高寒山區長大坡道鐵路列車下坡限速研究

任 沖

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

在長大坡道上，為充分保證列車運行安全，必須對列車的下坡限速進行嚴格控制。現行TG/01A-2017《鐵路技術管理規程》(普速鐵路部分)(以下簡稱《技規》)第261條規定了0～20‰坡道的下坡限速，而對超過20‰的坡道，只規定其列車限速由鐵路局根據實際試驗確定[1]。西南山區鐵路線路多會采用24‰或30‰的加力坡，且受高寒山區氣候條件的影響，實際運營條件更惡劣，對列車的制動力影響較大，因此，有必要對高寒山區長大坡道列車下坡限速進行研究。本文以高寒山區鐵路30‰長大坡道為例，結合TB/T 1407.1-2018《列車牽引計算》(以下簡稱《牽規》)，不考慮其他相關因素，理論計算貨物列車采用HXD2雙機牽引、最大牽引質量 2 800 t，旅客列車采用HXD1d雙機牽引、最大牽引質量 1 200 t情況下，研究列車粘著力與制動力的關系、空氣制動閘瓦溫升的影響等，得出不同制動距離對應的下坡限速。為合理布置車站、計算區間通過能力提供依據，指導鐵路線路的設計工作，并給機車司機提出合理的駕駛及制動操縱方面的建議。

1 列車制動率的分析

1.1 粘著系數下降對列車制動率的影響

列車制動率的取值主要與粘著制動力或粘著制動系數有關。計算制動力不能超出粘著制動力的限制，因此，制動率的選取應慎重。根據《牽規》，潮濕軌面下制動粘著系數大幅度下降。據此可算出不同粘著系數下粘著制動力的數值，以及給定制動率下制動力與粘著制動力的關系。文中的列車制動力采用實算法進行計算。

《牽規》中由閘瓦壓力產生的列車制動力，計算方法有2種[6]。

(1)實算法。以列車中每種一塊閘瓦實算壓力K值之和與各該K值所對應的實算摩擦系數φk的乘積總和來計算，見式(1)。

B=∑(φk×∑K)

(1)

(2)換算法。為了不涉及摩擦系數與閘瓦壓力的變化關系以簡化計算，用列車中閘瓦的換算閘瓦壓力之和∑Kh與該種閘瓦的換算摩察系數φh乘積進行計算，見式(2)。

B=φh×∑Kh

(2)

按照現行《技規》的要求，貨物列車閘瓦壓力應滿足1.50 kN/t(中磷閘瓦)，旅客列車閘瓦壓力應滿足1.17 kN/t(高摩H合成閘瓦)。根據相關研究成果，不同摩擦材料換算閘瓦壓力的二次換算系數，如表1[2]所示。依據該系數，可對不同類型閘瓦情況下的列車制動力進行計算。

表1 不同摩擦材料換算閘瓦壓力的換算系數

受氣候條件影響，在雨雪天氣，線路軌面粘著系數會有一定下降，有可能會有粘著制動力小于列車制動力，這時就可能出現制動時車輪抱死、列車滑動，無法控制列車速度的危險情況。因此，應分析列車粘著制動力的變化情況。

(1)HXD2(25t)型電力機車在前述編組條件下，制動率采用0.35(根據1998年對寶成鐵路重車的調查結果，600 kPa時，列車換算制動率大部分為0.34～0.35[2])，考慮軌面潮濕條件下，不同速度的車列粘著制動力與計算制動力，如表2[3]所示。

表2 HXD2粘著制動力與計算制動力

由表2可以看出，在120 km/h速度范圍內，無論是采用中磷閘瓦還是高磷閘瓦，車列的粘著制動力均高于計算制動力。另外，HXD2型機車的最大電制動力為510 kN，2臺機車為 1 020 kN，考慮電制動力后，仍不會超過粘著制動力。因此，HXD2雙機牽引 2 800 t貨物列車，制動率取0.35時在潮濕軌面條件下，采用中磷或高磷閘瓦，粘著系數的下降都不會對列車制動力產生影響。

(2)HXD1d型電力機車在前述編組條件下，根據式(1)和表1的換算系數進行計算，制動率取0.42時，計算制動力與粘著制動力的比較，如表3所示。從表中可以看出，HXD1d雙機牽引 1 200 t旅客列車，在制動率取0.42的條件下，干燥軌面時，無論高摩合成閘片還是高摩合成閘瓦，列車制動力都沒有超過粘著制動力。即使考慮最大電制動力(420 kN)，也不會超過干燥軌面下的粘著制動力。但在潮濕軌面時，采用高摩合成閘瓦，160 km/h的計算制動力(1 049 kN)超出了粘著制動力(1 045.38 kN)，150 km/h及其以下速度的，計算制動力在粘著制動力范圍內。若采用于高摩合成閘片，60～160 km/h的所有計算制動力均超過了粘著制動力。因此，應適當降低制動率。降低制動率后的計算制動力與粘著制動力，如表4所示。

表3 HXD1d粘著制動力與計算制動力的比較(制動率0.42)

表4 HXD1d粘著制動力與計算制動力(高摩合成閘瓦制動率0.4，高摩合成閘片制動率0.37)

由表4[4]可以看出，在潮濕軌面條件下，高摩合成閘瓦制動率采用0.40，高摩合成閘片制動率采用0.37時，160 km/h速度范圍內列車的粘著制動力均高于計算制動力。因此，HXD1d牽引 1 200 t旅客列車，采用高摩合成閘瓦時，制動率宜控制在0.4及以下，采用高摩合成閘片時，制動率宜控制在0.37及以下。

1.2 制動周期對列車制動率的影響

列車在長大下坡道運行時，若考慮使用空氣制動，需要周期性進行充風緩解和排風制動，直至列車駛出坡道。如果列車制動能力不夠，列車第一次制動后，需要一定的時間給副風缸充風，同時，實施制動后列車還有一個制動空走時間，如果列車經過這兩個時間后，速度不超出制動限速，則列車可以通過周期制動控制速度。否則，列車速度可能超出制動限速，即使再采取制動，也可能失去控制。因此，在長大下坡道，列車制動能力必須保證在速度上升到制動限速之前的時間內完成列車充風和空走過程。列車編組、減壓量與列車充風時間和空走時間關系，如表5所示。

表5 列車充風時間與空走時間

根據表5推算，HXD2雙機牽引2 800 t，從20 km/h惰行到100 km/h消耗的時間，如表6所示。

表6 HXD2(25 t)惰行消耗時間

綜合表5、表6可以看出，列車速度10 km/h間隔內消耗時間基本在10 s左右，30輛編組列車空走和充風總時間為48.3 s，至少需要5個時間間隔，其最高限速不能低于50 km/h。如果列車制動率太低，或者摩擦系數有限，則無法滿足這一要求。由此可算出不同閘瓦和制動率下，HXD2雙機牽引 2 800 t貨車，在30‰坡道上滿足周期制動要求的最小制動率，如表7所示。

表7 HXD2(25 t)牽引2 800 t貨車周期制動要求

由表7可知，HXD2(25 t)牽引2 800 t貨車，在30‰坡道上進行周期制動空氣制動時，中磷閘瓦和高磷閘瓦無法滿足要求。高摩合成閘瓦和高摩合成閘片可以滿足要求，但是制動率不少于0.35。對于采用了電空混合制動的和諧電力機車，由于電制動力只與列車速度有關，與閘瓦材質無關，且不需要周期性充風，因此，優先推薦HXD2機車采用電制動。

對于HXD1d雙機牽引1 200 t客運列車，采用制動率0.4的高摩合成閘瓦或制動率0.37的高摩合成閘片，制動能力較HXD2(25 t)牽引2 800 t的能力強很多，故無需驗算。

綜上分析，HXD2雙機牽引 2 800 t貨運列車，HXD1d雙機牽引 1 200 t客運列車，要適應30‰的長大下坡道和惡劣的氣候，合理的閘瓦與制動率選擇，如表8所示。

表8 列車編組和制動參數

2 列車下坡限速研究

2.1 列車緊急制動距離限值

緊急制動距離是列車在任何線路上均能制動停車的距離限值，是保證列車安全運行的基礎要求。《技規》中規定了各種列車的緊急制動距離，如表9所示[1]。

表9 列車最高運行速度的緊急制動距離限值

在規定的緊急制動距離內，列車能夠制動停車的最高速度，稱為緊急制動限速。列車在30‰坡道上運行，因坡度過大，《技規》既有的列車緊急制動限速失效[5]，應依據列車緊急制動距離確定限速。

2.2 列車緊急制動距離計算

一般情況下，制動距離可采用分段累加的方法進行計算[6]。即采用“枚舉”的思路，分別計算列車在不同制動初速度下的緊急制動距離，得出列車緊急制動距離表[2]，再根據規定的緊急制動距離限值，試算列車在長大下坡道上的緊急制動初速度。根據表7列車編組和制動參數，可算出HXD2雙機牽引 2 800 t貨物列車，在30‰坡道上的緊急制動距離，如表10所示[6]。

表10 HXD2牽引2 800 t在30‰限坡上的緊急制動距離 (m)

同理可得HXD1d雙機牽引1 200 t旅客列車(采用高摩合成閘瓦，制動率取0.4；采用高摩合成閘片，制動率取0.37)，在30‰坡道上的緊急制動距離，如表11[6]所示。

2.3 列車下坡限速確定

從表10中可以看到，在30‰下坡道上，HXD2雙機牽引2 800 t貨物列車，保證800 m緊急制動距離，采用中磷閘瓦時速度不宜超過65 km/h，采用高磷閘瓦時速度不宜超過75 km/h；保證 1 400 m緊急制動距離，采用中磷閘瓦時速度不宜超過81 km/h，采用高磷閘瓦時速度不宜超過86 km/h。雖然和諧型貨運電力機車設計速度可達120 km/h，但考慮到高寒山區鐵路運輸的安全性，以及目前貨車緊急制動距離一般按800 m控制實際情況，建議HXD2雙機牽引 2 800 t貨物列車，保證 800 m緊急制動距離下的限速為65 km/h。

表11 HXD1d牽引1 200 t在30‰限坡上的緊急制動距離 (m)

從表11中可以看到，在30‰下坡道上，HXD1d雙機牽引 1 200 t旅客列車，保證800 m的緊急制動距離，采用高摩合成閘瓦(制動率0.40)時速度不宜超過106 km/h，采用高摩合成閘片(制動率0.37)時速度不宜超過116 km/h；保證 1 400 m的緊急制動距離，采用高摩合成閘瓦(制動率0.40)時速度不宜超過141 km/h，采用高摩合成閘片(制動率0.37)時速度不宜超過143 km/h。由此可知，采用高摩合成閘瓦和高摩合成閘片的緊急制動距離相差不大，本文建議HXD1d雙機牽引 1 200 t旅客列車保證800 m緊急制動距離下的限速為110 km/h。

3 閘瓦溫升對貨物列車調速制動的影響

列車在長大下坡道上運行時，需不斷進行調速制動，以免在下坡道上超過限速。多次循環調速制動后，車輪踏面和閘瓦溫度將不斷升高，會影響到行車安全。為保證行車安全，美國AAR規定：對于中磷鑄鐵閘瓦，車輪踏面溫度應低于343 ℃。而對于高摩合成閘瓦和高摩合成閘片沒有限制[3]。因此，采用高摩合成閘瓦和高摩合成閘片的旅客列車，其下坡限速只由列車緊急制動距離決定，不存在閘瓦溫升問題。對于貨物列車來說，由緊急制動距離確定的下坡限速必須考慮閘瓦溫升的影響。

根據相關研究[7]，在30‰長大下坡道上，完全采用空氣制動，列車限速60 km/h時，在經過8次周期性調速制動后，車輪踏面溫度為340 ℃，接近中磷鑄鐵閘瓦的限制溫度；限速75 km/h時，空氣制動時間延長，緩解時間縮短，經過5次調速制動后，車輪踏面溫度達到380 ℃，超過中磷鑄鐵閘瓦的限制溫度。反之，若調速制動次數在5次以下，則閘瓦溫升不會影響行車安全。

計算HXD2雙機牽引2 800 t貨物列車，制動率取0.35，采用純空氣制動列車從80 km/h到10 km/h時緩解的單次制動調速情況。計算參數及結果如表12所示。

分析表12可以看出，在30‰長大下坡道上，限速80 km/h，一次調速制動走行距離為 6 395 m，若30‰的連續長下坡道不超過32 km，周期性連續制動不會超過5次，閘瓦溫升不會影響行車安全[6]。在30‰長大下坡道上，若限速75 km/h，在站間距不大于15 km的情況下，列車在區間運行需經過3次調速制動，不會超過中磷鑄鐵閘瓦的限制溫度[8]。同理，若限速65 km/h時，當站間距小于20 km時，HXD2雙機牽引2 800 t貨物列車，區間運行需進行3次周期性調速制動，該過程中不會出現閘瓦溫升失控的情況。

表12 HXD2列車空氣閘瓦一次調速制動參數

從以上分析可知，閘瓦溫升與站間距和下坡限速密切相關，站間距越大，列車在區間運行所需調速制動周期越多；列車限速高，一次制動運行距離長，所需制動周期將相應減少。綜合閘瓦溫升和列車緊急制動限值可以確定，對于30‰坡度，采用中磷閘瓦下坡運行速度宜控制在65 km/h及以下。

4 結論

(1)在30‰長大下坡道上，HXD2雙機牽引 2 800 t貨物列車，在緊急制動距離800 m條件下，列車下坡限速宜為65 km/h；

(2)在30‰長大下坡道上，HXD1d雙機牽引 1 200 t旅客列車，在緊急制動距離800 m條件下，列車下坡速度限速宜為110 km/h；

(3)在30‰長大下坡道上，HXD2雙機牽引 2 800 t貨物列車，宜多采用電制動力進行列車調速制動，以盡量避免或緩解閘瓦溫升過高問題；旅客列車的下坡限速只由列車緊急制動距離決定，不存在閘瓦溫升問題。