冬季瓦日线南吕梁山长大隧道内列车管压异常上升研究

2024-01-16谢创举周霆王正卫李春芳柴彦林杨国新

铁道机车车辆 2023年6期

谢创举，周霆，王正卫，李春芳，柴彦林，杨国新

（大秦铁路股份有限公司侯马北机务段，山西侯马 043099）

瓦日铁路是我国煤炭运输的大通道，在货运增量的压力下，保证铁路运输安全和效率意义重大。近年来，南吕梁山长大隧道（约23.5 km）内的列车管压在寒冬异常上升的现象较为常见，甚至发生几例隧道内列车自然减压途停事件。机车牵引力较大时，个别车辆即使制动抱闸，也不易察觉，车辆长时间带闸运行，极易造成踏面擦伤，甚至损坏钢轨。鉴于未检索到相关隧道内列车管风压异常的文献报道，通过调研和大量的数据分析，初步给出长大隧道内列车管压异常上升及车辆制动的原因，并提供有效的措施和建议。

1 调研及添乘情况

在发生3 起冬季长大隧道内列车自然制动后，对进入南吕梁山隧道的大量列车运行数据进行了分析和管压异常排查。发现2021 年元旦前后，该长大隧道内存在大量列车管压力上升的异常情况，据个别乘务员反映，2019 年冬季也有长大隧道内管压异常现象。在超过10 km的长大隧道运行时，列车管压力大多上升10 kPa，部分装有DK-2 型制动机的机车牵引普通列车时，上升20 kPa，上升的压力一般在列车驶出隧道后缓慢下降至定压，但有个别机车下降较快，疑似引起车辆意外制动（DK-2 型制动机）。经排查未发现机车制动机系统故障情况。

1.1 调研数据分析

针对冬季大量南吕梁山隧道内列车管压力波动的案例，选取2 个具有代表性的案例进行分析：

案例一：2021 年1 月2日，洪洞北站至临县北站的87544 次列车，机车进入南吕梁山隧道后均衡风缸压力自606 kPa 逐步上升至615 kPa，列车管压力自605 kPa 逐步上升至616 kPa。即均衡风缸压力上升了9 kPa，列车管压力上升了11 kPa。

经网络查询，临汾地区2021 年1 月1 日气温为-13～3 ℃，1 月2 日气温为-8～6 ℃，该列车进入南吕梁山隧道时间约为1 月2 日凌晨4∶40，最低温度在-8 ℃左右。隧道内温度一般在0 ℃以上，温差大于8 ℃。

通过LKJ 数据（部分6A 数据）分析可知，列车编组后列车保压1 min，该列车管压力下降不超过10 kPa，列车管密封性能达标，具体数据见表1。推断该列车进入长大隧道后由于温升超过8 ℃导致均衡风缸压力上升了9 kPa，列车管压力上升了11 kPa。

表1 87544 次列车简略试验数据记录（LKJ）

案例二：2020 年12 月30日，洪洞北站至临县北站的87438 次列车，机车进入南吕梁山隧道后均衡风缸压力自606 kPa 逐步上升至619 kPa，列车管压力自607 kPa 逐步上升至627 kPa，均衡风缸压力上升了13 kPa，列车管压力上升了20 kPa，列车管压力高于均衡风缸8 kPa，并且疑似发生了部分车辆意外制动的情况。

经网络查询，临汾地区2020 年12 月30 日气温为-11～-4 ℃，该列车进入南吕梁山隧道时间约为2021 年1 月2 日01∶05，温度应该接近当日的最低温度，估计在-11 ℃左右。隧道内温度一般在0 ℃以上，温差大于11 ℃。

通过6A 装置数据分析可知，列车编组后保压试验4 min，列车管压力下降不超过3 kPa，列车管密封性能很好，具体数据见表2。推断该列车进入长大隧道后由于温升超过11 ℃导致均衡风缸压力上升了13 kPa，列车管压力上升了20 kPa。

表2 87438 次列车简略试验数据记录（6A）

1.2 添乘数据分析

2021 年2 月25日，太原局重载技术中心、机务部与机务段安全科添乘了87042 次列车（HXD1-1886，DK-2 型制动机），牵引辆数60辆，牵引质量1 373 t。列车上行在南吕梁山隧道（单线，起点308 km+008 m，终点284 km+534 m，长度23 474 m）运行期间，记录了6A 装置、机车制动屏显示的列车管压力和均衡风缸压力，记录了6A 装置监测的环境温度和列尾装置显示的列车尾部压力，记录数据见表3。由表3 可知：

表3 HXD1-1886 型机车添乘记录

（1）列车在进入南吕梁山隧道前，均衡风缸、列车管、列尾风压以及6A 温度基本稳定。

（2）列车运行进入隧道一段时间后，列车管、均衡风缸、列尾风压先后缓慢上升，列车出隧道时风压开始缓慢下降。

（3）列车管压力先于均衡风缸压力上升和下降，列车管压力上升幅度更大。

（4）列车在隧道内运行约24 min，均衡风缸压力上升4～5 kPa、列车管压力上升8 kPa、列尾压力上升9 kPa，6A 装置显示环境温度上升5 ℃。

2 夏季数据分析

以上2 个案例及后期调研分析的10 余次列车，均为2021 年1 月1 日前后开行的列车，这段时间是2021 年冬季最冷的时间，为了验证确实因隧道内外温差较大导致列车管压力发生变化的结论，特对2020 年8 月3 日（27～35 ℃）通过南吕梁山隧道的87554 次（8∶24 发车）、87438 次（12∶38 发车）、87076 次（13∶26 发车）、87556 次（14∶04 发车）、87906 次（15∶08 发车）、87558 次（15∶30 发车）、87086 次（16∶29 发车）、87054 次（17∶14 发车）、87082 次（18∶44 发车）、87924 次（19∶22 发车）10 趟列车进行了分析，进入南吕梁山隧道后没有列车管压力、均衡风缸压力上升的情况。

3 原因分析

李人宪等人［1］通过流体力学方程三维动态值计算，仿真分析了列车高速通过隧道时压力波效应，计算得出最大正压出现在列车进入隧道时（表压小于1.5 kPa），隧道内基本是波动的负压（表压小于4 kPa），符合英国铁路公司或国际铁路联盟关于隧道内气体压力变化在3 s 内不得大于3 kPa的规定。由此可见，列车通过隧道引起的大气压力变化仅影响列车制动效能，对列车管和均衡风缸风压影响很小。

因此，根据列车管压力上升现象，从误发控制指令、压力传感器异常、环境影响3 方面进行分析。

（1）误发控制指令

控制指令由机车网络触发或者传递执行，机车制动机如果有“过充”功能，可能通过“过充”控制指令实现机车列管压力上升到630～640 kPa，但是配置CCBⅡ型制动机或DK-2 型制动机的HXD1型机车的“大闸”没有过充位，在列车充分缓解状态下不存在发出“过充”指令的可能性。

（2）压力传感器异常

针对列车进入长大隧道后管压逐渐上升，驶出隧道后列车管压逐渐下降情况，分析了6A 装置均衡风缸和列车管压力、制动机均衡风缸和列车管压力、列尾装置压力等5 个压力传感器的数据，在列车进入南吕梁山长大隧道后显示压力值均呈上升趋势。对2020 年12 月31 日前后的10 余趟经过南吕梁山隧道的列车数据进行了分析，从6A 数据和LKJ 数据分析可知，列车进入长大隧道后各系统显示压力值均呈现上升趋势，因此判定压力传感器异常或故障的可能性极小。

（3）环境影响

根据添乘数据（表3），列车进入隧道前6A装置显示温度为8 ℃，进入隧道后环境温度逐步上升到13 ℃。6A 装置均衡风缸压力从608 kPa 逐步上升至611 kPa，6A 装置列车管压力从605 kPa 逐步上升到612 kPa；机车制动屏显示的均衡风缸压力从611 kPa 逐步上升到613 kPa，列车管压力从605 kPa 逐步上升到612 kPa，列尾装置检测列车尾部压力由607 kPa 上升至615 kPa。而添乘列车进入隧道后环境温度逐步上升了5 ℃，通过理想气体方程P2=T2×P1/T1计算，列车管内气体压力上升△P=605×（13-8）/（8+273.15）≈11 kPa。密闭列车管内气体温度每上升1 ℃，压力平均上升约2.2 kPa。且初始温度越低，气压上升越快。

隧道内的热传递主要有传导和对流传热（由于温度较低，热辐射可以忽略不计）［2］。列车主管分布在每个车辆的底部，全长几百米，因此列车主管的体积要远大于均衡风缸的体积，列车管与周围热空气的换热比表面积也是均衡风缸的百十倍。均衡风缸置于机车内部，周围环境气体流速较低，热对流传热更小。因此，单位时间内周围空气对列车管的热传导和热对流传递的热量更多，管内空气的温度先升高，且增压更大。列车管与均衡风缸压力仅上升7～8 kPa，其数值小于理论计算值11 kPa，具体原因为：一是隧道内的环境气温向列车管及均衡风缸传热是一个缓慢的过程，滞后于环境温度的上升，且低于环境温度；二是列车管并非绝对密闭空间，存在泄漏情况，一定程度上削弱了管压上升的幅度；三是理想气体方程是在理想环境下得出的，现实环境中，温度升高到压力升高的转换过程中存在能量损耗，气体压力上升幅度要小于理论计算值。

4 部分车辆意外制动分析

在调研期间，就列车管及均衡风缸风压波动及车辆自然制动异常情况与某公司进行了沟通交流，咨询了DK-2 型制动机的性能参数和有关结构。某公司已获知2020 年12 月14 日集宁机务段发生的列车在长大隧道内列车管压力上升并出现了车辆意外制动情况，开展了相应试验检测和研究，提出了DK-2 型制动机的改进措施。其研究试验结论是：列车通过长大隧道时，由于隧道内外存在较大温差（最大可达18 ℃），导致列车管压力上涨，同时均衡风缸也因温度影响造成压力上涨（机械间温度变化达7.5 ℃），进一步助推了列车管压力的上升。呼和浩特局燕山隧道检测具体数据见表4，曲线图如图1 所示。

图1 呼和浩特局燕山隧道检测数据曲线图

表4 HXD1-1669 机车（DK-2 型制动机）燕山隧道监控数据（时间：2020/12/29 16∶39∶57-2020/12/29 17∶02∶50）

根据图1 可知，列车进入隧道后，随着环境温度的上升，列车管压力逐渐上升，并超过机车均衡风缸压力，当该差值超过机车中继阀启动压差（5～8 kPa）后，中继阀膜板被推动，中继阀排风，压差越大，中继阀排风程度越大。隧道内外的温差越大，这一现象越明显。中继阀排风导致列车管压力下降，当车辆副风缸与列车管压差超过车辆制动阀动作阻力时，车辆产生制动。如果个别车辆制动阀动作阻力较小，灵敏度较高时，更容易发生意外制动现象。