環(huán)境溫度升高對重載列車管壓波動及制動力的影響分析

王 剛，宋逸飛，于永生，盧小永

（大秦鐵路股份有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，太原 030024）

大秦線是我國第一條電氣化重載運(yùn)煤專線，每 日 大 量 開 行2 萬t 重 載 組 合 列 車［1］。2 萬t 重 載組合列車采用“HXD1+HXD1”的牽引模式，共牽引C80車輛210 輛。列車管是重載列車進(jìn)行空氣制動調(diào)速的關(guān)鍵部件，貫穿整列重載組合列車。在極長的編組模式下，列車管容易受到環(huán)境溫度變化影響產(chǎn)生波動。如果列車管壓力波動較大引起初制動時(shí)減壓量偏大，會造成制動力增大，在緩解時(shí)極易引起大的縱向沖動，影響行車安全。目前為防止減壓量過大引起縱向沖動，在列車管減壓量超過55 kPa 時(shí)，重載組合列車需要停車緩解，這對運(yùn)輸組織造成了很大的影響。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，大秦線在試閘區(qū)段和某隧道附近發(fā)生多起重載組合列車停車緩解事件，其中某隧道附近發(fā)生的停車緩解事件主要集中在冬季（1~3月）。對機(jī)車6A 設(shè)備在機(jī)車走行部布置的溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在這些事件發(fā)生時(shí)，環(huán)境溫度均有升高的趨勢。

1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

大秦線2022 年上半年發(fā)生的重載組合列車初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解多數(shù)發(fā)生在試閘區(qū)段以及某隧道附近。在試閘區(qū)段發(fā)生的初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解事件統(tǒng)計(jì)情況見表1，由表1 可以看出，在此處發(fā)生初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解跟季節(jié)關(guān)聯(lián)性不大，但對具體發(fā)生初制動減壓量偏大停車緩解的車次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)多數(shù)發(fā)生在中午時(shí)刻。

表1 1 月~6 月大秦線試閘區(qū)段初制動減壓量偏大停車緩解統(tǒng)計(jì)

2022 年上半年大秦線某隧道處發(fā)生的因初制動減壓量偏大導(dǎo)致重載組合列車停車緩解事件的統(tǒng)計(jì)情況見表2，由表2 可以看出，1~3 月某隧道附近發(fā)生的初制動減壓量偏大停車緩解占了多數(shù)，4~6 月發(fā)生的總數(shù)及占比均有明顯下降，表現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)性。

表2 1 月~6 月大秦線軍都山隧道附近初制動減壓量偏大停車緩解統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)大秦線2022 年6 月發(fā)生的初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解共計(jì)24 趟車的保壓試驗(yàn)漏泄情況，發(fā)現(xiàn)20 趟漏泄速率為0 kPa/min，3 趟漏泄速率為0.3 kPa/min，1 趟漏泄速率為1 kPa/min，平均漏泄速率為0.08 kPa/min。發(fā)生初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解的列車絕大多數(shù)漏泄情況良好，并非因列車管漏泄造成減壓量偏大。

1.1 線路情況分析

大秦線試閘區(qū)段位于大同縣至陽原縣之間，地勢平坦開闊，線路處于下坡道。

大秦線某隧道附近冬季（1~3 月）發(fā)生數(shù)起初制動減壓量偏大導(dǎo)致重載組合列車停車緩解事件，此位置對應(yīng)大秦線第二個(gè)循環(huán)制動區(qū)段的第一把閘。對線路縱斷面信息查看可知，此次制動剛好位于軍都山隧道內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 隧道處制動區(qū)段縱斷面圖

相關(guān)研究表明，華北地區(qū)隧道內(nèi)溫度有較強(qiáng)的季節(jié)性，隧道口區(qū)段最低溫度從1~5 月約升高30 ℃，隧道中間區(qū)段最低溫度從1~5 月約升高9 ℃。

冬季隧道內(nèi)氣溫呈隧道口低、隧道中間高的分布趨勢，夏季呈隧道口高、隧道中間低的分布趨勢［2］，即隧道內(nèi)“冬暖夏涼”。隧道口區(qū)段受外界環(huán)境溫度影響比較大，隧道中間區(qū)段受外界環(huán)境溫度影響比較小。當(dāng)隧道長度達(dá)3 000 m，1 月最寒冷時(shí)隧道中間區(qū)段溫度與隧道口區(qū)段溫度最高溫差可達(dá)約25 ℃。

1.2 機(jī)車記錄數(shù)據(jù)分析

大秦線的重載組合列車采取定壓為600 kPa，緩解時(shí)一般均衡風(fēng)缸壓力為598~602 kPa，列車管壓力為593~596 kPa，列車制動時(shí)，均衡風(fēng)缸與列車管壓力均減至約545 kPa，均衡風(fēng)缸減壓量約55 kPa，列車管減壓量約50 kPa。為了防止制動力過強(qiáng)導(dǎo)致緩解時(shí)產(chǎn)生較大的縱向沖動危及行車安全，在大秦線重載組合列車的列車管減壓量超55 kPa 時(shí)，規(guī)定必須停車緩解。

對大秦線發(fā)生在某隧道處初制動減壓量偏大導(dǎo)致停車緩解的某一趟車主控機(jī)車記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該趟車在某隧道附近初制動時(shí)均衡風(fēng)缸與列車管的減壓情況如圖2 所示。可以看出，在減壓前，均衡風(fēng)缸的壓力穩(wěn)定在601 kPa，從6∶38 進(jìn)入隧道開始至6∶48 列車管的壓力，逐漸從594 kPa 升高至602 kPa，升高8 kPa。制動結(jié)束后，均衡風(fēng)缸壓力約為546 kPa，減壓量為55 kPa；列車管壓力約為545 kPa，減壓量為57 kPa。

圖2 軍都山隧道處某趟重載組合列車列車管與均衡風(fēng)缸壓力變化示意圖

機(jī)車走行部設(shè)有環(huán)境溫度傳感器記錄了對應(yīng)時(shí)刻的環(huán)境溫度變化情況，如圖3 所示。從6∶38列車進(jìn)入隧道開始至6∶48，傳感器記錄的環(huán)境溫度從-5 ℃升至1 ℃，升溫6 ℃。

圖3 軍都山隧道處某趟重載組合列車走行部采集環(huán)境溫度示意圖

由于上升的環(huán)境溫度向列車管中的壓力空氣傳遞較為緩慢，滯后于本身的溫升，另外在溫度傳遞過程中還會有一部分的能量損耗，且在機(jī)車進(jìn)入隧道時(shí)，還有部分車輛未進(jìn)入隧道，列車管所處環(huán)境溫度并非完全相同，因此列車管中壓力空氣的實(shí)際溫升并不會達(dá)到傳感器記錄的溫升那么大，造成的壓力升高不會達(dá)到理論計(jì)算值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在冬季軍都山隧道內(nèi)設(shè)備監(jiān)測的環(huán)境溫度一般升高5~7 ℃，列車管壓力升高4~6 kPa。

隨著季節(jié)變化，隧道外環(huán)境溫度升高，隧道內(nèi)外溫差逐漸減小，在隧道附近發(fā)生的初制動減壓量偏大現(xiàn)象減少很多。在試閘區(qū)段發(fā)生的減壓量偏大與季節(jié)無關(guān)聯(lián)性，但很大一部分發(fā)生在接近中午時(shí)刻。

在試閘區(qū)段附近發(fā)生減壓量偏大的某趟列車始發(fā)站發(fā)車至試閘區(qū)段初制動時(shí)主、從控機(jī)車列車管壓力及走行部監(jiān)測的環(huán)境溫度趨勢如圖4 所示。主控機(jī)車走行部記錄環(huán)境溫度從17 ℃升至24 ℃，升溫7 ℃，列車管壓力從594 kPa 升至600 kPa，上升6 kPa；從控機(jī)車走行部記錄環(huán)境溫度從17 ℃升至24 ℃，升溫7 ℃，列車管壓力從592 kPa 上升至600 kPa，上升8 kPa。在正常初制動列車管減壓至545 kPa 時(shí)，列車管的減壓量為55 kPa。

圖4 試閘區(qū)段處某趟重載組合列車主、從控機(jī)車列車管壓力及環(huán)境溫度變化示意圖

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在接近中午時(shí)，試閘區(qū)段處環(huán)境溫升一般為3~9 ℃，引起的列車管壓力上升約3~9 kPa。6 月大秦線重載組合列車在試閘區(qū)段發(fā)生減壓量偏大的環(huán)境溫度變化與管壓變化散點(diǎn)圖如圖5 所示。

圖5 6 月份試閘區(qū)段環(huán)境溫升及列車管壓力升高散點(diǎn)圖

由上述分析可以看出，環(huán)境溫度升高引起的列車管壓力升高在列車初制動減壓時(shí)，會疊加在原有的減壓量上，即原列車管從約595 kPa 減壓至約545 kPa，溫度升高后，列車管從約（595+Δ溫度引起壓力變化）減 壓 至 約545 kPa，減 壓 量增大。

2 理論計(jì)算

理想氣體狀態(tài)方程（Ideal Gas Law）是描述理想氣體在處于平衡態(tài)時(shí)，壓強(qiáng)、體積、溫度之間關(guān)系的狀態(tài)方程。理想氣體是人們對實(shí)際氣體簡化而建立的一種理想模型，理想氣體具有以下2 個(gè)特點(diǎn)：

（1）分子本身不占有體積。

（2）分子之間無相互作用力。

實(shí)際應(yīng)用中把溫度不太低、壓強(qiáng)不太高條件下的氣體可以近似看作理想氣體。

理想氣體狀態(tài)方程建立在波義爾—馬略特定律、查理定律、蓋—呂薩克定律的基礎(chǔ)上，由法國科學(xué)家克拉珀龍于1834 年提出，因此又稱克拉珀龍方程。理想氣體狀態(tài)方程為式（1）：

式中：p為壓強(qiáng)，Pa；V為氣體體積，m3；T為溫度，K；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；R為摩爾氣體常數(shù)，J/mol?K，一般取值8.31。

對于密閉空間內(nèi)的氣體來說，氣體體積V與氣體的物質(zhì)的量n為常數(shù)，摩爾氣體常數(shù)R也為常數(shù)，此時(shí)溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系為式（2）：

壓強(qiáng)p與溫度T成正比，溫度越高，壓強(qiáng)越大，溫度越低，壓強(qiáng)越小。

對于重載組合列車的列車管而言，在緩解充風(fēng)結(jié)束之后，不考慮列車管漏泄，列車管內(nèi)空氣的物質(zhì)的量n維持不變，列車管的總體積V維持不變，摩爾氣體常數(shù)R維持不變，由此可得式（3）：

式 中：p為壓強(qiáng)，Pa，T為溫度，K，轉(zhuǎn)換為℃為式（4）：

大秦線重載組合列車列車管定壓為600 kPa，當(dāng)溫度從25 ℃升至26 ℃時(shí)，根據(jù)上式計(jì)算得管壓從600 kPa 上升至602.01 kPa，上升2.01 kPa。當(dāng)溫度從0 ℃升至1 ℃時(shí)，根據(jù)上式計(jì)算得管壓從600 kPa 上升至602.20 kPa，上升2.20 kPa。

在列車管定壓600 kPa 不同起始溫度升高1 ℃時(shí)，列車管壓力升高數(shù)值統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 列車管定壓600 kPa 時(shí)不同起始溫度升高1 ℃時(shí)管壓變化統(tǒng)計(jì)

在列車管定壓600 kPa，起始溫度為25 ℃，升高不同溫度時(shí)，列車管壓力升高數(shù)值統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 列車管定壓600 kPa，起始溫度為25 ℃，升高不同溫度時(shí)管壓變化統(tǒng)計(jì)

由上述表3、表4 可以看出，溫度升高1 ℃，列車管壓力約升高2 kPa。

現(xiàn)實(shí)情況中，實(shí)際列車管管壓升高數(shù)值小于理論計(jì)算數(shù)值，這由以下幾點(diǎn)原因造成：

（1）上升的環(huán)境溫度向列車管中的空氣傳遞是一個(gè)緩慢的過程，滯后于環(huán)境本身的溫度上升，列車管的溫度上升過程中其溫度低于環(huán)境溫度。

（2）列車管并非完全密閉的空間，或多或少存在漏泄情況，這在一定程度上減小了管壓上升幅度。

（3）理想氣體狀態(tài)方程是理想環(huán)境中得出，現(xiàn)實(shí)環(huán)境與理想環(huán)境還存在差異，溫度升高到壓力升高的過程中還有能量損耗。

3 列車管壓波動對制動力的影響分析

列車管與副風(fēng)缸的壓力在沒有到達(dá)足夠的減壓量時(shí)，二者相等。制動時(shí)候，進(jìn)入制動缸內(nèi)的空氣是由副風(fēng)缸與列車管壓力平衡時(shí)副風(fēng)缸排出的［3］，根據(jù)列車管、副風(fēng)缸、制動缸3 者之間的壓強(qiáng)關(guān)系推導(dǎo)得到式（5）：

式中：pz為制動缸空氣壓力，kPa；VF為副風(fēng)缸容積，L；VZ為制動缸容積；r為列車管的減壓量。對于120-1 型制動機(jī)，副風(fēng)缸容積為50 L，制動缸尺寸為254×305 mm（直徑×行程），容積為11.3 L，由此得到式（6）：

當(dāng)正常列車管減壓50 kPa 時(shí)，由上式計(jì)算制動缸壓力為121 kPa。當(dāng)列車管減壓量達(dá)到55 kPa時(shí)，制動缸壓力為143.1 kPa。

實(shí)際計(jì)算閘瓦壓力K應(yīng)考慮制動倍率及制動傳動效率［4］，即為式（7）：

制動缸活塞桿推力P（單位：kN）為式（8）：

式中：pz為制動缸中空氣壓力，kPa；dz為制動缸直徑，m。

C80B型敞車的制動倍率為7.3，按TB/T 1407.1—2018《列車牽引計(jì)算》規(guī)定：貨車閘瓦制動的傳動效率取值0.90（90%），實(shí)際經(jīng)車輛段閘瓦壓力試驗(yàn)測得傳動效率只能達(dá)到約50%，這里取50% 更接近現(xiàn)場實(shí)際值。1 輛C80B型敞車的閘瓦總壓力可由上述公式計(jì)算得到。

當(dāng)列車管減壓量為50 kPa 時(shí)，1 輛C80B型敞車的閘瓦總壓力為22.38 kN，當(dāng)列車管減壓量為55 kPa 時(shí)，1 輛C80B型敞車的閘瓦總壓力為26.47 kN。

列車制動時(shí)，在輪軌間保持靜摩擦和忽略車輪回轉(zhuǎn)慣性的情況下，制動力在數(shù)值上可以認(rèn)為等于閘瓦摩擦力，即為式（9）：

式中：B為制動力；K為閘瓦壓力；：?K為閘瓦摩擦系數(shù)。C80B型敞車采用高磨合成閘瓦，按照換算摩擦系數(shù)的公式可以計(jì)算出列車不同運(yùn)行速度v時(shí)的摩擦系數(shù)。速度越高，摩擦系數(shù)越低，相同的閘瓦壓力下，制動力越小。閘瓦摩擦系數(shù)為式（10）：

大秦線重載組合列車制動時(shí)速度一般為60~75 km/h，取速度70 km/h 計(jì)算，減壓量為50 kPa時(shí)，整列車制動力為1 147.40 kN，減壓量為55 kPa時(shí)，整列車制動力為1 356.97 kN。

速度為60、70 km/h 時(shí)制動，列車管減壓量為50~59 kPa 時(shí)，列 車 單 個(gè) 閘 瓦 壓 力、1 輛C80B型 敞 車閘瓦壓力、1 輛C80B型敞車制動力、整列車制動力的具體計(jì)算值見表5。

表5 速度60、70 km/h 時(shí)不同列車管減壓量對應(yīng)制動力統(tǒng)計(jì)

由表5 可以看出，列車管減壓量增大，整列車制動力隨著增大，當(dāng)減壓量達(dá)到59 kPa 時(shí)，速度70 km/h 時(shí)整列車制動力相較于減壓50 kPa 時(shí)增大377.22 kN，速度60 km/h 時(shí)整列車制動力相較于減壓50 kPa 時(shí)增大386.74 kN。實(shí)際中，受整列車各個(gè)位置制動緩解速率不同、列車管存在漏泄、閘瓦磨耗情況不同等各種因素影響［5］，列車制動力的離散性較大，與理論計(jì)算值存在一定差異。

根據(jù)大秦線多次跟蹤試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，較大的制動力會帶來較大的列車縱向作用力，尤其是在從控機(jī)車處產(chǎn)生的較大車鉤力，這會給重載列車帶來安全隱患［6］。跳鉤分離、渡板變形、軌排橫移等問題均與列車縱向沖動較大的現(xiàn)象密切關(guān)聯(lián)［7］。大秦線2 萬t 重載組合列車第二階段跟蹤試驗(yàn)研究報(bào)告中按不同初制動減壓量對列車第106 位的車鉤力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表6。這體現(xiàn)了減壓量與最大車鉤力數(shù)值的正比增長關(guān)系，減壓量每增加2 kPa，車鉤力平均值增加約170 kN。

表6 不同減壓量時(shí)車鉤力最值及平均值

4 結(jié)論及解決措施

由上述分析統(tǒng)計(jì)，可以得到以下結(jié)論：

（1）在列車運(yùn)行接近中午時(shí)刻，或在冬季經(jīng)過長大隧道時(shí)，環(huán)境溫度升高較大，列車管的壓力會隨之上升，一般在冬季，軍都山隧道內(nèi)相對于隧道外溫升為5~7 ℃，在接近中午時(shí)，大秦線試閘區(qū)段附近溫升一般為3~9 ℃。

（2）由環(huán)境溫度升高引起的列車管壓力上升在制動時(shí)會疊加在原有減壓量上，造成列車管減壓量增大，一般會引起列車管減壓量增大3~9 kPa。

（3）理論計(jì)算表明，列車制動力隨列車管減壓量增大而增強(qiáng)，當(dāng)運(yùn)行速度為70 km/h 時(shí)，減壓量為59 kPa，整列車制動力相較減壓量為50 kPa 時(shí)會增大377.22 kN。

針對環(huán)境溫度升高導(dǎo)致重載組合列車制動力增強(qiáng)的情況，可以考慮以下措施來解決：

（1）將制動地點(diǎn)做適當(dāng)調(diào)整，避開溫度變化引起管壓波動較大的位置制動。

（2）在制動力滿足列車調(diào)速需求的情況下，適當(dāng)減小初制動減壓量，避免環(huán)境溫度升高使列車管壓力升高過多。