靖神铁路开行万吨重载列车操纵安全问题研究

Research on Handling Safety of 10 000-Ton Heavy-Haul Train Operation on Jingshen Railway

摘要

靖神铁路地处陕北高原，线路环境复杂，存在坡陡、弯急等特征；此类地形要求列车在陡坡启动、下坡制动等工况下具备精准控制能力，否则易引发溜车、脱轨等事故。为此，通过仿真技术实时分析列车-轨道相互作用力，优化操纵策略。建立列车纵向动力学仿真模型、三维耦合动力学货车编组模型，利用该模型对列车坡道启动、小半径曲线通过工况下列车操纵安全问题进行研究分析。结果表明：列车在13‰上坡道降速停车后，逐级施加牵引力进行坡道启动仿真，整个过程中列车所受拉钩力较大，达到2 238 kN，因此启动时应严格参照坡道起车操纵办法，且在实际运营中应尽可能规避坡道停车启动；列车在小半径曲线区段以初速度80 km/h进行紧急制动时，轮轴横向力最大，达到108.3 kN，接近安全限值。研究成果可为靖神铁路万吨列车的常态化安全运行提供理论支撑。

Abstract

Jingshen Railway is located in the northern Shaanxi Plateau, with a complex line environment, steep slopes, and sharp bends. This kind of terrain requires the train to have precise control ability under steep slope starting, downhill braking, and other working conditions, or otherwise it is easy to cause accidents such as car slip and derailment. Therefore, it is necessary to analyze the train-track interaction force in real time through simulation technology and optimize the operation strategy. In this paper, the longitudinal dynamic simulation model of the train and the three-dimensional coupled dynamic model of freight car marshalling were established, and the safety problems of train operation under the conditions of ramp starting and small radius curve passing were studied and analyzed by using this model. The results show that after the train stops on the ramp at 13 ‰, the traction force is applied step by step to simulate the ramp start-up. During the whole process, the hook force on the train is large, reaching 2 238 kN, so the operation method of ramp start-up should be strictly referred to when starting, and the ramp stop-start should be avoided as much as possible in actual operation. When the train carries out emergency braking at the initial speed of 80 km/h in the section with a small radius curve, the lateral force of the axle reaches the maximum, reaching 108.3 kN, which is close to the safety limit. The research results provide theoretical support for the normal and safe operation of 10 000-ton trains on the Jingshen Railway.

Graphical abstract

关键词

靖神铁路 / 万吨列车 / 安全运行 / 纵向力 / 坡道启动 / 制动 / 小半径曲线 / 轮轴横向力

Key words

Jingshen Railway / 10 000 t Train / Safe Operation / Longitudinal Force / Ramp Start / Braking / Small Radius Curve / Wheelset Lateral Force

0　引言

万吨重载列车的操纵安全是一个复杂的系统工程问题，涉及车辆、线路、信号、牵引供电、环境、管理及人的因素等多个方面。解决这一问题需要多学科交叉、产学研用结合，综合运用理论创新、技术创新、管理创新等方式方法，精确控制纵向冲动、确保制动可靠、维持运行稳定、实现人机高效协同。随着重载技术向更大轴重、更长编组发展，操纵安全问题将更加突出。

近年来开通的靖神铁路(靖边北—神木西)是浩吉铁路(浩勒报吉—吉安)的配套支线，是我国“北煤南运”战略运输通道的组成部分，其万吨重载列车的安全运行对保障能源运输效率和国家能源安全至关重要。靖神铁路地处陕北高原，环境复杂，具有坡陡、弯急等特征，最大坡度达13‰，最小曲线半径仅400 m；此类地形要求列车在陡坡启动、下坡制动等工况下具备精准控制能力，否则易引发溜车、脱轨等事故。

万吨级列车编组长、质量大，在制动和牵引过程中产生的纵向力远超普通列车；若操纵不当，可能引发断钩、车体结构疲劳等问题，因此有必要开展重载列车综合试验来分析万吨列车常态化开行的安全性，并通过仿真技术实时分析列车-轨道相互作用力，优化操纵策略。目前，国内外针对重载列车纵向动力学的理论建模、纵向冲动机理以及安全控制已开展了一些有益的研究，相关成果也逐渐被应用于铁路运营安全防护中^[1-4]。耿志修等^[5]、张波^[6]、姚小沛等^[7]、钱铭等^[8]以大秦线(韩家岭—柳村南)为背景，梳理了我国重载组合列车纵向动力学综合试验和数值仿真研究方法；分析列车管减压量、缓解速度、线路坡度、电制力、列车编组方式、Locotrol同步作用时间等因素对列车纵向动力学的影响规律和作用机理。张军^[9]运用制动系统仿真程序及列车纵向动力学仿真程序，分析了不同编组工况的制动距离，对比分析了列车的启动性能。陈雷等^[10]根据提速货车和既有装转8A型转向架的非提速货车低速通过小半径曲线及12号道岔侧线时的动力学性能测试数据，分析货车低速通过小半径曲线、道岔侧线的动力学性能。温克学等^[11]以100 m长钢轨采用换长1.5和1.3普通平车装载加固方案为例，建立长钢轨运输动力学仿真模型；对车组以不同速度侧向通过9号和12号道岔以及通过半径300 m曲线的工况进行了动力学仿真计算。

目前，靖神铁路重载列车综合试验尚未开展。因此，有必要对靖神铁路开行万吨列车面临的操纵安全问题进行研究，为靖神铁路万吨列车的常态化安全运行及未来综合试验的开展提供理论支撑。研究采用列车纵向动力学仿真软件，建立了双机单元万吨列车纵向动力学模型，模拟列车在靖神铁路长大上坡道启动、小半径曲线通过(包含正常通过、不同初速度紧急制动通过)2种特殊工况，并对结果进行分析；选取小半径曲线通过时编组中出现最大纵向压钩力的货车及其相邻的2节货车作为研究对象，在SIMPACK软件中建立这3节货车的动力学模型，将纵向车钩力作为输入进行仿真分析，探索产生最大纵向压钩力处车辆的动力学规律。

1　动力学模型及评定指标

1.1　动力学模型

1.1.1　列车纵向动力学模型

列车纵向动力学主要用来分析不同的列车编组、车辆配置、运行工况及线路条件下机车车辆间的纵向动力作用。列车纵向动力学多质点模型如图1所示。取1节车为1个分离体，整列车的自由度等于组成列车的机车车辆的总辆数。

列车纵向动力学方程^[12]形式如下。

m_{i_{}}{\ddot{u}}_i=F_{ci-\mathrm{1}}-F_{ci}-F_{wi}+F_{TEi}-F_{DBi}-F_{Bi}⑴

式中：{\ddot{u}}_i为第i车的加速度，m/s²；m_i为第i车的质量，kg；F_{ci-\mathrm{1}}为第i车的前车钩力，kN，当i=\mathrm{0}时，F_{co-\mathrm{1}}=\mathrm{0}；F_{ci}为第i车的后车钩力，kN，当i=n时，F_{cn}=\mathrm{0}；F_{wi}为第i车的总运行阻力，kN，包括等效运行阻力、坡道力、曲线阻力、起动阻力等；F_{TEi}为牵引力，kN，仅作用于机车；F_{DBi}为动力制动力，kN，仅作用于机车；F_{Bi}为第i车的空气制动力，kN。

列车纵向动力学模型中使用MT-2型缓冲器、QKX120缓冲器(弹性胶泥缓冲器)^[13-14]。

空气制动系统模型是影响列车动力学计算精度最重要的子模型之一，如果采用精确建模方法，势必会造成参数调整的困难与计算负荷的显著增大，基于专家知识与大量试验数据而建立的空气制动系统非线性解析模型则较好地保证了计算精度与计算量之间的平衡。

建立复杂的非线性纵向动力学模型后，对式⑴采用基于Newmark-β的高精度平衡迭代法进行数值求解，该方法较之目前多数的数值求解算法都具有良好的计算精度^[13]。

1.1.2　三维耦合动力学货车编组模型

在SIMPACK软件中建立货车编组模型，计算货车通过小半径曲线时的动力学响应。货车编组模型示意图如图2所示。选取3节货车模型进行仿真，在列车头部和尾部均设置一虚拟车体，即单质点模型，用于模拟纵向车钩力的传递，其中后虚拟车体设置为匀速，前虚拟车体施加前车钩力F。货车型号为C₈₀，C₈₀系列货车主要参数如表1所示。

1.2　评定指标和计算限定条件

（1）评定指标。货车运行安全性控制限度值^[15]：货车脱轨系数≤1.0(曲线半径R>400 m)；货车轮重减载率≤0.65；轮轴横向力≤110.5 kN；列车紧急制动下最大车钩力≤2 250 kN。

（2）计算限定条件。靖神铁路货物列车制动系统定压为600 kPa。计算时假定机车电制动能按照设计特性发挥。制动时，双模列尾不参与排风。轴重25 t的C₈₀车辆3节一组使用牵引杆。

2　坡道启动工况

根据靖神铁路货物列车运行的实际情况，双机单元万吨列车在郭家滩—神木西区段运行，选取该区段的典型长大上坡道作为仿真线路，即K54+544—K51+744(坡度13‰)。K54+544—K51+744区段线路纵断面图(13‰上坡道)如图3所示，CEA1型机车牵引特性曲线如图4所示。

列车由K53(此时整列车已全部位于13‰的坡道上)处始发，初速度设为30 km/h。操纵办法为：列车减速停稳后逐级施加牵引力至67％(由牵引特性曲线可知，牵引力约为2×1 140×67％=1 527.6 kN)。列车运行示意图如图5所示。

由图5可知，列车头部运行出13‰的上坡道时，速度接近15 km/h，此时列车受力已稳定；而启动过程中列车所受最大车钩力，通常为拉钩力，产生于启动过程中各种冲动的叠加，故该仿真模型可模拟出列车坡道启动过程中的最恶劣工况。坡道启动工况列车所受最大拉钩力沿车位分布如图6所示。

上坡道启动计算结果如表2所示。通过计算结果可知，列车在K53+000—K50+000区段(13‰上坡道)降速停车后，逐级施加牵引力进行坡道启动仿真，整个过程中双机单元万吨列车产生的最大拉钩力达到2 237.9 kN，出现在列车的中间偏后的位置(第67车位)，且在启动过程中第30车到第85车所受最大拉钩力均超过了2 000 kN；产生的最大压缩车钩力为1 252.3 kN，出现在靠近尾部的位置(第85车位)。

因此，列车上坡道启动时应严格参照坡道起车操纵办法^[16]，即停车前增大机车制动缸压力，停车后减压量追加至100 kPa，充分压缩车钩，起车时先缓解机车制动，在保证不发生空转的前提下逐步提牵引手柄，再缓解列车。另外，在实际运营中应尽可能地规避坡道停车启动。

3　小半径曲线工况

在郭家滩—神木西间选取长大下坡道加小半径曲线的典型区段作为仿真线路，即K27+208—K25+948(R600 m、-11‰坡道、左曲线)。K27+208—K25+948区段线路纵断面图如图7所示。在该线路上分别进行3种工况的模拟计算：①列车按80 km/h惰行通过小半径曲线区段；②初始位置K27+000，初速度分别为80 km/h，60 km/h，40km/h，施加紧急制动停车；③初始位置K26+000，初速度分别为80 km/h，60 km/h，40 km/h，施加紧急制动停车。

3.1　工况1：80 km/h惰行通过

列车按80 km/h惰行通过小半径曲线区段时，通过纵向动力学仿真可得惰行通过工况列车所受最大压钩力沿车位分布如图8所示。

由图8可知，列车惰行通过曲线时，前部所受压钩力较大，在第37车所受压钩力最大，接近650 kN，远小于2 250 kN的安全限值。选取编组中所受压钩力水平最高的第37车及其前后车辆进行轮轨三维横垂向耦合计算。惰行通过计算结果如表3所示。

由以上结果可知，第37车所受轮轨垂向力、轮轨横向力、纵向蠕滑力、轮轴横向力、脱轨系数及轮重减载率均未超过相应的安全限值。

3.2　工况2：紧急制动初始位置K27+000

列车分别以初速度80 km/h，60 km/h，40 km/h紧急制动通过R600 m小半径曲线时，K27+000处紧急制动列车所受最大压钩力沿车位分布如图9所示。

由图9可知，列车由K27+000处始发，以紧急制动的方式通过曲线时，其所受最大压钩力达到了1 425 kN，产生于中间偏后的位置，小于2 250 kN的安全限值；且随着制动初速度的降低，所受最大压钩力有增大的趋势，相比于初速度80 km/h紧急制动通过曲线，初速度40 km/h时最大压钩力增大了约12%。选取编组中所受压钩力水平最高的车位及其前后车辆进行轮轨三维横垂向耦合计算。K27+000处紧急制动计算结果如表4所示。

由以上结果可知，各车辆所受轮轨垂向力、轮轨横向力、纵向蠕滑力、轮轴横向力、脱轨系数及轮重减载率均未超过相应的安全限值，但初速度80 km/h紧急制动通过曲线时，82车的第2位轮对最大轮轴横向力达到了102.1 kN，接近110.5 kN的安全限值；列车通过左曲线时，轮轨垂向力和轮轨横向力右轮均大于左轮；最大轮轴横向力均出现在第2位轮对；最大脱轨系数均出现在第2位轮对右侧；最大轮重减载率均出现在第1位轮对。K27+000处列车以初速度80 km/h紧急制动时轮轴横向力最大值统计图如图10所示。

3.3　工况3：紧急制动初始位置K26+000

列车在K26+000处分别以初速度80 km/h，60 km/h，40 km/h紧急制动通过R600 m小半径曲线时，K26+000处紧急制动最大压钩力沿车位分布如图11所示。

由图11可知，列车由K26+000处始发，以紧急制动的方式通过曲线时，其所受最大压钩力达到了1 650 kN，产生于中间偏后的位置，更加接近2 250 kN的安全限值。随着制动初速度的降低，所受最大压钩力有增大的趋势，相比于初速度80 km/h紧急制动通过曲线，初速度40 km/h时最大压钩力增大了约10%；列车所受最大压缩车钩力同K27+000处始发相比，最大值增大了约16%。选取编组中所受压钩力水平最高的车位及其前后车辆进行轮轨三维横垂向耦合计算。K26+000处紧急制动计算结果如表5所示。

由以上结果可知，各车辆所受轮轨垂向力、轮轨横向力、纵向蠕滑力、轮轴横向力、脱轨系数以及轮重减载率均未超过相应的安全限值，但初速度80 km/h紧急制动通过曲线时，68车的第2位轮对最大轮轴横向力达到了108.3 kN，同K27+000处始发计算结果相比更加接近110.5 kN的安全限值；列车通过左曲线时，轮轨垂向力和轮轨横向力右轮均大于左轮；最大轮轴横向力均出现在第2位轮对；最大脱轨系数均出现在车辆右侧；最大轮重减载率均出现在第1位轮对。K26+000处列车以初速度80 km/h紧急制动时轮轴横向力最大值统计图如图12所示。

3.4　结果对比

不同位置轮轨作用力对比如图13所示。图13展示了列车分别在K26+000和K27+000处以40 km/h，60 km/h，80 km/h速度紧急制动通过曲线的轮轨作用力的最大值。由图13可知，随着速度的提高，最大轮轨垂向力、轮轨横向力和轮轴横向力有所增大，纵向蠕滑力变化不明显。速度为80 km/h时，在K26+000和K27+000处紧急制动的最大轮轨垂向力分别达到了265 kN和256 kN，在K26+000和K27+000处紧急制动的最大轮轴横向力分别达到了108.3 kN和102.1 kN。

不同速度下轮轨作用力对比如图14所示。由图14可知，在不同位置的轮轨垂向力、轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数及轮重减载率均随着速度的提高而增大，且无纵向力的指标要略小于紧急制动下的指标。其中在K26+000处紧急制动的轮轨垂向力、轮轨横向力和轮轴横向力略大；2种制动位置的蠕滑力区别不大，均在33 kN左右；脱轨系数和轮重减载率在K26+000处较大，但未超过限值。

4　结束语

重载列车在上坡道启动时，操作不当易产生较大的拉钩力。因此，列车上坡道启动时应严格参照坡道起车操纵办法，即停车前增大机车制动缸压力，停车后减压量追加至100 kPa，充分压缩车钩，起车时先缓解机车制动，在保证不发生空转的前提下逐步提牵引手柄，再缓解列车。另外，在实际运营中应尽可能地规避坡道停车启动。重载列车在小半径曲线(≤600 m)区段进行紧急制动时，产生的轮轴横向力较大，接近安全限值。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2024T011)

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2024YJ038)

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心横向课题(SYF2021SJ054)