朔黃鐵路兩萬噸列車運行至北大牛站沖動大的調查與分析

譚可林

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司機輛分公司，河北 滄州 062350）

1 產生沖動大的基本情況

國能朔黃鐵路兩萬噸重載列車從2019 年1 月～2021 年4 月在北大牛站共計發生沖動大34 件，其中2019 年沖動大件數4 件，主要發生在冬季1 月、11 月、12 月；2020 年發生20 件，集中發生在10 月～12 月（每月4 件）；2021 年1 月～4 月發生10 件，其中3 月、4月各發生4 件。

1.1 線路情況及發生沖動大位置

線路情況：北大牛一接近信號機至北大牛站內線路縱斷面為12‰（380m）—10.6‰（1350m）—12.0 ‰ (402m)—10.5 ‰ (1000m)—8.3 ‰ (202m)—5.5‰(200m)—2.5‰(200m)—1.5‰(1200m)的下坡道，均處于500m 小半徑曲線。

分相中心位置：位于64.200km 處且在-8.3‰下坡道處。沖動大位置：通過監控數據和視頻數據分析看出，發生沖動大地點整列車位于61.800 ～64.500km 處，主控機車在64.300 ～64.700km 處，從控機車位于63.100～63.500km 處。

圖1 發生沖動大位置及線路圖

1.2 列車操縱情況

2 萬噸列車在北大牛站過分相發生沖動大時，列車均處于帶閘情況，通過分析寧武西至龍宮和龍宮至北大牛站兩個區間的操縱情況如下：分析2020 年6 月至今27 列監控數據文件。寧武西至龍宮采用兩把閘通過的有24 列，其中5 列停車緩風；采用三把閘通過2 列，其中1 列在站內停車緩風，兩列均因控速采取追加減壓措施；采用一把閘通過1 列，從列車制動力判斷均屬于制動力較弱車體。

（1）龍宮到北大牛間27 列中16 列采用一把閘正常通過時在北大牛過分相發生沖動大造車停車；11 列因控速或接信號追加減壓停車緩風后，采用帶閘過分相時發生沖動大造成停車。

（2）11 列停車緩風的列車有10 列在動車后由于控速在分相前有大再生瞬間退至200kN 以下過分相情況，包括5 列因控速在分相前追加減壓。

從控機車發生沖動大位置位于第一次禁止雙弓后至從控機車斷電前。

1.3 車輛情況

2019 年1 月至今，北大牛帶閘過分相從車發生沖動大共計34 列，現有車輛數據30 列，編組類型整列C80車體29 列，后部單元C80B 車體1 列。前部單元裝載量高于后部單元裝載量最大567t，后部單元裝載量高于前部單元裝載量最大393t。

2 沖動大的產生及原因分析

2.1 牽引情況

通過牽引計算列車在北大牛站過分相時受力情況：

計算條件：216 輛C80 車體、總重21600t、換長237.6，選擇分相前速度58km/h，分相后速度54km/h，列車制動力計算不考慮曲線阻力、隧道阻力，將列車分別按兩單元萬噸計算列車下滑力與制動力。列車分相前58km/h 運行計算列車下滑力與制動力如表1 所示。

表1 計算列車下滑力與制動力

通過計算列車分相前運行過程中A 列合力104kN 小于B 列合力126kN，B 列對A 列呈現拉鉤力，此時，A 列呈拉鉤狀態；主車過分相無再生力，若此時從車保持再生力越大，A 列呈拉鉤狀態越大。算列車下滑力與制動力如表2 所示。

表2 計算列車下滑力與制動力

列車在分相后受力：列車分相后54km/h 運行。

通過計算列車分相后運行過程中A 列合力260kN 大于B 列合力99kN，A 列對B 列呈擠壓狀態，此時，A 列呈壓鉤狀態；主車過分相后再生力越大，對B 列產生的瞬間壓鉤力越大。

2.2 從控機車制動力

兩萬噸由于同步編組后機車特性的影響，主控機車在斷電后從控機車會在未斷電的情況下制動缸壓力上升120 ～150kPa，此時，從控機車施加制動力，通過牽引計算可得出以下結果：

以58km/h 計算HXD1 機車制動力如下：

【牽規】中4.7.3 表7 查得HXD1 機車每臺緊急制動換算閘瓦壓力：Kh=360kN。

常用制動減壓50kPa 時：

機車制動力：111.6×0.17=18.9kN。

計算可得，主控機車在斷電后從控機車制動缸上閘能產生18.9kN 的制動力。

2.3 仿真計算情況（北大牛過分相受力情況）

仿真過程采用龍宮至北大牛間一把閘操縱，北大牛過分相主控機車保持200kN 再生力斷電，閉合后保持200kN 再生力后，從控機車前部車鉤和后部車鉤受力情況。仿真過程列車受力圖如圖2。仿真結果列車受力圖如圖3。

圖2 仿真過程列車受力圖

圖3 仿真結果列車受力圖

仿真結果：列車保持200kN 再生力斷電后，前部單元由壓鉤狀態逐漸釋放，合閘后前部單元列車由前向后快速產生壓鉤力，傳遞至109 位達到最大值，仿真得到最大車鉤力-995kN。

2.4 綜合試驗機車采集數據情況

兩萬噸綜合檢測試驗機車在部分列車在北大牛站帶閘過分相時受力情況見圖4。

圖4 28532 次試驗機車最大車鉤力1649kN 受力圖

通過兩萬噸綜合檢測試驗機車受力和列車操縱情況綜合分析可知，龍宮至北大牛間帶閘過程中兩萬噸列車受力可分為以下兩種情況：

（1）龍宮至北大牛間大再生力控速受力情況。28126 次龍宮至北大牛間監控曲線和車鉤受力圖如圖5。

圖5 監控曲線圖

圖6 列車受力圖

結合操縱和受力情況綜合分析可以說明，在該區間使用較大再生力控速時，尾部車輛由于虛風嚴重，制動力變弱，造成列車前后單元萬噸制動力差較明顯，在北大牛過分相時由于坡道變化和斷電操作誘發從控機車壓鉤力增大現象。2020 年12 月，北大牛站連續發生多起因沖動大導致停車案例，運管中心根據綜合檢測試驗機車采集過分相前大再生退流斷電時，易產生列車縱向力增大情況，特制定了龍宮、北大牛兩個車站運行至二接近后再生力降低至200kN 以下通過分相，該措施執行后，2021 年1 月和2 月各發生1 件沖動大停車。

（2）龍宮至北大牛間小再生力控速受力情況。2021 年3 ～4 月發生多起龍宮至北大牛間小再生力通過北大牛分相時導致沖動大停車案列，通過分析監控數據以及近期綜合試驗機車在該區間小再生力運行時列車受力情況分析如下：2021 年4 月11 日，28242 次龍宮至北大牛間小再生力通過該區間，在過分相時發生沖動大案例，圖7 是28242 次監控曲線操縱圖。

圖7 28242 次龍宮至北大牛間監控曲線圖

通過分析2020 年4 月18 日28146 次數據，發現兩萬噸綜合檢測試驗機車在龍宮至北大牛間幾乎同樣也是小再生力運行，分析受力數據時，發現在該區間列車車鉤力呈現出有拉鉤力和壓鉤力的規律性變化，監控曲線和車鉤受力圖如圖8、圖9。

圖8 綜合試驗機車28146 次龍宮至北大牛間監控曲線圖

圖9 綜合試驗機車28146 次車鉤受力圖

詳細分析28146 次列車受力情況，列車車鉤受力呈現出有拉有壓的變化，雖然在北大牛過分相時未發生受力增大現象，可能與列車運行速度較低有關，但是，在區間內有頻繁的受力變化情況，最大拉鉤力500kN，最大壓鉤力700kN，從控機車發生在61.296km 處受前部列車在-10.6‰處，中部及后部列車處于-11.5‰和-12‰處，因線路變化造成列車先產生拉鉤力后再產生壓鉤力。同時也充分說明，兩萬噸列車在帶閘運行過程中會因前后制動力差時導致列車縱向受力有明顯變化情況。

北大牛過分相時結合操縱和列車受力變化情況在該區間使用小再生力控速時，列車充風時間長，尾部車輛滿風，前后單元萬噸制動力較為一致，或者后部制動力大于前部單元制動力時，列車受線路坡道影響，會呈現出有拉鉤力和壓鉤力的變化過程。當列車運行至北大牛過分相時，受后部單元萬噸大部分在-10.6‰下坡道時制動力較強，前部列車在-12‰和-10.5‰上，前部單元由于過分相斷電造成列車拉鉤力明顯，合閘后疊加線路坡道變小（-8.3‰和-5.5‰），迅速由拉鉤力轉變成壓鉤力，最終導致從控機車壓鉤力增大，誘發沖動大情況。

（3）綜合上述兩種情況，兩萬噸列車在龍宮至北大牛間因線路坡道變化和兩萬噸列車在該區間的運行特性，尾部風壓太虛或者太滿都會引起列車帶閘過程中因線路坡道變化和過分相操作誘發列車縱向受力增大，從而導致列車壓鉤力增大現象，造成沖動大停車。

3 初步原因分析

3.1 線路坡道及分相位置影響

結合牽引計算結果、仿真數據、兩萬噸綜合檢測試驗機車數據綜合分析結果如下：兩萬噸列車運行至北大牛過分相前受線路坡道影響，前部單元合力104kN 小于后部單元合力126kN，后部列車對前部列車呈現拉鉤狀態，由于主控機車斷電過分相失去再生力，造成前部單元拉鉤力增大，此時，從控機車保持斷電前再生力，加劇前部單元拉鉤力。當列車通過分相后前部單元列車進入-8.3‰和-5.5‰變坡點時，前部單元合力260kN 大于后部單元合力99kN 時，前部單元對后部單元呈擠壓狀態，疊加主車過分相后再生力迅速增大，必然會對后部單元造成壓鉤力增大現象。

3.2 前后部單元萬噸載重差影響

分析30 列車輛編組信息，發生在整列C80 型車體居多，共計29 列占比97%，后部C80B 型車體1 列，占比3%，裝載狀態存在不同程度的載重差現象，前部單元高于后部單元裝載量最大567t，后部單元高于前部單元裝載量最大393t。根據列車載重差直接影響列車制動力和下滑力，如后部載重大、尾部虛風，造成滿再生控速運行至北大牛過分相快速退再生斷電易產生沖動大，執行二接近200kN 再生后可控制部分列車在過分相時壓鉤力突然增大現象；如前部載重大，滿風狀態，整個區間小再生控速或者小零位控速時，列車運行至北大牛分相前-10.6‰前部-12‰后部-10.6‰影響，造成前部單元車鉤完全拉開在進入小坡道車鉤迅速壓縮時，易發生壓鉤力增大。

3.3 尾部管壓585kPa 影響（如表3）

表3 585kPa 執行前后充風時間對比記錄表

2020 年8 月下發的機輛分公司重載列車行車安全措施中，制定了兩萬噸列車減壓前尾部風壓不低于585kPa，如低于585 執行停車緩風，造成部分列車出現了龍宮至北大牛間制動時等尾部風壓情況，通過對2000多列兩萬噸列車監控文件分析，2019 年11、12 月和2020 年11、12 月兩萬噸列車在龍宮站內緩解至再制動時充風時間情況，發現2020 年比2019 年平均充風時間多21 秒，初制動速度比2019 年低3km/h，最終形成兩萬噸列車尾部車輛充風太滿，在龍宮至北大牛間帶閘過程中列車縱向受力頻繁變化，從而導致過分相時出現縱向力大情況。

3.4 機車動力差影響

主控機車過分相斷電后，從控機車保持再生力輸出，加劇了前部單元列車車鉤拉伸狀態。

3.5 操縱影響

制動力判斷不準確，造成列車空氣制動和動力制動配合使用不合理，如滿再生控速或者小零位控速。

3.6 機車特性影響

兩萬噸列車由于同步編組后機車特性的影響，主控機車在斷電后從控機車會在未斷電的情況下，制動缸壓力上升120kPa-150kPa，此時，從控機車產生的制動力可能會增加一部分機車對前部列車的拉鉤力，但是由于產生的制動力較小，不是主要影響產生沖動大的因素。

4 綜合分析

兩萬噸列車運行在龍宮至北大牛區間63.900km 處，主控機車斷電后，由于坡度差和動力制動差的影響，前部單元列車車鉤由壓縮狀態逐漸變為拉伸狀態；主控機車合閘后，后部單元列車處于-12‰～-10.5‰變坡點處，此時，后部單元萬噸下滑力增大，與前部單元萬噸列車逐漸進入（-8.3‰和-5.5‰）凹型坡道后下滑力減小，從控機車受前部單元和后部單元縱向作用造成列車車鉤出現先拉伸后壓縮的變化過程，導致中部機車承受較大的擠壓力，極易造成列車發生較大沖動，加之發生地點在小半徑曲線易發生車鉤偏轉角增大造成車體錯位現象，當線路條件、過分相、車輛裝載量、列車減壓量、再生配合使用等多種因素疊加后造成兩萬噸列車在該地點易發生較大沖動。