包維民 閆海峰 習(xí)子文

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 成都 610031)

長大坡道貨物列車下坡限速檢算分析

包維民1閆海峰2習(xí)子文2

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 成都 610031)

合理的下坡限速可以保證列車在長大下坡道上安全運(yùn)行，并能充分發(fā)揮鐵路的運(yùn)輸能力。文章分析了現(xiàn)行TG/01-2014《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中制動摩擦材料及閘瓦壓力的變化情況，綜合考慮列車常用制動限速和緊急制動限速的影響，采用合力分析法和分段累加法，計(jì)算得出列車在21‰～33‰坡度下的下坡限速。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車常用制動系數(shù)取為0.6時(shí):(1)21‰～29‰坡道下的下坡限速由緊急制動限速決定，下坡限速值隨坡度值的增加而遞減，坡度每增加1‰，限速值減少1 km/h； (2)30‰～33‰坡度下的下坡限速由列車常用制動限速決定，下坡限速值隨坡度值的增加而急劇遞減，坡度每增加1‰，限速減少10 km/h。研究結(jié)論對長大坡道線路設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

長大坡道； 下坡限速；H高摩合成閘瓦； 分段累加法； 緊急制動限速； 常用制動限速

列車運(yùn)行速度與鐵路運(yùn)輸能力息息相關(guān)。隨著鐵路機(jī)車車輛裝備水平的不斷提高，列車制動裝置的不斷改進(jìn)，以及既有線提速的實(shí)施，我國鐵路貨物列車運(yùn)行速度也有了大幅度提高。為充分保證列車運(yùn)行的安全，必須對列車的運(yùn)行限速做出明確的規(guī)定，尤其是對下坡限速必須嚴(yán)格控制。下坡限速是指列車在下坡道運(yùn)行的制動限速，包括緊急制動限速和常用制動限速。對列車在長大下坡道上運(yùn)行，確定合理的下坡限速，可以在保證列車安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮鐵路的運(yùn)輸能力。

以往對下坡限速也開展了一定的研究，并取得了一些研究成果，主要體現(xiàn)在《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(以下簡稱《技規(guī)》)中。但是，在相關(guān)研究中也指出：《技規(guī)》列車限速表的編制取決于列車緊急制動距離[1]，其制動限速只在一定的坡度范圍內(nèi)有效，當(dāng)坡度很大時(shí)，下坡限速應(yīng)由常用制動決定[2]?，F(xiàn)已有研究利用圖解法得出了我國普通貨物列車總制動限速圖和緊急制動限速與常用制動限速的分界轉(zhuǎn)換線[3]。另外，現(xiàn)行《技規(guī)》第261條只規(guī)定了0～20‰下坡道的下坡限速，而對于超過20‰的下坡道，《技規(guī)》規(guī)定其列車限速由鐵路局根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)確定。

本文旨在通過合理的分析計(jì)算，研究確定在當(dāng)前列車制動性能條件下，21‰～33‰長大坡道的下坡限速。

1 列車運(yùn)行合力計(jì)算

1.1 列車運(yùn)行基本阻力計(jì)算

由于在計(jì)算下坡限速時(shí)，機(jī)車不參與計(jì)算，列車運(yùn)行基本阻力W即為車輛運(yùn)行基本阻力。根據(jù)滾動軸承重車運(yùn)行單位基本阻力w″0，可計(jì)算得出列車運(yùn)行基本阻力W[4]。

w″0=2.23+0.005 3v+0.000 675v2

(1)

W=w″0·G·g·10-3

(2)

式中：G——列車牽引質(zhì)量(t)；g——重力加速度，取為10 m/s2；v——列車運(yùn)行速度(km/h)。

1.2 列車制動力計(jì)算

根據(jù)《技規(guī)》要求的每百噸列車H高摩合成閘瓦換算閘瓦壓力，即可由列車總重計(jì)算得出列車總換算閘瓦壓力∑Kh。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，H高摩合成閘瓦換算閘瓦壓力是高摩合成閘瓦換算閘瓦壓力的1/1.23，由此可以得到H高摩合成閘瓦換算閘瓦摩擦系數(shù)φh的換算公式：

(3)

采用換算閘瓦壓力計(jì)算法，列車空氣制動力Bk可按式(4)計(jì)算。

Bk=φh·∑Kh

(4)

1.3 制動工況下列車合力計(jì)算

當(dāng)列車處于制動工況下，其合力Cp為：

Cp=G·g·ix-W-β·Bk

(5)

式中：ix——列車所處線路坡度(‰)；β——制動系數(shù)，緊急制動時(shí)取1，常用制動時(shí)取0.6。

2 制動限速的計(jì)算方法

2.1 緊急制動距離及緊急制動限速

(1)列車緊急制動距離的規(guī)定

《技規(guī)》規(guī)定了普通貨物列車在任何情況下，施行緊急制動時(shí)的最大制動距離限值如表1所示。本文所研究的對象為鐵路上較普遍的軸重小于25 t的普通貨物列車，考慮其最高速度為90 km/h，其緊急制動距離限制為800 m。

表1 普通貨物列車最高運(yùn)行速度的緊急制動距離限值

列車制動過程分為空走過程和有效制動過程兩部分?？兆哌^程所經(jīng)歷的時(shí)間為空走時(shí)間tk，對應(yīng)的距離稱為空走距離Sk；有效制動過程經(jīng)歷的時(shí)間為有效制動時(shí)間te，對應(yīng)的距離稱為有效制動距離Se。則有，列車緊急制動距離Sb=Sk+Se[4]。

(2)制動空走距離的計(jì)算

Sk須通過計(jì)算tk得出。列車施行緊急制動時(shí)，tk可按式(6)計(jì)算，相應(yīng)的Sk可按式(7)計(jì)算。

tk=(1.6+0.065n)(1-0.028ij)

(6)

(7)

式中：ij——加算坡度千分?jǐn)?shù)的代數(shù)值，當(dāng)ij>0時(shí)，取為0；

n——牽引輛數(shù)；

v0——列車緊急制動初速度(km/h)。

(3)列車有效制動距離的計(jì)算

Se一般采用分段累加法計(jì)算，即將列車有效制動過程分為若干個小的速度間隔分別計(jì)算其制動距離，再累加計(jì)算得出列車不同制動初速條件下的制動距離。

如圖1所示，把列車速度范圍劃分為若干個速度間隔，并假定列車在第i個速度間隔內(nèi)所受到的合力為定值。這樣，可以累加計(jì)算得出Se。

Se=∑Si

(8)

式中：Si——第i個速度間隔內(nèi)的制動距離(m)；vi+1——第i個速度間隔內(nèi)制動初速度(km/h)；

vi——第i個速度間隔內(nèi)制動末速度(km/h)。

圖1 列車在各速度段的合力簡化圖

一般情況下，長大坡道列車下坡限速都是以5 km/h的整倍數(shù)進(jìn)行規(guī)定，因此本文在使用“分段累加法”計(jì)算時(shí)，速度間隔也取5 km/h。

(4)緊急制動限速的確定

根據(jù)以上分段累加計(jì)算得出Se，再加上Sk就可以得到列車緊急制動距離Sb，并以該距離參照最大制動距離限值，反推得到列車緊急制動限速。

2.2 列車常用制動限速

當(dāng)列車在長大下坡道上運(yùn)行時(shí)，為使列車速度不至于過高，必須對列車施行常用制動進(jìn)行調(diào)速，從而使列車安全運(yùn)行。列車在下坡度足夠大的坡道上運(yùn)行時(shí)，就有一個制動力與基本阻力之和等于下坡道下滑力的速度，這個速度就是常用制動時(shí)的均衡速度。從這個意義上講，常用制動時(shí)在大下坡道上的均衡速度就是常用制動限速[4]。因此，列車緊急制動限速只在一定的坡度范圍內(nèi)有效，當(dāng)坡度很大時(shí)，列車下坡限速由常用制動來決定[2]。

列車常用制動系數(shù)，目前并未統(tǒng)一，根據(jù)現(xiàn)場司機(jī)實(shí)際操縱的經(jīng)驗(yàn)，本文取β=0.6[3]。

常用制動限速解算的實(shí)質(zhì)，就是求解常用制動合力等于0的對應(yīng)速度。用合力分析法就可求解得到。

在一定坡度下，常用制動限速與緊急制動限速較小者，將作為該坡度下的下坡限速值。

3 列車下坡限速的確定

3.1 參數(shù)說明

(1)車輛每百噸重量對應(yīng)的閘瓦壓力：按《技規(guī)》第261條規(guī)定，普通貨物列車最高速度為90 km/h時(shí)，每百噸列車重量按H高摩合成閘瓦換算閘瓦壓力不得低于150 kN的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

(2)計(jì)算坡度：20‰～33‰。

(3)機(jī)車類型：選取西部山區(qū)鐵路局5種具有代表性的機(jī)車DF4、DF8、SS1、SS4及HXD2作為研究對象。

(4)列車編組數(shù)量與列車牽引質(zhì)量：采用北京交通大學(xué)饒忠的牽引電算軟件，解算不同坡度下各種機(jī)車的牽引質(zhì)量及對應(yīng)的列車編成輛數(shù)，其結(jié)果如表2所示。

表2 列車牽引質(zhì)量(G)與編成輛數(shù)(n)計(jì)算表

3.2 緊急制動限速的確定

按照上述方法及相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算各種機(jī)車在一定坡度下的緊急制動限速。以DF4內(nèi)燃機(jī)車在21‰的下坡道牽引貨物列車為例，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 DF4牽引1 100 t貨物列車在21‰下坡道上緊急制動距離

由表3可知，當(dāng)DF4型內(nèi)燃機(jī)車牽引1 100 t貨物列車在21‰下坡道上進(jìn)行緊急制動時(shí)，緊急制動距離限制為800 m，對應(yīng)得出的下坡限速為表3中727.6 m制動距離所對應(yīng)的下坡限速，為70 km/h。同理，可得出DF4型內(nèi)燃機(jī)車在22‰～33‰各種坡度下牽引貨物列車的緊急制動限速，如表4所示。

表4 DF4型內(nèi)燃機(jī)車牽引貨物列車緊急制動限速表

同樣，可以得出其他4種機(jī)型在22‰～33‰各種坡度下牽引貨物列車的緊急制動限速，結(jié)果如表5所示。根據(jù)表5分析可知，當(dāng)線路坡度在20‰以上時(shí)，列車緊急制動限速隨下坡道千分?jǐn)?shù)的增加而遞減，坡道每增加1‰，限速減少1 km/h左右。

表5 緊急制動限速表

3.3 常用制動限速的確定

按照上述方法及相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算各種機(jī)車在一定坡度下的常用制動限速。以SS4型電力機(jī)車單機(jī)牽引1 050 t貨物列車在30‰下坡道上常用制動限速計(jì)算為例，其計(jì)算結(jié)果如表6所示。由表6中的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)列車以制動初速度50 km/h進(jìn)行常用制動時(shí)，列車所受到的合力為0.7 kN。當(dāng)列車以制動初速度55 km/h進(jìn)行常用制動時(shí)，列車所受到的合力為-0.12 kN，列車速度有失控的趨勢。列車的常用制動限速處于50～55 km/h之間，此時(shí)列車的常用制動限速應(yīng)取為50 km/h。

同理，可以計(jì)算得出SS4型電力機(jī)車單機(jī)牽引貨物列車在21‰～33‰下坡道上常用制動限速，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

對DF4、DF8、SS1及HXD24種機(jī)車使用同樣方法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與SS4型電力機(jī)車牽引的計(jì)算結(jié)果完全相同。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)線路坡度在30‰及其以上時(shí)，列車常用制動限速隨下坡道千分?jǐn)?shù)的增加而急劇遞減，坡度每增加1‰，限速值減少10 km/h。

表6 SS4牽引1 050 t貨物列車在30‰下坡道上

表7 SS4型電力機(jī)車牽引貨物列車常用制動限速表

3.4 列車下坡限速的確定

結(jié)合表5及表7的計(jì)算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)線路坡度在29‰及其以下時(shí)，下坡限速由列車緊急制動限速決定；當(dāng)線路坡度在30‰及其以上時(shí)，下坡限速由列車常用制動限速決定。并由此可以確定出21‰～33‰坡道上的列車下坡限速值，如表8所示。

表8 下坡限速表

由此可知：下坡限速不但與線路坡度有關(guān)，也因不同機(jī)車類型而異。各鐵路局應(yīng)該根據(jù)區(qū)間線路狀況和擔(dān)任牽引任務(wù)的機(jī)車類型等條件計(jì)算確定。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)線路坡度較大時(shí)，計(jì)算列車下坡限速不僅要考慮列車緊急制動限速，還必須要保證列車滿足常用制動限速的要求，以充分保證列車在長大下坡道上安全運(yùn)行。

(2)常用制動系數(shù)取0.6，坡度在29‰及其以下時(shí)下坡限速由列車緊急制動限速決定，坡度在30‰及其以上時(shí)下坡限速由列車常用制動限速決定。

(3)坡度在21‰～29‰時(shí)，列車下坡限速值隨下坡道千分?jǐn)?shù)的增加而遞減，坡度每增加1‰，限速值減少1 km/h；坡度在30‰～33‰時(shí)，列車下坡限速值隨下坡道千分?jǐn)?shù)的增加而急劇遞減，坡度每增加1‰，限速值減少10 km/h。

(4)下坡限速不但與線路坡度有關(guān)，也因不同機(jī)車類型而異。各鐵路局應(yīng)根據(jù)區(qū)間線路狀況和擔(dān)任牽引任務(wù)的機(jī)車類型等條件計(jì)算確定。

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Calculation and Analysis on Limiting Speed of Freight Train Running Downhill on Long and Steep Slopes

BAO Weimin1YAN Haifeng2XI Ziwen2

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China;2.School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

Reasonable downhill speed limit can not only guarantee the safety of the train, but also make full use of the capacity of the railways. In this paper, the variation of the braking material and the brake shoe pressure in the current TG/01-2014RailwayTechnicalManagementRulesis analyzed, and by considering the influences of common braking speed and emergency braking speed, the methods of resultant force analysis and piecewise accumulation are adopted, so that the downhill speed limit of a freight train running on the slopes of 21‰～33‰ is worked out. The results show that when the service brake factor of the train is taken as 0.6:1. downhill speed limit is determined by the emergency braking speed for ramps from 21‰ to 29‰, and the downhill speed limit decrease with the increase of slope, and the downhill speed limit reduces 1km/h for each additional 1‰;2. when the slope is from 30‰ to 33‰, the downhill speed limit is determined by the common braking speed, and the downhill speed limit decrease sharply with the increase of the slope, and the downhill speed limit reduces 10km/h for each additional 1‰. The research conclusions are of use for reference for the design of long and steep slopes on railway.

long and steep slopes; downhill speed limit; H high-friction synthetic brake shoe; piecewise accumulation method; emergency braking speed; common braking speed

2016-03-28

包維民(1977-)，男，高級工程師。

中鐵二院科研項(xiàng)目《復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路避難線設(shè)計(jì)問題研究》院計(jì)劃14126017(14-14)

1674—8247(2016)04—0066—05

U272.6+5

A