定压对货物列车限速及运行时分的 影响研究

0 引言

《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》(以下简称《技规》)第261条规定：旅客列车、特快及快速货物班列自动制动机主管压力为600 kPa；其他列车为500 kPa。长大下坡道区段货物列车及重载货物列车的自动制动机主管压力，由铁路局集团公司根据管内相关试验结果和列车实际操纵需要可提高至600 kPa[1]。各铁路局集团公司依据这一条款及各自线路、运输的实际情况，对局管内的货物列车制动主管压力进行进一步规定。

目前，货物列车制动主管定压实施500 kPa的有6个铁路局集团公司，分别为中国铁路沈阳、成都、上海、广州、南宁、南昌局集团有限公司；制动主管定压实施600 kPa的有5个铁路局集团公司，分别为中国铁路西安、太原、呼和浩特、乌鲁木齐局以及青藏集团有限公司；制动主管定压500 kPa与600 kPa并存的有7个铁路局集团公司，分别为中国铁路北京、哈尔滨、郑州、武汉、济南、兰州、昆明局集团有限公司。制动主管定压为500 kPa和600 kPa长期并存的局面，使部分列车在运行过程中需进行定压转换，对列车的运行效率产生了影响，同时还带来了一定的车辆抱闸风险，因而有必要开展统一定压的研究[2-3]。

由于不同的制动主管定压下，列车的最大制动力不同，每百吨列车重量换算闸瓦压力也不同。根据《技规》规定，普通货物列车在长大下坡道运行时，应按照每百吨列车重量换算闸瓦压力及下坡道坡度进行列车制动限速，故研究制动主管统一定压问题，需考虑定压变化对列车限速及运行时分的影响[4-5]。

1 换算闸瓦压力

为保证列车运行安全，必须保证列车具有足够的制动能力使之在限定的制动距离内停车，因此需要对列车的制动力进行计算校核。对于由各种不同车型混编而成的货物列车，列车制动力计算公式为

式中：B为列车制动力，kN；Bi为车辆的制动力，kN；Ki为车辆的实算闸瓦压力，kN；φki为与闸瓦压力相对应的实算摩擦系数。

在列车运用的过程中，部分车辆由于装载货物的规定，或自动制动机临时故障而导致车辆制动关门。为方便实际工作中的运用，便于车辆部门按编组逐辆统计计算列车制动力，需要以辆为单位来计算每辆货车的闸瓦制动力。

假定闸瓦摩擦系数与闸瓦压强无关，用不随闸瓦压强变化的换算摩擦系数φh代替实算摩擦系数，并将实际闸瓦压力修正为换算闸瓦压力，则每辆货车的制动力计算公式为

式中：Khi为车辆的换算闸瓦压力，kN。

我国铁路货车制动机均采用二压力机构，按照其设计原理，货车的制动缸最高压力取决于副风缸和制动缸的压力容积比。列车制动主管采用不同定压时，副风缸充满时的压力不同，从而影响制动缸压力。对于装用120阀的货车，制动主管定压为500 kPa时，最大制动缸压力为360 kPa；制动主管定压为600 kPa时，最大制动缸压力为420 kPa；而装用120-1阀的货车，在定压600 kPa条件下的最大制动缸压力达到470 ～ 480 kPa，故不同定压条件下的车辆换算闸瓦压力有所不同。《技规》第261条第20表规定了不同轴重货车分别在定压500 kPa，600 kPa下的每辆换算闸瓦压力，所规定的不同轴重货车换算闸瓦压力如表1所示。对于不同的列车，牵引定数不同，需根据货车的每辆换算闸瓦压力、列车编组的货车类型和数量、列车牵引总重，进一步计算货物列车的每百吨换算闸瓦压力。每百吨换算闸瓦压力实际上表征了列车制动率，代表了列车的空气制动能力。

表1 货车换算闸瓦压力Tab.1 Equivalent force on brake shoes of trains

目前，我国普速铁路的货物列车均由各型货车混编而成。但是，不同轴重下的货车种类品种较多，其自重、总重不尽相同，因而需综合考虑全路数量占绝大多数的敞车、棚车、平车、罐车4种车来计算列车每百吨换算闸瓦压力。按照《技规》第259条第16表车辆重量及长度，考虑不利情况，在21 t轴重、23 t轴重、25 t轴重货车中，P65型棚车、P70型棚车、C80型敞车的自重和总重最大，而C64K和C70型敞车数量最大，因而取这几种货车分别进行计算，不同工况下的每百吨换算闸瓦压力如表2所示。

表2 不同工况下的每百吨换算闸瓦压力 kNTab.2 Equivalent force on brake shoes per 100 tons under different conditions

货车空重车调整装置对制动缸压力的调节作用并非按照货车的总重成比例调整。以定压500 kPa为例，C70型敞车空车时车辆自重23.8 t，制动缸压力为140 kPa，而重车时车辆总重为93.8 t，制动缸压力为360 kPa。因此，货车空车工况的制动率比重车工况要大得多。从表2也可以看出，重车工况比空车工况的列车每百吨换算闸瓦压力低得多。因此考虑列车制动限速时更宜采用重车工况。

对于空车工况，按最不利情况来考虑，编入列车的关门车数量为6%，每百吨换算闸瓦压力最低的车型为P65型棚车，定压500 kPa时，其值为216.9 kN，接近220 kN。重车工况下，列车无关门车时，每百吨换算闸瓦压力分别为170 kN和190 kN；考虑编入列车的关门车数量为6%，则定压500 kPa和定压600 kPa下的每百吨换算闸瓦压力分别约为160 kN和180 kN。各车型的每百吨换算闸瓦压力均满足《技规》换算闸瓦压力不得低于150 kN的要求，可据此来计算列车制动限速。

2 列车制动限速

列车在线路上的最高运行速度受到列车制动能力的影响。列车应当具有在限制的紧急制动距离范围内停车的能力，否则就需要对列车进行限速，此即为列车制动限速。当列车中存在较多的制动关门车时，列车制动率会减小，列车制动距离将相应延长；当列车处于下坡道时，由于坡道下滑力的影响，列车的制动减速度将会减小，坡度越大，则列车的制动距离也将越长[6]。因此，列车运行速度受到每百吨列车重量换算闸瓦压力及下坡道坡度限制。根据列车牵引计算[7]，列车制动距离Sz等于制动空走距离Sk与制动有效距离Se之和，其计算公式为

式中：v0为制动初速，km/h；tk为制动空走时间，s；v1，v2分别为速度间隔的初速和末速，km/h；ϑh为列车换算制动率；w0为列车运行单位基本阻力，N/kN；ij为坡道坡度，‰。

在一定的列车编组情况下，列车制动距离受到列车换算闸瓦压力、摩擦系数及坡道的影响。

根据不同定压下的每百吨列车重量换算闸瓦压力，按照列车制动距离800 m限值计算列车制动限速，可得货物列车分别以80 km/h和90 km/h运行的限速表。不同工况下的货物列车制动限速如表3所示。

表3 不同工况下的货物列车制动限速Tab.3 Speed limit of freight trains under different conditions

对于空车工况，按前述最不利情况下列车定压500 kPa下每百吨换算闸瓦压力约为220 kN，按照《技规》第21表，货车在20‰及以上坡道运行才需进行坡道限速。而从表3可以看出，在现有货车(重车)按80 km/h限速运行条件下，考虑关门车6%，定压500 kPa时列车运行在14‰下坡道才需要限速，定压600 kPa时在19‰下坡道才需要限速。根据我国现行客货共线铁路设计规范[8]，I级铁路区间线路中内燃机车和电力机车最大限制坡度困难条件下分别不大于12‰和15‰，II级铁路中内燃机车和电力机车最大限制坡度不大于15‰和20‰。因此，现有情况下货物列车按最高速度90 km/h运行，则定压500 kPa和600 kPa时分别在5‰和10‰下坡道运行时需要进行制动限速；按最高速度80 km/h运行，在国铁主要干线上则基本无需考虑长大下坡道百吨换算闸瓦压力限速。

3 列车运行时分

列车区间运行时分是列车运行图的组成要素，它是列车在两相邻车站或线路之间的运行时间标准，包括区间纯运行时分和起停车附加时分。列车运行时分受到线路的平面、纵断面条件和列车的运行速度、运行方向的影响。因此，不同定压下的列车制动限速不同，会造成列车运行时分的调整，继而影响到区间通过能力。

定压500 kPa和600 kPa的列车在平直道上的制动距离均满足限值要求，制动限速主要是由于线路中的长大下坡道造成的。从表3中的制动限速值来看，在坡度为20‰的长大下坡道上，定压500 kPa和600 kPa的列车制动限速分别为72 km/h和78 km/h。对于同一坡度值(9‰及以上)，在不同制动主管定压情况下，定压600 kPa时的限速值 比 定 压 500 kPa 高 5 ～ 6 km/h，因此影响货物列车在区间内的平均运行速度和运行时分。假定列车平均运行速度相差5 km/h，按不同坡道长度计算，不同平均运行速度下的运行时分如表4所示。

由表4计算结果可知，坡道长度越长，平均运行速度越低，列车的区间运行时间相应增加越多。平均运行速度相差5 km/h，每1 km长的长大下坡道造成的运行时分相差约为3 ～ 5 s，若长大下坡道长度为10 km，平均运行速度分别按60 km/h和55 km/h计算时，运行时分相差54 s。列车制动主管定压从600 kPa调整为500 kPa，会使长大坡道上的列车限速值和平均运行速度降低约5 km/h，但从表4中的数据可以看出，采用不同制动主管定压对列车运行时分的总体影响较小。

表4 不同平均运行速度下的运行时分 sTab.4 Running time under different average speeds

4 列车运行仿真计算

4.1 襄渝线仿真计算

襄渝线(襄阳—兴隆场)是国家Ⅰ级客货共线铁路，其中襄阳至老河口东与汉丹线共线，老河口东至重庆兴隆场全长837 km。襄渝线是典型的山区铁路，具有坡道大、曲线多、半径小的基本技术特征[9]。襄渝线长大下坡道及限速如表5所示。

表5 襄渝线长大下坡道及限速Tab.5 Long and large downhill sections of Xiangyang-Chongqing Railway and speed limit

综合襄渝线长大下坡道分布和机车交路情况，选择老河口东(K0.701)至达州(K587.832)区间进行牵引计算。采用前述计算原理计算长大下坡道的制动限速，结合襄渝线的其他类型限速、坡道、分相等线路条件，依据列车牵引计算对货物列车运行时分进行仿真[10]。上行、下行方向运行均途经全部长大坡道，列车编组采用HXD1机车牵引4 500 t(C64K型敞车)货车。襄渝线区间运行时分仿真计算结果如表6所示，襄渝线小花果至胡家营区间运行图如图1所示，图1为小花果至胡家营区间下行方向，最高运行速度80 km/h。

图1 襄渝线小花果至胡家营区间运行图Fig.1 Running chart of Xiaohuaguo-Hujiaying section of Xiangyang-Chongqing Railway

表6 襄渝线区间运行时分仿真计算结果 minTab.6 Simulation results of running time of Xiangyang-Chongqing Railway

计算结果表明，老河口东至达州区间全长587.1 km，按最高速度90 km/h运行，定压600 kPa时的运行时分与定压500 kPa时相比，下行方向运行时分相差21 s，上行方向运行时分仅相差4 s，故2种主管定压对列车全程运行时分的影响很小。

4.2 其他主要货运线路仿真计算

我国地势的总体特征是西高东低，呈阶梯状分布，造成我国铁路的困难地段主要集中于部分东西走向的线路及西部山区铁路。考虑定压变化对列车限速及运行时分的影响，结合实际线路条件，选择沪昆线(上海—昆明)、陇海线(兰州—连云)、宁西线(永宁镇—新丰镇)、太中银铁路(太原南—银川)、侯月铁路(侯马北—月山)、石太铁路(石家庄北—太原北)等主要货运线路也进行了长大下坡道研究和运行仿真分析。针对每条线路的长大下坡道计算制动限速，同样结合其他类型限速、坡道、分相等线路条件对各条线路的典型交路进行运行时分仿真，得到线路仿真计算的主要结果如下。

（1）列车按最高速度80 km/h运行时，主管定压变化不影响线路限速，不影响列车运行时分。

（2）列车按最高速度90 km/h运行，制动主管定压分别为500 kPa和600 kPa，在长大下坡道区间运行时，区间运行时分相差最多的区段为太中银铁路吴城至173线路所，区间长度27.7 km，其中长大下坡道长25 km，下行方向运行时分相差1 min 17 s；其他区间运行时分相差基本在1 min以内。长大下坡道限速对各线路运行交路的运行时分影响最多为太中银线上行方向，中鼎物流园至定边区间长492.7 km，运行时分相差4 min 6 s；其他交路上下行相差均在2 min以内。

5 结论

我国货物列车制动主管定压为500 kPa和600 kPa的局面长期并存。不同的制动主管定压会使列车每百吨换算闸瓦压力发生变化，从而影响其紧急制动距离、限速和运行时分。通过研究得出以下结论。

（1）货车按最高速度80 km/h运行条件下，定压500 kPa时在14‰及以上的下坡道才需要限速，定压600 kPa时在19‰及以上的下坡道上需要限速。而普速铁路主要线路的限制坡度均在15‰以下，因此按最高速度80 km/h运行时，定压变化带来的坡道限速不影响线路限速，不影响列车运行时分。

（2）若货车按最高速度90 km/h运行，定压500 kPa和600 kPa时分别在5‰和10‰及以上的下坡道才需要限速。但由于列车运行时分受到线路限速、坡道、分相等多重因素制约，定压变化对列车运行时分影响很小。