論南同蒲線機車牽引質量的理論計算與試驗查定*

2018-11-15 10:09:14楊江霖

鐵道機車車輛 2018年5期

楊江霖

(中國鐵路太原局集團有限公司，太原 030013)

按照《鐵路機車運用管理規程》規定，機車牽引質量，應根據線路縱斷面、機車類型、供電能力、地區海拔高度、氣候特點、站場設備及運量等條件，按《技規》和《牽規》進行科學、周密計算并使用實地牽引試驗查定。文中以南同蒲線侯馬北至介休段為研究對象，對該區段HXD1、HXD2型機車的牽引質量從理論計算到試驗查定進行研究和討論。

1 問題的提出

伴隨著鐵路技術裝備的升級和快速發展和機車布局調整，2017年9月原大秦線運用的部分HXD1、HXD2等新型和諧系列大功率交流傳動電力機車陸續調整配置到南同蒲線。目前，HXD1、HXD2型機車牽引質量與SS4G型機車牽引質量一致，侯馬北至介休間上行牽引4 500 t，同時規定上行襄汾、洪洞、霍州、圣佛、冷泉、義棠6個車站為必須通過站，圣佛、冷泉、霍州站始發4 000 t以上貨物列車時必須雙機牽引。由于HXD1、HXD2型機車功率均高于9 600 kW，較SS4G型機車功率6 400 kW高出3 200 kW以上，因此運輸部門提出迫切需要提高HXD1、HXD2型機車牽引質量到5 000 t，發揮大功率機車的作用，提高運輸能力，增加經濟效益。

2 列車牽引計算

在牽引區段內，牽引質量受到最困難上坡道的限制。通過對區段內線路縱斷面、電分相設置、坡道位置、坡道長短等分析，確定牽引限制困難區段，利用TB/T 1407-1998《列車牽引計算規程》中牽引質量計算公式、列車運動方程式等對困難條件進行理論計算，為實車牽引試驗和機車乘務員操縱提供理論依據和技術支持。

2.1 機車牽引特性

南同蒲線HXD1、HXD2型機車，軸重均為25 t，有關機車基本技術參數見表1。

表1 機車基本技術參數

機車牽引特性圖如下：

圖1 機車牽引特性圖

2.2 確定牽引困難區段

南同蒲線侯馬北至介休區段，上行方向線路基本走勢為上坡，通過查看有關線路技術資料，結合多年以來機車乘務員實際機車操縱情況，確定上行牽引最困難區段在洪洞-辛堡區間K586～K592段，該區段連續上坡，最大坡度12.1‰，有一處電分相(分相中心位置為K587+899 m)，且處在曲線段。線路具體情況如圖2所示：

圖2 牽引困難區段示意圖

2.3 列車起動能力計算

為確保列車在任何情況下停車后能夠起動，在這里，我們按照最困難情況進行計算。假設列車整列停在12.1‰和10.3‰的坡度上，此時列車要起動，列車總全阻力應小于或等于機車起動牽引力。根據《TB/T 1407-1998》，列車在起動時的總全阻力為：

(1)

將有關數值代入式(1)計算，得出HXD1、HXD2型機車牽引5 000 t貨物列車起動總全阻力為794 kN。由表1可知，HXD1、HXD2型機車的起動牽引力小于總全阻力。也就是說，HXD1、HXD2型機車牽引5 000 t貨物列車在該困難坡度停車時列車起動不了。

2.4 列車分相通過能力計算

由圖2可知，在該困難區段存在一電分相，該分相為器件式電分相，長度為100 m(斷合標間距離)。電力機車通過電分相前要斷電，列車靠慣性惰行，通過電分相合閘后，在形成有效加載前，電力機車需經5～10 s的系統自檢。結合多年來實際經驗及通過分相后的線路坡度，在該困難區段通過電分相合閘時列車速度只要不低于10 km/h，就不會因為加載不及時引起列車途停。為滿足列車正常運行和指導機車乘務員操縱，根據列車運動方程和列車合力計算公式，結合多年以來機車操縱經驗，對HXD1、HXD2型機車牽引5 000 t貨物列車時在該分相處最低斷電速度進行計算。

根據列車運動方程式：

(2)

由式(2)可導出，列車通過電分相時最低斷電速度計算公式為：

(3)

式中：v合為10 km/h；ΔS為斷電后至合閘間列車運行距離，按斷電標至合電標間距離100 m計算；c為機車斷電至合閘惰行期間的列車單位合力，c=-(w0+ij)，其中w0、ij分別為斷電惰行期間列車單位阻力和線路坡度的千分數，ij按照坡度和曲線進行加算取值，單位基本阻力w0按下式進行計算。

(4)

(5)

(6)

為計算方便，斷電運行期間的列車單位基本阻力按20 km/h進行計算。

將有關數值代入式(2)～(6)計算，得出HXD1、HXD2型機車牽引5 000 t貨物列車通過該分相的最低斷電速度為22 km/h。

2.5 計算坡度計算

計算坡度為列車在計算速度運行時的限制坡度，根據《牽規》，計算坡度計算公式為：

(7)

由以上計算可知，HXD1型機車的計算坡度為7.6‰，HXD2型機車的計算坡度為8.0‰。也就是說，HXD1、HXD2機車牽引5 000 t貨物列車在計算坡度以下運行時，均能到達65 km/h的計算速度運行。

2.6 起動限制坡度計算

為給機車乘務員操縱提供指導依據，有必要對起動限制坡度進行計算，在乘務員遇設備故障、非正常停車時，根據列車所處坡度情況，決定是否自行起動列車或是請求救援。根據《TB/T 1407-1998》，起動限制坡度計算公式為：

(8)

將有關數值代入式(8)計算，λy按0.9取值時，得到HXD1型機車牽引5 000 t貨物列車的起動限制坡度為9.9‰，HXD2型機車牽引5 000 t貨物列車的起動限制坡度為10.2‰；λy按1.0取值時，得到HXD1型機車牽引5 000 t貨物列車的起動限制坡度為11.4‰，HXD2型機車牽引5 000 t貨物列車的起動限制坡度為11.7‰。考慮到不同機車的性能和機車乘務員操縱水平的差異，從安全角度考慮，日常運用中以λy按0.9取值時計算得到起動限制坡度作為機車乘務員坡道起動的指導依據。

3 牽引試驗

按照《鐵路機車運用管理規程》中規定，機車牽引質量的查定需要組織進行實車試驗。通過以上對HXD1、HXD2型機車牽引5 000 t貨物列車在牽引困難區段起動能力、分相通過能力的計算，可知HXD1、HXD2型機車在牽引特性、牽引困難區段起動能力、分相通過能力等基本相同，因此結合機車配屬運用情況，我們采用HXD2型機車進行了5 000 t貨物列車實車試驗。

3.1 試驗概況

2018年3月13日組織在南同蒲線侯馬北至介休間進行了實車牽引試驗。

試驗列車編組：HXD2-0176號機車+貨車重車63輛(4 852 t)+DF8B-5199(備用，自重131t)，列車總重4 983 t，列車計長81.6。其中DF8B型機車作為試驗預備機車，試驗過程中不加力運行，自重計入貨物列車總重，防止試驗運行中出現困難或起動失敗，避免給運輸造成影響。

天氣情況：晴，無風。

3.2 牽引困難區段起車試驗

列車正常運行通過洪洞站后，機車乘務員操縱列車通過K587電分相后停于K587+678 m處，使列車整列處于區段12.1‰的最大坡度上，司機操縱機車滿流起動列車，加載1 min速度1 km/h列車起動，加載5 min速度4 km/h走行264 m，加載10 min速度10 km/h走行744 m，加載12 min速度30 km/h走行1 600 m，加載15 min列車到達機車計算速度65 km/h走行4 507 m，機車操縱運行曲線圖見圖3。

圖3 洪洞—辛堡區間起車機車起車運行曲線圖

對試驗列車停車位置換算坡度進行計算，換算坡度為11.4‰，略小于機車牽引力使用系數λy取值為1.0時的起動限制坡度11.4‰。

3.3 側線起車試驗

根據機務部門反映，南同蒲線侯馬北至介休區段部分車站起車時，由于側線股道限速影響，始發列車開車后初速度低，遇出站方向連續上坡道有電分相時，由于列車通過分相后合閘速度低，SS4G機車擔當4 000 t及以上貨物列車牽引任務時存在列車途停的情況，所以在實際運用中規定遇某些困難站牽引4 000 t以上始發列車或天氣不良時安排雙機牽引，造成調度秩序混亂。因此，根據機務部門建議，選擇在最困難車站霍州站進行了側線起車試驗，霍州站上行出站方向線路情況見圖4。

圖4 霍州站上行出站方向線路情況圖

試驗列車霍州站4道開車，司機操縱機車滿級起動列車，加載1 min時列車出站速度10 km/h走行100 m，加載3 min時列車到達分相前速度27 km/h走行794 m(實際4道側線限速45 km/h，在機車仍具有提速條件的情況下，為模擬其他限速30 km/h股道發車要求司機操縱列車出站速度不超過30 km/h)；機車斷電過分相，30s后列車通過分相速度16 km/h，由于列車處于上坡道運行中，列車繼續降速運行，最低速度14 km/h，機車合閘后繼續加載，運行3 min后列車速度達到40 km/h，機車操縱運行曲線見圖5。