黃問盈，孫中央

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081; 2 鄭州鐵路局 機(jī)務(wù)處，河南鄭州450052)

收納高速動(dòng)車組的《列車牽引計(jì)算規(guī)程》芻議

黃問盈1，孫中央2

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081; 2 鄭州鐵路局 機(jī)務(wù)處，河南鄭州450052)

我國開通運(yùn)營和正在建設(shè)的高速鐵路里程已雙冠全球。中國高速動(dòng)車組(CRH系列)已規(guī)模制造和廣泛采用，所以未來修訂《列車牽引計(jì)算規(guī)程》收納動(dòng)車組已是大勢(shì)所趨。動(dòng)車組與機(jī)車牽引式列車的編組不同，是動(dòng)車(M)和拖車(T)的固定編組，可以直接為列車牽引計(jì)算提供在平直道上所有運(yùn)行工況下的列車單位合力數(shù)據(jù)。由于彼此的回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)不同，高速動(dòng)車組和機(jī)車牽引式列車雖然均遵循列車運(yùn)動(dòng)方程，但具體計(jì)算列車加速度、運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行距離等公式的相關(guān)系數(shù)存在差異。此外，一些意見和建議可供未來修訂《列車牽引計(jì)算規(guī)程》參考，諸如刪節(jié)圖表、合并機(jī)車單位基本阻力公式、深入探究起動(dòng)阻力、附加阻力(曲線阻力、隧道阻力等)以及系統(tǒng)計(jì)算精度等。

高速動(dòng)車組;《列車牽引計(jì)算規(guī)程》;機(jī)車單位基本阻力;起動(dòng)阻力;附加阻力;列車制動(dòng)力;系統(tǒng)計(jì)算精度

近十年來，我國高速動(dòng)車組蓬勃發(fā)展，基本形成縱連南北、橫貫東西的網(wǎng)絡(luò)大格局。我國開通運(yùn)營和正在建設(shè)的高速鐵路里程均居全球之首。從引進(jìn)吸收到創(chuàng)新開發(fā)，我國不同速度級(jí)別的動(dòng)力分散CRH系列高速動(dòng)車組(CRH1、CRH2、CRH5、CRH3、CRH380等)已規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。由此可見，《列車牽引計(jì)算規(guī)程》以下簡(jiǎn)稱《牽規(guī)》收納高速動(dòng)車組已成大勢(shì)。

1 動(dòng)車組與機(jī)車牽引式列車牽引計(jì)算的不同

1.1 編組方式不同

無論是專線運(yùn)行還是共線運(yùn)行，高速動(dòng)車組與機(jī)車牽引式列車均屬于輪軌式鐵道列車，都是通過輪軌黏著傳遞牽引力和制動(dòng)力(非黏著制動(dòng)除外)，但是兩者編組方式具有明顯不同，高速動(dòng)車組是動(dòng)車(M)和拖車(T)的固定編組，而機(jī)車牽引式列車則是機(jī)車與車輛列(貨車或客車)的非固定編組(少數(shù)專列除外)。

1.2 牽引計(jì)算參數(shù)繁簡(jiǎn)差別

(1)機(jī)車牽引式列車牽引計(jì)算所用主要技術(shù)參數(shù)相當(dāng)廣泛(參見現(xiàn)行《牽規(guī)》［3］)。

(2)動(dòng)車組牽引計(jì)算所用主要技術(shù)參數(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單。動(dòng)車組不必考慮編組中基本牽引動(dòng)力單元的組合以及動(dòng)車與拖車的阻力和制動(dòng)力的差異(含基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤數(shù)量及材質(zhì)等細(xì)節(jié))，而直接采用列車牽引力、阻力及制動(dòng)力的試驗(yàn)結(jié)果，包括獨(dú)立使用動(dòng)力制動(dòng)(含再生制動(dòng))或空氣制動(dòng)以及復(fù)合制動(dòng)，也包括非黏著制動(dòng)(如渦流軌道制動(dòng)、磁軌制動(dòng)等)參與的更廣泛的復(fù)合制動(dòng)?；诟咚賱?dòng)車組已知的定員載客質(zhì)量，可以進(jìn)一步直接給出平直道上列車牽引、惰行和制動(dòng)(獨(dú)立制動(dòng)和復(fù)合制動(dòng))3種運(yùn)行工況下作用于列車的單位合力c0，N/kN的變化數(shù)據(jù)或曲線，具體應(yīng)用時(shí)計(jì)入相應(yīng)實(shí)時(shí)速度下的單位附加阻力(單位加算坡道阻力等)，就是相應(yīng)的作用于列車的單位合力c，N/kN。

1.3 列車運(yùn)行加速度、運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行距離的計(jì)算公

式有所區(qū)別

高速動(dòng)車組與機(jī)車牽引式列車運(yùn)行均遵循列車運(yùn)動(dòng)方程，服從導(dǎo)出的通用計(jì)算加速度、時(shí)間和距離等一系列計(jì)算公式，不過兩者的回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)γ有所差別。對(duì)此，文獻(xiàn)［9］有具體分析。我國高速動(dòng)車組都是動(dòng)力分散式電動(dòng)車組，可取γ=0.10，其他列車可取γ=0.06 (空貨物列車除外)，這樣即可推導(dǎo)出不同列車運(yùn)行的加速度(含減速度)、運(yùn)行時(shí)間和距離的具體專用公式，見表1。高速動(dòng)車組亦可參照文獻(xiàn)［8］的相關(guān)公式，根據(jù)制動(dòng)減速度的分級(jí)要求，進(jìn)行制動(dòng)控制設(shè)計(jì)。

1.4 列車保有加速度取值不同

為保證列車實(shí)現(xiàn)最高運(yùn)行速度，提升列車技術(shù)水平，又不致使列車功率浪費(fèi)，需要控制列車的保有加速度aH(列車在平直道上達(dá)到最高速度時(shí)仍具有的加速度)，文獻(xiàn)［9］推薦了計(jì)入回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)的保有加速度(1+γ)aH范圍，從而可得出不同列車(1+γ)aH的最低限值，見表2。

表1 列車運(yùn)行加速度、運(yùn)行時(shí)間和距離的計(jì)算公式

表2 各種列車的保有加速度最低限值 m·s－2

個(gè)別列車暫未能達(dá)到低限值，可以作為個(gè)案保留，但不宜因此降低相關(guān)列車整體對(duì)保有加速度低限值的門檻。

建議，核定列車質(zhì)量以保有加速度法［10-11］為基準(zhǔn)，同時(shí)，將其他核定列車質(zhì)量的方法均列入校驗(yàn)條件。

1.5 列車運(yùn)行速度曲線和時(shí)間曲線圖距離、速度和時(shí)

間參數(shù)的比例不同

盡管現(xiàn)在不必用手工按比例繪制列車運(yùn)行速度曲線v=f(S)和時(shí)間曲線t=f(S)，但列車牽引電算結(jié)果輸出打印的圖表中距離、速度和時(shí)間參數(shù)的比例也建議統(tǒng)一規(guī)范，見表3。

2 收納高速動(dòng)車組的《牽規(guī)》架構(gòu)概要

2.1 范圍及要求

2.1.1 范圍

本規(guī)程適用標(biāo)準(zhǔn)軌矩1 435 mm鐵路列車牽引計(jì)算。

本規(guī)程規(guī)定列車牽引計(jì)算方法及所用技術(shù)參數(shù)是確定列車運(yùn)行基本要素(列車質(zhì)量、速度、時(shí)間、距離以及列車能耗等)的計(jì)算依據(jù)。也是鐵路規(guī)劃、選線設(shè)計(jì)與列車布局、牽引動(dòng)力設(shè)計(jì)與合理運(yùn)用、運(yùn)輸方案選定與經(jīng)濟(jì)評(píng)估等相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。

表3 列車牽引電算結(jié)果輸出的速度v=f(S)及時(shí)間曲線t=f(S)的建議比例

2.1.2 要求

2.1.2.1 涉及的物理量單位及取值規(guī)定

2.1.2.2 列車牽引力及制動(dòng)力取值基準(zhǔn)

2.1.2.3 列車回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)規(guī)定

2.1.2.4 計(jì)入回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)的列車保有加速度低限值規(guī)定

2.1.2.5 列車牽引電算結(jié)果輸出v=f(S)及t=f(S)曲線采用比例的規(guī)定

2.2 高速動(dòng)車組牽引計(jì)算

2.2.1 各型高速動(dòng)車組最高速度、列車編組、基本動(dòng)力單元、列車功率、列車質(zhì)量與全長等基本數(shù)據(jù)。

2.2.2 各型高速動(dòng)車組牽引力、基本阻力與制動(dòng)力(獨(dú)立制動(dòng)與復(fù)合制動(dòng))

2.2.3 平直道上作用于各型動(dòng)車組的單位合力(牽引、惰行及多種制動(dòng)工況)

2.2.4 列車附加阻力

2.2.5 列車運(yùn)行時(shí)間和距離的計(jì)算以及加(減)速度的核定(含線路數(shù)據(jù)處理以及制動(dòng)計(jì)算)

2.2.6 列車質(zhì)量的核算

2.2.7 列車能耗的核算

2.3 機(jī)車牽引式列車牽引計(jì)算(略)

3 相關(guān)問題的探討與商酌

3.1 《牽規(guī)》與《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《技規(guī)》)的關(guān)系

《技規(guī)》是鐵路技術(shù)管理的基本法規(guī)。鐵路各部門、各單位制定的規(guī)程、規(guī)范、規(guī)則、細(xì)則、標(biāo)準(zhǔn)和辦法等，都必須符合《技規(guī)》的規(guī)定。從1950年1月第1版開始，《技規(guī)》均以原鐵道部令頒布，并由中國鐵道出版社(原人民鐵道出版社)公開出版發(fā)行。

《牽規(guī)》屬二級(jí)法規(guī)，1957年我國鐵路首版《牽規(guī)》(《蒸汽機(jī)車牽引計(jì)算規(guī)程》［1］1958年5月1日)亦由原鐵道部令公布施行(鐵機(jī)運(yùn)余(57)字第242號(hào))公布，由原人民鐵道出版社出版發(fā)行(1958年1月)。

理所當(dāng)然，《牽規(guī)》也必須符合《技規(guī)》)的規(guī)定。首版《牽規(guī)》［1］中運(yùn)用中的機(jī)車車輛每軸計(jì)算閘瓦壓力，應(yīng)按《技規(guī)》的機(jī)車車輛每軸閘瓦壓力表查用之的條文，該處計(jì)算閘瓦壓力就是以后采用的換算(及進(jìn)一步二次換算的等效)閘瓦(片)力，只是每軸后來擴(kuò)大到每臺(tái)(輛)?？紤]到多軸(6軸以上)特種長大貨車以及輕型貨車(軸重18 t及其以下)的存在，須另行處理，或提供換算閘瓦壓力(kN/t)(單位質(zhì)量的換算閘瓦力)以便使用，1982年第2版《牽規(guī)》［2］為了查用方便，從《技規(guī)》)移植列入機(jī)車每臺(tái)(輛)換算閘瓦力表，1998年第3版《牽規(guī)》均有規(guī)定。必須指出，修訂《技規(guī)》及《牽規(guī)》均涉及此表，所以務(wù)必一致。

由于歷史原因，1982年第2版《牽規(guī)》被列入鐵標(biāo)TB 1407－82，并延續(xù)到1998年第3版《牽規(guī)》(TB/T 1407－1998)。時(shí)至今日，為使《牽規(guī)》緊密配合《技規(guī)》，確保高度集中的鐵道列車安全、快捷和高效運(yùn)行，理應(yīng)盡早還原《牽規(guī)》，恢復(fù)到作為規(guī)程的本來面目，由鐵路總公司公布實(shí)施，跳出《牽規(guī)》納入標(biāo)準(zhǔn)帶來的某些不必要的束縛與局限，使《牽規(guī)》更好地配合《技規(guī)》發(fā)揮其應(yīng)有作用。

3.2 《牽規(guī)》精簡(jiǎn)的可能性

十余年前，文獻(xiàn)［6］總結(jié)《牽規(guī)》演變發(fā)展時(shí)，強(qiáng)調(diào)《牽規(guī)》應(yīng)力求簡(jiǎn)練、明確、實(shí)用并綜合提出撰修《牽規(guī)》的相應(yīng)原則，在收納高速動(dòng)車組與更新補(bǔ)充機(jī)車車輛有關(guān)內(nèi)容的《牽規(guī)》大量擴(kuò)容情況下，考慮精簡(jiǎn)更有必要。

3.2.1 相關(guān)公式、數(shù)據(jù)表和曲線圖不一定在《牽規(guī)》中全部共存

可以從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，酌情刪節(jié)可去除部分，尤其是大量附圖。當(dāng)然不能簡(jiǎn)單從事，一概而論地決定取舍。

需要指出，列車或機(jī)車(車輛)性能試驗(yàn)時(shí)，隨機(jī)或分區(qū)采取相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理，得出相應(yīng)的試驗(yàn)公式或圖表，試驗(yàn)報(bào)告中的圖表與公式并存，和《牽規(guī)》的取舍不能相提并論。

3.2.2 機(jī)車牽引式列車內(nèi)容可精簡(jiǎn)之處

(1)刪節(jié)制動(dòng)力計(jì)算的實(shí)算法，至少可以刪去實(shí)算閘瓦力及制動(dòng)缸空氣壓力等細(xì)節(jié)內(nèi)容

新中國建國初期的20世紀(jì)50年代，列車采用單一的普通鑄鐵閘瓦。1957年首版《牽規(guī)》起始至今，《牽規(guī)》均未提供具體的機(jī)車車輛制動(dòng)缸直徑、制動(dòng)倍率等數(shù)據(jù)，根本無法算出實(shí)算閘瓦力，即使不厭其煩，另行尋找相關(guān)數(shù)據(jù)，逐一算出不同機(jī)車車輛實(shí)算閘瓦力，進(jìn)而求出相應(yīng)的實(shí)算摩擦系數(shù)，分類相乘，再累計(jì)相加得出列車制動(dòng)力，也無法得出統(tǒng)一的列車制動(dòng)率，這樣就難以編制也無法查用《技規(guī)》中所列出的不同列車制動(dòng)限速表。現(xiàn)在同一列車上兩種(及其以上)材質(zhì)的閘瓦(片)共存的局面相當(dāng)普遍，車輛與機(jī)車的閘瓦(片)材質(zhì)不同更為常見，更加無法采用實(shí)算法。

綜上所述，采用實(shí)算法求算列車制動(dòng)力不可為之，所以完全可以刪節(jié)其部分內(nèi)容;而采用換算法(列車中單一閘瓦)和二次換算的等效法(多種閘瓦或閘片)是必然結(jié)果。

必須強(qiáng)調(diào)，《牽規(guī)》刪節(jié)列車制動(dòng)力的實(shí)算細(xì)節(jié)與具體機(jī)車車輛基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)核算概念完全不同，也不能相提并論。

(2)機(jī)車單位基本阻力公式大合并

原則上可將各機(jī)車的單位基本阻力公式直接合并為電力機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車兩個(gè)公式，也可區(qū)分軸數(shù)、傳動(dòng)方式或速度等級(jí)的差別，最好能如文獻(xiàn)［12］所推薦的采用分析—試驗(yàn)型合并公式，無論如何，機(jī)車單位基本阻力公式宜少而不宜多。

列車單位基本阻力是車輛(貨車或客車)與機(jī)車單位基本阻力按質(zhì)量的加權(quán)平均值，而列車中機(jī)車質(zhì)量只占5%～10%左右，重載列車中機(jī)車質(zhì)量可低到3%左右。文獻(xiàn)［9］已強(qiáng)調(diào)指出，列車單位基本阻力只能在車輛與機(jī)車單位基本阻力之間，而且更接近車輛單位基本阻力的數(shù)值。列車單位基本阻力中占主導(dǎo)地位的是車輛單位基本阻力，甚為次要的機(jī)車單位基本阻力公式完全具有合并簡(jiǎn)化的條件。

車輛(尤其是貨車)類型復(fù)雜，不管采用主要車型的試驗(yàn)結(jié)果，還是數(shù)種主型貨車基本阻力加權(quán)平均得出的阻力公式，都由于機(jī)車牽引式列車的非固定編組不能確切代表適時(shí)編組的列車中貨車單位基本阻力的實(shí)際情況。由此可見，貨車單位基本阻力公式已經(jīng)是刪繁就簡(jiǎn)的“大合并”，又何必拘泥于機(jī)車單位基本阻力的“小節(jié)”。此外，隨著運(yùn)用中23 t和25 t軸重大噸位貨車的增多，貨車單位基本阻力公式也應(yīng)補(bǔ)充調(diào)整修正。

應(yīng)當(dāng)特別注意，《牽規(guī)》中機(jī)車單位基本阻力公式合并后與具體機(jī)車性能試驗(yàn)中測(cè)算輪周牽引力所用的具體機(jī)車單位基本阻力情況迥異。還有《牽規(guī)》可直接采用機(jī)車惰行單位基本阻力作為機(jī)車單位基本阻力，但在機(jī)車性能試驗(yàn)時(shí)應(yīng)區(qū)分惰行與牽引阻力［15］，總之《牽規(guī)》與機(jī)車性能試驗(yàn)兩種情況不同，不能混為一談。

3.3 尚待探究的課題

3.3.1 列車阻力部分

3.3.1.1 起動(dòng)阻力

獨(dú)立轉(zhuǎn)向架列車并非剛性系統(tǒng)，而是用車鉤緩沖裝置相連的彈—黏性系統(tǒng)，列車起動(dòng)過程(首車起動(dòng)開始到尾車起動(dòng)為止)是一個(gè)復(fù)雜過程。無論如何，列車起動(dòng)伊始就開始進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，不過從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)的列車起動(dòng)阻力高于由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)入靜態(tài)(停車過程)的基本阻力。鉸接式或全鉸接式準(zhǔn)剛性系統(tǒng)列車以及個(gè)體機(jī)車或車輛的主動(dòng)起動(dòng)或被動(dòng)起動(dòng)，起動(dòng)阻力的形態(tài)亦復(fù)相似，具體數(shù)值另論。

起動(dòng)阻力的形態(tài)歸屬有兩種意見;一種意見認(rèn)為，起動(dòng)阻力是基本阻力的一類，可稱為起動(dòng)基本阻力，用以區(qū)別運(yùn)行基本阻力;另一種意見認(rèn)為，起動(dòng)阻力包括附加阻力和基本阻力，是兩者共生阻力，或可稱為起動(dòng)復(fù)合阻力。重要的是，影響起動(dòng)阻力的因素眾多，諸如列車參數(shù)(連接方式、牽引動(dòng)力配置、軸重等)，線路參數(shù)(起動(dòng)坡度等)以及環(huán)境參數(shù)等，所以探究起動(dòng)阻力的變化規(guī)律，尋求更符合實(shí)際又相對(duì)可行的起動(dòng)阻力計(jì)算公式，尤其對(duì)貨物列車確有必要。

3.3.1.2 附加阻力

(1)曲線附加阻力

列車在曲線上的運(yùn)行速度與曲線外軌超高是相互依存的關(guān)系。原則而言，當(dāng)曲線超高引發(fā)的列車重力向曲線內(nèi)側(cè)的分力完全平衡因離心加速度引發(fā)的列車離心力時(shí)，列車就不存在未平衡的離心加速度，也就沒有曲線附加阻力的存在，不過這種幾率不多，客運(yùn)專線上高中速列車混跑或一般線路上客貨車混跑，均存在多種速度對(duì)曲線外軌超高的不同要求，但實(shí)際線路的各個(gè)曲線只能采用固定不變的相應(yīng)外軌超高(對(duì)應(yīng)折中速度)，于是就出現(xiàn)欠超高(高速度時(shí))或過超高(低速度時(shí))，造成未均衡的離心力或向心力存在，列車從而產(chǎn)生在基本阻力以外的曲線附加阻力。即使專線同一速度級(jí)別的列車運(yùn)行，通過具體曲線的上下行列車運(yùn)行速度因在進(jìn)入該曲線之前的線路縱斷面的差異而不盡相同，也難以避免曲線附加阻力的存在。

影響曲線附加阻力的因素除了列車運(yùn)行速度和曲線參數(shù)以外，還有列車(機(jī)車、車輛)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(含軸距、轉(zhuǎn)向架中心線間距、轉(zhuǎn)向架軸距、車輪滾動(dòng)圓距離等)。眾多國家采用比較簡(jiǎn)單的計(jì)算曲線附加阻力公式式中R為曲線半徑，m;我國鐵路首版及第2版《牽規(guī)》［1，2］取系數(shù)a=700，第3版《牽規(guī)》［3］根據(jù)專項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，取a=600，這都在多國鐵路所定的a值范圍450～800［7］之內(nèi)。間接說明系數(shù)a化整具有一定彈性。

注意到在多曲線的線路上，尤其在連續(xù)反向曲線(單S形、雙S型及多S型)的區(qū)段，曲線附加阻力影響較大［7］。反向曲線附加阻力較單曲線平均增大25%(單S形+7%，雙S型+24%，三S型+52%)。探究曲線附加阻力的變化規(guī)律及其合理實(shí)用公式可供多曲線區(qū)段列車牽引計(jì)算參考，也可供《牽規(guī)》選用。

(2)隧道附加阻力

列車在隧道中穿行，由于隧道壁的制約，列車是在有限的環(huán)狀空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，形成活塞效應(yīng)，首車沖壓的空氣不能全部繞流到尾車之后，部分空氣被列車挾持推移，向前流動(dòng)直至隧道出口外。這種氣流的變化，影響并增大了首車與尾車的壓差阻力和列車本身的摩擦阻力(含局部干擾阻力)，導(dǎo)致列車在隧道中穿行的氣動(dòng)阻力明顯超過列車在明線運(yùn)行時(shí)，尤以高速動(dòng)車組穿越長隧道時(shí)為甚。這種氣動(dòng)阻力的差值就是隧道附加阻力。

為了降低隧道中氣流的瞬變壓力及其變化率的破壞作用，可采取多種結(jié)構(gòu)措施，諸如加大隧道斷面積，改變隧道進(jìn)出口形狀，修建通風(fēng)豎井和斜井等，由此也導(dǎo)致核定隧道附加阻力的復(fù)雜性。

我國1965年試驗(yàn)得出的單位隧道附加阻力公式［7，13］理論上不盡合理，實(shí)踐中難以驗(yàn)證和實(shí)用。國外根據(jù)近似假定建立理論模型的列車穿越隧道的氣動(dòng)阻力或氣動(dòng)阻力系數(shù)的一些計(jì)算方法和公式［14］，理論上可行但復(fù)雜，實(shí)踐中難以實(shí)用，所以探索符合列車牽引計(jì)算系統(tǒng)精度條件又相對(duì)簡(jiǎn)化可行的實(shí)用公式對(duì)多隧道及長隧道區(qū)段尤為重要。

此外，在未能具體合理實(shí)用定量處理之前，是否注明隧道附加阻力由各鐵路局自行決定。

(3)非常氣象的附加阻力

非常氣象的附加阻力包括大風(fēng)阻力、低溫阻力、大雪阻力以及暴雨阻力等。列車(機(jī)車、車輛)基本阻力試驗(yàn)是在列車速度不低于10 km/h、環(huán)境溫度不低于－10℃，風(fēng)速不超過 5 m/s(3級(jí)風(fēng))以及海拔不超過700 m的條件下進(jìn)行的。有些國家計(jì)算列車基本阻力公式的速度是列車運(yùn)行速度加上10 km/h(約3 m/s)或15 km/h(約4 m/s)表示，也就是計(jì)入2級(jí)風(fēng)或3級(jí)風(fēng)的影響。但是必須指出，列車隨線路走向(上行和下行)變化與風(fēng)向(正向和逆向)變化相反的幾率難定，即隨機(jī)性太大，并且風(fēng)速和風(fēng)向隨地域和季節(jié)不同也有較大波動(dòng)，即使在局部性大風(fēng)區(qū)域確切核定大風(fēng)附加阻力也有難度。

我國冬季嚴(yán)寒地帶(如東北、西北地區(qū))最低氣溫可降至－20～－40℃。黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆等省區(qū)冬季極端低溫甚至可降到－40℃以下，過低氣溫對(duì)于列車基本阻力具有同時(shí)加大機(jī)械阻力和氣動(dòng)阻力(空氣密度增加)的雙重附加影響。

前蘇聯(lián)《牽規(guī)》［5］提供大風(fēng)附加阻力的修正系數(shù)表(范圍:風(fēng)速14～30 m/s即7～11級(jí)，列車速度10～120 km/h，空氣密度1.0～1.6 kg/m)以及低溫附加阻力修正系數(shù)表(范圍:低溫－30～－60℃，列車速度20～160 km/ h，并區(qū)分客貨)，但其列車速度范圍有限，沒有風(fēng)向指標(biāo)，也難以采信和使用。

無論如何，非常氣象的附加阻力與氣象及地理等多因素有關(guān)，具有季節(jié)性、隨機(jī)性以及某些不可測(cè)性和不可控性。所以除了繼續(xù)探討非常氣象的附加阻力內(nèi)在和外在關(guān)系及其變化規(guī)律外，比較切實(shí)可行的措施是對(duì)應(yīng)非常氣象條件，采取降低列車運(yùn)行速度或牽引質(zhì)量，必要時(shí)停運(yùn)。此外，在非常氣象多發(fā)地區(qū)，還可采用外界防護(hù)的設(shè)備或措施，如擋風(fēng)墻和融雪對(duì)策等。當(dāng)然這些處理方案無須列入《牽規(guī)》。

日本是一個(gè)多地震多臺(tái)風(fēng)的國家，嚴(yán)冬部分線路鋼軌也有深度積雪出現(xiàn)，新干線對(duì)應(yīng)的策略和具體措施可供參照［18］。

3.3.2 列車制動(dòng)力部分

(1)閘瓦(片)實(shí)算摩擦系數(shù)

不同閘瓦(片)實(shí)算摩擦系數(shù)變化規(guī)律是由專門試驗(yàn)取得的(含計(jì)算公式形態(tài)、閘瓦作用力因子、運(yùn)行速度因子以及制動(dòng)初速修正因子等)，再通過運(yùn)用驗(yàn)證，最終正式提供其實(shí)算摩擦系數(shù)公式。1964年為修訂當(dāng)時(shí)《技規(guī)》五、六、七表(即制動(dòng)限速表)所進(jìn)行的中磷鑄鐵閘瓦摩擦系數(shù)試驗(yàn)，先在鐵道科學(xué)研究院環(huán)行試驗(yàn)線上反復(fù)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)匯總、分析研究，綜合得出中磷鑄鐵閘瓦摩擦系數(shù)計(jì)算公式形態(tài)，包括具體的閘瓦作用力和運(yùn)行速度因子的關(guān)系。重要的是首先發(fā)現(xiàn)并確定制動(dòng)初速的定量修正(等高差修正)，形成完整的中磷鑄鐵閘瓦實(shí)算摩擦系數(shù)計(jì)算公式，接著先后在北京鐵路局、蘭州鐵路局加掛臥鋪車(制動(dòng)試驗(yàn)車后)夜間回送，白天進(jìn)行多次不同坡度的下坡道上制動(dòng)停車試驗(yàn)，充分驗(yàn)算證明所建立公式的合理性、可靠性與實(shí)用性，最終提交正式試驗(yàn)報(bào)告，不僅為修訂當(dāng)時(shí)的制動(dòng)限速表提供依據(jù)，也是修訂當(dāng)年對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)，可見閘瓦(片)的實(shí)算摩擦系數(shù)公式與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中摩擦系數(shù)驗(yàn)收范圍要求是相輔相成的相互依存關(guān)系，由此，按所用標(biāo)準(zhǔn)推算不同閘瓦(片)的實(shí)算摩擦系數(shù)公式并非最佳先擇，而是權(quán)宜之計(jì)，這種舉措還難以得出合理的閘瓦作用力因子與摩擦系數(shù)的關(guān)系。

(2)換算法(單一閘瓦)和二次換算的等效法(多種閘瓦或閘片)

前已表明，計(jì)算機(jī)車牽引式列車制動(dòng)力采用換算法和等效法是不得不為之的必然結(jié)果。文獻(xiàn)［16，17］證明了換算法是等效法的特例。鑒于現(xiàn)時(shí)貨物列車的基礎(chǔ)型閘瓦是新高摩合成閘瓦，而旅客列車的基礎(chǔ)型閘瓦(片)則是鑄鐵閘瓦(閘瓦制動(dòng)客車)和高摩合成閘片(盤形制動(dòng)客車)，以及機(jī)車使用的閘瓦(片)的多樣性，包括鑄鐵閘瓦、低摩合成閘瓦、粉末冶金閘瓦(片)、高摩合成閘瓦(片)等，而鑄鐵閘瓦和低摩合成閘瓦的摩擦系數(shù)公式又都帶有制動(dòng)初速定量修正因子，所以無論是在機(jī)車采用鑄鐵閘瓦或低摩合成閘瓦，又或者客車采用鑄鐵閘瓦的情況下，機(jī)車的等效(2次換算)閘瓦力難以回避要受到制動(dòng)初速的影響，也就是其等效閘瓦力值須按速度分級(jí)核定［17］，不能一概而論而造成不必要的偏差。

文獻(xiàn)［17］已經(jīng)指出，用更高摩擦系數(shù)新型瓦(新高摩合成閘瓦)取代原高摩合成閘瓦時(shí)，新型瓦的閘瓦力一般會(huì)按K·φk(或Kh·φh)相近(或相等)的原則降低，還指出，如考慮轉(zhuǎn)換到新高摩合成閘瓦的換算閘瓦力，則需按制動(dòng)力匹配原則，根據(jù)換算摩擦系數(shù)提高的程度，按比例調(diào)整降低換算閘瓦力。

現(xiàn)令φh和Kh分別代表(原)高摩合成閘瓦的換算摩擦系數(shù)和換算閘瓦力，kN;令φ'h和K'h分別代表新高摩合成閘瓦的換算摩擦系數(shù)和換算閘瓦力，kN;根據(jù)φh·Kh=φ'h·K'h的原則，新高摩合成閘瓦的換算閘瓦力如果新高摩合成閘瓦的換算摩擦系數(shù)較原高摩合成閘瓦提高20%，即φ'h=1.2φh，則新高摩合成閘瓦的換算閘瓦力K'h=Kh/1.2≈0.83Kh，這樣就可以利用文獻(xiàn)［17］表9中四軸貨車采用原高摩合成閘瓦的每輛換算閘瓦力推薦值，調(diào)整轉(zhuǎn)換成新高摩合成閘瓦的每輛換算閘瓦力推薦值(相應(yīng)的比換算閘瓦力也要類推降低)，現(xiàn)將兩組每輛換算閘瓦力推薦值并列如下，以作比較。見表4。

表4 四軸貨車每輛換算閘瓦力推薦值/kN

3.3.3 列車牽引計(jì)算系統(tǒng)的精度控制

作為整體計(jì)算系統(tǒng)，列車牽引計(jì)算精度必然受到全系統(tǒng)中最薄弱環(huán)節(jié)，即誤差最大、精度最差的一環(huán)制約。也就是說計(jì)算結(jié)果精度也只能達(dá)到這個(gè)層次。列車牽引計(jì)算大系統(tǒng)假想分為3個(gè)子系統(tǒng):(1)原始數(shù)據(jù)(包括列車系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和線路系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理等);(2)計(jì)算過程(計(jì)算方法建模和計(jì)算程序設(shè)計(jì)等);(3)結(jié)果分析(包括相對(duì)真值的選擇和計(jì)算結(jié)果的誤差分析等)。

第3個(gè)子系統(tǒng)通常被忽略，因?yàn)榇_定相對(duì)真值或通過誤差分析尋找薄弱環(huán)節(jié)以及最終結(jié)果的精度認(rèn)證都很難做到，有待進(jìn)一步探究。

原始數(shù)據(jù)采集是減少誤差，保證精度要求的重要關(guān)卡，現(xiàn)時(shí)牽引計(jì)算所用列車數(shù)據(jù)都是通過各種相關(guān)試驗(yàn)取得并列入《牽規(guī)》統(tǒng)一規(guī)范。注意到除測(cè)試對(duì)象和測(cè)試環(huán)境難盡相同之外，測(cè)試方法和測(cè)試儀表亦有精度不同之分?？傊紨?shù)據(jù)的采值和計(jì)算過程實(shí)施的差異，都導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果精度不同。當(dāng)然，數(shù)據(jù)采集和計(jì)算過程關(guān)聯(lián)緊密，有時(shí)彼此重疊，需要統(tǒng)籌兼顧，不能厚此薄彼，更不能顧此失彼。一般而言，控制計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差在3%以內(nèi)是可以接受的，專題核算(如事故分析時(shí)的制動(dòng)計(jì)算)可適當(dāng)提高精度。當(dāng)然，如能進(jìn)行實(shí)時(shí)的列車系統(tǒng)及線路系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)在線采集分析處理，在冗余監(jiān)控的安全保障條件下，實(shí)施全面自動(dòng)控制的無人駕駛(或機(jī)器人駕駛)要求達(dá)到更高的精度，以保證列車安全正點(diǎn)運(yùn)行是完全必要的。

4 小結(jié)與建議

(1)我國鐵路高速化已全面形成，《牽規(guī)》收納動(dòng)車組勢(shì)在必行，以及早收納更佳;

(2)動(dòng)車組與機(jī)車牽引式列車牽引計(jì)算的基本原則相同，均遵循列車運(yùn)動(dòng)方程，服從導(dǎo)出的系列通用公式，但是由于兩者回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)不同，導(dǎo)致各自計(jì)算列車加速度、運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行距離等具體公式系數(shù)存在差異，必須嚴(yán)格區(qū)分，正確應(yīng)用;

(3)全方位調(diào)整，最優(yōu)化處理，增容與精簡(jiǎn)并重，統(tǒng)一及合理編排，力求《牽規(guī)》更加簡(jiǎn)明、實(shí)用、求新、創(chuàng)先;

(4)進(jìn)行必要的專題試驗(yàn)研究(包括25 t軸重大噸位貨車阻力、附加阻力、閘瓦(片)摩擦系數(shù)中諸因子研究等);

(5)檢視列車牽引計(jì)算系統(tǒng)中相關(guān)系列參數(shù)和環(huán)節(jié)精度的協(xié)調(diào)統(tǒng)一及合理匹配，開展列車牽引計(jì)算系統(tǒng)精度控制的探索;

(6)恢復(fù)《牽規(guī)》作為鐵路二級(jí)法規(guī)的本來面目，由鐵路總公司公布實(shí)施，中國鐵道出版社出版發(fā)行，更好的配合《技規(guī)》為鐵路運(yùn)輸服務(wù)。

［1］ 蒸汽機(jī)車牽引計(jì)算規(guī)程(1957)［M］.北京:人民鐵道出版社，1958.

［2］ TB 1407－82 列車牽引計(jì)算規(guī)程［S］.1983.

［3］ TB/T 1407－1989 列車牽引計(jì)算規(guī)程［S］.1999.

［4］ Правила тягoвых расчетов для поездной работы(1961)［M］.Москва:Трансжелдорйздат，1963.

［5］ Правила тягoвых расчетов для поездной работы(1980)［M］.Москва:Транспорт，1985.

［6］ 黃問盈.我國《列車牽引計(jì)算規(guī)程》的回顧與前瞻［J］.鐵道機(jī)車車輛，2000，20(1):7-10.

［7］ 黃問盈，孫振聲.熱力機(jī)車牽引熱工應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［8］ 黃問盈，孫中央.高速列車制動(dòng)計(jì)算中值得關(guān)注的問題［J］.鐵道機(jī)車車輛，2006，26(1):24-27.

［9］ 黃問盈，孫中央.高速與重載列車3個(gè)牽引計(jì)算參數(shù)的界定值［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31(4):19-25.

［10］ 黃問盈，閔耀興，黃 民.提速列車質(zhì)量的計(jì)算［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1998，20(2):1-11.

［11］ 閔耀興，黃俊武，于新安，等.既有鐵路列車提速附錄Ⅱ［M］.北京:中國鐵道出版社，1997.

［12］ 黃問盈，楊寧清，黃 民.列車基本阻力的思考［J］.中國鐵道科學(xué)，2000，21(3):44-57.

［13］《列車牽引計(jì)算規(guī)程解釋》編寫組.列車牽引計(jì)算規(guī)程解釋［M］.北京:中國鐵道出版社，1984.

［14］ 金學(xué)易，陳文英.隧道通風(fēng)及隧道空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，1983.

［15］ 黃問盈，唐松柏，李海燕.牽引力測(cè)試的加速度法探討［J］.中國鐵道科學(xué)，2002，23(5):52-59.

［16］ 黃問盈，楊寧清，黃 民，等列車制動(dòng)力的等效換算原理及應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車車輛，2002，22(1):1-7.

［17］ 黃問盈，饒 忠，黃 民.機(jī)車車輛等效(2次換算)閘瓦力的速度分級(jí)核定［J］.鐵道機(jī)車車輛，2008，28(5):8-13.

［18］ 錢立新.世界高速鐵路技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2003.

Discussion on"Regulations on Railway Train Traction Calculation"Including High Speed EMU

HUANG Wenying1，SUN Zhongyang2
(1 Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2 Locomotive Depot，Zhengzhou Railway Bureau，Zhengzhou 450052 Henan，China)

The kilometerage of China high-speed railways in operation and under construction are both ranking first in the railway world，and the series CRH of high speed EMU in china are manufactured in batches and widely operated，so the futuristic revised edition"Regulations on railway train traction calculation"(including high speed EMU)is the trend of the times.High speed EMU differs from loco-tractive train in formation，high speed EMU is fixed formation by motor car(M)and trailer(T)and can be direct provided data of train unit join difference in rotary mass coefficient between high speed EMU and loco-tractive train，so although they are abided by the same train motion equation，yet corresponding coefficients of concrete calculative formulas for train acceleration and running time and distance should make a difference between each other.In addition，several opinions and suggestions are made for reference to the futuristic revised edition"Regulations on railway train traction calculation"(including high speed EMU)，such us delete diagram or table;merge locomotive unit basic resistance formulas;deeply research into starting resistance，additional resistances(curves resistance，tunnels resistance，etc.)and system calculative accuracy and others.

high speed EMU;"regulations on railway train traction calculation";locomotive unit basic resistance;starting resistance;additional resistance;train braking force;system calculative accuracy

U260.13+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.04

1008－7842(2015)01－0019－06

2—)男，研究員(

2014－08－07)