時速160 km接觸網作業(yè)車代替熱備機車的方案研究

王利軍 張彥棟

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

1 研究背景

根據(jù)鐵總運[2015]325號文《中國鐵路總公司關于印發(fā)<高速鐵路應急熱備內燃機車管理辦法>的通知》，高速鐵路應設置應急熱備內燃機車，承擔高速鐵路應急救援工作，保證動車組列車被迫停車后能得到及時處置[1]。2019年，鐵總黨[2019]1號文《中共中國鐵路總公司黨組關于做好2019年鐵路運輸安全工作的意見》要求提升高速鐵路應急救援能力。進一步優(yōu)化救援列車，熱備動車組、內燃機車的配置和布局，探索研究利用時速160 km接觸網作業(yè)車救援動車組的模式[2-3]。

時速160 km接觸網多功能檢修作業(yè)車滿足高速及快速鐵路的高空接觸網維護和高架線路下部的檢查維修作業(yè)需要。該接觸網多功能檢修作業(yè)車能在高速鐵路及城市快速鐵路上運行，即使在不利環(huán)境條件或惡劣天氣下，也可快速、安全到達現(xiàn)場，對高空接觸網及橋梁進行檢測和維修；還可牽引附掛車輛，或雙機、多機重聯(lián)牽引動車組，為多種功能綜合性維修車[4]。

2015年，由我國自主制造生產的國產化時速 160 km接觸網多功能作業(yè)車開始在北京、上海、濟南、西安、鄭州、沈陽、成都、南昌鐵路局等投入使用[5]。截止目前，時速160 km接觸網多功能作業(yè)車已在多個鐵路局合計配屬66臺。

我國高速鐵路接觸網設備日常維護采用每天固定時間(開天窗，一般為4 h左右)集中檢查維修的方式。在非天窗時段，有效利用時速160 km接觸網作業(yè)車承擔動車組救援任務，可減少資源閑置，減少對應急熱備機車的需求，從而實現(xiàn)資源共享，加強高速鐵路應急救援能力。因此有必要對時速160 km接觸網作業(yè)車救援動車組的可行性進行分析。

2 BR711C接觸網多功能綜合作業(yè)車車型分析

2.1 作業(yè)車運用條件及技術參數(shù)

BR711C接觸網多功能綜合作業(yè)車是接觸網檢修、維護、搶修的專業(yè)設備，具有160 km/h的最高運行速度，可快速到達作業(yè)現(xiàn)場。該車配有升降旋轉作業(yè)平臺、高空作業(yè)斗、導線撥線裝置、接觸網檢測裝置等設備。其運用條件及整體技術參數(shù)如表1、表2所示。

表1 作業(yè)車運用條件表

2.2 作業(yè)車牽引特性

作業(yè)車牽引特性曲線如圖1所示，液力制動特性曲線如圖2所示。

表2 作業(yè)車技術參數(shù)表

圖1 BR711C型作業(yè)車牽引特性曲線圖

圖2 BR711C型作業(yè)車液力制動特性曲線圖

3 理論分析

根據(jù)TB/T 1407.1-2018《列車牽引計算-第1部分：機車牽引式列車》進行列車牽引計算。

(1)單位基本運行阻力

當速度為0時(起動點)：

ω0=ωst

(1)

當速度不為0時(過程)：

ω0=c0+c1v+c2v2

(2)

式中：ω0——單位基本運行阻力；

c0,c1,c2——列車基本阻力系數(shù)，c0取0.028，c1取0.000 2，c2取0.000 298;

v——運行速度(km/h)；

ωst——列車起動阻力，取5 N/kN。

(2)單位坡道附加阻力

ωi=i

(3)

式中：ωi—— 單位坡道附加阻力(N/kN);

i—— 坡道千分數(shù)。

(3)單位曲線附加阻力

(4)

式中：ωr——單位坡道附加阻力(N/kN);

R——曲線半徑(m)。

(4)單位隧道附加阻力

機車車輛的單位隧道附加阻力ωs由試驗確定。

(5)起動加速度

(5)

式中：ast——列車起動加速度(m/s2);

Fst——列車起動牽引力(kN);

ωst——列車起動阻力(N/kN);

ωi——列車起動坡道阻力(N/kN);

ωr——列車起動曲線阻力(N/kN)；

I——列車起動坡道千分數(shù);

R——列車起動曲線半徑(m);

M——列車質量(t)。

(6)平衡速度

列車處于牽引工況下，所受合力為0時對應的速度為列車的平衡速度。

(7)牽引力使用系數(shù)

單機牽引使用系數(shù)取1，雙機重聯(lián)牽引系數(shù)取0.98。

(8)牽引力修正

內燃機車受周邊空氣溫度及海拔高度的影響，機車牽引力存在修正。

(9)其他

根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設計規(guī)范》，正線線路平面曲線應與設計行車速度匹配，所有設計行車速度等級最小曲線半徑為 2 800 m(無砟軌道，設計行車速度250 km/h)，其曲線附加阻力遠遠小于坡道附加阻力，因此可不考慮曲線附加阻力的作用。

同時，亦不考慮隧道附加阻力、牽引力修正和被救動車組參與制動情況。

4 救援能力分析

4.1 救援動車組及線路條件

本文采用CR400BF作為救援動車組進行救援能力計算，CR400BF型動車組技術參數(shù)如表3所示。

表3 CR400BF型動車組技術參數(shù)表

根據(jù)國內高速鐵路設計的線路條件，坡度一般分為0‰，6‰，12‰，20‰，24‰，30‰。本次分析分別對上述坡度下的救援能力進行計算。

4.2 起動加速度

列車起動加速度由列車牽引力、列車起動阻力、坡道附加阻力、曲線附加阻力等共同決定。根據(jù) 式(5)，本文分別對BR711C型作業(yè)車單機、雙機的起動加速度進行計算。

(1)BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援

BR711C型接觸網作業(yè)車單機可在不大于12‰的上坡道上，實現(xiàn)CR400BF動車組的救援起動，其起動加速度如表4所示。

表4 BR711C型作業(yè)車單機救援動車組起動加速度表

(2)BR711C型作業(yè)車雙機救援

BR711C型接觸網作業(yè)車雙機可在不大于30‰的上坡道上，實現(xiàn)CR400BF動車組的救援起動，其起動加速度如表5所示。

表5 BR711C型作業(yè)車雙機救援動車組起動加速度表

4.3 平衡速度

列車平衡速度是列車牽引力與所受阻力平衡時達到的速度。本文分別對BR711C型作業(yè)車單機、雙機救援CR400BF型動車組的平衡速度進行計算。

(1)BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援

BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援CR400BF型動車組在平直道上的平衡速度為153 km/h，在6‰上坡道上的平衡速度為78 km/h，在12‰上坡道上的平衡速度為42 km/h。BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援CR400BF動車組平衡速度如圖3所示。

圖3 BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援CR400BF動車組平衡速度圖

(2)BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援

BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF型動車組在平直道上的平衡速度可以達到作業(yè)車最高運行速度160 km/h，在6‰上坡道上的平衡速度為 120 km/h，在12‰上坡道上的平衡速度為75 km/h，在20‰上坡道上的平衡速度為44 km/h，在24‰的上坡道上的平衡速度為36 km/h，在30‰上坡道上的平衡速度為24 km/h。BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF動車組平衡速度如圖4所示。

圖4 BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF動車組平衡速度圖

4.4 液力制動調速

BR711C型動車組的動力制動為液力制動，主要用于長大坡道下坡時的制動實施，控制下坡速度。本文分別對BR711C型接觸網作業(yè)車單機、雙機的液力制動與列車在不同下坡道下的下滑力進行比較。

(1)BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援

BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援CR400BF型動車組在6‰下坡道時，當運行速度處于25～160 km/h范圍內時，僅使用接觸網作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調速要求；當運行速度小于25 km/h，需使用接觸網作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調速要求。

BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援CR400BF型動車組在12‰下坡道時，當運行速度處于35～145 km/h范圍內時，僅使用接觸網作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調速要求；當運行速度小于35 km/h或超過145 km/h時，需使用接觸網作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調速要求。

BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援CR400BF型動車組在20‰及以上下坡道時，無法使用接觸網作業(yè)車的液力制動進行列車救援運行調速。BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援CR400BF動車組液力制動如圖5所示。

圖5 BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援CR400BF動車組液力制動圖

(2)BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援

BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF型動車組在6‰下坡道時，當運行速度處于15～160 km/h范圍內時，僅使用接觸網作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調速要求；當運行速度小于15 km/h，需使用接觸網作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調速要求。

BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF型動車組在12‰下坡道時，當運行速度處于26～160 km/h范圍內時，僅使用接觸網作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調速要求；當運行速度小于26 km/h，需使用接觸網作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調速要求。

BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF型動車組在20‰下坡道時，當運行速度處于33～130 km/h范圍內時，僅使用接觸網作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調速的要求；當運行速度小于 33 km/h或超過130 km/h時，需使用接觸網作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調速要求。

BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF型動車組在24‰下坡道時，當運行速度處于37～100 km/h范圍內時，僅使用接觸網作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調速要求；當運行速度小于 37 km/h或超過100 km/h時，需使用接觸網作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調速要求。

BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF型動車組在30‰下坡道時，無法使用接觸網作業(yè)車的液力制動進行列車救援運行調速。BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF動車組液力制動如圖6所示

圖6 BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF動車組液力制動圖

4.5 空氣制動

BR711C型接觸網多功能綜合作業(yè)車單機最大空氣制動力為69 kN。本文分別對BR711C型接觸網作業(yè)車的空氣制動力與單機救援動車組、雙機救援動車組在不同坡道下的下滑力進行比較，計算救援動車組在不同坡道下利用BR711C空氣制動力進行制動停車的能力。

(1)BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援

BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援動車組空氣制動力與下滑力關系如圖7所示。從圖7可以看出，BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援CR400BF型動車組在12‰及以下的下坡道上，下滑力均在接觸網作業(yè)車單機空氣制動力包絡線范圍內，可實現(xiàn)空氣制動停車；在20‰及以上的下坡道上，下滑力均在接觸網作業(yè)車單機空氣制動力包絡線范圍外，無法實現(xiàn)空氣制動停車。

圖7 BR711C型接觸網作業(yè)車單機救援動車組空氣制動力與下滑力關系圖

(2)BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援

BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援動車組空氣制動力與下滑力關系如圖8所示。從圖8可以看出，BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援CR400BF型動車組在20‰及以下的下坡道上，下滑力均在接觸網作業(yè)車雙機空氣制動力包絡線范圍內，可實現(xiàn)空氣制動停車；在24‰及以上的下坡道上，下滑力均在接觸網作業(yè)車雙機空氣制動力包絡線范圍外，無法實現(xiàn)空氣制動停車。

圖8 BR711C型接觸網作業(yè)車雙機救援動車組空氣制動力與下滑力

5 結論及建議

本文對BR711C型接觸網作業(yè)車單機、雙機救援CR400BF型動車組進行了救援能力分析，分別對救援起動加速度、平衡速度、液力制動調速能力、空氣制動停車能力進行了計算(計算過程不考慮牽引力修正、曲線附加阻力、隧道附加阻力和被救動車組參與制動情況)。救援能力計算結果，如表6所示。

由表6可知，BR711C型接觸網作業(yè)車救援CR400BF型動車組的單機限制坡度為12‰，雙機限制坡度為20‰。

綜上所述，時速160 km接觸網作業(yè)車代替熱備機車救援動車組在一定坡道條件的限制下具備可行性。具體救援方案需根據(jù)實際線路標準、動車組車型及編組、救援速度等情況進行驗算。后續(xù)應開展時速 160 km接觸網作業(yè)車的現(xiàn)場救援試驗，進一步細化救援工序與操作方案。

表6 BR711C型接觸網作業(yè)車救援動車組救援能力匯總表