長大下坡道重載列車失控可能性檢算方法研究

宋宗瑩、李樂、郭芙楠、彭建川、王文斌

（1.中國神華能源股份有限公司調運部，北京 100011；2.國能運輸技術研究院有限責任公司重載運輸技術研究中心，北京100080 3.北京交通大學交通運輸學院，北京 100044）

0 引言

如何在陡坡地段保證重載列車行車安全、防止重載列車在長大下坡道上失去控制、避免出現列車放飏等危險情況，是當前重載鐵路運輸生產中應當引起足夠重視的關鍵問題。通過對既有研究進行梳理也可以發現，國內外學者對列車放飏的研究主要體現在對避難線的研究方面。國外開始研究避難線的運用等問題的時間較早，在20 世紀三四十年代避難線已經得到了廣泛運用。20 世紀50 年代以來，國外新建避難線已經少見，近幾十年來國外學者很少有關于避難線的研究[1]。國內早期主要對蒸汽機車牽引區段的避難線設置問題進行研究，之后隨著內、電牽引的大力發展，國內學者對內燃機車和電力機車牽引區段的避難線設置問題展開了進一步的研究[2-5]。

近年來，原有列車失控可能性檢算和作為計算基礎的線路設施技術標準、機車車輛運行與制動性能、人工作業規范與運營組織方式等均產生了較大變化，一方面，既有規范已不能覆蓋上述裝備和組織手段更新所提出的新要求[6]。另一方面，隨著我國重載鐵路快速發展，復雜地形條件下特別是長大下坡道條件下萬噸重載列車和2 萬t 重載列車開行規模逐漸增大，線路主要技術標準和組織方式使得在考慮列車是否有失控可能性的過程中，有關參數未能被既有設計規則所覆蓋。因此，長大下坡道重載列車失控的可能性也需要重新開展準確的檢算。

1 原有列車失控可能性檢算方法分析

1.1 原有列車失控可能性檢算方法

原有列車制動方法是對在長大下坡道上運行的列車施行連續的周期制動，通過閘瓦摩擦導致其摩擦系數不斷下降，從而使制動力不斷衰減，但持續制動會使列車失控。

具體內容為：列車從起點出發后，根據列車的初速度判斷應采用的工況，若不采用牽引工況，則后續運行過程均不采用；若采用牽引工況，則加速到限制速度的臨界范圍后，不再采用牽引工況。列車每次通過空氣制動減速到緩解速度后，先采用電阻制動工況運行，之后為提高列車的平均運行速度，優先采用惰行工況。若列車的運行速度達到限制速度的臨界范圍，則采用電阻制動；若列車的運行速度達到限制速度或需要空氣制動停車，則進行下一次空氣制動。列車運行全程電阻制動始終完好。空氣制動初始值為全部制動力的80%，平均每次空氣制動遞減5%。當施行制動時，列車速度不下降反而上升，或者兩次空氣制動間的緩解時間小于規定時間，或者列車制動距離大于緊急制動限制距離時，存在列車運行失控的可能性。

1.2 原有列車失控可能性檢算結果分析

為了對長大下坡道重載列車運行失控可能性進行檢算，基于專門開發的檢算系統，采用不同的檢算方法，對重載列車在不同坡度條件下的運行結果進行仿真分析。

首先，如果采用原有的檢算方法對HXD1 型電力機車單機牽引108 輛重載列車，在-20‰～-6‰坡度、10/15/20km 站間距列車失控可能性的檢算結果進行分析，得到存在列車失控可能性的坡度如表1 所示。其中，機車閘瓦壓力為高摩合成閘瓦的機車閘瓦壓力，取值580kN；每百噸貨車閘瓦壓力按高摩合成閘瓦取值為195kN；-16‰～-6‰坡度的限制速度取值為80km/h，-18‰～-17‰ 坡度的限制速度取值為75km/h，-20‰～-19‰ 坡度的限制速度取值為70km/h。

表1 采用原有方法檢算單機牽引存在列車失控可能性的坡度表

可以看出，隨著站間距增大，列車運行存在風險的坡度絕對值有逐漸減小的趨勢。

1.3 原有列車失控可能性檢算的局限性

在該檢算辦法中，列車每進行一次空氣制動后，空氣制動力遞減5%，并在下一次空氣制動過程中保持不變。然而，造成空氣制動力減弱的因素較多且復雜，若以某一個數值來代替顯然不合實際。因此，該檢算辦法對空氣制動力減弱的過程描述并不準確。此外，該檢算辦法沒有考慮潤濕、雨雪等氣候條件的影響，導致檢算結果與實際情況相差較大。

2 重載列車失控可能性檢算辦法分析

基于已有的檢算方法，同時參考相關研究文獻，提出以下列車失控可能性檢算方法：列車從起點出發后，根據列車的初速度判斷應采用的工況，若不采用牽引工況，則后續運行過程均不采用；若采用牽引工況，則加速到限制速度的臨界范圍后不再采用牽引工況。列車每次通過空氣制動減速到緩解速度后，先采用電阻制動工況運行，之后為提高列車平均運行速度，優先采用惰行工況。若列車的運行速度達到限制速度的臨界范圍，則采用電阻制動；若列車的運行速度達到限制速度或需要空氣制動停車，則進行下一次空氣制動。列車運行全程電阻制動始終完好。空氣制動初始值為全部制動力的80%，隨制動距離逐漸減弱x/km。當施行制動時，列車速度不下降反而上升，或者兩次空氣制動間的緩解時間小于規定時間，或者列車制動距離大于緊急制動限制距離時，存在列車運行失控的可能性。關于該檢算辦法，需要進一步闡述空氣制動力隨距離減弱的取值問題。

制動距離的逐漸減弱值由原有檢算方法計算獲得。使用原有檢算方法的結果如下：當站間距為10km 時，列車在線路坡度為-8‰的長大下坡道上進行3 次空氣制動，共運行1.578km，空氣制動力減弱8.9%；列車在線路坡度為-9‰的長大下坡道上進行3次空氣制動，共運行1.882km，空氣制動力減弱8.9%。當站間距為15km 時，列車在線路坡度為-7‰的長大下坡道上進行3 次空氣制動，共運行1.745km，空氣制動力減弱8.9%；列車在線路坡度為-8‰的長大下坡道上進行4 次空氣制動，共運行2.239km，空氣制動力減弱14.9%。當站間距為20km 時，列車在線路坡度為-7‰ 的長大下坡道上進行4 次空氣制動，共運行2.206km，空氣制動力減弱14.9%；列車在線路坡度為-9‰ 的長大下坡道上進行6 次空氣制動，共運行3.479km，空氣制動力減弱26.2%；列車在線路坡度為-10‰的長大下坡道上進行7 次空氣制動，共運行4.008km，空氣制動力減弱31.3%。因此，制動力隨制動距離減弱的參數可按式（1）取值。

3 案例分析

3.1 朔黃鐵路概況

朔黃鐵路屬于國家Ⅰ級雙線電氣化鐵路，正線總長近598km。作為國家“九五”“十五”重點工程，朔黃鐵路西起朔州，東至滄州，沿線15 次跨越滹沱河，367座橋梁長達80.3km，77 座隧道長達66.3km，呈現出“兩高一低（海拔高、護坡高、氣溫低）、兩大一小（站場大、坡度大、曲線半徑小）、兩長一短（橋隧長、曲線長、夾直線短）”三大特點。朔黃鐵路線路自西向東海拔落差1527.63m，有近170km 山區鐵路，曲線多，橋隧相連，地形復雜。

3.2 朔黃線檢算線路的數據處理

3.2.1 列車編組

選擇編組內容為2 臺神8 型電力機車和216 輛C80 型車輛的組合2 萬t 重載列車，作為檢算對象。其中每臺機車質量為200t，換算閘瓦壓力為580kN；每輛車輛質量為100t，每百噸換算閘瓦壓力為195kN。

3.2.2 線路數據

朔黃線上行方向神池南站至三汲站，全長為255.901km，平均坡度為-5.5‰。對朔黃線的線路數據進行分析處理，其中，神池南站至寧武西站區間起點里程K3+400 至終點里程K14+581 的線路，全長為11.181km，平均坡度為-6.8‰；寧武西站至龍宮站區間起點里程K17+781 至終點里程K42+870 的線路，全長為25.089km，平均坡度為-9.5‰；龍宮站至北大牛站區間全長為24.928km，平均坡度為-9.6‰；北大牛站至原平南站區間全長為19.232km，平均坡度為-7.9‰；南灣站至滴流磴站區間全長為27.711km，平均坡度為-7.4‰；滴流磴站至猴刎站區間全長為21.806km，平均坡度為-7.2‰；猴刎站至小覺站區間起點里程K186+468 至終點里程K199+300 的線路，全長為12.832km，平均坡度為-7.7‰。上述區間（或區間的部分線路）為朔黃線上行方向神池南站至三汲站間列車運行最困難的區間，較其他區間更有可能發生列車放飏事故，因此選擇上述區間（或區間的部分線路）進行列車失控可能性檢算。處理后的線路數據主要包括坡段的坡度、長度以及限速。

3.3 檢算結果

對神池南站至三汲站各區間線路，分別進行在干燥、濕潤、雨雪的氣候條件下的列車失控可能性檢算。其中，在干燥條件下的神池南站至寧武西站區間檢算線路結果如圖1 所示。

圖1 在干燥條件下的神池南站至寧武西站區間檢算線路結果

3.4 檢算結果分析

對以上檢算結果進行分析，各區間不同氣候條件下檢算結果如表2 所示。

表2 各區間不同氣候條件下檢算結果

編組內容為2 臺神8 型電力機車牽引216 輛C80型車輛的組合2 萬t 重載列車，在起點里程K17+781至龍宮站、龍宮站至北大牛站、北大牛站至原平南站、南灣站至滴流磴站、滴流磴站至猴刎站的線路上運行時，不論何種氣候條件均存在緩解時間不足的風險；而在起點里程K3+400 至終點里程K14+581 的線路、起點里程K186+468 至終點里程K199+300 的線路上運行時，在干燥條件下能正常停車，在濕潤和雨雪條件下存在緩解時間不足的風險。對這些區間需要重點關注，及時采取合理的應對措施。

基于前述列車失控可能性檢算的結果分析，應全面開展針對列車放飏的事前預防、事中應急和事后處置方案研究，為預防和處理列車放飏和失控提供有效的應對策略。對于上述在列車運行過程中，可能存在緩解時間不足的風險并且需要防范注意的區間或線路，在施行周期制動時，必須將列車速度降至要求的速度，再緩解列車制動，以保證車輛副風缸有足夠的充風時間。同時，在運行過程中，必須堅持以電阻制動為主、空氣制動為輔、相互配合使用的操縱原則。在運行中，考慮列車速度、線路坡道、牽引輛數和噸數、車輛種類以及閘瓦壓力等條件，選擇合理的制動、緩解時機，嚴禁充風不足使用制動機，嚴禁違反制動機的操作規程。

4 結語

文章基于原有檢算辦法，參考相關研究文獻，對長大下坡道重載列車失控可能性進行檢算。以朔黃線神池南站至三汲站部分線路區間為案例，得到編組內容為2 臺神8 型電力機車牽引216 輛C80 型車輛的組合2 萬t 重載列車，在各檢算區間的檢算結果，并給出相應的預防措施。