大秦線3萬t列車試驗設(shè)計與實踐

■ 姚小沛 邵軍 張生玉 王磊 李杰波 祖宏林 田光榮

大秦線3萬t列車試驗設(shè)計與實踐

■ 姚小沛 邵軍 張生玉 王磊 李杰波 祖宏林 田光榮

論述大秦線3萬t重載組合列車試驗研究的意義，從理論計算到實踐驗證了3萬t列車的編組模式，分析3萬t試驗的主要風(fēng)險因素，介紹試驗測點布置情況和專為3萬t列車試驗開發(fā)的“基于光纖網(wǎng)絡(luò)的超長重載列車分布式測試平臺”，按照循序漸進(jìn)、積極穩(wěn)妥的試驗推進(jìn)原則，從靜態(tài)到動態(tài)，從2.3萬t到最終的3萬t，系列試驗取得了圓滿成功，獲得了一系列創(chuàng)新成果。

大秦線；3萬t；重載列車；測點布置；測試平臺；試驗

0 引言

為實現(xiàn)我國鐵路重載運輸技術(shù)再創(chuàng)新，同時為大秦線進(jìn)一步增加運量進(jìn)行技術(shù)儲備，2014年伊始，中國鐵路總公司（簡稱總公司）決定在大秦線組織進(jìn)行3萬t組合列車試驗，對大秦線（含北同蒲線）在既有設(shè)備條件下首次采用Locotrol同步操縱系統(tǒng)開行3萬t重載組合列車的牽引方式、安全性、運行品質(zhì)、可行性等進(jìn)行探索性試驗研究。

在總公司的精心組織和統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，采用循序漸進(jìn)、積極穩(wěn)妥的運行試驗推進(jìn)方案。首先結(jié)合以往2萬t試驗及運用數(shù)據(jù)通過仿真計算優(yōu)選了試驗編組，并對3萬t列車主要影響因素和風(fēng)險進(jìn)行了充分分析，編制了試驗大綱、試驗運輸組織方案和應(yīng)急預(yù)案，進(jìn)行了機(jī)車“背靠背”調(diào)試和列車靜置試驗；隨后先進(jìn)行了2．3萬t和2．9萬t列車運行試驗，在進(jìn)一步總結(jié)試驗數(shù)據(jù)并優(yōu)化列車操縱基礎(chǔ)上，最終于2014年4月2日進(jìn)行了我國鐵路重載歷史上首次3萬t重載組合列車運行試驗。3萬t試驗列車由北同蒲線袁樹林站始發(fā)，經(jīng)過12 h 25 min、738．4 km的運行，于當(dāng)日安全到達(dá)終點站柳村南站，試驗取得圓滿成功。

1 3萬t試驗列車編組優(yōu)選和主要風(fēng)險因素分析

1.1 編組優(yōu)選

結(jié)合大秦線現(xiàn)有機(jī)車、車輛配置、列車編組方式、供電能力、裝卸需求、線路情況等因素，共對4種可能的3萬t列車編組方式依據(jù)試驗工況進(jìn)行仿真計算，計算內(nèi)容包括列車牽引、制動能力、正常運行及制動工況的縱向車鉤力、中部從控機(jī)車和特殊位置貨車的動力學(xué)性能和長大下坡道區(qū)段列車再制動能力等，通過綜合比較計算結(jié)果并結(jié)合以往2萬t列車的試驗與開行經(jīng)驗，最終確定采用3單元4機(jī)牽引的3萬t組合列車進(jìn)行試驗驗證（具體編組方式見圖1）。3萬t列車由4臺電力機(jī)車動力分散牽引，采用1主3從控制方式，HXD1型交流機(jī)車3臺，在尾部加掛1臺SS4型直流機(jī)車用以提高列車牽引能力并改善列車制動性能；采用C80型重載貨車，每個單元105輛，共315輛，外加測試試驗車1臺，列車總編組數(shù)量320輛（臺），長3 971 m，總牽引質(zhì)量31 550 t。

1.2 風(fēng)險因素分析

通過對以往2萬t列車試驗和實際開行情況進(jìn)行梳理歸納，分析列車縱向力、中部從控機(jī)車運行安全性、網(wǎng)壓波動、通信中斷、懲罰制動等5大風(fēng)險因素，分別敘述如下。

（1）正常狀況下列車縱向力。許多貨物列車的重大事故均和較大縱向車鉤力有密切關(guān)系，縱向力導(dǎo)致的橫向分力、垂向力對列車運行安全性同樣有重大不利影響；從長期運用來看，縱向沖動使車鉤受到周期力作用引起殘余應(yīng)力，加速機(jī)車、車輛鉤緩裝置的疲勞破壞，因此，將列車縱向力控制在合理水平是順利開行3萬t重載列車的重要前提條件之一。試驗編組由于在列車尾部加掛1臺SS4型機(jī)車作為從控機(jī)車，將顯著改善列車制動、緩解同步性，可使列車縱向力水平控制在試驗規(guī)定安全限度內(nèi)；同時，可使列車再充氣時間比現(xiàn)行2萬t列車編組縮短50%以上，有助于提高長大坡道列車運行的安全性。

（2）中部從控機(jī)車安全性。根據(jù)以往2萬t列車試驗及運用經(jīng)驗，中部從控機(jī)車在大減壓量空氣制動停車和循環(huán)制動緩解工況中將承受比正常牽引工況下大得多的縱向車鉤力作用，機(jī)車鉤緩裝置存在壓屈失穩(wěn)的可能性，車鉤偏轉(zhuǎn)角過大將造成很大的輪軸橫向力，足以導(dǎo)致軌排橫移或鋼軌側(cè)翻，危及行車安全。因此，為了保證中部2臺從控機(jī)車的運行安全，首先應(yīng)通過編組或操縱優(yōu)化措施盡量減小列車縱向力；其次確保機(jī)車鉤緩裝置具有良好的抗壓穩(wěn)定性，在較大縱向壓力作用下保持最小偏轉(zhuǎn)角。

（3）網(wǎng)壓波動。理論計算表明，3臺HXD1型機(jī)車加1臺SS4型機(jī)車牽引3萬t列車在個別區(qū)段存在牽引負(fù)荷取流大于牽引變壓器容量的情況；在長大下坡道區(qū)段，可能存在3臺HXD1型機(jī)車同時電制動反饋造成網(wǎng)壓過高產(chǎn)生電制動封鎖無法正常使用現(xiàn)象，而尾部增加的SS4型直流機(jī)車電制動時既可分擔(dān)一部分電制動力，使列車電制動力分布更加均衡，還有助于平抑HXD1型交流機(jī)車再生制動產(chǎn)生的網(wǎng)壓抬升。

（4）通信可靠性。無線同步控制系統(tǒng)的通信可靠性是開行長大編組重載列車的基礎(chǔ)，與現(xiàn)行2萬t列車編組相比，3萬t試驗列車不僅增加2臺從控機(jī)車，主、從控通信距離最遠(yuǎn)比2萬t列車延長2倍，而且不同位置機(jī)車所處的線路平縱斷面更加復(fù)雜，因此對通信可靠性要求更高。2004年大秦線4×5 000 t編組2萬t試驗列車通信異常時緊急制動的最大車鉤力是正常工況時的4．8倍，最大值超過了試驗安全限度值。仿真計算表明，本次試驗3萬t列車當(dāng)緊急制動同步時間延長至5 s時，最大縱向力可達(dá)5 500 kN，該車鉤力值足以造成機(jī)車、車輛斷鉤、脫軌等重大安全事故。建議通過靜置試驗確定主、從控機(jī)車間Locotrol通信中斷時可使列車安全停車的最小有效減壓量值。

（5）懲罰制動。機(jī)車無線同步控制系統(tǒng)會因為內(nèi)部通信或其他系統(tǒng)故障等產(chǎn)生懲罰制動，依據(jù)懲罰制動的設(shè)計方式，制動方式一般為常用全制動或緊急制動，而且由于此時一般伴隨著通信中斷等故障，因此制動信號只能通過列車空氣管路進(jìn)行傳播，相當(dāng)于純空氣制動，勢必會造成比現(xiàn)行2萬t編組更大的縱向車鉤力，嚴(yán)重時影響列車運行安全。

2 試驗測點布置方案及測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測點布置方案

為全面測試3萬t列車的綜合性能，評估列車運行品質(zhì)，試驗組詳細(xì)設(shè)計了試驗測試方案，對列車牽引性能、制動性能、縱向動力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)測試的同時，針對位于列車中部的從控機(jī)車和特殊位置貨車可能承受較大縱向力的情況，對其運行安全性也進(jìn)行全程測試。列車測試共涉及5個專業(yè)類別，布置各類測點200余個，布置視頻監(jiān)控3處，測點數(shù)量創(chuàng)我國重載試驗之最。

（1）牽引測試。為了測試列車在起動加速和全線正常運行時機(jī)車功率負(fù)荷、重載列車集中取流和饋壓對列車運行的影響及主、從控機(jī)車的牽引同步性等參數(shù)，全面評估3萬t組合列車的牽引性能，本次試驗在主控及所有從控機(jī)車上對機(jī)車牽引性能參數(shù)進(jìn)行測試，包括網(wǎng)壓、網(wǎng)流及牽引電機(jī)電壓、電流等。

（2）制動、縱向動力學(xué)測試。為了全面評估并比較不同編組方式組合列車的制動性能，測試主、從控機(jī)車空氣制動的同步性能，研究通信中斷等工況下列車的操縱方式，分析列車不同編組方式對列車制動及縱向動力學(xué)性能的影響，分析列車操縱方式對縱向力的影響，為優(yōu)化操縱提供建議，本次試驗在主控及所有從控機(jī)車上布置了制動及機(jī)車牽引力/電制力測點，以評估主、從控機(jī)車的同步性；同時在整列車中布置了15個貨車測試斷面，每小列均勻布置5個，位置為1、25、52、79和103/105位（貨車計數(shù)不包括試驗車和機(jī)車），測點包括貨車制動風(fēng)壓參數(shù)和車鉤力、車體縱向加速度和緩沖器行程等縱向動力學(xué)參數(shù)。貨車測力車鉤換裝示意見圖2。

（3）中部從控機(jī)車運行安全性測試。為了檢測中部2臺從控機(jī)車所受縱向力作用狀況，從而評估機(jī)車運行安全性，選取承受較大縱向力的2位和3位共計2臺從控機(jī)車進(jìn)行機(jī)車動力學(xué)參數(shù)測試，測試參數(shù)主要包括輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、車鉤縱向力、車鉤偏轉(zhuǎn)角及車體振動狀況等。測力輪對安裝在被試機(jī)車前進(jìn)方向第5、8軸，測力車鉤為前進(jìn)方向第2節(jié)車的前、后鉤（具體位置見圖3）。

（4）特殊位置貨車運行安全性測試。為了檢測在正常運行工況和受到較大縱向力工況下特殊位置貨車的運行安全性，選取2位和3位機(jī)車前第3位貨車進(jìn)行車輛動力學(xué)參數(shù)測試，測試參數(shù)主要包括輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力及車體振動狀況等參數(shù)，測力輪對位置見圖4。

圖2 貨車測力車鉤位置

圖3 機(jī)車測力輪對、車鉤安裝位置

圖4 貨車測力輪對位置

2.2 測試系統(tǒng)

2004年，為適應(yīng)2萬t重載列車的測試需要，開發(fā)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式測試系統(tǒng)，試驗初期無線網(wǎng)絡(luò)的性能基本滿足了2萬t列車的數(shù)據(jù)傳輸需要。近年來，隨著設(shè)備本身的老化、外部使用環(huán)境的變化及試驗測試自身要求的進(jìn)一步提高，試驗數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)越來越難以滿足現(xiàn)階段長大貨運列車的試驗測試要求。3萬t列車相比現(xiàn)行2萬t列車，長度增加50%，數(shù)據(jù)測點增加50%以上，且增加了3路視頻監(jiān)測，列車覆蓋的線路縱斷面更加復(fù)雜，試驗列車運行風(fēng)險相對更高，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、實時性和帶寬等要求更高，因此基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式測試系統(tǒng)更加難以滿足使用要求。為此，項目組專門開發(fā)了基于光纖網(wǎng)絡(luò)的超長重載列車分布式測試平臺，同時對貨車斷面測試設(shè)備進(jìn)行集成化、輕量化設(shè)計，優(yōu)化供電模塊，使其更加輕便且續(xù)航能力更強，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的便攜式斷面測試設(shè)備見圖6，試驗數(shù)據(jù)集中處理與顯示見圖7。實踐證明，該測試系統(tǒng)滿足了3萬t列車的測試需要，實現(xiàn)了4臺機(jī)車和15輛貨車制動與縱向動力學(xué)試驗數(shù)據(jù)的同步測試與實時不間斷傳輸，首次實現(xiàn)了5個測試專業(yè)共200余路測試信號和3路視頻信號集中顯示與處理，為試驗過程中各專業(yè)數(shù)據(jù)的綜合分析及試驗風(fēng)險預(yù)判提供了基礎(chǔ)。同時借助光纖網(wǎng)絡(luò)解決了主、從控機(jī)車及試驗車之間以往試驗通話盲區(qū)的實時通話問題。

圖5 基于光纖網(wǎng)絡(luò)的分布式測試系統(tǒng)

圖6 便攜式斷面測 試設(shè)備

圖7 數(shù)據(jù)集中處理與顯示

3 試驗實施

3萬t列車試驗實施分為2個階段：第1階段為列車靜置試驗；第2階段為線路運行試驗。

3.1 列車靜置試驗

列車靜置試驗于2014年3月13—19日在北同蒲線袁樹林站進(jìn)行，共對3種計劃運行試驗編組列車（即2．3萬t、2．5萬t和3萬t）進(jìn)行制動性能靜態(tài)測試，主要試驗?zāi)康氖菧y試列車的基本制動性能，測試不同減壓量下的制動排氣時間及列車再充氣時間、制動同步作用時間等，比較不同編組列車的制動性能，測試Locotrol通信中斷時可使從控機(jī)車可靠“切除”（即轉(zhuǎn)換為“單機(jī)”模式）的有效減壓量，為運行試驗及列車操縱提供數(shù)據(jù)支持。

列車靜置試驗主要結(jié)果如下：

（1）主、從控機(jī)車之間距離和從控機(jī)車數(shù)量增加對Locotrol同步時間沒有明顯影響，靜置試驗同步時間均在4 s之內(nèi)（除牽引/電制動初次施加工況）。

（2）由于列車尾部加掛了1臺從控機(jī)車，列車制動、緩解同步性顯著提高，列車再充氣時間比現(xiàn)行“1+1”編組2萬t列車縮短50%以上，制動、緩解同步性的提高有助于減小列車縱向力，再充氣時間縮短有助于提高列車坡道運行安全性。

（3）通信中斷時，采用初制動或追加減壓50 kPa的制動操縱方式，可使從控機(jī)車可靠“隔離”。

3.2 運行試驗

運行試驗分別于2014年3月21日、27日和4月2日在北同蒲線袁樹林站至大秦線柳村南站間進(jìn)行，運行試驗?zāi)康氖菧y試重載組合列車的動態(tài)性能，包括牽引能力、制動及縱向動力學(xué)性能、中部從控機(jī)車與特殊位置貨車動力學(xué)性能，監(jiān)測試驗列車正常運行工況下的安全性。

按照循序漸進(jìn)的試驗推進(jìn)方案首先進(jìn)行了2．3萬t運行試驗，具體編組方式為：

HXD1066機(jī)車（主控機(jī)車）＋SY997745試驗車＋105輛C80型貨車＋HXD1001機(jī)車（從1）＋105輛C80型貨車＋HXD1069機(jī)車（從2）＋27輛C80型貨車+SS40862機(jī)車（從3）。

列車換長：275，牽引質(zhì)量：23 750 t。

鑒于2．3萬t列車試驗數(shù)據(jù)較為理想，3月27日試驗決定將牽引質(zhì)量由原計劃的2．5萬t提高到2．9萬t，具體編組方式為：

HXD1066機(jī)車（主控機(jī)車）+SY997745試驗車+ 105輛C80型貨車+HXD1001機(jī)車（從1）+105輛C80型貨車+HXD1069機(jī)車（從2）+81輛C80型貨車+SS40862機(jī)車（從3）。

列車換長：334，牽引質(zhì)量：29 150 t。

2．9萬t列車試驗結(jié)束后，試驗組與太原鐵路局機(jī)務(wù)部門結(jié)合2．3萬t列車和2．9萬t列車的測試數(shù)據(jù)，對3萬t列車的操縱預(yù)案進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，太原鐵路局工務(wù)部門對2次試驗出現(xiàn)較大脫軌系數(shù)的區(qū)段進(jìn)行了維護(hù)，4月2日成功進(jìn)行了我國重載歷史上首次3萬t列車試驗，具體編組方式為：

105輛C80型貨車+HXD1001機(jī)車（從1）+105輛C80型貨車+HXD1069機(jī)車（從2）+81輛C80型貨車+ SS40862機(jī)車（從3）。

列車換長：361，牽引質(zhì)量：31 550 t。列車最高運行速度80．7 km/h，平均速度59．3 km/h，技術(shù)速度60．6 km/h。

3萬t列車運行試驗主要結(jié)果如下：

（1）在大秦線（含北同蒲線）既有設(shè)備條件下，3萬t列車在正常運行工況的各項運行安全性指標(biāo)（包括機(jī)車、車輛脫軌系數(shù)、輪軸橫向力、減載率和最大縱向力）均在試驗規(guī)定安全限度內(nèi)。

（2）在通信正常條件下，3萬t列車主、從控機(jī)車之間空氣制動/緩解同步時間基本均在4 s以內(nèi)、牽引級位調(diào)整同步時間基本在6 s以內(nèi)，均滿足試驗規(guī)定的建議性指標(biāo)要求，同步時間與現(xiàn)行“1+1”編組2萬t列車基本相當(dāng)，列車編組長度及從控機(jī)車數(shù)量增加對Locotrol同步作用時間沒有明顯影響。

（3）編掛于列車尾部的SS4型機(jī)車顯著改善了列車空氣制動、緩解同步性，列車再充氣時間比現(xiàn)行“1+1”編組2萬t列車縮短50%～66%，有助于提高列車在大秦線2個長大下坡道運行的安全性，同時增加了牽引、電制動能力，電制動時對網(wǎng)壓抬升有平抑作用，在列車制動及牽引方面均發(fā)揮了積極作用。

（4）3萬t列車運行試驗全程測得的最大車鉤力僅為1 121 kN，滿足試驗規(guī)定的安全性指標(biāo)要求，最大車體縱向加速度也滿足試驗規(guī)定的建議性指標(biāo)要求，與現(xiàn)行“1+1”編組2萬t列車相比，在電空配合循環(huán)制動調(diào)速時的最大車鉤力值平均減小32%～40%，列車運行品質(zhì)明顯提高。

（5）由于列車尾部加掛的1臺SS4型從控機(jī)車，顯著改善了列車制動/緩解同步性，3萬t列車電空配合循環(huán)制動調(diào)速區(qū)段出現(xiàn)的車鉤力大值與空氣制動的施加、保壓和緩解過程無明顯對應(yīng)關(guān)系，與線路縱斷面、牽引/電制施加與退出時機(jī)、機(jī)車過分相操縱方式等關(guān)聯(lián)性較強，而現(xiàn)行“1+1”編組2萬t列車循環(huán)制動區(qū)段最大車鉤力基本均是產(chǎn)生在空氣制動緩解過程中。

4 創(chuàng)新性成果

本次試驗的成功實現(xiàn)了我國鐵路重載列車牽引質(zhì)量從2萬t到3萬t的跨越，使我國成為世界上僅有幾個掌握3萬t鐵路重載技術(shù)的國家之一，是我國鐵路重載技術(shù)創(chuàng)新的重大突破，是我國鐵路重載運輸發(fā)展的新的里程碑，為促進(jìn)鐵路可持續(xù)發(fā)展提供了有利的技術(shù)支撐。主要創(chuàng)新性成果如下：

（1）首次在大秦線采用既有技術(shù)裝備試驗開行了3萬t重載組合列車，牽引質(zhì)量創(chuàng)造了中國鐵路重載列車牽引質(zhì)量的新紀(jì)錄；

（2）為適應(yīng)3萬t列車的測試需要，首次開發(fā)了“基于光纖網(wǎng)絡(luò)的超長重載列車綜合測試平臺”，實現(xiàn)了多專業(yè)試驗數(shù)據(jù)與視頻信號的集中顯示、處理與綜合分析，同時解決了主、從控機(jī)車及試驗車之間在以往通話盲區(qū)的實時通話問題；

（3）試驗測試專業(yè)之全面及測點數(shù)量均創(chuàng)我國重載試驗之最，首次獲得了3萬t列車靜態(tài)及動態(tài)試驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了3萬t列車綜合性能，并與現(xiàn)行2萬t列車進(jìn)行了全面比較；

（4）首次進(jìn)行了重載組合列車之從控機(jī)車和特殊位置貨車在大縱向力耦合作用下運行安全性試驗研究。

[1] 中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所．大秦線3萬噸組合列車綜合試驗[R]．北京，2014．

姚小沛：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，副研究員，北京，100081

邵 軍：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，副研究員，北京，100081

張生玉：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，副研究員，北京，100081

王 磊：中國鐵路總公司運輸局，高級工程師，北京，100844

李杰波：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，副研究員，北京，100081

祖宏林：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，副研究員，北京，100081

田光榮：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，助理研究員，北京，100081

責(zé)任編輯 高紅義

U260.14

A

1672-061X（2015）02-0132-05

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2014J001-A）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道科學(xué)研究院科學(xué)技術(shù)獎一等獎。