地铁列车在长大下坡道上安全运行的方案分析

唐建明

(中国南车集团 南车南京浦镇车辆有限公司 动车设计部， 江苏南京 210031)



地铁列车在长大下坡道上安全运行的方案分析

唐建明

(中国南车集团 南车南京浦镇车辆有限公司 动车设计部， 江苏南京 210031)

基于南京地铁宁和城际项目的实际线路特点，分析地铁列车在该长大下坡道上施加小制动力确保安全运行的方案，并通过制动计算、热容量计算和试验的方法来验证方案的可行性。

地铁； 长大下坡道； 小制动

地铁列车凭借其安全、快捷、舒适、环保的特点，在现代城市快速发展中成为了不可或缺的交通工具，各大中城市对其规划建设越来越多，地铁列车所需要适应的线路条件也越来越复杂。露天的长大下坡道和曲线连接路段在雨雪、霜冻天气下会使得轮轨可用黏着显著下降，对地铁列车快速、安全的运营提出了严峻的考验。本文将对南京地铁宁和城际项目的长大下坡道线路，做安全运行方案的探讨。

1　地铁线路和车辆概况

1.1线路概述

宁和城际项目左线朱石路站至生态科技园站为高架线路，其纵断面参数如图1所示。在接近生态科技园站前，车辆将连续经过2个下坡道，分别是从ZCK21+125开始的坡度为5.9‰，长度为1 542 m的坡道1；坡度为34.8‰，长度为698.093 m的坡道2(即长大下坡道)。另外，在坡道2中还有一个S型曲线，一个曲线半径约为R350 m，另一个曲线半径约为R450 m。

根据GB 50157-2013《地铁设计规范》对线路条件的要求：

(1) 正线的最大坡度不宜大于30‰，困难地段可采用35‰，出入线、联络线和特殊地形地区段的最大坡度不宜大于40‰。可见宁和城际项目该段长大坡道路段已属于线路地形困难地段。

(2) 根据该地铁设计规范并结合实际线路可知，在正常情况下，允许未被平衡横向加速度为0.4 m/s2，当曲线超高为120 mm时，最高速度限制应按式(1)计算，

(1)

式中v1为列车限速值(km/h)；

R为曲线半径(m)；

由此，可得v1=73 km/h

并结合曲线超高值计算，

h=11.8(v2)2/R

(2)

式中h为超高值,mm；

v2为列车限速值,km/h；

R为曲线半径,m；

当曲线超高设置为120 mm时，可得v2=59.6 km/h。

综上可以得出，地铁列车在进入与离开R350 m曲线时(曲线超高120 mm)必须保证列车速度不高于59 km/h。

1.2车辆概述

1.2.1车辆编组

-TC* MP* M= M* MP* TC-

TC：带司机室的拖车；

MP：带受电弓的动车；

M：不带受电弓的动车；

-：表示全自动车钩；

*：表示半永久牵引杆；

=：表示半自动车钩；

1.2.2列车基本性能参数

列车结构速度 ≥135 km/h

最大运行速度100 km/h

计算用制动黏着系数0.14～0.16

制动时冲击极限≤0.75 m/s3

常用制动平均减速度(100 km/h～0) ≥1.0 m/s2

紧急制动平均减速度(100 km/h～0)≥1.2 m/s2

2　方案分析

由于坡道1的坡度仅为5.9‰，地铁列车在该下坡道上可正常运行。

当车辆在长大下坡道上运行时，其重力在坡道方向的分力将产生下滑加速度，如图2。其产生的坡道下滑加速度值与坡度的关系为式(3)：

a=gα=9.81×0.0348≈0.34 m/s2，

(3)

式中a为重力加速度瞬时减速度值；

g为重力加速度常量9.81 m/s2；

α为坡度值。

图2　列车坡道受力分析

由于在长大下坡道末端存在曲线半径为R350 m的路段，列车在进入该路段时其运行速度须控制在59 km/h以内，而列车在该长大下坡道上运行时，始终受到重力沿坡道方向的分力F1而产生0.34 m/s2加速度，如果列车在此期间不施加制动，以惰行方式通过，则其进入长大下坡道的初速度需控制在v0以下，才能确保曲线路段限速59 km/h的要求，

(4)

式中v0为进入长大下坡道的初速度；

a为重力加速度沿坡道分力产生的瞬时加速度值；

S为长大下坡道距离；

v2为曲线路段限速值。

如此需要列车在坡道1上将运行速度调至27 km/h以下，从而导致列车运行限速过低，影响整个线路运营能力。而根据GB 50157-2013《地铁设计规范》的要求，设计最高运行速度为80 km/h的系统，旅行速度不宜低于35 km/h；设计最高运行速度大于80 km/h的系统，列车旅行速度应相应提高。因此，需要列车在此区段施加制动力，实现相应的制动减速度，克服车辆由于重力沿坡道方向产生的加速度，以提高列车在该区段的运行速度，提高运营能力。

该长大下坡道路段为露天高架线路，其轮轨黏着易受外界条件的影响(如雨雪、霜冻天气等)，因此施加的制动力不能过大，以避免列车出现打滑，擦伤车轮。

根据上述分析，为保障列车运行的安全和运营能力，又不至于列车控制过于复杂而增加风险和建造成本，确定列车在长大下坡道上运行时始终施加一个小制动，产生的小制动力正好克服列车受到重力沿坡道方向的分力f1，使列车恒速通过长大下坡道。由于在整个长大坡道上一直施加着小制动力，小制动时间较长，在考虑制动力大小、车轮防滑的前提下还需考虑制动闸片和制动盘的热容量负荷。

下面，我们将从制动计算和热容量计算来分析小制动方案。

2.1制动计算

根据宁和城际项目列车在各载荷下的车重，可计算出列车在长大坡道上重力沿坡道的分力f1=mgsinα：(仅列出半列编组见表1，另一半与此对称，下同)

表1　列车在长大坡道上重力沿坡道的分力

由于小制动力分为电空混合制动方式和纯空气制动方式，我们将进行对比分析。

(1) 电空混合制动

电空混合制动的制动力分配原则是优先使用电制动，电制动力不足的时候由空气制动补充，由于所需总的制动力较小，对于4M2T的6辆编组地铁列车，其电制动能力FED在AW0、AW2、AW3载荷下能提供的电制动力分别为240，300，300 kN，因此当有电制动力参与时，电制动能力完全满足总制动力需求，而不需要补充空气制动。由μ=F1/(4 mg)，计算各车制动所需轮轨黏着见表2。

表2　各车制动所需轮轨黏着系数

(2) 纯空气制动

纯空气制动的制动力分配原则是总的制动力需求在所有车辆上平均分配，由μ=F/(6mg)，计算各车制动所需轮轨黏着见表3。

表3　各车制动所需轮轨黏着系数

(3) 1/4电制动故障的电空混合制动

当某辆动车故障时，其电制动不可用，则该动车视为拖车处理，但电制动能力仍然满足总制动动力需求，由μ=F/(3mg)，计算各车制动所需轮轨黏着见表4。

表4　各车制动所需轮轨黏着系数

由此看出，电空混合制动所需要的最大轮轨黏着约为0.052，纯空气制动所需的最大轮轨黏着约为0.035，1/4电制动故障的电空混合制动所需的最大轮轨黏着约为0.07，3种制动方式所需轮轨黏着均小于最恶劣的日本潮湿轨道黏着要求，见图3，其中速度为60 km/h时，可用的最差轮轨黏着为0.094。此外，目前大多数地铁项目要求的许用计算黏着为0.14～0.16，根据最新的轮轨黏着特性试验研究结果，当轮轨湿滑时，其轮轨黏着相比干轨工况下降约50%，即湿轨可用黏着为0.07～0.08，满足小制动轮轨黏着需求。因此施加该种小制动力理论上不会出现滑行情况。

图3　速度-黏着关系

2.2热容量计算

采用电空混合的小制动时，由于电制动能力完全满足总制动力需求，而无需空气制动参与，因此只需考虑纯空气制动的小制动方案中基础制动的热容量能力是否满足要求。

南京地铁宁和城际项目的基础制动装置均采用轮盘制动，制动盘类型为WMD 640/350-21P，制动盘材质为灰口铸铁(GCI)，制动闸片类型为Organic UIC 400×24 cm2，其理论设计热负荷能力为300℃。

考虑最恶劣的AW3载荷工况下，初始环境温度为40℃，列车以59 km/h恒速运行700 m，期间始终施加大小为F1的制动力，列车运行时间t=700/(59/3.6)=42 s，通过热容量计算出来的制动闸片的温升远低于其设计热负荷要求300℃，见图4。

图4　热容量计算结果

因此，无论采用电空混合的小制动制动方案还是纯空气制动的小制动方案，其热容量均满足要求。

3　试验验证

3.1防滑试验

地铁列车的防滑保护系统(WSP)通常按照UIC 541-05-2005《制动机部件制造规程 车轮防滑保护装置》的规定进行相关的试验验证。根据该标准中第2章“WSP认同测试”，通过在轨面喷洒按照标准要求调配的滑行液，可模拟所需要的0.05～0.08之间的轮轨黏着系数，以模拟雨雪、霜冻等恶劣天气对轮轨黏着造成的破坏，从而验证列车在低轮轨黏着条件下施加小制动时是否发生滑行。

因该项目的司机控制器手柄为无级位制动形式，试验前需首先明确施加小制动时司机控制器手柄的位置。列车以低速运行(如40 km/h)，然后施加制动力使列车减速，然后制动力逐渐增大，同时通过制动维护软件记录整个过程的试验数据，并找出所需要的小制动力对应的制动缸压力。司机根据制动缸压力大小确定司机控制器手柄的位置，并做好记号。

在列车运行方向的TC车车头安装电动洒水车喷洒滑行液，当列车加速到一定速度后开始喷洒，并施加全常用制动(制动减速度约1.0 m/s2)，直至列车停车。通过制动维护软件记录整个制动过程的试验数据，如图5所示，从图中可看出各轴滑行深度超过目标值，制动控制单元通过控制制动缸压力来进行防滑控制，并将滑行深度控制在了目标范围内，该试验验证了防滑保护装置功能正常。

图5　全常用制动防滑测试

列车加速至70 km/h，并保持该速度恒速行驶，当列车整车进入试验线路时司机立即将司机控制器手柄拉至小制动位置，列车减速直至停车。通过制动维护软件记录整个制动过程的试验数据，如图6、图7所示。

图6　电空混合小制动防滑测试

从测试结果来看，电空混合的小制动和纯空气制动的小制动在轮轨条件很差(轮轨黏着约0.05～0.08)的情况下均未发生打滑现象。

3.2热容量试验

热容量试验的外界环境温度约为35℃，将列车加速至60 km/h并以该速度进入长大下坡道，司机立即将司机控制器手柄拉至小制动位置，同时通过温度传感器实时记录TC车和MP车制动盘和制动闸片的温度，此过程持续45 s，测试结果如图8所示：

图7　纯空气制动的小制动防滑测试

图8　小制动方案热容量测试

从测试结果来看，温升最高的是MP车的制动闸片，最高温度为89℃，远低于其设计热负荷要求300℃。(由于试验环境的差异，如试验当天风力较大，利于闸片散热，试验结果与理论计算有一定差异。)

4　结　论

通过制动计算、热容量计算及相应的试验验证，可以看出采用电空混合的小制动方案(即使一辆动车电制动故障)和纯空气制动的小制动通过长大下坡道方案均满足各项性能要求，具备可行性。使用纯空气的小制动方案虽然需求的轮轨黏着更小，但考虑到纯空气制动会额外造成制动闸片与制动盘的长时间磨耗，相比电空混合的小制动约增加1%～3%的闸片磨耗量，从而增加运营成本。因此，本着充分利用电制动，降低闸片磨耗的原则，在长大下坡道区段可优先使用电空混合的小制动，如果出现打滑现象，并在一定时间内(2～3 s)无法纠正，此时将切断电制动，由空气制动接管补偿，实施纯空气制动的小制动，空气制动平均分配到所有车辆进行制动补偿，以使得所有车辆均可获得最大可利用的黏着。

正常情况下，在长大下坡道上运行时可完全由信号系统控制施加小制动，同时，在司机台上设置小制动触发按钮，以便信号控制系统出现故障时，司机可以在长大下坡道上手动施加小制动，从而确保行车安全。

[1]GB 50157-2013.地铁设计规范[S].

[2]UIC 541-05-2005.制动机部件制造规程 车轮防滑保护装置[S].

[3]申鹏,宋建华,王海洋,等.环境条件对轮轨黏着特性影响的试验研究[J].铁道学报,2011,35(5)：26-29.

Analysis of Safe Operation of Metro on the Long and Steep Downgrades

TANG Jianming

(CSR Nanjing Puzhen Rolling Stock Co., Ltd., Nanjing 210031 Jiangsu, China)

According to the characteristics of Nanjing Ninghe subway project, this paper analyses operation scheme of metro that ensure safety on the long and steep downgrades by applying small brake, and verify the feasibility through the braking calculation, heat capacity calculation and test.

metro; long and steep downgrades; small brake

1008-7842 (2016) 01-0114-05

��)男，工程师(

2015-07-20)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.29