車站到發(fā)線停車防溜器布置仿真研究

保魯昆，許 鎮(zhèn)，衛(wèi) 寧

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京 100081；3.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸調(diào)度指揮中心，北京 100844)

0 引言

停留車輛的防溜是車務(wù)工作安全的重點(diǎn)和難點(diǎn)。《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定，中間站停留車輛需要采用“雙防溜”方式[1]，擰緊兩端車輛的人力制動(dòng)機(jī)，并以鐵鞋(或止輪器、防溜枕木等)牢靠固定。在采取防溜措施時(shí)，作業(yè)人員需要頻繁往返各股道，攀爬車輛擰緊人力制動(dòng)機(jī)，存在較大的作業(yè)安全隱患。同時(shí)，人工放置防溜設(shè)備也存在“漏設(shè)”和“漏撤”的可能[2]。為此，部分車站嘗試在到發(fā)線上使用自動(dòng)化防溜設(shè)備，以消除安全隱患。例如，鲅魚圈北站在到發(fā)線上使用高速鎖閉止輪頂[2]；包頭北站和包頭西站等使用停車防溜器[3]。

目前，國內(nèi)部分停車防溜器廠家在設(shè)計(jì)到發(fā)線停車防溜器布置方案時(shí)，根據(jù)線路坡度、列車牽引定數(shù)及單臺(tái)停車防溜器制動(dòng)能力等參數(shù)，計(jì)算坡道產(chǎn)生的下滑力，除以單臺(tái)停車防溜器的制動(dòng)能力，再考慮一定的安全系數(shù)，確定到發(fā)線需要安裝的停車防溜器臺(tái)數(shù)。由于車輛類型較多，車輛縱向幾何參數(shù)相差較大，部分類型的車輛即使停留在停車防溜器組覆蓋區(qū)域內(nèi)，停車防溜器仍然有可能無法作用到車輪，不能有效防止停留車輛溜逸。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)到發(fā)線防溜設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)的研究較多[4-7]，而在到發(fā)線防溜器布置方面的研究較少。龔德文[7]假設(shè)相鄰2 臺(tái)停車防溜器分別作用在同一車輛第1 和第2 至4 輪對(duì)的情況下，針對(duì)不同車輛參數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算停車防溜器的合理長度及間隔。該方法限定了一組停車防溜器的數(shù)量，單臺(tái)停車防溜器長度過長，不利于現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。為此，通過仿真方法，研究不同的有效長度、連續(xù)布置數(shù)量、布置間隔情況下，停車防溜器對(duì)車輪的作用效果，為到發(fā)線停車防溜器布置提供參考。

1 車站到發(fā)線停車防溜器布置

1.1 影響因素

（1）車列(車組)的停留位置。車列(車組)的停留位置決定停車防溜器的布置區(qū)域。停車防溜器必須布置在車列(車組)停車位置范圍內(nèi)，才能起到停車防溜作用。

（2）列車牽引定數(shù)和線路坡度。這2 個(gè)因素共同決定車列(車組)停留時(shí)產(chǎn)生的下滑力，而決定停車防溜器布置數(shù)量。

（3）車輛縱向幾何參數(shù)。鐵路車輛縱向幾何參數(shù)如圖1 所示。圖1 中，A 為車輛長度，C 為車輛定距(車輛2臺(tái)轉(zhuǎn)向架中心之間的距離)，D為最內(nèi)側(cè)兩軸間距，d 為車輛軸距。典型車輛縱向幾何參數(shù)如表1 所示。

圖1 鐵路車輛縱向幾何參數(shù)Fig.1 Longitudinal Parameters of Railway Vehicles

表1 典型車輛縱向幾何參數(shù) mTab.1 Longitudinal Parameters of Typical Vehicles

（4）停車防溜器的有效長度。為了降低成本，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，停車防溜器的有效長度一般為4 ～ 8 m[8]，而典型車輛的最內(nèi)側(cè)兩車軸距離為8 ～ 22 m，單臺(tái)停車防溜器作用到車輪上的概率相對(duì)較小，一般需要幾臺(tái)停車防溜器成組配合布置，才能夠起到防溜作用。例如，包頭北站1場(chǎng)部分線路采用“3+3+1”或“2+2+1”布置模式。

1.2 停車防溜器布置方案

車輛縱向幾何參數(shù)、停車防溜器有效長度和相鄰?fù)＼嚪懒锲鞑贾瞄g隔的匹配關(guān)系決定車列(車組)停留在停車防溜器布置區(qū)域時(shí)，停車防溜器是否能有效作用在車輪上。定義停車防溜器組覆蓋范圍(以下簡稱“覆蓋范圍”)為當(dāng)1 組停車防溜器按照一定間隔布置時(shí)，從第1 臺(tái)停車防溜器始端至最后一臺(tái)停車防溜器末端的范圍，包括組內(nèi)所有停車防溜器總有效長度和相鄰?fù)＼嚪懒锲鏖g隔距離。定義停車防溜器組作用到車輪的概率(以下簡稱“作用概率”)為當(dāng)車輛2 個(gè)最外側(cè)輪對(duì)處在停車防溜器組覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，停車防溜器組內(nèi)至少有1 臺(tái)停車防溜器作用在車輪上的概率。

停車防溜器的布置方案有單臺(tái)停車防溜器獨(dú)立布置、2 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置、3 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置。

（1）單臺(tái)停車防溜器獨(dú)立布置。單臺(tái)停車防溜器獨(dú)立布置如圖2 所示。在單臺(tái)停車防溜器獨(dú)立布置時(shí)，由表1 可知，典型車輛最內(nèi)軸間距D 的范圍為6.4 ～ 20.85 m，而停車防溜器長度一般為4 ～ 8 m[8]，當(dāng)停車防溜器正好處在車輛最內(nèi)軸間距之間時(shí)，對(duì)于多數(shù)車輛，停車防溜器制動(dòng)狀態(tài)下無法作用到車輪，起不到防溜的作用。

圖2 單臺(tái)停車防溜器獨(dú)立布置Fig.2 Layout of a Single Anti-running Device

（2）2 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置。使用2 臺(tái)停車防溜器成組布置，2 臺(tái)停車防溜器相隔一定距離。如果停車防溜器有效長度和布置間隔配合得當(dāng)，能夠滿足多數(shù)常見車型的防溜。然而，當(dāng)車列(車組)停留在停車防溜器組覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，如果2 臺(tái)停車防溜器布置間隔過大，存在與單臺(tái)停車防溜器布置相同的問題。2 臺(tái)停車防溜器布置間隔過大情況如圖3 所示。如果停車防溜器有效長度較短，布置間隔過小，則停車防溜器容易完全處于車輛的2 個(gè)內(nèi)側(cè)輪對(duì)之間，也不能起到防溜作用。2 臺(tái)停車防溜器布置間隔過小情況如圖4 所示。考慮到相同車型或不同車型車輛連掛情況下，還存在多種不利場(chǎng)景。

圖3 2 臺(tái)停車防溜器布置間隔過大情況Fig.3 Layout of Two Anti-running Devices with Too-large Interval

圖4 2 臺(tái)停車防溜器布置間隔過小情況Fig.4 Layout of a Two Anti-running Devices with Too-small Interval

（3）3 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置。當(dāng)停車防溜器有效長度大于7 m，且按零間隔連續(xù)布置時(shí)，能使表1 中所有車型完全在停車防溜器組的覆蓋區(qū)域內(nèi)，其作用概率為100%，但是布置成本較高，布置難度較大。隨著停車防溜器間隔的增大，考慮不同車型連掛情況下，也會(huì)出現(xiàn)多種不利情況。3 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置不利情況如圖5 所示。

圖5 3 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置不利情況Fig.5 Unfavorable Condition for a Three-anti-running-device Layout

由于車輛型號(hào)較多，不同停車防溜器有效長度和布置間隔均為可變因素。優(yōu)化匹配停車防溜器有效長度、停車防溜器成組連續(xù)布置數(shù)量、停車防溜器布置間隔和車輛縱向幾何參數(shù)，可以在節(jié)約投資的基礎(chǔ)上，提高多數(shù)車型的作用概率。

2 車站到發(fā)線停車防溜器防溜效果仿真

2.1 仿真軟件開發(fā)

不同布置方案下有多種不利場(chǎng)景，不易利用公式直接計(jì)算停車防溜器與車輛縱向幾何參數(shù)的匹配關(guān)系，可以使用模擬仿真的方式進(jìn)行研究。為此，開發(fā)仿真程序，計(jì)算不同車型的作用概率。仿真程序按照停車防溜器和鐵路車輛縱向幾何尺寸，等比例構(gòu)建停車防溜器和車輛模型，再按照比例布置在軌道上。測(cè)試車輛從停車防溜器組的一側(cè)勻速進(jìn)入，再從另一側(cè)駛出。從車輛運(yùn)行方向第1 個(gè)輪對(duì)進(jìn)入停車防溜器組覆蓋范圍時(shí)起，至最后一個(gè)輪對(duì)離開停車防溜器組覆蓋范圍時(shí)止，作用概率的計(jì)算公式為

式中：θ 為作用概率；t作用為整個(gè)過程中至少1 個(gè)停車防溜器作用到車輪上的時(shí)間；t覆蓋為車輛通過整個(gè)停車防溜器組覆蓋范圍的時(shí)間。

為便于仿真計(jì)算，把車輛運(yùn)行連續(xù)過程離散化，令車輛按照固定步長向前移動(dòng)。每移動(dòng)1 次，判斷并記錄停車防溜器組是否有停車防溜器作用到輪對(duì)上。當(dāng)步長足夠小時(shí)，車輛的作用概率計(jì)算公式為

式中：c作用為整個(gè)過程中至少1 個(gè)停車防溜器作用到車輪上的次數(shù)；c覆蓋為車輛通過整個(gè)停車防溜器組覆蓋范圍的計(jì)算次數(shù)。

到發(fā)線停車防溜器布置驗(yàn)證仿真軟件界面如圖6所示。仿真程序能夠滿足針對(duì)不同停車防溜器長度、不同布置方案、不同車輛連掛組合情況下，停車防溜器組覆蓋范圍內(nèi)作用概率的計(jì)算。該程序的輸入?yún)?shù)包括停車防溜器有效長度、停車防溜器成組連續(xù)布置數(shù)量、停車防溜器布置間距、車輛縱向幾何參數(shù)和不同類型車輛連掛情況等。該程序可以顯示停車防溜器有效工作狀態(tài)，當(dāng)停車防溜器組至少作用在1 對(duì)車輪時(shí)，停車防溜器顯示為紅色，否則顯示為綠色。

2.2 仿真結(jié)果分析

在仿真實(shí)驗(yàn)中，1 組連續(xù)布置的停車防溜器有效長度相同，1 組內(nèi)多個(gè)停車防溜器間隔相同。利用到發(fā)線停車防溜器仿真程序計(jì)算2 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置和3 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置的作用概率。停車防溜器有效長度分別設(shè)為4 m，5 m，6 m，7 m和8 m，停車防溜器間隔分別設(shè)為6 m，5 m，4 m 和3 m，將這些情況進(jìn)行組合，對(duì)表1 中的6 種典型車輛進(jìn)行仿真檢算。2 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置作用概率如表2 所示；3 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置作用概率如表3 所示。

圖6 到發(fā)線停車防溜器布置驗(yàn)證仿真軟件界面Fig.6 Interface of the Simulation Software for Anti-running Device Layout Verification

從表2 和表3 可以看出，對(duì)于所有車型，在停車防溜器間隔相同的前提下，隨著停車防溜器的長度增加，2 臺(tái)和3 臺(tái)成組停車防溜器作用概率均隨之增加。對(duì)于同一車型，在停車防溜器有效長度一定的前提下，隨著停車防溜器間距縮小，車輛內(nèi)軸距較長車型的作用概率呈上升趨勢(shì)，而部分車輛內(nèi)軸距較短車型的作用概率略微下降然后再上升，如C80車型，3 臺(tái)停車防溜器(有效長度為5 m)連續(xù)布置時(shí)，作用概率從89.5%下降至88.2%，然后又上升至90%；而個(gè)別車型的作用概率隨著停車防溜器間距的縮小呈下降趨勢(shì)，如C62車型，2 臺(tái)停車防溜器(有效長度為6 m)連續(xù)布置時(shí)，作用概率從93.7%下降至92.9%。

對(duì)于車輛定距較長的車型，在停車防溜器長度和布置間隔相同的情況下，3 臺(tái)成組連續(xù)布置方案的作用概率高于2 臺(tái)成組連續(xù)布置方案。例如，JSQ5 車型在停車防溜器長度為5 m，布置間隔為3 m 的情況下，作用概率分別為88.1%和75.5%。對(duì)于車輛定距較短車型，如C80車型，在相同停車防溜器長度和相同布置間隔情況下，3 臺(tái)成組連續(xù)布置與2 臺(tái)成組連續(xù)布置方案停車防溜器組的作用概率差異不大。

仿真程序可以用于到發(fā)線停車防溜器布置方案設(shè)計(jì)。針對(duì)不同的布置方案，根據(jù)到發(fā)線主要停留車型的縱向幾何參數(shù)，對(duì)每種車型分別進(jìn)行仿真計(jì)算，得到停車防溜器組的作用概率，再選取對(duì)所有車型均大于某個(gè)給定概率的方案，作為停車防溜器的優(yōu)化布置方案。

表2 2 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置作用概率 %Tab.2 Probability of a Two Anti-running Devices Layout

表3 3 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置作用概率 %Tab.3 Probability of a Three Anti-running Devices Layout

針對(duì)表1 中的6 種車型，給定停車防溜器組的作用概率均大于80%。如果使用2 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置方案，要求停車防溜器的有效長度最少為7 m，布置間隔不大于5 m；如果使用3 臺(tái)停車防溜器成組連續(xù)布置方案，要求停車防溜器的有效長度最少為6 m，布置間隔不大于4 m。

2.3 停車防溜器布置位置分析

對(duì)于平坡到發(fā)線，停車防溜器應(yīng)優(yōu)先考慮布置在到發(fā)線的兩端，然后再考慮布置在到發(fā)線中間；而對(duì)于存在坡度的到發(fā)線，停車防溜器應(yīng)優(yōu)先考慮布置在線路下坡方向一端，然后再考慮布置在到發(fā)線中間，最后再考慮布置在到發(fā)線上坡方向一端。為保證所有車列(車組)都能停留在停車防溜器組覆蓋范圍內(nèi)，應(yīng)在《車站行車工作細(xì)則》中規(guī)定車列(車組)應(yīng)停留在停車防溜器布置區(qū)域，充分發(fā)揮停車防溜器的作用。

停車防溜器在到發(fā)線端部的安裝位置應(yīng)考慮機(jī)車停車位置距離信號(hào)機(jī)或警沖標(biāo)的距離，加上機(jī)車長度和一定的冗余距離。機(jī)車停車位置距離信號(hào)機(jī)或警沖標(biāo)的距離按30 m 計(jì)算， 2 臺(tái)電力機(jī)車全長按44 m 計(jì)算[1]，冗余距離按30 m 計(jì)算，停車防溜器應(yīng)優(yōu)先布置在下坡方向距離信號(hào)機(jī)或警沖標(biāo)100 ～ 120 m的位置。停車防溜器組優(yōu)先布置位置如圖7 所示。

圖7 停車防溜器組優(yōu)先布置位置Fig.7 Preferred Installation Positions for Anti-running Devices

3 結(jié)束語

針對(duì)典型車輛在停車防溜器不同長度、不同連續(xù)布置數(shù)量和不同布置間隔情況的仿真分析，可以為到發(fā)線停車防溜器布置方案的設(shè)計(jì)提供參考；合理確定停車防溜器組優(yōu)先布置位置，可以為停車防溜器的安裝和使用提供依據(jù)，以充分發(fā)揮停車防溜器的性能，改善防溜作用效果，提升作業(yè)安全性。但是，由于車輛型號(hào)眾多，針對(duì)更多車型和不同車型連掛情況下的仿真，還需要進(jìn)一步深入研究。除此之外，還存在由于外部原因?qū)е碌牡桨l(fā)線停留車輛溜逸的情況，需要在后續(xù)的研究中關(guān)注這種情況下的停車防溜器布置優(yōu)化。