關于單元萬噸重載列車操縱 安全風險分析及對策

王 強，王春雨，張 哲，田 雷

(1. 中國鐵路太原局集團有限公司 湖東電力機務段，山西 太原 037300；2. 中國鐵路呼和浩特局集團有限公司集寧機務段，內蒙古 呼和浩特 012000；3. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081)

我國重載鐵路通道大面積高質量開行萬噸重載列車，有效確保了國民經濟強有力持續發展，也標志著我國重載鐵路建設及技術裝備創新發展跨入世界重載鐵路先進行列[1-2]。隨著我國鐵路重載列車開行類別及數量不斷增加， HXD型25 t軸重大功率電力機車牽引的單元萬噸重載列車相較于傳統SS4型串激直流電動機驅動系統電力機車，以其可靠性能強、粘著性能好、牽引功率大、運用效率高及節能環保等優勢已逐步成為國內重載鐵路牽引動力的主要機型。因此，結合理論計算與試驗仿真，對采用HXD型單機、雙機重聯集中牽引或2臺機車動力分散牽引等編組方式的單元萬噸列車分析多種典型工況下的操縱安全風險，提出規避安全風險的操縱對策。

1 單元萬噸重載列車操縱安全風險分析

單元萬噸重載列車操縱存在變電所供電能力不足瞬間跳閘及起車造成列車分離事故等安全風險。下面對機車工況轉換、站內及坡道起車、列車空氣制動及機車通過電分相區 4 種典型運行工況下的操縱安全風險分析如下。

1.1 機車工況轉換操縱安全風險

HXD1機車2節(或2臺4節)機車各通過1個列車管、1個總風管和2個平均管連接氣路，通過重聯插頭連接電氣。以105輛C80B、96輛C80E和120輛C80B3種編組的單元萬噸重載列車為例，通過空氣制動試驗數據及分析可知，3種不同編組的萬噸單元重載列車常用制動減壓后，所有車輛均在9 s內產生制動作用，常用減壓50 kPa的充風時間分別為160 s，148 s，131 s；減壓70 kPa充風時間在3 ～ 4.5 min之間；減壓100 kPa排風70 ～ 97 s之間，充風時間在254 ～ 270 s之間。列車減壓50 kPa、排風40 s并穩定后，追加制動減壓20 kPa，排風時間在44 ～ 48 s之間。列車緊急制動作用時間均為6 ～ 7 s，自閥運轉位，尾部車輛分別于220 s，178 s，253 s后開始緩解。

如果機車工況轉換時間短，不僅容易造成重聯車牽引電傳動系統、網絡控制系統、空氣管路系統工作不穩定，導致牽引故障，而且會導致列車車鉤間隙量變化快，從而產生較大車鉤力。列車通過起伏坡道時保持機車工況穩定可以確保全列車鉤處于壓鉤或拉鉤狀態，實現全列車鉤狀態不因起伏坡道發生變化引起沖動。

1.2 站內及坡道起車操縱安全風險

1.2.1 站內起車操縱安全風險分析

（1）列車管前后部壓力不一致導致縱向沖動引起斷鉤。列車管尾部壓力不足580 kPa時列車管前、后部壓力不一致，此時起車遇突發性安全問題要求司機立即停車，或遇不明原因緊急制動，列車制動管壓力不均衡制動力前強、后弱，較大沖擊力損壞機車及車輛車鉤、緩沖器。

（2）列車后部未完全緩解而牽引開車引起拉斷車鉤。例如，2004年，某線SS4型機車某中間站停車時司機第一次減壓60 kPa，司機二次帶車前列車充風時間只有17 s強行牽引，走行3 s、速度5 km/h時列車管降零，第53位車輛后鉤鉤舌斷，53位與54位車輛分離11 m。

1.2.2 坡道起車操縱安全風險分析

以大秦鐵路遵化北—遷西間為例，對列車進行坡道起動牽引重量計算。線路縱斷面參數為限制坡道4‰，列車長度內最多可同時處于1處曲線半徑為1 000 m的彎道，列車在該條件下起車，根據《列車牽引計算規程》[3]的計算要求和限制條件可得，當計算速度vj= 65 km/h，計算牽引力Fj= 532 kN時，HXD1型機車單機牽引重量不得超過8 421 t；HXD2型機車，當計算速度vj= 65 km/h，計算牽引力Fj=554 kN時，單機牽引重量不得超過8 782 t，在4‰限制坡道停車后不能起動。

2007年6月5日，一列總重10 756.7 t，計長117.7的貨物列車在大秦鐵路湖東至柳村間進行牽引運行試驗。延慶—下莊K263.165—K274.163、遵化北—遷西K487.647—K495.128限制坡道4‰停車進行快速啟動加速試驗。坡道啟動加速試驗結果如表1所示。

表1 坡道啟動加速試驗結果Tab.1 Results of ramp starting acceleration test

K265 + 143坡道啟動加速試驗中，機車能較好持續發揮最大牽引力，能夠完成4‰坡道啟動，但牽引力余量較小；K489 + 216處連續4‰坡道起動加速2次，2次坡停起動加速均非常困難，機車發揮最大起動牽引力最大為803 kN，如遇雨、雪、大霧等不良天氣將無法起動。通過理論計算與試驗數據可知，HXD型單機牽引10 500 t的限制上坡道為4‰，天氣不良情況下列車被迫停在4‰坡道，或停車位置大于4‰坡道，列車均不能起動。

通過調研分析發現，經常出現司機在限制坡道前不利用動能闖坡，列車運行速度低于HXD型機車計算速度65 km/h，導致機車第1轉向架第1，2軸粘著力減弱自動減載，司機依舊憑借交—直傳動機車防空轉操縱經驗盲目退手柄，機車各軸串激電動機同時卸載，牽引能力嚴重喪失而發生途停或列車通過限制坡道電分相時速度低，司機急于投入較大牽引力搶速閃斷車鉤等事故。

1.3 列車空氣制動操縱安全風險

1.3.1 制動過程安全風險

列車空氣制動從機車開始，列車前部車輛依次產生制動減速，后部車輛向前涌動并產生壓鉤力，產生制動的車輛越多，減速度也越大，車鉤壓縮力從前向后逐漸增大，隨著制動車輛增多，向前涌動的車輛減小，壓鉤力傳遞到后部車輛達到最大值后開始減弱。以大秦鐵路的單元萬噸重載列車進行常用全制動、緊急制動停車試驗結果為例，一列編組為 HXD10005 + SY997050 + C80×105輛 + HXD10004(備用)，總重10 756.7 t，計長117.7的單元萬噸重載列車，從湖東至柳村間利用長大下坡道、平直道，列車初速80 km/h的條件下實施緊急制動及最大常用全制動停車試驗。緊急制動停車試驗結果統計如表2所示，常用全制動停車試驗結果統計如表3所示。

萬噸單元重載列車在平直道、長大下坡道進行緊急制動工況試驗出現了大于1 000 kN車鉤力，最大車鉤力地點為-12‰長大下坡道64 km 600 m處，第85位車壓鉤力1 528 kN。列車常用全制動最大車鉤力地點-12‰長大下坡道K324 + 235處，第52位車壓鉤力690 kN。試驗表明，制動減壓量與列車縱向壓鉤力成正比關系，萬噸單元列車制動產生的壓鉤力傳遞到后部三分之二車輛處達到最大值。單元萬噸重載列車采取大減壓量制動可引起85位車輛附近較大縱向沖動，緊急制動產生的壓鉤力會引起一串車輛Z字形轉向和翻車。

1.3.2 緩解過程安全風險

緩解列車制動從機車開始逐輛緩解并消減制動力，緩解車輛與制動車輛形成拉鉤力逐步向后傳遞，仿真及試驗表明，拉鉤力傳遞至后部車輛2/3處達到最大值后開始減弱，列車制動減壓量與縱向拉鉤力成正比關系。依據牽引計算并結合列車運行試驗結論、操縱經驗證明，列車正常情況下使用空氣制動調速采取初制動減壓量可以滿足列車控制速度需要。

單元萬噸重載列車緩解速度規定不得低于30 km/h考慮列車緩解后，初制動減壓量的緩解時間15—20 s，緩解速度低于30 km/h，列車降速幅度10 km/h左右，由于閘瓦摩擦系數與速度成反比關系，后部車輛2/3處必然形成很大的縱向拉力，極易損壞車鉤及緩沖器。例如，某線2003年低速緩解斷鉤案例：某次編組C64K型110輛、總重10 280 t、計長132.0，茶塢站3道正線停車時距出站信號739 m，40 km/h減壓60 kPa，速度降至26 km/h追減至70 kPa，走行15 s，17 km/h制動排風未結束低緩，8 s后11 km/h列車管降零，機后50位與51位分離約5 m遠，第50位后鉤舌斷。

1.4 機車通過電分相區操縱安全風險

（1）當電分相處于連續上坡道地段時，機車通過電分相若低于規定速度，易造成機車斷電后速度快速下降而被迫停于無電區。因此，根據規定，乘務區段要制定各型機車擔當不同類別列車通過限制坡道電分相最低速度值。

（2）當機車通過電分相后，列車因受坡道附加阻力影響，列車車鉤均處于壓縮狀態，機車合電后如果司機投入牽引力較大、較快，車鉤間隙被快速拉開時引起的沖動力可能造成車鉤斷裂。

表2 緊急制動停車試驗結果統計Tab.2 Results of emergency braking and stop tests

表3 常用全制動停車試驗結果統計Tab.3 Results of common full stop tests

2 降低單元萬噸重載列車操縱安全風險的對策

為完善單元萬噸重載列車的操縱辦法，提高司機的操縱技能，穩定設備質量和保證運輸安全，針對常見的4種存在操縱安全風險的工況，結合現場操縱經驗[4]，采取試驗仿真和專家咨詢的方式，提出降低單元萬噸重載列車操縱安全風險的對策[5-6]。

2.1 機車工況轉換操縱安全風險對策

針對因機車工況轉換時間短而造成的牽引故障及縱向沖動問題，研究提出單元萬噸重載列車操縱過程中，機車工況轉換時間間隔應不少于8 s。此外，運行過程中應保證施加牽引或動力制動力時調速手柄由“零位”先輸出50 kN，待全列車鉤狀態穩定后再逐步加載至目標值；解除牽引或動力制動力時先減載50%，全列車鉤狀態穩定再退至50 kN，停頓后調速手柄回“零位”。起伏坡道運行應盡力保持機車工況穩定，變坡點采取小牽引力通過，減少列車沖動。

2.2 站內及坡道起車操縱安全風險對策

2.2.1 站內起車操縱

針對站內起車操縱存在的安全風險，提出站內“三段”起車操縱法，具體操縱方法為：起車前司機確認列車尾部風壓應滿足580 kPa，第一階段調速手柄先輸出較小牽引力50 kN (雙機牽引時為總力值)，稍作停留使機車與車輛車鉤平緩拉伸；第二階段再加大牽引力不超過300 kN，并適量撒砂實現全列車鉤平穩拉伸并緩緩起動；第三階段全列啟動再逐步增加牽引力達速運行，并保持車鉤狀態穩定。

2.2.2 坡道起車操縱

針對坡道起車操縱存在的安全風險，研究提出以下操縱辦法。

（1）“車車聯控”法。長大上坡道關系站前特別是天氣不良時，本務司機與關系站，前、后行列車司機通過機車綜合無線通信設備CIR主動聯系列車位置及當前速度，合理掌握列車間隔，必要時司機主動請求在關系坡道前方站停車避讓。

（2）“動能闖坡”法。上坡道運行，司機采用“先闖后爬，闖爬結合”闖坡操縱辦法。坡前高速“貼線”運行，爬坡充分發揮機車牽引力并預防性撒砂，利用“HXD型機車通過電子防空轉/滑行系統檢測各輪對粘著控制信號，經微機控制單元(TCU)單獨控制逆變器輸出電壓和頻率調節單臺電機尋求最佳工作點，自動撒砂使機車獲得較大平均粘著利用系數，使驅動系統既不空轉又能充分發揮牽引力”特點，當機車微機控制單元自動減載某軸(轉向架)牽引力期間司機不應盲目退手柄，防止機車牽引功率降低后發生坡停事故。

（3）坡停有預想。司機遇特殊情況被迫坡道停車時應盡量避開曲線、隧道等起車阻力較大地段，選擇坡道相對較小有利于起車地點停車，分相前停車應留有2 000 m起車加速距離。坡道停車時應注意：自閥“初制動位”減壓后，司機可依據停車地點追加減壓，注意適量撒砂，降速至5 km/h單閥投入制動，停穩追減至100 kPa，停車時適量撒砂。坡道起車時應注意：列車前方200 m內的軌面應預先鋪砂，司機先緩解單閥，牽引手柄分段給至100 kN力后緩解自閥，9 s內逐步將牽引力給最大，實現逐輛起動，注意適時撒砂，嚴禁將牽引力一次施加到位或“拉鋸式”給退手柄，如起動失敗應立即停車匯報，請求救援。

2.3 列車空氣制動操縱安全風險對策

隨著重載鐵路運輸的快速發展，列車軸重和編組長度不斷增加，列車在制動過程中縱向沖動會隨之增大。車輛斷鉤、脫鉤和脫軌等貨物列車事故時有發生，嚴重影響列車運行安全和運輸效率。

針對單元萬噸重載列車實施空氣制動過程中存在的安全風險，根據牽引計算及運行試驗，提出了具體的操縱對策：單元萬噸列車正常調速宜采用初制動減壓；一次減壓量超過60 kPa或追加減壓時應停車緩解；列車緩解速度必須滿足列車管充風2.5 min需求；最低緩解速度不小于30 km/h。發現危及本列安全時，要立即采取緊急停車措施，遇地面信號突變可采取最大減壓量停車。

2.4 機車通過電分相區操縱安全風險對策

針對機車過分相后，由于司機操縱不當易引起車鉤斷裂的問題，研究提出了機車的過分相操縱辦法如下。

（1）通過上坡道分相的速度必須滿足安全通過要求。“禁止雙弓標”前，司機分段將牽引力退至“零位”，確認機車過分相“斷合”電、輔機啟動正常再分段輸出牽引力，防止一次給較大牽引力“閃斷”車鉤。

（2）通過長大下坡道分相時列車可保持空氣制動，“禁止雙弓標”前，司機分段將動力制動力退至“零位”，機車過分相“斷電”后及時按壓“單緩”按鈕，確認“合電”及輔機啟動正常再分段輸出動力制動力，恢復“單緩”按鈕，確認“單緩”指示燈滅。

（3）通過起伏坡道分相時應適當控制速度，確保在分相前、后保持機車牽引/動力制動工況不變。

3 結束語

單元萬噸重載列車的平穩操縱研究能夠有效降低牽引能耗、保障列車運行安全、提高貨運運輸效率，是影響重載列車創新發展的重要因素之一[7-8]。通過將理論計算、試驗數據及實踐經驗相結合的方式，針對仿真及事故調查中發現的突出問題，研究提出相應的安全風險控制對策，并形成具體的司機操縱方式方法，能夠有效解決4種典型工況下的操縱安全問題，對于已開行重載貨物列車的鐵路線路及鐵路局集團公司機務專業職工和管理人員的技術工作起到指導作用，為重載鐵路貨物運輸安全效率的提升產生促進意義。