車站到發線停車防溜器布置仿真研究

保魯昆，許 鎮，衛 寧

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經濟研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081；3.中國國家鐵路集團有限公司 運輸調度指揮中心，北京 100844)

0 引言

停留車輛的防溜是車務工作安全的重點和難點。《鐵路技術管理規程》規定，中間站停留車輛需要采用“雙防溜”方式[1]，擰緊兩端車輛的人力制動機，并以鐵鞋(或止輪器、防溜枕木等)牢靠固定。在采取防溜措施時，作業人員需要頻繁往返各股道，攀爬車輛擰緊人力制動機，存在較大的作業安全隱患。同時，人工放置防溜設備也存在“漏設”和“漏撤”的可能[2]。為此，部分車站嘗試在到發線上使用自動化防溜設備，以消除安全隱患。例如，鲅魚圈北站在到發線上使用高速鎖閉止輪頂[2]；包頭北站和包頭西站等使用停車防溜器[3]。

目前，國內部分停車防溜器廠家在設計到發線停車防溜器布置方案時，根據線路坡度、列車牽引定數及單臺停車防溜器制動能力等參數，計算坡道產生的下滑力，除以單臺停車防溜器的制動能力，再考慮一定的安全系數，確定到發線需要安裝的停車防溜器臺數。由于車輛類型較多，車輛縱向幾何參數相差較大，部分類型的車輛即使停留在停車防溜器組覆蓋區域內，停車防溜器仍然有可能無法作用到車輪，不能有效防止停留車輛溜逸。國內外學者對到發線防溜設備及監控系統的研究較多[4-7]，而在到發線防溜器布置方面的研究較少。龔德文[7]假設相鄰2 臺停車防溜器分別作用在同一車輛第1 和第2 至4 輪對的情況下，針對不同車輛參數，利用統計方法計算停車防溜器的合理長度及間隔。該方法限定了一組停車防溜器的數量，單臺停車防溜器長度過長，不利于現場安裝調試。為此，通過仿真方法，研究不同的有效長度、連續布置數量、布置間隔情況下，停車防溜器對車輪的作用效果，為到發線停車防溜器布置提供參考。

1 車站到發線停車防溜器布置

1.1 影響因素

（1）車列(車組)的停留位置。車列(車組)的停留位置決定停車防溜器的布置區域。停車防溜器必須布置在車列(車組)停車位置范圍內，才能起到停車防溜作用。

（2）列車牽引定數和線路坡度。這2 個因素共同決定車列(車組)停留時產生的下滑力，而決定停車防溜器布置數量。

（3）車輛縱向幾何參數。鐵路車輛縱向幾何參數如圖1 所示。圖1 中，A 為車輛長度，C 為車輛定距(車輛2臺轉向架中心之間的距離)，D為最內側兩軸間距，d 為車輛軸距。典型車輛縱向幾何參數如表1 所示。

圖1 鐵路車輛縱向幾何參數Fig.1 Longitudinal Parameters of Railway Vehicles

表1 典型車輛縱向幾何參數 mTab.1 Longitudinal Parameters of Typical Vehicles

（4）停車防溜器的有效長度。為了降低成本，便于現場安裝調試，停車防溜器的有效長度一般為4 ～ 8 m[8]，而典型車輛的最內側兩車軸距離為8 ～ 22 m，單臺停車防溜器作用到車輪上的概率相對較小，一般需要幾臺停車防溜器成組配合布置，才能夠起到防溜作用。例如，包頭北站1場部分線路采用“3+3+1”或“2+2+1”布置模式。

1.2 停車防溜器布置方案

車輛縱向幾何參數、停車防溜器有效長度和相鄰停車防溜器布置間隔的匹配關系決定車列(車組)停留在停車防溜器布置區域時，停車防溜器是否能有效作用在車輪上。定義停車防溜器組覆蓋范圍(以下簡稱“覆蓋范圍”)為當1 組停車防溜器按照一定間隔布置時，從第1 臺停車防溜器始端至最后一臺停車防溜器末端的范圍，包括組內所有停車防溜器總有效長度和相鄰停車防溜器間隔距離。定義停車防溜器組作用到車輪的概率(以下簡稱“作用概率”)為當車輛2 個最外側輪對處在停車防溜器組覆蓋范圍內時，停車防溜器組內至少有1 臺停車防溜器作用在車輪上的概率。

停車防溜器的布置方案有單臺停車防溜器獨立布置、2 臺停車防溜器成組連續布置、3 臺停車防溜器成組連續布置。

（1）單臺停車防溜器獨立布置。單臺停車防溜器獨立布置如圖2 所示。在單臺停車防溜器獨立布置時，由表1 可知，典型車輛最內軸間距D 的范圍為6.4 ～ 20.85 m，而停車防溜器長度一般為4 ～ 8 m[8]，當停車防溜器正好處在車輛最內軸間距之間時，對于多數車輛，停車防溜器制動狀態下無法作用到車輪，起不到防溜的作用。

圖2 單臺停車防溜器獨立布置Fig.2 Layout of a Single Anti-running Device

（2）2 臺停車防溜器成組連續布置。使用2 臺停車防溜器成組布置，2 臺停車防溜器相隔一定距離。如果停車防溜器有效長度和布置間隔配合得當，能夠滿足多數常見車型的防溜。然而，當車列(車組)停留在停車防溜器組覆蓋范圍內時，如果2 臺停車防溜器布置間隔過大，存在與單臺停車防溜器布置相同的問題。2 臺停車防溜器布置間隔過大情況如圖3 所示。如果停車防溜器有效長度較短，布置間隔過小，則停車防溜器容易完全處于車輛的2 個內側輪對之間，也不能起到防溜作用。2 臺停車防溜器布置間隔過小情況如圖4 所示。考慮到相同車型或不同車型車輛連掛情況下，還存在多種不利場景。

圖3 2 臺停車防溜器布置間隔過大情況Fig.3 Layout of Two Anti-running Devices with Too-large Interval

圖4 2 臺停車防溜器布置間隔過小情況Fig.4 Layout of a Two Anti-running Devices with Too-small Interval

（3）3 臺停車防溜器成組連續布置。當停車防溜器有效長度大于7 m，且按零間隔連續布置時，能使表1 中所有車型完全在停車防溜器組的覆蓋區域內，其作用概率為100%，但是布置成本較高，布置難度較大。隨著停車防溜器間隔的增大，考慮不同車型連掛情況下，也會出現多種不利情況。3 臺停車防溜器成組連續布置不利情況如圖5 所示。

圖5 3 臺停車防溜器成組連續布置不利情況Fig.5 Unfavorable Condition for a Three-anti-running-device Layout

由于車輛型號較多，不同停車防溜器有效長度和布置間隔均為可變因素。優化匹配停車防溜器有效長度、停車防溜器成組連續布置數量、停車防溜器布置間隔和車輛縱向幾何參數，可以在節約投資的基礎上，提高多數車型的作用概率。

2 車站到發線停車防溜器防溜效果仿真

2.1 仿真軟件開發

不同布置方案下有多種不利場景，不易利用公式直接計算停車防溜器與車輛縱向幾何參數的匹配關系，可以使用模擬仿真的方式進行研究。為此，開發仿真程序，計算不同車型的作用概率。仿真程序按照停車防溜器和鐵路車輛縱向幾何尺寸，等比例構建停車防溜器和車輛模型，再按照比例布置在軌道上。測試車輛從停車防溜器組的一側勻速進入，再從另一側駛出。從車輛運行方向第1 個輪對進入停車防溜器組覆蓋范圍時起，至最后一個輪對離開停車防溜器組覆蓋范圍時止，作用概率的計算公式為

式中：θ 為作用概率；t作用為整個過程中至少1 個停車防溜器作用到車輪上的時間；t覆蓋為車輛通過整個停車防溜器組覆蓋范圍的時間。

為便于仿真計算，把車輛運行連續過程離散化，令車輛按照固定步長向前移動。每移動1 次，判斷并記錄停車防溜器組是否有停車防溜器作用到輪對上。當步長足夠小時，車輛的作用概率計算公式為

式中：c作用為整個過程中至少1 個停車防溜器作用到車輪上的次數；c覆蓋為車輛通過整個停車防溜器組覆蓋范圍的計算次數。

到發線停車防溜器布置驗證仿真軟件界面如圖6所示。仿真程序能夠滿足針對不同停車防溜器長度、不同布置方案、不同車輛連掛組合情況下，停車防溜器組覆蓋范圍內作用概率的計算。該程序的輸入參數包括停車防溜器有效長度、停車防溜器成組連續布置數量、停車防溜器布置間距、車輛縱向幾何參數和不同類型車輛連掛情況等。該程序可以顯示停車防溜器有效工作狀態，當停車防溜器組至少作用在1 對車輪時，停車防溜器顯示為紅色，否則顯示為綠色。

2.2 仿真結果分析

在仿真實驗中，1 組連續布置的停車防溜器有效長度相同，1 組內多個停車防溜器間隔相同。利用到發線停車防溜器仿真程序計算2 臺停車防溜器成組連續布置和3 臺停車防溜器成組連續布置的作用概率。停車防溜器有效長度分別設為4 m，5 m，6 m，7 m和8 m，停車防溜器間隔分別設為6 m，5 m，4 m 和3 m，將這些情況進行組合，對表1 中的6 種典型車輛進行仿真檢算。2 臺停車防溜器成組連續布置作用概率如表2 所示；3 臺停車防溜器成組連續布置作用概率如表3 所示。

圖6 到發線停車防溜器布置驗證仿真軟件界面Fig.6 Interface of the Simulation Software for Anti-running Device Layout Verification

從表2 和表3 可以看出，對于所有車型，在停車防溜器間隔相同的前提下，隨著停車防溜器的長度增加，2 臺和3 臺成組停車防溜器作用概率均隨之增加。對于同一車型，在停車防溜器有效長度一定的前提下，隨著停車防溜器間距縮小，車輛內軸距較長車型的作用概率呈上升趨勢，而部分車輛內軸距較短車型的作用概率略微下降然后再上升，如C80車型，3 臺停車防溜器(有效長度為5 m)連續布置時，作用概率從89.5%下降至88.2%，然后又上升至90%；而個別車型的作用概率隨著停車防溜器間距的縮小呈下降趨勢，如C62車型，2 臺停車防溜器(有效長度為6 m)連續布置時，作用概率從93.7%下降至92.9%。

對于車輛定距較長的車型，在停車防溜器長度和布置間隔相同的情況下，3 臺成組連續布置方案的作用概率高于2 臺成組連續布置方案。例如，JSQ5 車型在停車防溜器長度為5 m，布置間隔為3 m 的情況下，作用概率分別為88.1%和75.5%。對于車輛定距較短車型，如C80車型，在相同停車防溜器長度和相同布置間隔情況下，3 臺成組連續布置與2 臺成組連續布置方案停車防溜器組的作用概率差異不大。

仿真程序可以用于到發線停車防溜器布置方案設計。針對不同的布置方案，根據到發線主要停留車型的縱向幾何參數，對每種車型分別進行仿真計算，得到停車防溜器組的作用概率，再選取對所有車型均大于某個給定概率的方案，作為停車防溜器的優化布置方案。

表2 2 臺停車防溜器成組連續布置作用概率 %Tab.2 Probability of a Two Anti-running Devices Layout

表3 3 臺停車防溜器成組連續布置作用概率 %Tab.3 Probability of a Three Anti-running Devices Layout

針對表1 中的6 種車型，給定停車防溜器組的作用概率均大于80%。如果使用2 臺停車防溜器成組連續布置方案，要求停車防溜器的有效長度最少為7 m，布置間隔不大于5 m；如果使用3 臺停車防溜器成組連續布置方案，要求停車防溜器的有效長度最少為6 m，布置間隔不大于4 m。

2.3 停車防溜器布置位置分析

對于平坡到發線，停車防溜器應優先考慮布置在到發線的兩端，然后再考慮布置在到發線中間；而對于存在坡度的到發線，停車防溜器應優先考慮布置在線路下坡方向一端，然后再考慮布置在到發線中間，最后再考慮布置在到發線上坡方向一端。為保證所有車列(車組)都能停留在停車防溜器組覆蓋范圍內，應在《車站行車工作細則》中規定車列(車組)應停留在停車防溜器布置區域，充分發揮停車防溜器的作用。

停車防溜器在到發線端部的安裝位置應考慮機車停車位置距離信號機或警沖標的距離，加上機車長度和一定的冗余距離。機車停車位置距離信號機或警沖標的距離按30 m 計算， 2 臺電力機車全長按44 m 計算[1]，冗余距離按30 m 計算，停車防溜器應優先布置在下坡方向距離信號機或警沖標100 ～ 120 m的位置。停車防溜器組優先布置位置如圖7 所示。

圖7 停車防溜器組優先布置位置Fig.7 Preferred Installation Positions for Anti-running Devices

3 結束語

針對典型車輛在停車防溜器不同長度、不同連續布置數量和不同布置間隔情況的仿真分析，可以為到發線停車防溜器布置方案的設計提供參考；合理確定停車防溜器組優先布置位置，可以為停車防溜器的安裝和使用提供依據，以充分發揮停車防溜器的性能，改善防溜作用效果，提升作業安全性。但是，由于車輛型號眾多，針對更多車型和不同車型連掛情況下的仿真，還需要進一步深入研究。除此之外，還存在由于外部原因導致的到發線停留車輛溜逸的情況，需要在后續的研究中關注這種情況下的停車防溜器布置優化。