鐵路駝峰調車場尾部停車防溜分析及停車器布置仿真研究

王哲堯

(中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081)

隨著我國鐵路駝峰溜放作業綜合自動化技術的發展，駝峰調車場尾部停車防溜作業自動化程度得到大幅度提高，我國鐵路編組站整體裝備技術處于世界領先水平。但是，由于調車場溜放車組受停車設備、線路坡度等各類因素影響，尾部停車防溜效果仍有待提升，同時尾部停車器布置方案在設計規范上還有所欠缺。為此，通過仿真技術，改變尾部停車防溜設備布置方案，讓勾車在仿真平臺上溜放，以更好地為尾部停車防溜設備布置方案提供技術支持。

1 鐵路駝峰調車場尾部停車防溜現狀分析

1.1 駝峰調車場尾部停車防溜設備布置現狀

《鐵路駝峰及調車場設計規范》規定，調車場尾部主要編組直達、直通和區段等列車的線束，應在尾部平坡或反坡段設停車器或停車頂[1-2]。調車場尾部的停車器布置必須具備停車和防溜2種功能。停車是指無論勾車大小、溜放速度、鉤位狀態，均需在該段區域內安全停車，如果溜出將意味著車輛進入尾部警沖標防護區，造成事故隱患。防溜是指無論氣象條件如何、勾車連續沖撞次數多少，必須將勾車最前端的位置控制在安全范圍之內。通常尾部停車器的布置有“1 + 1”(即前后各1組停車器的方式)和“2 + 1”(即前面2組停車器，后面1組停車器) 2種方案。編尾停車器布置方案如圖1所示。

為保障安全，避免大車組溜出停車區，需要在最后一臺停車器和道岔警沖標之間安裝防溜器或人工鐵鞋，進一步保障編尾停車防溜的安全性。

圖1 編尾停車器布置方案Fig.1 The arrangements of tail-end stopping-device

一般來說，每臺停車器的制動能高約為0.25 ～0.35 m之間(約為192 ～ 269 kJ)，每輛總重80 t的貨車以5 km/h速度溜行時動能為78 kJ，與一臺停車器的制動能高相當。停車器長度約為4.8 ～ 7.2 m，車輛內軸距約為6.95 ～ 10.27 m，因此，設一臺停車器時，制動過程中停車器位于內軸距位置時將處于無制動狀態，連續多勾車沖撞時勾車將不斷前行，最終造成勾車溜出停車器區域，存在安全隱患。當采用2 + 1布置方案時，前組停車器的全長可達10 ～ 12 m，停車器可始終處于制動作用狀態，效果明顯好于1 + 1方案[3]。根據現場測試，停車器1 + 1方案大多數需要人工防護，2 + 1方案很少需要人工防護，但這種方案依舊存在少數勾車溜出停車器所在位置的情況。

1.2 駝峰調車場尾部停車防溜存在問題

目前駝峰調車場尾部停車防溜存在以下問題[4]：①勾車溜放不足，如果勾車溜放存在不足，無法進入到停車器所在區域。②“拳頭鉤”問題。后面溜放的勾車與停在前面的勾車無法相連，前面勾車因為慣性運動而發車溜逸。③調車場調速設備制動能力不足。溜放勾車速度較大，調車場尾部調速設備制動能力不足以使勾車停下。④停車防溜設備制動能力不足或失控。在調車場尾部停留的車輛由于受到外界干擾而脫離停車設備控制，甚至進入其他線路上，進而發生勾車溜逸事故。

停車器和停車頂是實現調車場尾部自動控制的必要設備，但在實際工作中，依然存在由于溜放勾車速度太高或是由于尾部停車防溜設備制動性能不足，導致停車防溜設備的制動能力無法滿足實際需要，出現溜放勾車超速連掛、勾車越過尾部停車器甚至溜逸現象。因此，許多駝峰調車場不得不在編尾增設人工鐵鞋[5]，當緊急情況發生時，可以利用鐵鞋防溜，避免勾車溜逸事故的發生。調車場尾部防溜人機共存，造成編組站運營成本增加。

因此，目前調車場尾部的主要問題是停車防溜設備能力不足發生車輛“溜逸”，其次是編尾依然依賴于人工鐵鞋的防護[6]。

2 鐵路駝峰車輛溜放仿真技術

仿真技術廣泛應用于各種應用技術

和研究領域，特別是在工程應用、工程設計方面發揮著重要作用。在工程應用方面，仿真技術用于檢查設計、檢驗效果、優化過程在工程設計中仿真技術的應用幾乎無處不在，既發揮輔助作用，也發揮指導作用。駝峰車輛溜放仿真技術，主要應用于駝峰及調車場平縱斷面設計、調速設備布置、控制過程優化、溜放安全評估、調速設備研發等方面。

2.1 停車防溜系統設計和檢算

駝峰及調車場的運用環境是隨機性很強的自然環境，在不同氣溫條件下，車輛的溜放狀態和阻力差別較大，風的變化也帶來走行阻力的差異。此外，駝峰車輛類型、勾車輛數、車輛載重等參數也具有隨機變化的特性。駝峰調車場停車防溜仿真技術提供了適宜的技術手段，通過溜放仿真，可以準確給出各種車輛在不同位置的速度，可以檢驗停車防溜效果，為編尾防溜系統設計提供數據支持，也為駝峰調車場防溜設計提供決策依據。

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2.2 駝峰及調車場調速設備計算

駝峰溜放仿真技術可以提供各種條件下的調速設備能力檢算，評估控制的可靠性，輔助設計人員判斷設備數量是否合理、車輛走行是否到位、縱斷面設計與調速設備配置是否協調、編尾停車防溜設備制動能力是否滿足需要、是否存在駝峰的安全條件等，通過仿真能夠提出準確的評判數據，為設計決策提供可靠的數據支撐。

2.3 溜放效果評估

駝峰溜放仿真技術可以提供各種條件下的駝峰運用仿真，仿真中各種條件可以采用特定或隨機的數據，在一定程度上擴展了駝峰運用評估的范圍，使評估條件更為貼近實際、貼近運營，仿真結果更為真實、更為合理。例如，可以根據駝峰勾車輛數分布、車輛載重分布、調車線溜車數量分布、減速器控制誤差分布、車輛溜放阻力分布等隨機條件，進行駝峰溜放過程仿真和調車場連掛與防溜仿真，通過仿真提出更加準確的駝峰溜放效率、能力、安全連掛率、編尾防溜效果等統計數據，通過仿真數據評估系統設計、設備布置、運用效果，而這種評估數據是其他任何方法難以提供的。

2.4 研究試驗和標準化設計

利用駝峰溜放仿真技術的快速計算、多方案比選、多因素試驗驗證等功能和特點，可以進行大量仿真試驗，通過仿真數據提出設計的關鍵參數。例如，在編尾停車防溜系統設計時，可以根據具體條件提出停車器布置方案，包括停車器位置、布置數量、停車器間隔、防溜逸設備等，并通過仿真評估運用效果。在標準化設計研究中，根據一般性設計條件，提出標準的設計方案，為設計規范提供技術支撐。

2.5 駝峰調車場車輛連掛及尾部停車防溜仿真系統

駝峰調車場車輛連掛及尾部停車防溜仿真系統主要用于調車場調速設備與尾部停車防溜設備的設計評估。仿真基本數據包括線路數據、減速頂數據、停車器數據和車輛數據。仿真流程包括數據輸入編輯、溜放計算、防溜結果分析與輸出等步驟。通過調車場防溜仿真，可以實現3個作用：①判別線路上減速頂的布設數量是否達到有效控制車輛運行；②判定停車器安裝的位置和數量能否實現可靠停車；③編尾防溜設備是否有效防止車輛溜逸。駝峰調車場車輛連掛及尾部停車防溜仿真系統模擬界面如圖2所示。

圖2 駝峰調車場車輛連掛及尾部停車防溜仿真系統模擬界面Fig.2 Simulation interface of vehicle suspension and tail stopping and anti-running simulation system in hump shunting yard

3 不同停車器間隔下停車防溜效果比較

目前，駝峰調車場尾部停車器布置方案仍舊缺乏規范的設計標準[7]。在停車器布置方案的諸多變化因素中，停車器間隔的不同往往會在一定程度上影響停車防溜效果，而對于編尾停車器間隔的研究卻很少。利用駝峰調車場車輛連掛及尾部停車防溜仿真系統研究編尾停車器間隔對停車防溜效果的影響，不僅可以節約時間和成本，還可以對實驗數據進行統計分析，進而得出所需結論[8]。通過仿真實驗選取停車器“2 + 1”布置方案，針對前

2組停車器不同間隔下勾車溜放情況進行探究，找到停車位置隨停車器間隔變化的規律，為駝峰調車場尾部防溜設備布局提供參考依據。

3.1 線路有效長850 m停車器間隔對停車防溜效果的影響

3.1.1 線路情況及勾車參數

表1 調車場尾部停車器不同間隔仿真勾車數據(線路有效長850 m)Tab.1 Simulation of hook-up data at different intervals of stopping-device in hump shunting yard tail (the effective length of the line is 850 m)

3.1.2 停車防溜設備

停車器采用“2 + 1”布置方式進行模擬仿真，以減速器出口位置作為基點，其中第1臺停車器入口位置730 m，出口位置734.8 m，制動能高0.25 m；第1臺停車器位置保持不變，其他停車器按照停車器間隔的變化安裝在相應的位置，第2臺、第3臺停車器間隔50 m。

尾部第1臺防溜器(鐵鞋)布設在820 m，摩擦系數0.15；第2臺防溜器(鐵鞋)布設在823 m，摩擦系數0.15；脫鞋器位置843 m。

3.1.3 仿真結果

通過相關參數調整，模擬了到發線有效長850 m，前2組停車器間隔距離從1 m至10 m情況下不同尾部坡度(-1‰和0‰)，以及不同勾車連掛方案下的勾車溜放最遠距離變化情況。前2組停車器間隔距離與車輛溜放最遠距離關系(線路有效長850 m)如圖3所示。從模擬結果看，一是由于尾部反坡作用，尾部坡度為0‰時的勾車溜放最遠距離大于尾部坡度為-1‰的方案；二是前2組停車器間隔距離越小停車防溜效果越好，在尾部平坡或反坡情況下勾車溜放距離逐漸減小，但到發線有效長利用率降低。

3.2 線路有效長1 050 m停車器間隔對停車防溜效果的影響

3.2.1 線路情況及勾車參數

對于有效長1 050 m的調車場線路，尾坡選取0‰和-1‰ (正值為下坡，負值為上坡)作為試驗線路。線路設置減速頂264臺，制動功按850 J/輪次計算。引入調車場尾部停車器不同間隔仿真勾車數據(線路有效長1 050 m)如表2所示。

3.2.2 停車防溜設備

停車器采用“2 + 1”布置方式進行模擬仿真，以減速器出口位置作為基點，其中第1臺停車器入口位置930 m，出口位置934.8 m，制動能高0.25 m；第1臺停車器位置保持不變，其他停車器按照停車器間隔的變化安裝在相應的位置，第2臺、第3臺停車器間隔50 m。

第1臺防溜器(鐵鞋)布設在1 020 m，摩擦系數0.15；第2臺防溜器(鐵鞋)布設在1 023 m，摩擦系數0.15；脫鞋位置1 043 m。

圖3 前2組停車器間隔距離與車輛溜放最遠距離關系圖(線路有效長850 m)Fig.3 Diagram of the relationship between the distance between the first two groups of stopping-device and the farthest distance between vehicles running (the effective length of the line is 850 m)

表2 調車場尾部停車器不同間隔仿真勾車數據(線路有效長 1 050 m)Tab.2 Simulation of hook-up data at different intervals of stopping-device in hump shunting yard tail (the effective length of the line is 1 050 m)

3.2.3 仿真結果

通過相關參數調整，模擬了到發線有效長1 050 m，前2組停車器間隔距離從1 m至10 m情況下不同尾部坡度(-1‰和0‰)，以及不同勾車連掛方案下的勾車溜放最遠距離變化情況。前2組停車器間隔距離與車輛溜放最遠距離關系圖(到發線有效長1 050 m)如圖4所示。從模擬結果看，一是由于尾部反坡作用，尾部坡度為0‰時的勾車溜放最遠距離大于尾部坡度為-1‰的方案；二是前2組停車器間隔距離越小停車防溜效果越好，在尾部平坡或反坡情況下勾車溜放距離逐漸減小，但到發線有效長利用率降低。

圖4 前2組停車器間隔距離與車輛溜放最遠距離關系圖(到發線有效長 1 050 m)Fig.4 Diagram of the relationship between the distance between the first two groups of stopping-device and the farthest distance between vehicles running(the effective length of the line is 1 050 m)

3.3 駝峰調車場尾部停車防溜分析及設備布置建議

通過對到發線有效長850 m和1 050 m 2種情況下調車場尾部不同停車器布置模式的仿真計算，可以得到以下結論。

（1）駝峰調車場尾部停車防溜效果會受到尾部坡度和溜放勾車輛數的影響。從安全性的角度分析，駝峰調車場尾部采用反坡設計優于平坡，可以更好地實現停車防溜效果。車輛在解編時，每組勾車輛數不宜過大，適當減小每組勾車輛數，可以有效提高編尾停車防溜性能。

（2）停車器布置一般應采用“2 + 1”布置方案。這是由于“1 + 1”布置方案前組的一臺停車器有效長度小于車輛內軸距，如果車輪沒有壓在停車器上將不受制動作用。而2臺停車器緊密布置時，停車器長度大于車輛內軸距，車輛總有車輪位于停車器制動軌之內，因而停車防溜效果更好。

（3）駝峰調車場尾部停車器間隔的變化會對停車防溜效果產生影響。在保證溜放安全的前提下充分利用調車線有效長，適當減小前2組停車器間隔，可以有效提高勾車停車防溜效果。尾部坡度和單組勾車輛數發生改變，停車器間隔對停車防溜效果的影響規律也會發生相應變化。相對而言，勾車輛數較大或尾部采用平坡設計時，停車器間隔變化對勾車制動性能影響較大。因此，在實際工作中，可以同時兼顧經濟效率和安全性，合理采用各種停車防溜措施。

4 結束語

鐵路駝峰調車場尾部的停車防溜性能對于保障編組站的安全作業至關重要，提升編尾停車防溜性能，也是調車場綜合作業自動化的必然要求。尾部停車器是停車防溜的關鍵環節，探究編尾停車器間隔的變化對停車防溜的效果的影響具有重要意義。通過對仿真技術的應用，可以改變駝峰調車場尾部停車防溜系統的相關參數，對編尾停車器不同間隔下的溜放距離進行比較，實現對停車器間隔的仿真分析，得出停車器間隔影響停車防溜效果的規律，進而為駝峰調車場尾部停車器的標準化布置提供依據。