動力分散式重載貨運車組方案可行性分析論證

趙 楠 王 蕾 陳 哲

（1.國能鐵路裝備有限責任公司，北京 100011；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

隨著重載鐵路快速發展，國際上重載鐵路牽引裝備也得到了廣泛應用。重載發達國家都采用大軸重機車牽引的單元列車或組合列車的方式來實現重載牽引。國外重載運輸的主要特點是單列質量大，但運行速度和線路開通密度相對較低。我國作為人均資源少，資源相對比較集中的國家，重載鐵路采用快速度、高密度、大質量和節能綠色的重載的發展道路，主要采用大功率的交流傳動電力機車牽引列車模式。

提升列車牽引噸位主要有3 種方式：一是提高軸重，二是擴大列車編組，三是優化車輛結構。但針對國能集團鐵路大部分線路、橋梁不能滿足30t 及以上大軸重貨車的運行。在編組方面已實現2 萬t 常態化運用，長大列車縱向沖擊力較大，導致設備故障率高。另外，既有車輛已采用輕量化材質，提升空間少。目前，國能集團重載鐵路牽引噸位已難以提升，制約了我國“西煤東運”的發展戰略。

1 原因分析及解決思路

萬噸及以上重載組合列車的規模化開行，在有效提高鐵路運能的同時，造成機車車輛縱向力作用加大，作用于線路基礎設施的集中荷載增加、頻次增大、振動加劇，導致機車車輛設備、線路結構和部件安全儲備下降、疲勞傷損、使用壽命縮短等問題凸顯，給運輸安全帶來了挑戰[1]。

在軸重和車輛結構短時間內無法進一步提升的情況下，為進一步提升國能集團重載鐵路牽引噸位，該文在擴大列車編組方面進行突破，提出了一種貨運車組的設計思路，提升在既有條件下的牽引噸位，以達到提升運能的目標[1-2]。

目前，國能集團既有鐵路線路大列運輸有萬t（10800t）（車輛總長1296m）和2 萬t（21600t）（車輛總長2592m）2種模式，其中2 萬t 運輸僅在朔黃鐵路開行[4]。編組站場長度為1700m 和2800m 2 種，其中2800m 長度編組站場僅在朔黃鐵路。重載貨運動車組考慮國能集團所轄的大部分鐵路的線路情況，實現全線貫通運營，因此受線路站場條件的限制，考慮采用萬t 編組形式。以神朔鐵路為基礎開展分析，目前線路應用的編組模式為動力集中（非推挽），該文提出了動力集中（推挽式）、 動力分散（非推挽）、動力分散（推挽式）3種編組模式，與既有編組模式在網絡傳輸、制動/緩解同步性、ECP 傳輸和控制縱向沖動力等方面開展可行性分析。

1.1 動力集中（非推挽）

智能重載貨運動車組參考神朔鐵路既有運輸模式——動力集中非推挽式：1）2 臺國能十二軸機車+120 輛C80，如圖1 所示。2）1 臺國能十二軸機車+60 輛C80+ 1 臺國能十二軸機車+60 輛C80，如圖2 所示。

圖1 2 臺國能十二軸機車+120 輛C80 編組模式

圖2 1 臺國能十二軸機車+60 輛C80+1 臺國能十二軸機車+60 輛C80 編組模式

1.2 動力集中（推挽式）

1 臺國能十二軸機車+120 輛C80+1 臺國能十二軸機車，如圖3 所示。

圖3 1 臺國能十二軸機車+120 輛C80+1 臺國能十二軸機車編組模式

1.3 動力分散（非推挽）

1 臺4 軸動力單元（帶司機室）+20 輛C80+1 臺4 軸動力單元（不帶司機室）+20 輛C80+1 臺4 軸動力單元（不帶司機室）+20 輛C80+1 臺4 軸動力單元（不帶司機室）+20輛C80+1 臺4 軸動力單元（不帶司機室）+20 輛C80+1 臺4軸動力單元（不帶司機室）+20 輛C80，如圖4 所示。

圖4 動力分散非推挽式編組模式

1.4 動力分散（推挽式）

1 臺4 軸動力單元（帶司機室）+24 輛C80+1 臺4 軸動力單元（不帶司機室）+24 輛C80+1 臺4 軸動力單元（不帶司機室）+24 輛C80+1 臺4 軸動力單元（不帶司機室）+24輛C80+1 臺4 軸動力單元（不帶司機室）+24 輛C80+1 臺4軸動力單元（帶司機室），如圖5 所示。

圖5 動力分散推挽式編組模式

2 可行性論證分析

2.1 網絡傳輸

各通信模式下網絡傳輸距離。

2.1.1 無線傳輸

電臺傳輸方式傳輸距離為800m；LTE 傳輸方式無距離限制，由于全線須建設LTE 網絡成本較高，暫不考慮。

2.1.2 有線傳輸

WTB 總線方式傳輸距離為860m；LonWorks 總線方式傳輸距離為2700m；以太網方式通過中繼器可以實現無距離限制傳輸。

動力集中非推挽式動力單元長度約102m，網絡控制系統采用電臺、WTB、LonWorks、以太網方式，均可滿足要求，ECP 可采用LonWorks、以太網方式傳輸。一臺國能十二軸機車+60 輛C80+1 臺國能十二軸機車+60 輛C80 編組，2 個動力單元之間距離約820m，網絡控制系統可采用電臺、WTB、LonWorks、以太網方式，ECP 可采用LonWorks、以太網方式傳輸。

動力集中推挽式2 個動力單元之間距離約1540m，網絡控制系統可采用電臺、LonWorks、以太網方式，ECP 可采用LonWorks、以太網方式傳輸。

動力分散非推挽式最遠2 個動力單元之間距離約1400m，網絡控制系統可采用LonWorks、以太網方式，ECP可采用LonWorks、以太網方式傳輸。

動力分散推挽式最遠2 個動力單元之間距離約1540m，網絡控制系統可采用LonWorks、以太網方式，ECP 可采用LonWorks、以太網方式傳輸。

綜上所述，動力集中非推挽式貨運動車組網絡系統可采用無線及有線傳輸方式，動力集中推挽式和動力分散式貨運動車組網絡系統可采用LonWorks 或以太網的有線傳輸方式；ECP 采用LonWorks 或以太網方式。由于受線路LTE 限制，無線傳輸方式穩定性較差，網絡控制系統和ECP 推薦使用LonWorks 或以太網方式。

2.2 制動/緩解同步性

目前，重載長大列車的制動控制指令采用有線或無線網絡方式基本達到同步，因此制動的一致性、列車的充風/緩解時間均受制于壓縮空氣在列車管的傳播波速（一般約為300m/s），對重載長大列車來說這使循環制動的時間較長，列車制動一致性降低，降低了運行效率。

對上述4 種編組方式，在僅能通過壓縮空氣波速傳播制動指令的前提下，充風緩解時間取決于動力分散的程度，分散的動力單元相當于增加了列車管的充風和排風的口，有利于提高制動的傳播速度，提高制動的一致性，降低循環制動時間，提高運行效率[3]。

因此，動力分散推挽式相對充風/緩解時間來說是較好的選擇。

但動力分散的編組方式雖然能提高制動同步性，但依舊無法滿足長大列車的需求，隨著ECP 技術不斷完善，如果在動力分散的推挽式編組方式的同時結合ECP 技術的應用，可以有效解決相關問題。

ECP 制動指令通過電纜傳輸，速度較快，列車的制動緩解一致性非常高，同時通過車輛制動機的改進，列車管僅作為供風管，使制動時的用風量大大降低，再循環制動時間也大大減少，對提高運行效率有很大的幫助[6]。

各種編組及制動緩解傳播速度如圖6 所示。

圖6 不同編組及制動緩解傳播速度

綜上所述，4 種貨運動車組編組方式在充風/緩解同步上，動力分散推挽式具有突出優勢、縱向沖擊小，建議采用結合ECP 的動力分散推挽式編組形式。

2.3 ECP 傳輸和控制

4 種貨運動車組編組方式ECP 傳輸網絡均采用LonWorks、以太網方式傳輸，且整列車長度相當情況下，傳輸和控制可靠性能基本一致。但考慮到動力單元分散供電，可提升連接可靠性和冗余性，因此，動力分散式貨運動車組具有突出優勢。

綜上所述，動力分散式貨運動車組編組方式ECP 傳輸及控制可靠性高。

2.4 縱向沖動力

對比各編組模式，設置3 種典型工況，測試各機車車鉤力的大小。工況一在6‰坡道坡停啟動；工況二在78km/h速度下緊急制動；工況三在11‰長大下坡道上循環制動。對車鉤力最大的工況進行分析。

2.4.1 動力集中非推挽式

2 臺十二軸機車+120 輛C80，當坡停啟動時，最大車鉤力達2050kN，如圖7 所示。1 臺國能十二軸機車+60 輛C80+ 1 臺國能十二軸機車+60 輛C80，當坡停啟動時，最大車鉤力達1340kN，如圖8 所示。

圖7 2 臺十二軸機車+120 輛C80 牽引起動工況

圖8 2 臺國能八軸機車+60 輛C80+1 臺國能八軸機車+60 輛C80 牽引起動工況

2.4.2 動力集中（推挽式）

當坡停啟動時，前牽后推，最大車鉤力為1050kN，如圖9 所示。

圖9 1 臺國能十二軸機車+120 輛C80+1 臺國能十二軸機車牽引起動工況

2.4.3 動力分散（非推挽式）

當坡停起動時，最大車鉤牽引力約為410kN，如圖10所示。

圖10 動力分散（非推挽式）牽引起動工況

2.4.4 動力分散（推挽式）

當坡停起動時，最大車鉤牽引力為370kN，如圖11 所示。

圖11 動力分散（推挽式）牽引起動工況

綜上所述，動力集中非推挽式坡停起動的車鉤力最大，動力集中非推挽式次之，動力分散推挽式車鉤力最平穩[5]。

2.5 乘務員配置及效率

4 種編組模式下乘務員配置及編組/解編效率分析。

2.5.1 動力集中非推挽式

在動力集中非推挽式在既有萬噸編組模式下，需要2-3組乘務員；大列貨車車輛固定編組，對規模大的煤礦裝卸場可以進行運輸組織較快；但對規模較小的裝卸場需要進行周轉，效率較低。

2.5.2 動力集中推挽式

在動力集中推挽式在萬噸編組模式下，需要2 組乘務員；大列貨車車輛固定編組，對規模大的煤礦裝卸場可以進行運輸組織較快；但對規模較小的裝卸場需要進行周轉，效率較低。

2.5.3 動力分散非推挽式

在動力分散非推挽式在萬噸編組模式下，需要1 組乘務員；貨車車輛以“動力單元+小編組車輛”為小編組靈活組編，且可通過遙控進行牽引/制動控制，對煤礦裝卸場裝卸貨物運輸組織較快，效率較高。

2.5.4 動力分散推挽式

在動力分散推挽式在萬噸編組模式下，需要1 組乘務員；貨車車輛以“動力單元+小編組車輛”為小編組靈活組編，且可通過遙控進行牽引/制動控制，對煤礦裝卸場裝卸貨物運輸組織較快，效率較高。

綜上所述，4 種貨運動車組編組方式動力集中式需要乘務員數量多、貨物裝卸效率相對較低；動力分散式需要乘務員數量少、貨物裝卸效率較高。

2.6 日常檢查維護與應用

4 種編組模式下日常檢查與維護分析。

2.6.1 動力集中非推挽式

在動力集中非推挽式在日常檢查和維護方面，可參考現有模式，動力單元由機務段進行檢修，車輛由車輛段進行檢修，但須進行解編；也可參考動車組模式，由機務與車輛檢修人員整列進行檢修與維護。但由于司機室僅在整列車的一端，運行時須進行解編與連掛。

2.6.2 動力集中推挽式

在動力集中推挽式在日常檢查和維護方面，可參考現有模式，動力單元由機務段進行檢修，車輛由車輛段進行檢修，但須進行解編；也可參考動車組模式，由機務與車輛檢修人員檢修與維護整列。

2.6.3 動力分散非推挽式

在動力分散非推挽式日常檢查和維護方面，可參考動車組模式，由機務與車輛檢修人員檢修與維護整列。由于司機室僅在整列車的一端，因此當運行時須進行解編與連掛。

2.6.4 動力分散推挽式

在動力分散推挽式日常檢查和維護方面，可參考動車組模式，由機務與車輛檢修人員檢修與維護整列。

綜上所述4 種貨運動車組編組方式，動力集中式可參考既有檢修模式解編檢修，也可參考動車組檢修模式。動力分散式須參考動車組檢修模式進行檢修和維護。動車組檢修模式，由于無須解編，檢修和維護耗時相對較短。在運用方便性上，建議采用推挽式。

2.7 對比分析結果

根據以上幾個方面的技術論證分析，以“優”、“良”、“差”進行評價，匯總見表1。

表1 各方面技術對比表

綜上所述，動力分散推挽式貨運動車組在各方面均具有突出的技術優勢。可作為未來重載運輸的一種模式。

3 結論

隨著國民經濟快速發展，我國對重載運輸運量要求越來越高，該文提出了動力分散貨運車組方案從技術可行性、網絡傳輸、制動/緩解同步性、沖向沖動力及經濟效率方面有較多優勢，為重載運輸提供了一種新思路。