鐵路避難線檢算起始坡度的研究

習(xí)子文，閆海峰，李奕達(dá)

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鐵路避難線檢算起始坡度的研究

習(xí)子文，閆海峰，李奕達(dá)

（西南交通大學(xué)，交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，成都 610031）

鐵路避難線的設(shè)置能防止陡長(zhǎng)下坡道上失去控制的列車發(fā)生沖突和顛覆，減小事故造成的經(jīng)濟(jì)損失。論文參考原《避規(guī)》中內(nèi)燃、電力牽引區(qū)段的避難線設(shè)置檢算辦法，模擬失控列車在線路區(qū)間的運(yùn)行過程，深入分析列車在不同工況下的受力和制動(dòng)情況，采用分段累加法計(jì)算列車調(diào)速制動(dòng)距離，從而建立一套計(jì)算避難線檢算起始坡度的理論模型與方法，對(duì)線路是否需要檢算設(shè)置避難線做出判別。研究發(fā)現(xiàn)：避難線檢算起始坡度不但與牽引種類、牽引方式和線路坡度有關(guān)，還受到站間距的影響。此外，對(duì)于現(xiàn)行《技規(guī)》中規(guī)定的列車制動(dòng)摩擦材料及閘瓦壓力，避難線檢算起始坡度的檢算結(jié)果較原《避規(guī)》也不同。最后，論文以HXD2型電力機(jī)車為例，對(duì)HXD2型電力機(jī)車單雙機(jī)牽引貨物列車的避難線設(shè)置檢算條件進(jìn)行分析計(jì)算，并給出了HXD2的避難線設(shè)置檢算起始坡度值。研究結(jié)論對(duì)長(zhǎng)大坡道線路設(shè)計(jì)及行車組織方法具有一定的借鑒意義。

避難線；長(zhǎng)大坡道；分段累加法；避難線檢算起始坡度；HXD2

0 引 言

鐵路避難線是防止在陡長(zhǎng)下坡道上失控列車沖突或顛覆的特殊線路，對(duì)于保證列車安全運(yùn)行、避免重大行車事故的發(fā)生具有重要意義[1]。

我國(guó)既有鐵路避難線分布范圍較為廣泛，截止1991年，共修建過75條避難線，其中使用的避難線有51條[1]：蒸汽機(jī)車牽引地段有26條、內(nèi)燃機(jī)車牽引地段有18條、電力機(jī)車牽引地段有7條；未按避難線使用或拆除的24條。此后，我國(guó)新建鐵路線路上均未設(shè)置避難線，并且已有的避難線在2010年前后逐步拆除或不作為避難線使用。

我國(guó)鐵路避難線的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：

（1）第一階段（1962—1990年），以原鐵道部頒布的“避難線設(shè)計(jì)試行原則”為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。該原則只規(guī)定了蒸汽牽引區(qū)段鐵路避難線的設(shè)計(jì)問題，沒有涉及內(nèi)燃、電力牽引區(qū)段。

（2）第二階段（1990—2011年），以原鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院主編、原鐵道部批準(zhǔn)施行的《TBJ 33—90鐵路避難線設(shè)計(jì)規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱《避規(guī)》）為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。《避規(guī)》增加了內(nèi)燃、電力牽引區(qū)段避難線設(shè)置的相關(guān)規(guī)定和檢算辦法。

（3）第三階段（2011年至今），2011年原鐵道部頒文廢止了《避規(guī)》，對(duì)于新建線路的避難線設(shè)置問題不再進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定。

對(duì)于國(guó)外來講，現(xiàn)有鐵路避難線（如表1所示）大部分也已廢棄，并且自20世紀(jì)50年代以來，就很少新建避難線。

表1 國(guó)外鐵路避難線設(shè)置和運(yùn)用情況

Tab.1 Setting and application of railway refuge line in foreign countries

注：“—”表示其運(yùn)用情況不明。

雖然原鐵道部廢止了《避規(guī)》，但現(xiàn)行《技規(guī)》第56條規(guī)定：為防止在長(zhǎng)大下坡道上失去控制的列車發(fā)生沖突或顛覆，應(yīng)根據(jù)線路情況，計(jì)算確定在區(qū)間或站內(nèi)設(shè)置避難線。在我國(guó)西南山區(qū)新建鐵路很可能采用長(zhǎng)大坡道的選線方案，為了充分保證線路運(yùn)營(yíng)安全，仍然有必要對(duì)這些鐵路線路的避難線設(shè)置問題進(jìn)行深入研究[2]。

1 原《避規(guī)》的檢算方法

（1）避難線設(shè)置的檢算起始坡度

原《避規(guī)》規(guī)定：當(dāng)相鄰兩站站坪外區(qū)間線路的平均坡度大于或等于規(guī)定數(shù)值時(shí)，應(yīng)按《避規(guī)》進(jìn)行避難線設(shè)置的檢算。其中的“規(guī)定數(shù)值”即為避難線設(shè)置檢算起始坡度i。當(dāng)區(qū)間平均坡度i<i時(shí)，該區(qū)間不需要設(shè)置避難線；否則，要按照《避規(guī)》規(guī)定的方法進(jìn)行檢算，以確定是否需要設(shè)置避難線。

近年來，我國(guó)鐵路機(jī)車車輛類型和產(chǎn)品得到了快速發(fā)展，軌道結(jié)構(gòu)和類型也發(fā)生了較大的變化，蒸汽牽引方式也早已淘汰，原《避規(guī)》中規(guī)定的i，無法適應(yīng)當(dāng)前鐵路的發(fā)展和變化，需要進(jìn)行科學(xué)的修訂。

（2）避難線設(shè)置的檢算辦法

避難線設(shè)置的檢算辦法可以被簡(jiǎn)單地稱為“二次制動(dòng)部分失效法”，即按貨物列車出站后第一次制動(dòng)有效，第二次制動(dòng)部分失效的情況進(jìn)行檢算。它于1990年在原《避規(guī)》中提出，并一直沿用至今。

具體的方法為[3]：對(duì)于內(nèi)燃、電力牽引區(qū)段，列車給電由車站出發(fā)，途經(jīng)道岔區(qū)不得超過道岔允許速度，至陡長(zhǎng)下坡道處，使用電阻制動(dòng)或加部分空氣制動(dòng)，使列車速度低于并接近下坡限速v適行3min。此時(shí)，有一臺(tái)機(jī)車電阻制動(dòng)失效，待列車速度升至下坡限速時(shí)，使用（或加大到）0.5~0.8Bk的空氣制動(dòng)力（單機(jī)），多機(jī)牽引時(shí)再加剩余電阻制動(dòng)力，施行制動(dòng)，當(dāng)列車速度降至10km/h時(shí)，緩解空氣制動(dòng)（單機(jī)牽引時(shí)，可用小閘延緩列車增速時(shí)間）。待列車速度又升至下坡限速時(shí)，再次使用空氣制動(dòng)，此時(shí)空氣制動(dòng)力部分失效，所余制動(dòng)力為0.4Bk。用該制動(dòng)力和剩余電阻制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)，并一直向前方站運(yùn)行。當(dāng)列車速度超過顛覆速度d或至前方站出站信號(hào)機(jī)前不能停車時(shí)應(yīng)設(shè)置避難線。

2 避難線設(shè)置檢算的階段劃分

2.1 檢算的情況

按照上述方法，對(duì)于確定的機(jī)車類型和牽引重量，檢算列車在長(zhǎng)大下坡道上的運(yùn)行情況，經(jīng)分析可知列車的最終狀態(tài)可能有三種不同情況：

（1）列車失控情況下，速度最終達(dá)到d，應(yīng)設(shè)置避難線。若達(dá)到d的地點(diǎn)在本區(qū)間，則避難線應(yīng)設(shè)在區(qū)間內(nèi)；若達(dá)到d的地點(diǎn)在前方站或前方區(qū)間，則避難線應(yīng)設(shè)在前方站。

（2）列車可控情況下，列車速度最終為0停車。如果制動(dòng)距離比較短，未越過前方站出站信號(hào)機(jī)，則不用設(shè)置避難線；否則應(yīng)設(shè)置避難線。這種情況是否需要設(shè)置避難線與區(qū)間長(zhǎng)度有關(guān)。因此，在檢算過程中，必須計(jì)算累計(jì)的列車運(yùn)行距離和不同的區(qū)間距離進(jìn)行分析。

（3）列車以某速度勻速運(yùn)行，達(dá)不到顛覆速度，也不會(huì)停車。該情況一般不會(huì)發(fā)生。

可以看出，在進(jìn)行檢算時(shí)，列車的速度狀態(tài)和運(yùn)行距離是兩個(gè)決定性因素。

2.2 檢算的階段

考慮最不利站坪坡度設(shè)置情況——列車起動(dòng)車站為平坡，前方站站坪為6‰的下坡道，按照“二次制動(dòng)部分失效法”，根據(jù)列車的速度狀態(tài)和運(yùn)行距離將檢算過程劃分為六個(gè)階段分別進(jìn)行分析計(jì)算（如圖1所示），以確定是否需要設(shè)置避難線。

圖1 長(zhǎng)大坡道避難線檢算的列車調(diào)速制動(dòng)距離示意圖

（1）第一階段：列車由車站啟動(dòng)出發(fā)運(yùn)行至長(zhǎng)大下坡道起點(diǎn)處，運(yùn)行距離為1。

（2）第二階段：列車以低于并接近v的速度運(yùn)行3min，運(yùn)行距離為2。

（3）第三階段：一臺(tái)機(jī)車電阻制動(dòng)失效，列車使用0.6Bk和剩余電阻制動(dòng)力施行制動(dòng)，至列車速度降至10km/h，列車制動(dòng)運(yùn)行的距離為3。

（4）第四階段：列車制動(dòng)緩解，速度由10 km/h上升至x，運(yùn)行距離為4。以上4個(gè)階段列車的運(yùn)行工況、初始和最終速度均是完全確定的，為確定狀態(tài)階段。

（5）第五階段：列車使用0.4Bk和剩余電阻制動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)，至列車到達(dá)前方站或速度達(dá)到d。若列車速度到達(dá)d，則需設(shè)置避難線。此階段，列車雖然始終處于制動(dòng)工況，但其最終的狀態(tài)是不確定的。

（6）第六階段：列車在區(qū)間速度未達(dá)到d，進(jìn)入前方站后，在前方站有效制動(dòng)距離L內(nèi)，以0.4Bk和剩余電阻制動(dòng)力繼續(xù)制動(dòng)運(yùn)行。若列車能夠在L內(nèi)停車，則不需設(shè)置避難線；否則，應(yīng)設(shè)置避難線。第五、六階段是確定避難線設(shè)置的核心決策階段。

3 列車各運(yùn)行階段的距離計(jì)算

3.1 列車制動(dòng)距離計(jì)算

（1）S可按式（1）計(jì)算：

式中：i為加算坡度千分?jǐn)?shù)的代數(shù)值，當(dāng)i>0時(shí)，取為0；為列車牽引輛數(shù)；0為列車制動(dòng)初速度，km/h。

（2）S一般采用分段累加法，按式（2）計(jì)算：

式中：為制動(dòng)系數(shù)；為列車阻力，kN；B為機(jī)車空氣制動(dòng)力，kN；B為機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)力，kN；為機(jī)車臺(tái)數(shù)。

3.2 確定狀態(tài)階段的計(jì)算

（1）第一階段，列車由車站啟動(dòng)，出站過岔限速為45 km/h，而基本上v≤70 km/h，列車過岔后速度很快就會(huì)達(dá)到v。假設(shè)站坪末端即為長(zhǎng)大下坡道，則1為站坪長(zhǎng)度p的一半。

（2）第二階段，假設(shè)列車以v勻速運(yùn)行，則2=50v。該階段的調(diào)速過程一般都采用電阻制動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

（3）第三階段，列車以0.6Bk和剩余電阻制動(dòng)力施行制動(dòng)，列車制動(dòng)距離分為S和S，則3=S+S。

（4）第四階段，列車速度由10km/h緩解至v，列車運(yùn)行過程可以反向看為由v制動(dòng)至10km/h的過程，且沒有空走過程，則4=S。各階段運(yùn)行距離計(jì)算表見表2。

表2 確定狀態(tài)各階段運(yùn)行距離計(jì)算表

Tab.2 The table for running distance calculation at various stages in the certain state

3.3 檢算決策階段的計(jì)算

為了簡(jiǎn)化進(jìn)站停車試算的復(fù)雜過程，可以根據(jù)5與L的比較，來確定是否需要設(shè)置避難線。

（1）列車速度可控，且v≤2。5=0，不需要設(shè)置避難線，如圖2(a)。

（2）列車速度可控，且v>2。若5≤L，不需要設(shè)置避難線，如圖2(b)；否則，需設(shè)置避難線，如圖2(c)。

（3）列車速度失控，且v≥2。5=+∞，需要設(shè)置避難線，如圖2(d)。

（4）列車速度失控，且v<2。若5≥L，不需要設(shè)置避難線，如圖2(e)；否則，需設(shè)置避難線，如圖2(f)。

4 避難線設(shè)置檢算起始坡度的確定

通過以上分析可知，在確定的牽引類型、牽引方式、站間距和線路坡度條件下，是否需要設(shè)置避難線，取決于列車速度v、2以及5，具體情況如表3所示。

在確定避難線設(shè)置檢算起始坡度時(shí)，應(yīng)從一個(gè)較小的合理坡度值開始模擬檢算，一旦出現(xiàn)需要設(shè)置避難線（表3中III、IV、VI三種情況或之一）時(shí)，該坡度即為給定牽引類型、牽引方式和站間距的避難線設(shè)置檢算起始坡度i。

表3 避難線設(shè)置情況匯總

Tab.3 The setting of refuge lines

5 避難線設(shè)置檢算起始坡度的實(shí)例計(jì)算

5.1 參數(shù)說明

（1）機(jī)車類型：HXD2。

（2）站間距：取站間距為10km、13km和16km三種情況進(jìn)行分析。

（3）線路坡度i的取值范圍：17‰~25‰（單機(jī)）、30‰~33‰（雙機(jī)），同時(shí)假設(shè)區(qū)間線路為平直下坡道，不考慮曲線及隧道附加阻力的影響。

（4）車站參數(shù)：?jiǎn)尉€中間站，站坪長(zhǎng)度1400m；站坪坡度考慮最不利情況，列車起動(dòng)的車站為平坡，前方站站坪為6‰下坡道，列車在前方站內(nèi)的有效制動(dòng)距離為700m。

（5）下坡限速v：《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（簡(jiǎn)稱《技規(guī)》）只規(guī)定了0~20‰坡度的v，20‰以上坡度的v根據(jù)線路的具體情況進(jìn)行牽引模擬確定，其取值[5]如表4所示。

表4 HXD2型電力機(jī)車牽引貨物列車下坡限速表

Tab.4 Speed limit for freight train driving by HXD2 electric locomotive in a downhill situation

（6）制動(dòng)力參數(shù)：根據(jù)《技規(guī)》和《牽規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，假設(shè)每輛貨車重84t，每百噸列車重量對(duì)應(yīng)的H高摩合成閘瓦換算閘瓦壓力為150kN。采用換算閘瓦壓力計(jì)算法，當(dāng)列車運(yùn)行速度為時(shí)，其空氣制動(dòng)力B可按下式計(jì)算：

（7）列車編組數(shù)量與牽引質(zhì)量：采用牽引電算軟件，解算得到不同坡度下的列車牽引質(zhì)量及編成輛數(shù)如表5、表6所示。

表5 列車牽引質(zhì)量與編成輛數(shù)計(jì)算表（單機(jī)）

Tab.5 Calculation of train traction quality and number of marshaled cars (single locomotive)

表6 列車牽引質(zhì)量與編成輛數(shù)計(jì)算表（雙機(jī)）

Tab.6 Calculation of train traction quality and number of marshaled cars (double locomotive)

（8）機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)力取值：為便于計(jì)算，根據(jù)HXD2型機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)特性曲線[6]，計(jì)算0~100km/h速度范圍內(nèi)每5km/h速度段的平均電阻制動(dòng)力，如表7所示。

表7 HXD2型機(jī)車在不同速度下電阻制動(dòng)力等效表

Tab.7 Resistance braking force equivalent table of HXD2 locomotive at different speeds

（9）根據(jù)以上相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算得出2，其結(jié)果[7]如表4所示。

5.2 避難線設(shè)置檢算起始坡度的計(jì)算

在17‰~20‰的長(zhǎng)大下坡道上，列車速度可控；在21‰~25‰的長(zhǎng)大下坡道時(shí)，列車速度失控，其解算結(jié)果如表8所示[7]。在30‰~33‰的長(zhǎng)大下坡道上，列車速度均可控，v<2且5=0，均不需設(shè)置避難線。因此，對(duì)10km、13km、16km的站間距設(shè)置，HXD2型電力機(jī)車雙機(jī)牽引時(shí)，q>33‰；HXD2型電力機(jī)車單機(jī)牽引時(shí)，q如表9所示。

表8 HXD2單機(jī)牽引避難線設(shè)置條件分析

Tab.8 Analysis of setting condition for refuge lines with a single HXD2 traction

表9 HXD2單機(jī)牽引避難線設(shè)置檢算起始坡度

Tab.9 Calculation of starting slope for a refuge line setting with a single HXD2 traction

6 結(jié) 論

（1）避難線設(shè)置檢算起始坡度不但與牽引種類、牽引方式和線路坡度有關(guān)，還受到站間距大小的影響。站間距取值不同，則計(jì)算得出的避難線設(shè)置檢算起始坡度各異。

（2）對(duì)于HXD2型電力機(jī)車牽引貨物列車，避難線設(shè)置檢算起始坡度值如表10所示。

（3）HXD2型電力機(jī)車雙機(jī)牽引時(shí)，對(duì)于10km、13km和16km的站間距設(shè)置，長(zhǎng)大下坡道坡度不超過33‰時(shí)都不需要檢算避難線的 設(shè)置。

表10 避難線設(shè)置檢算起始坡度值（‰）

Tab.10 The initial slope values for the refuge line setting(‰)

注：“—”號(hào)表示其避難線設(shè)置檢算起始坡度超過33‰。

[1] 高著田. 鐵路避難線設(shè)計(jì)[S]. 成都: 鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 1997.

[2] 中國(guó)鐵路總公司. 鐵路技術(shù)管理規(guī)程：普速鐵路部分[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2014.

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[4] 饒忠. 關(guān)于長(zhǎng)大下坡道列車制動(dòng)限速的確定[J]. 鐵道車輛. 1984 (2): 35.

[5] 包維民, 閆海峰, 習(xí)子文. 長(zhǎng)大坡道貨物列車下坡限速檢算分析[J]. 高速鐵路技術(shù), 2016, 7(4): 66-70.

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[7] 閆海峰, 朱志國(guó), 石紅國(guó)，等. 艱險(xiǎn)復(fù)雜山區(qū)鐵路避難線設(shè)計(jì)問題研究[R]. 成都: 西南交通大學(xué), 2015.

（中文編輯：李愈）（英文審改：占曙光）

Study on Calculation Method of Setting Railway Refuge Line

XI Zi-wen，YAN Hai-feng，LI Yi-da

（School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China）

Railway refuge line can prevent the trains that are out of control from colliding and overturning. Therefore, it can reduce the economic loss of an accident. This paper refers to the check method of diesel and electric traction sector in the previous “Refuge Line Design Rules”, and simulates the operating process of runaway trains. It analyzes the forces and braking conditions of trains in different states, and applies break cumulative method to calculate the braking distance. Thus, it establish a set of theoretical models and methods for calculating the starting checking slope of the railway refuge line, and judges whether a refuge line is required for a railway line. The results show that the setup condition of refuge line is not only related to the type of traction, the mode of traction and the slope of line, but also affected by the distance between stations. What’s more, for the braking material and the brake shoe pressure in the current “Railway Technical Management Rules”, the result of the starting checking slope of the railway refuge line differs from the that obtained by the former “Refuge Line Design Rules”. Finally, this paper takes the HXD2electric locomotive as an example to analyze and calculate the starting checking slope of the railway refuge line when the HXD2electric locomotive dragging freight train. The starting checking slope of the railway refuge line of HXD2is given. The results of this research can be a reference for the designing of long and steep slopes and the organization of train.

refuge line; long and steep slopes; break cumulative method; starting checking slope of the railway refuge line; HXD2

1672-4747（2018）02-0086-08

U292.43

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2018.02.014

2017-03-13

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路避難線設(shè)置問題研究，項(xiàng)目編號(hào)：14126017（14-14）

習(xí)子文（1992—），男，江西吉安人，西南交通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄒ?guī)劃及鐵路運(yùn)輸規(guī)劃。

習(xí)子文，閆海峰，李奕達(dá). 鐵路避難線檢算起始坡度的研究[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào), 2018, 16(2): 86-93.