駝峰調車場尾部停車器布置方案仿真研究

袁敦磊，保魯昆，陳福恩

(1. 北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所，北京 100081)

經過多年發展，我國鐵路編組站自動化水平有了大幅度的提高，調車場尾部的停車防溜問題也有了大幅改進[1-2]，多家單位針對編組站調車場尾部設計開發了止輪頂、防溜器 (有源、無源 2 種)、鐵鞋 (普通、電子 2 種) 等，改變了編尾停車防溜作業方式，提高了停車防溜效果，為編尾最終實現自動控制提供了必要條件。但是，由于現場條件多樣、溜放車組大小隨機等問題，再加上部分編組站尾部停車防溜設備數量和安裝位置不盡合理，造成部分車站編尾停車防溜能力不足，防護沒能徹底甩掉鐵鞋，人機共存引起費用和成本增加。研究采用計算機模擬手段，模擬各種設備布置方案下的停車防溜效果，評估停車防溜安全性，為編組站調車場防溜設備布置提供支持。

1 駝峰調車場尾部停車器布置現狀

1.1 停車器布置方案多樣

《鐵路駝峰及調車場設計規范》規定，第一臺停車防溜設備可設置在距尾部警沖標 100～150 m 處，最后一臺停車防溜設備距尾部警沖標不應小于 50 m[3-4]。目前在實際的線路設計及防溜設備布置中，駝峰調車場尾部停車器的布置方案較多。通過對相關鐵路局的16 個編組站調研得知，目前各調車場使用的停車器布置方案主要有“1+1”“2+1”“3+1”和“1+2”4 種形式，各停車器布置方案的車站分布如表 1 所示。

由表 1 可以看出，目前大部分車站編尾停車器采用了“2+1”布置模式，部分車站還根據線路條件的不同采用了“1+1”和“2+1”混合使用的模式，如來舟站和向塘西站；大西三場由于解編列車多為大組運煤重車，編尾停車器采用了“3+1”布置模式；鷹潭站根據線路條件，采用了“1+2”的布置形式。

表1 各停車器布置方案的車站分布Tab.1 Stop device layout schem a and relevant station at the tail of hum p shunting yard

1.2 停車器布置間隔差異大

通過對 16 個編組站的調研結果整理，分別統計了不同布置方案下最后一臺停車器距尾部警沖標的距離和兩組停車器間的距離，如表 2 所示。

表2 編組站調車場尾部停車器布置位置間隔 m Tab.2 Stop device layout distance interval at the tail of hum p shunting yard

由表 2 可以看出，停車器布置間隔差異較大，如“1+1”方案下最后一臺停車器距離警沖標最遠距離為 305 m，最近的只有 30 m，兩組停車器間最大距離為 50 m，最小距離為 17 m。

1.3 調車場尾部還需要人工防護

從調研結果看，由于溜放勾車輛數隨機，以及油輪車等其他因素的影響，還存在部分車輛溜出停車器的情況。此外，編組站調車場尾部車輛溜放狀態缺少有效的監控手段和措施，仍然以人員的防護為主[5-10]，調研范圍內的 16 個編組站調車場尾部均設有人員防護。

2 調車場尾部停車防溜設備布置輔助系統設計與參數選擇

調車場尾部防溜效果評估的難度在于涉及的因素多，溜放條件隨機性強，既要考慮溜放勾車編成的變化，也要考慮線路坡度和停車防溜設備布置條件，還要考慮連掛區的線路條件及調速設備類型，因而防溜效果評估不可能通過簡單計算完成。為了模擬駝峰調車場尾部停車防溜效果，開發了編組站調車場尾部設備布置輔助設計系統[11-12]。

2.1 輔助設計系統設計

為使輔助設計系統盡量符合現場實際并且簡單易用，在開發過程中做到了系統數據參數化、模擬過程動態可視化和模擬結果輸出多樣化。調車場尾部停車防溜輔助設計系統主界面如圖 1 所示。

2.2 系統參數選擇及設置

調車場尾部設備輔助設計系統的參數主要包括系統基本參數、線路參數、設備參數和溜放車組參數。其中，基本參數包括計算鉤數、計算步長、能量轉移系數、設備布置特點等；線路參數主要包括坡段長度和坡度；設備參數主要包括調速設備參數和停車防溜設備參數；溜放車組參數主要包括車組大小、溜放阻力、車重及是否連掛等。

2.2.1 線路仿真參數設置

按照《鐵路駝峰調車場設計規范》要求，駝峰調車場內線路的坡度一般按照“凹”型模式設計，一般分作 6 個坡段：打靶區、陡坡連掛區、中間坡連掛區、緩坡連掛區、平坡連掛區和反坡連掛區。該仿真試驗是在打靶區、陡坡連掛區、中間坡連掛區、緩坡連掛區和平坡連掛區坡度固定情況下，針對反坡連掛區不同坡度情況下的綜合仿真。反坡連掛區的坡度取值為 -2.0‰，-1.5‰，-1‰，0.0‰，1.0‰，1.5‰，2.0‰，其中正值為下坡，負值為上坡。

圖1 調車場尾部停車防溜輔助設計系統主界面Fig.1 Main page of aided design system at the tail of hum p shunting yard

針對調車場線路有效長 850 m 調車場線路，該仿真試驗中打靶區坡度取0.8‰，坡長120 m；陡坡連掛區坡度取2.8‰，坡長150 m；中間坡連掛區坡度取1.8‰，坡長 250 m；緩坡連掛區坡度取 0.6‰，坡長100 m；平坡連掛區坡度為 0‰，坡長 100 m。線路設置減速頂 212 臺，制動功按 850 J/輪次計算。

針對有效長 1050 m 的調車場線路，該仿真試驗中打靶區坡度取 0.8‰，坡長 120 m；陡坡連掛區坡度取 2.8‰，坡長 150 m；中間坡連掛區坡度取1.8‰，坡長 400 m；緩坡連掛區坡度取 0.6‰，坡長150 m；平坡連掛區坡度為 0‰，坡長 100 m。線路設置減速頂 264 臺，制動功按 850 J/輪次計算。

2.2.2 停車防溜設備布置

編尾防溜設備主要包括停車器和防溜鐵鞋，停車器的布置方案主要選取“2+1”和“1+1”2 種布置方案，為了驗證大車組溜放的臨界安全條件，部分場景選用了“3+1”布置方案；防溜鐵鞋采用主副鐵鞋的布置模式，防溜設備安裝位置從調車場頭部減速器出口起算。

針對調車場線路有效長 850 m 和 1050 m 的線路，“2+1”布置方案中防溜設備安裝位置從車場制動位減速器出口計算，停車器制動能高按 0.25 m 計算，防溜器摩擦系數按 0.15 計算，受壓力根據車輛總重確定。“2+1”布置方案調車場尾部防溜設備參數如表 3 所示。去掉“2+1”布置方案的第一臺停車器即為“1+1”布置方案，在“2+1”布置方案第一臺停車器前 6 m 處增加布置一臺停車器即為“3+1”布置方案。

2.2.3 勾車方案

大組車是尾部防溜的重點和典型工況，作業中一般把單組 10 輛及以上的勾車稱作大組車，對于一般溜放作業來說，單組 20 輛及以上的車組是經常可見的，但勾車輛數越多對尾部停車防溜的要求越高。從設計的角度來看，考慮投資的經濟性，不能把極端情況作為普遍現象進行設備布設，而應選擇一個合適場景作為計算條件，超過計算條件的情況出現時，應通過作業組織方式改變作業條件，限值極端情況的出現，保證生產過程的安全。從一般駝峰溜放作業統計來看，單勾大組車超過 20 輛的情況不到 1%，超過 25輛的情況不到 0.5%。因此，一般情況下應選擇單勾20～25 輛單組車作為防溜計算和設備布設的計算條件，超過以上計算條件的大組車，應分作多勾車進行溜放作業。

表3 “2+1”布置方案調車場尾部防溜設備參數Tab.3 Anti-slip device position at the tail of hum p shunting yard

由于溜放時勾車輛數是隨機分布的，試驗中設計了 5 種典型勾車方案進行仿真測試。調車場尾部仿真試驗勾車數據如表 4 所示。

表4 調車場尾部仿真試驗勾車數據Tab.4 Simulation vehicle count per hook at the tail of hum p shunting yard

2.2.4 勾車進入停車器速度

一般情況下，為了保證溜放車組連掛和進入停車器的速度，減速頂臨界速度設置為 5.0 km/h，但經常由于部分減速頂失效或者線路坡度發生了變化，出現溜放車組進入停車器速度過高的現象。為了測試車組在高于臨界速度情況下進入停車器的停車防溜效果，通過調整線路減速頂的臨界速度 (5.0 km/h 和 5.5 km/h)實現勾車進入停車器的速度變化，達到驗證停車防溜效果的目的。

2.3 編尾防溜仿真結果分析

針對調車場有效長 850 m 和 1050 m 的線路坡度及調速設備布置固定的情況下，通過調整相關參數使得尾部坡度取值 (-2‰，-1.5‰，-1‰，0‰，1‰，1.5‰，2‰) 和停車器布置方案 (“2+1”“1+1”“3+1”)，得到相關仿真結果數據。根據防溜安全評判原則，得出調車場尾部停車器布置方案。

3 駝峰調車場尾部停車器布置方案建議

3.1 停車器布置建議方案

在編組站尾部各種坡度情況下，按照最大 25 輛大組重車，連掛速度按 5 km/h 計算，最后一臺停車器距尾部警沖標 50 m，兩組停車器間距離按 3 輛車長度計算 (46.2 m)，停車器制動能高按 0.25 m 計算。調車場尾部不同坡度停車器布置建議方案如表 5 所示。

表5 調車場尾部不同坡度停車器布置建議方案Tab.5 Proposal layout schem a at different tail slope

3.2 推薦方案說明

由于溜放勾車輛數是隨機分布的，單組車 20 輛及以上是存在的，建議方案中最大車組輛數按 25 輛取值，勾車連掛速度按 5 km/h 計算，停車器和防溜鐵鞋按照最后一臺停車器距尾部警沖標 50 m 和兩組停車器間距離按 3 輛車長度計算 (46.2 m) 方案布置，停車器制動能高按 0.25 m 計算。超過 25 輛的大組車，應分作多勾車進行溜放作業。

考慮到部分車站存在個別減速頂失效、線路縱斷面變形及油輪車等不利情況，為了保證推薦方案有效可用，推薦方案在以下 2 個方面做了安全冗余：①保證 25 輛大組重車以 5.5 km/h 連掛速度下能夠實現停車防溜；②滿足 30 輛大組重車以 5.0 km/h 連掛速度下，在防溜鐵鞋的作用下實現停車防溜。

4 結束語

駝峰調車場尾部停車防溜設備的布置形式影響溜放安全和作業效率，通過對調車場尾部停車防溜輔助設計系統相關參數進行設置及調整，實現對駝峰調車場尾部不同的坡度和停車器布置方案的仿真分析，對于精確評估編組站調車場尾部停車防溜有重要意義。在對編組站調車場尾部不同狀況全面仿真的基礎上，充分考慮一定安全冗余，提出按編組站調車場尾部不同坡度情況下停車器布置建議方案，為停車器布置提供設計依據，有利于編組站整體作業效率的提高。

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