下降趋势。

图8 DF4D(客)坡道调速试验曲线

图9 DF4D(准高速)坡道调速试验曲线

作为对照，虽然DF4D（客）电阻制动能力理论上略强于DF4D（准高速），但试验中未发挥完全，制动电阻电流约为200 A，无法维持全列编组以50 km/h 速度运行，需补充空气制动，闸瓦温度迅速由150 ℃升至420 ℃，进入9.8‰上坡后缓解空气制动，闸瓦温度逐渐下降，如图8 所示。

3.3.2 坡道制动停车

DF4D（客）救援CRH380B 动车组在-11.2‰坡道进行机车最大减压量制动，初速度49.1 km/h，试验曲线如图10 所示。机车制动施加后，列车速度仍大于50 km/h 并呈现持续上升趋势。列车速度增至58.5 km/h时，动车组施加小级位制动辅助控速停车。DF4D（客）机车制动过程中，闸瓦温度最高达717 ℃。

图10 DF4D(客)坡道最大减压量制动试验曲线

理论上DF4D（客）机车最大减压量制动应满足救援CRH380B 动车组在-11.2‰ 坡道停车要求，实测结果与理论计算存在差异的原因为：

（1）机车制动管减压170 kPa，制动缸压力355 kPa，较JZ-7 型空气制动机最大常用时制动缸压力410 kPa，低65 kPa。

（2）由于机车电阻制动不足，空气制动施加前闸瓦初始温度已接近400 ℃，闸瓦摩擦系数也因温度高而下降，导致制动力不足。

DF4D（准高速）救援CRH380B 动车组在-11.2‰坡道进行机车紧急制动，初速度44.8 km/h，试验曲线如图11 所示。实测制动距离为1 000 m，制动时间为131.8 s，要优于理论计算结果。紧急制动过程中，闸瓦温度最高为432 ℃。停车检查，闸瓦未出现掉块、熔化、明显变形等缺陷。

图11 DF4D(准高速)坡道紧急制动试验曲线

4 限速优化与建议

由上文分析可知，内燃机车救援无制动力动车组时，若仅依靠机车空气制动力对救援列车控速，将导致机车闸瓦持续磨耗和温度升高，严重时会使机车基础制动的摩擦系数降低，制动距离延长。对于使用分体轮对的机车，还存在轮毂弛缓风险，严重时会导致脱轨。

因此，内燃机车救援无制动力动车组时，空气制动须配合电阻制动共同使用，才能提高救援列车运行速度。电阻制动具有调速平稳、减小闸瓦磨耗等优点，是内燃机车救援无制动能力动车组限速优化的必要条件。实际上，由图2 可知，适当提高救援列车的运行速度，更有助于机车电阻制动的发挥，但前提是机车空气制动可满足在一定距离内停车的要求。

因为内燃机车救援无制动能力动车组属于非正常运营工况，对于制动距离和限速没有明文规定，可参考技规按普通旅客列车计算制动距离800 m掌握限速［17］。

表3～表5 给出了DF4D（客）和DF4D（准高速）机车救援无制动能力8 辆短编动车组（516.7 t）在不同坡度、不同速度下的制动距离和制动时间，结合图3 和图4 机车电阻制动坡道调速能力计算结果，可得出不同坡道下的限速值，见表7。其中，对DF4D（客）和DF4D（准高速）机车救援限速进行了简统。