大秦線3萬t列車試驗設計與實踐

■ 姚小沛 邵軍 張生玉 王磊 李杰波 祖宏林 田光榮

大秦線3萬t列車試驗設計與實踐

■ 姚小沛 邵軍 張生玉 王磊 李杰波 祖宏林 田光榮

論述大秦線3萬t重載組合列車試驗研究的意義，從理論計算到實踐驗證了3萬t列車的編組模式，分析3萬t試驗的主要風險因素，介紹試驗測點布置情況和專為3萬t列車試驗開發的“基于光纖網絡的超長重載列車分布式測試平臺”，按照循序漸進、積極穩妥的試驗推進原則，從靜態到動態，從2.3萬t到最終的3萬t，系列試驗取得了圓滿成功，獲得了一系列創新成果。

大秦線；3萬t；重載列車；測點布置；測試平臺；試驗

0 引言

為實現我國鐵路重載運輸技術再創新，同時為大秦線進一步增加運量進行技術儲備，2014年伊始，中國鐵路總公司（簡稱總公司）決定在大秦線組織進行3萬t組合列車試驗，對大秦線（含北同蒲線）在既有設備條件下首次采用Locotrol同步操縱系統開行3萬t重載組合列車的牽引方式、安全性、運行品質、可行性等進行探索性試驗研究。

在總公司的精心組織和統一領導下，采用循序漸進、積極穩妥的運行試驗推進方案。首先結合以往2萬t試驗及運用數據通過仿真計算優選了試驗編組，并對3萬t列車主要影響因素和風險進行了充分分析，編制了試驗大綱、試驗運輸組織方案和應急預案，進行了機車“背靠背”調試和列車靜置試驗；隨后先進行了2．3萬t和2．9萬t列車運行試驗，在進一步總結試驗數據并優化列車操縱基礎上，最終于2014年4月2日進行了我國鐵路重載歷史上首次3萬t重載組合列車運行試驗。3萬t試驗列車由北同蒲線袁樹林站始發，經過12 h 25 min、738．4 km的運行，于當日安全到達終點站柳村南站，試驗取得圓滿成功。

1 3萬t試驗列車編組優選和主要風險因素分析

1.1 編組優選

結合大秦線現有機車、車輛配置、列車編組方式、供電能力、裝卸需求、線路情況等因素，共對4種可能的3萬t列車編組方式依據試驗工況進行仿真計算，計算內容包括列車牽引、制動能力、正常運行及制動工況的縱向車鉤力、中部從控機車和特殊位置貨車的動力學性能和長大下坡道區段列車再制動能力等，通過綜合比較計算結果并結合以往2萬t列車的試驗與開行經驗，最終確定采用3單元4機牽引的3萬t組合列車進行試驗驗證（具體編組方式見圖1）。3萬t列車由4臺電力機車動力分散牽引，采用1主3從控制方式，HXD1型交流機車3臺，在尾部加掛1臺SS4型直流機車用以提高列車牽引能力并改善列車制動性能；采用C80型重載貨車，每個單元105輛，共315輛，外加測試試驗車1臺，列車總編組數量320輛（臺），長3 971 m，總牽引質量31 550 t。

1.2 風險因素分析

通過對以往2萬t列車試驗和實際開行情況進行梳理歸納，分析列車縱向力、中部從控機車運行安全性、網壓波動、通信中斷、懲罰制動等5大風險因素，分別敘述如下。

（1）正常狀況下列車縱向力。許多貨物列車的重大事故均和較大縱向車鉤力有密切關系，縱向力導致的橫向分力、垂向力對列車運行安全性同樣有重大不利影響；從長期運用來看，縱向沖動使車鉤受到周期力作用引起殘余應力，加速機車、車輛鉤緩裝置的疲勞破壞，因此，將列車縱向力控制在合理水平是順利開行3萬t重載列車的重要前提條件之一。試驗編組由于在列車尾部加掛1臺SS4型機車作為從控機車，將顯著改善列車制動、緩解同步性，可使列車縱向力水平控制在試驗規定安全限度內；同時，可使列車再充氣時間比現行2萬t列車編組縮短50%以上，有助于提高長大坡道列車運行的安全性。

（2）中部從控機車安全性。根據以往2萬t列車試驗及運用經驗，中部從控機車在大減壓量空氣制動停車和循環制動緩解工況中將承受比正常牽引工況下大得多的縱向車鉤力作用，機車鉤緩裝置存在壓屈失穩的可能性，車鉤偏轉角過大將造成很大的輪軸橫向力，足以導致軌排橫移或鋼軌側翻，危及行車安全。因此，為了保證中部2臺從控機車的運行安全，首先應通過編組或操縱優化措施盡量減小列車縱向力；其次確保機車鉤緩裝置具有良好的抗壓穩定性，在較大縱向壓力作用下保持最小偏轉角。

（3）網壓波動。理論計算表明，3臺HXD1型機車加1臺SS4型機車牽引3萬t列車在個別區段存在牽引負荷取流大于牽引變壓器容量的情況；在長大下坡道區段，可能存在3臺HXD1型機車同時電制動反饋造成網壓過高產生電制動封鎖無法正常使用現象，而尾部增加的SS4型直流機車電制動時既可分擔一部分電制動力，使列車電制動力分布更加均衡，還有助于平抑HXD1型交流機車再生制動產生的網壓抬升。

（4）通信可靠性。無線同步控制系統的通信可靠性是開行長大編組重載列車的基礎，與現行2萬t列車編組相比，3萬t試驗列車不僅增加2臺從控機車，主、從控通信距離最遠比2萬t列車延長2倍，而且不同位置機車所處的線路平縱斷面更加復雜，因此對通信可靠性要求更高。2004年大秦線4×5 000 t編組2萬t試驗列車通信異常時緊急制動的最大車鉤力是正常工況時的4．8倍，最大值超過了試驗安全限度值。仿真計算表明，本次試驗3萬t列車當緊急制動同步時間延長至5 s時，最大縱向力可達5 500 kN，該車鉤力值足以造成機車、車輛斷鉤、脫軌等重大安全事故。建議通過靜置試驗確定主、從控機車間Locotrol通信中斷時可使列車安全停車的最小有效減壓量值。

（5）懲罰制動。機車無線同步控制系統會因為內部通信或其他系統故障等產生懲罰制動，依據懲罰制動的設計方式，制動方式一般為常用全制動或緊急制動，而且由于此時一般伴隨著通信中斷等故障，因此制動信號只能通過列車空氣管路進行傳播，相當于純空氣制動，勢必會造成比現行2萬t編組更大的縱向車鉤力，嚴重時影響列車運行安全。

2 試驗測點布置方案及測試系統設計

2.1 測點布置方案

為全面測試3萬t列車的綜合性能，評估列車運行品質，試驗組詳細設計了試驗測試方案，對列車牽引性能、制動性能、縱向動力學性能進行系統測試的同時，針對位于列車中部的從控機車和特殊位置貨車可能承受較大縱向力的情況，對其運行安全性也進行全程測試。列車測試共涉及5個專業類別，布置各類測點200余個，布置視頻監控3處，測點數量創我國重載試驗之最。

（1）牽引測試。為了測試列車在起動加速和全線正常運行時機車功率負荷、重載列車集中取流和饋壓對列車運行的影響及主、從控機車的牽引同步性等參數，全面評估3萬t組合列車的牽引性能，本次試驗在主控及所有從控機車上對機車牽引性能參數進行測試，包括網壓、網流及牽引電機電壓、電流等。

（2）制動、縱向動力學測試。為了全面評估并比較不同編組方式組合列車的制動性能，測試主、從控機車空氣制動的同步性能，研究通信中斷等工況下列車的操縱方式，分析列車不同編組方式對列車制動及縱向動力學性能的影響，分析列車操縱方式對縱向力的影響，為優化操縱提供建議，本次試驗在主控及所有從控機車上布置了制動及機車牽引力/電制力測點，以評估主、從控機車的同步性；同時在整列車中布置了15個貨車測試斷面，每小列均勻布置5個，位置為1、25、52、79和103/105位（貨車計數不包括試驗車和機車），測點包括貨車制動風壓參數和車鉤力、車體縱向加速度和緩沖器行程等縱向動力學參數。貨車測力車鉤換裝示意見圖2。

（3）中部從控機車運行安全性測試。為了檢測中部2臺從控機車所受縱向力作用狀況，從而評估機車運行安全性，選取承受較大縱向力的2位和3位共計2臺從控機車進行機車動力學參數測試，測試參數主要包括輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力、車鉤縱向力、車鉤偏轉角及車體振動狀況等。測力輪對安裝在被試機車前進方向第5、8軸，測力車鉤為前進方向第2節車的前、后鉤（具體位置見圖3）。

（4）特殊位置貨車運行安全性測試。為了檢測在正常運行工況和受到較大縱向力工況下特殊位置貨車的運行安全性，選取2位和3位機車前第3位貨車進行車輛動力學參數測試，測試參數主要包括輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力及車體振動狀況等參數，測力輪對位置見圖4。

圖2 貨車測力車鉤位置

圖3 機車測力輪對、車鉤安裝位置

圖4 貨車測力輪對位置

2.2 測試系統

2004年，為適應2萬t重載列車的測試需要，開發了基于無線網絡的分布式測試系統，試驗初期無線網絡的性能基本滿足了2萬t列車的數據傳輸需要。近年來，隨著設備本身的老化、外部使用環境的變化及試驗測試自身要求的進一步提高，試驗數據無線網絡傳輸系統越來越難以滿足現階段長大貨運列車的試驗測試要求。3萬t列車相比現行2萬t列車，長度增加50%，數據測點增加50%以上，且增加了3路視頻監測，列車覆蓋的線路縱斷面更加復雜，試驗列車運行風險相對更高，對數據傳輸的可靠性、實時性和帶寬等要求更高，因此基于無線網絡的分布式測試系統更加難以滿足使用要求。為此，項目組專門開發了基于光纖網絡的超長重載列車分布式測試平臺，同時對貨車斷面測試設備進行集成化、輕量化設計，優化供電模塊，使其更加輕便且續航能力更強，測試系統結構見圖5，經過優化設計的便攜式斷面測試設備見圖6，試驗數據集中處理與顯示見圖7。實踐證明，該測試系統滿足了3萬t列車的測試需要，實現了4臺機車和15輛貨車制動與縱向動力學試驗數據的同步測試與實時不間斷傳輸，首次實現了5個測試專業共200余路測試信號和3路視頻信號集中顯示與處理，為試驗過程中各專業數據的綜合分析及試驗風險預判提供了基礎。同時借助光纖網絡解決了主、從控機車及試驗車之間以往試驗通話盲區的實時通話問題。

圖5 基于光纖網絡的分布式測試系統

圖6 便攜式斷面測 試設備

圖7 數據集中處理與顯示

3 試驗實施

3萬t列車試驗實施分為2個階段：第1階段為列車靜置試驗；第2階段為線路運行試驗。

3.1 列車靜置試驗

列車靜置試驗于2014年3月13—19日在北同蒲線袁樹林站進行，共對3種計劃運行試驗編組列車（即2．3萬t、2．5萬t和3萬t）進行制動性能靜態測試，主要試驗目的是測試列車的基本制動性能，測試不同減壓量下的制動排氣時間及列車再充氣時間、制動同步作用時間等，比較不同編組列車的制動性能，測試Locotrol通信中斷時可使從控機車可靠“切除”（即轉換為“單機”模式）的有效減壓量，為運行試驗及列車操縱提供數據支持。

列車靜置試驗主要結果如下：

（1）主、從控機車之間距離和從控機車數量增加對Locotrol同步時間沒有明顯影響，靜置試驗同步時間均在4 s之內（除牽引/電制動初次施加工況）。

（2）由于列車尾部加掛了1臺從控機車，列車制動、緩解同步性顯著提高，列車再充氣時間比現行“1+1”編組2萬t列車縮短50%以上，制動、緩解同步性的提高有助于減小列車縱向力，再充氣時間縮短有助于提高列車坡道運行安全性。

（3）通信中斷時，采用初制動或追加減壓50 kPa的制動操縱方式，可使從控機車可靠“隔離”。

3.2 運行試驗

運行試驗分別于2014年3月21日、27日和4月2日在北同蒲線袁樹林站至大秦線柳村南站間進行，運行試驗目的是測試重載組合列車的動態性能，包括牽引能力、制動及縱向動力學性能、中部從控機車與特殊位置貨車動力學性能，監測試驗列車正常運行工況下的安全性。

按照循序漸進的試驗推進方案首先進行了2．3萬t運行試驗，具體編組方式為：

HXD1066機車（主控機車）＋SY997745試驗車＋105輛C80型貨車＋HXD1001機車（從1）＋105輛C80型貨車＋HXD1069機車（從2）＋27輛C80型貨車+SS40862機車（從3）。

列車換長：275，牽引質量：23 750 t。

鑒于2．3萬t列車試驗數據較為理想，3月27日試驗決定將牽引質量由原計劃的2．5萬t提高到2．9萬t，具體編組方式為：

HXD1066機車（主控機車）+SY997745試驗車+ 105輛C80型貨車+HXD1001機車（從1）+105輛C80型貨車+HXD1069機車（從2）+81輛C80型貨車+SS40862機車（從3）。

列車換長：334，牽引質量：29 150 t。

2．9萬t列車試驗結束后，試驗組與太原鐵路局機務部門結合2．3萬t列車和2．9萬t列車的測試數據，對3萬t列車的操縱預案進行了進一步優化，太原鐵路局工務部門對2次試驗出現較大脫軌系數的區段進行了維護，4月2日成功進行了我國重載歷史上首次3萬t列車試驗，具體編組方式為：

105輛C80型貨車+HXD1001機車（從1）+105輛C80型貨車+HXD1069機車（從2）+81輛C80型貨車+ SS40862機車（從3）。

列車換長：361，牽引質量：31 550 t。列車最高運行速度80．7 km/h，平均速度59．3 km/h，技術速度60．6 km/h。

3萬t列車運行試驗主要結果如下：

（1）在大秦線（含北同蒲線）既有設備條件下，3萬t列車在正常運行工況的各項運行安全性指標（包括機車、車輛脫軌系數、輪軸橫向力、減載率和最大縱向力）均在試驗規定安全限度內。

（2）在通信正常條件下，3萬t列車主、從控機車之間空氣制動/緩解同步時間基本均在4 s以內、牽引級位調整同步時間基本在6 s以內，均滿足試驗規定的建議性指標要求，同步時間與現行“1+1”編組2萬t列車基本相當，列車編組長度及從控機車數量增加對Locotrol同步作用時間沒有明顯影響。

（3）編掛于列車尾部的SS4型機車顯著改善了列車空氣制動、緩解同步性，列車再充氣時間比現行“1+1”編組2萬t列車縮短50%～66%，有助于提高列車在大秦線2個長大下坡道運行的安全性，同時增加了牽引、電制動能力，電制動時對網壓抬升有平抑作用，在列車制動及牽引方面均發揮了積極作用。

（4）3萬t列車運行試驗全程測得的最大車鉤力僅為1 121 kN，滿足試驗規定的安全性指標要求，最大車體縱向加速度也滿足試驗規定的建議性指標要求，與現行“1+1”編組2萬t列車相比，在電空配合循環制動調速時的最大車鉤力值平均減小32%～40%，列車運行品質明顯提高。

（5）由于列車尾部加掛的1臺SS4型從控機車，顯著改善了列車制動/緩解同步性，3萬t列車電空配合循環制動調速區段出現的車鉤力大值與空氣制動的施加、保壓和緩解過程無明顯對應關系，與線路縱斷面、牽引/電制施加與退出時機、機車過分相操縱方式等關聯性較強，而現行“1+1”編組2萬t列車循環制動區段最大車鉤力基本均是產生在空氣制動緩解過程中。

4 創新性成果

本次試驗的成功實現了我國鐵路重載列車牽引質量從2萬t到3萬t的跨越，使我國成為世界上僅有幾個掌握3萬t鐵路重載技術的國家之一，是我國鐵路重載技術創新的重大突破，是我國鐵路重載運輸發展的新的里程碑，為促進鐵路可持續發展提供了有利的技術支撐。主要創新性成果如下：

（1）首次在大秦線采用既有技術裝備試驗開行了3萬t重載組合列車，牽引質量創造了中國鐵路重載列車牽引質量的新紀錄；

（2）為適應3萬t列車的測試需要，首次開發了“基于光纖網絡的超長重載列車綜合測試平臺”，實現了多專業試驗數據與視頻信號的集中顯示、處理與綜合分析，同時解決了主、從控機車及試驗車之間在以往通話盲區的實時通話問題；

（3）試驗測試專業之全面及測點數量均創我國重載試驗之最，首次獲得了3萬t列車靜態及動態試驗數據，系統分析了3萬t列車綜合性能，并與現行2萬t列車進行了全面比較；

（4）首次進行了重載組合列車之從控機車和特殊位置貨車在大縱向力耦合作用下運行安全性試驗研究。

[1] 中國鐵道科學研究院機車車輛研究所．大秦線3萬噸組合列車綜合試驗[R]．北京，2014．

姚小沛：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，副研究員，北京，100081

邵 軍：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，副研究員，北京，100081

張生玉：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，副研究員，北京，100081

王 磊：中國鐵路總公司運輸局，高級工程師，北京，100844

李杰波：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，副研究員，北京，100081

祖宏林：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，副研究員，北京，100081

田光榮：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，助理研究員，北京，100081

責任編輯 高紅義

U260.14

A

1672-061X（2015）02-0132-05

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目（2014J001-A）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道科學研究院科學技術獎一等獎。