李大偉，李 蘭

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽550091）

貴陽市軌道交通1號線長大坡道車輛安全運行控制方案的研究

李大偉，李 蘭

（貴陽市城市軌道交通有限公司，貴州貴陽550091）

貴陽市位于群山圍繞的盆地之內(nèi)，全市地形起伏較大，地質(zhì)條件相對復雜。由于貴陽市特殊的地形地貌，造成了貴陽市軌道交通1號線在經(jīng)過個別區(qū)間落差較大，坡道較長的問題。著重從車輛制動適應性方面進行研究探討。

貴陽市軌道交通；長大坡道；控制策略；運營安全

貴陽市軌道交通1號線為貴陽市城市軌道交通骨干線，始于下麥西站，沿西北－東南向敷設(shè)，終點于場壩村站。1號線線路全長34.308 km，地下線總長約29.02 km，地上線總長約5.288 km，其中貴陽北站至安云路站為連續(xù)10 km長大坡道，坡度為28‰，車輛段出入段線最大坡度為38‰。全線共設(shè)車站24座，地下車站20座，地上車站4座，其中換乘車站5座。1號線于下麥西設(shè)金陽車輛段，場壩村設(shè)小河停車場，在誠信路站附近設(shè)控制中心1處，在朱家灣站及貴陽火車站附近各設(shè)主變電所1處。

1 車輛概述

（1）車輛編組

貴陽市軌道交通1號線采用4動2拖6節(jié)編組B型車，M車為無司機室的動車，Mp車為無司機室?guī)茈姽膭榆嚕琓c車為有司機室的拖車。列車兩端采用全自動車鉤，動力單元間采用半自動車鉤及半永久式牽引桿。

編組6輛／列為：＝Tc－Mp－M＋M－Mp－Tc＝

（2）車輛基本參數(shù)

列車結(jié)構(gòu)速度／（km·h－1） ≥90；

最大運行速度／（km·h－1） 80；

計算用制動黏著系數(shù)： 0.14～0.16；

列車縱向沖擊率／（m·s－3） ≤0.75；

列車從0加速到40 km·h－1／（m·s－2）≥1.0；

列車從0加速到80 km·h－1／（m·s－2）≥0.6。

2 長大坡道分析

2.1 坡度定義

根據(jù)《CJJ104城市軌道交通工程項目建設(shè)標準》，當線路坡度或連續(xù)提升高度滿足下列條件時，須對列車各種運行狀態(tài)下的安全性及運行速度進行分析，即視為長大坡道見表1。

表1 正線線路長大陡坡規(guī)定值

針對貴陽1號線，則當線路坡度大于30‰或連續(xù)提升高度大于16 m，則可認為是長大坡道。貴陽1號線長大坡道區(qū)間如下：

①下麥西站—將軍山站；

②行政中心站—會展中心站；

③貴陽北站—雅關(guān)站—蠻坡站—安云路站；

④北京路站—延安路站；

⑤沙沖路站—望城坡站；

⑥清水江路站—楊壩村站。

2.2 坡度線路參數(shù)及限速

貴陽軌道交通1號線的特點是線路連續(xù)坡道長，站間距短。其中下麥西站—將軍山站、貴陽北站—雅關(guān)站和清水江路站—場壩村站長大坡道同時在隧道內(nèi)和隧道外，其他長大坡道均全部在隧道內(nèi)，數(shù)據(jù)如下表2所示。

3 輪軌黏著計算分析

3.1 貴陽氣候條件

貴陽地處低緯度高海拔的高原地區(qū)，海拔高度為1 200 m左右，年平均氣溫為15.3℃，年極端最高溫度為35.4℃，年極端最低溫度為－7.3℃。其中，貴陽冬季以陰冷多雨天氣為主，期間有長達半個月的凍雨天氣，詳細天氣數(shù)據(jù)如表3。

表2 正線露天段線路數(shù)據(jù)

表3 貴陽氣候條件

3.2 黏著計算

由于列車在長大坡道持續(xù)自由下滑，為避免列車超過安全限速值，考慮在進入坡道后施加一個克服下滑力的小制動力，使列車以坡道入口速度安全運行。

在列車網(wǎng)絡正常時，小制動力優(yōu)先采用電制動力，若電制動力不足則由氣制動補充。按制動力平均分配施加電制動力，由μ＝F／mg，計算各車電制動所需黏著如表4（初步計算值）：

表4 小電制動黏著系數(shù)需求表

根據(jù)計算所知，電制動所需最大黏著系數(shù)為0.043，純空氣制動所需最大黏著系數(shù)為0.038（考慮氣制動壓力偏差的影響），如果所需黏著不高于此值，一般可以認為車輛處于不會發(fā)生滑行的安全范圍內(nèi)。

而事實上，列車的黏著系數(shù)受車輛運行速度、氣候條件、輪軌表面狀態(tài)等諸多因素的影響，是一個離散性很大的參數(shù)，目前尚未有黏著系數(shù)的理論公式，各國主要通過大量的試驗來得到經(jīng)驗公式。根據(jù)中國和日本對不同軌狀態(tài)下的黏著研究經(jīng)驗公式推算出120 km／h以下列車各速度等級黏著系數(shù)如下：

由于貴陽冬季氣候以陰冷多雨為主，又偶爾會出現(xiàn)凍雨的天氣，很難預估露天段線路實際輪軌黏著情況，無法保證制動黏著需求，并且由于貴陽常年濕度較大，空氣中的水氣對露天段線路的軌道產(chǎn)生銹蝕，會進一步降低輪軌之間的黏著。因此惡劣情況下在露天段長大坡道，車輛有可能會出現(xiàn)制動打滑剎不住車的情況，對列車正線安全運營造成很大的風險。

表5 中國和日本對濕軌狀態(tài)下的黏著系數(shù)

4 車輛網(wǎng)絡控制方案

4.1 速度控制

由表5可知在列車最大速度80 km／h時的濕軌黏著不發(fā)生滑行的最大可利用黏著系數(shù)為0.082，如果所需黏著系數(shù)不高于此值，一般認為車輛處于不會發(fā)生滑行的安全范圍內(nèi)。施加小制動所需最大黏著系數(shù)0.043遠小于此值。理論分析施加小電制動基本沒有發(fā)生滑行的可能性，但建議保留一定的安全余量。大坡道越長，高架線路越多，考慮的余量應越大。設(shè)一般坡道考慮安全余量10 km／h，對（部分）在隧道外的大坡道且長大于2 km的考慮余量20 km／h，長度小于2 km但大于1 km的考慮余量15 km／h。

則各長大坡道進入坡道時的最大初始速度需限制在：

表6 建議限速

緊急牽引情況下的限速：

在緊急牽引情況下，小制動力采用純氣制動力。考慮到制動缸壓力存在±15 k Pa的固有偏差，列車施加小制動力時在坡道上最大還可能有0.1 m／s2的加速度，以貴陽北站—雅關(guān)站的長大坡道為例，由偏差帶來的加速在出坡道時列車已超過安全限速（約97 km／h），仍需司機施加大制動力控制車速。在緊急牽引時，建議直接由司機根據(jù)建議的限速值控制行車。氣制動壓力偏差及黏著計算如表7所示（初步計算值）：施加同樣的小制動力，純氣制動所需最大黏著系數(shù)為0.038。

表7 小氣制動力黏著計算表

4.2 控制策略

由于貴陽市軌道交通1號線坡道較多，位置不集中，且各個大坡道的坡度及長度都不同，若采用在每個長大坡道觸發(fā)大坡道信號后直接施加小制動的方式，很難統(tǒng)一控制?，F(xiàn)考慮設(shè)置大坡道限速模式，在司控臺設(shè)大坡道限速按鈕，進入大坡道區(qū)間后，觸發(fā)限速模式，將速度限制在60 km／h（暫定），離開大坡道區(qū)間后，將限速模式解除，列車正常行駛。限速值最終在調(diào)試階段確定（可調(diào)）。網(wǎng)絡正常時限速由網(wǎng)絡執(zhí)行，優(yōu)先使用電制動。網(wǎng)絡限速策略示意如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡限速策略示意圖

A段：列車牽引加速。加速到60 km／h切除牽引力后，列車若仍在平道上，將緩慢減速到55 km／h重新施加牽引加速（A′－B′段）。

B段：切除牽引力后，在坡道上自由滑行，加速到63 km／h后，施加0.28 m／s2的小制動力。

C段：施加小制動力后，在－28‰長大坡道上依靠空氣阻力緩慢減速。

D段：進入不足－28‰甚至更小的坡道，列車速度較快下降，降至57 km／h以下。

E段：小制動力切除，列車在坡道上繼續(xù)加速下滑到63 km／h以上。

F段：施加小制動力，列車減速，減速到57 km／h以下，小制動力切除。

G段：小制動力切除后，進入平道，在平道上惰行減速。若仍在坡道上，繼續(xù)加速，重復上面的過程。在平道上若惰行減速到55 km／h重新施加牽引，加速到60 km／h切除牽引繼續(xù)惰行直至下一站停車（G′－H′段）。

H段：到下一站，施加最大制動停車。各閾值設(shè)定最終在調(diào)試階段確定（可調(diào)）。

列車即將進入下一站時，不論速度多少，可直接施加最大制動力停車。即牽引、制動同時有效時制動優(yōu)先，小制動和大制動同時有效時，以大制動優(yōu)先。

在有一個或多個電制動故障時，相應故障單元的制動力由氣制動補充，所需最大黏著系數(shù)在0.038～0.043之間。

在單車多個牽引制動故障、列車救援等情況下，列車需要的限速值小于60 km／h時，按要求最低的限速值行駛，各閾值做相應調(diào)整。如需限速30 km／h運行時，33 km／h時，開始施加小制動力，27 km／h時切除小制動力。

在大坡道限速模式下，若列車速度超過68 km／h（暫定），網(wǎng)絡進行超速防護，施加最大制動力。緊急牽引時，采用空氣制動，司機根據(jù)限速建議手動控車。

相比在大坡道信號觸發(fā)后直接施加小制動力（故必須在列車速度達到一定值后才能觸發(fā)），采用限速方案可在列車速度很低或零速時就能觸發(fā)限速模式，操作靈活。同時分析各大坡道的線路數(shù)據(jù)可知，由站中心到坡道起點平道距離最長的為雅關(guān)站450 m（其他均在300 m以下，最短為行政中心站90 m），由于平道加速距離較短，可到大坡道區(qū)間時，在站始發(fā)位置就觸發(fā)限速按鈕，方便設(shè)置標志牌。

貴陽北站—雅關(guān)站—蠻坡站—安云路站為多站連續(xù)長大坡道，可在貴陽北站觸發(fā)限速模式，離開安云路站再恢復正常行駛，避免司機反復操作。

進入長大坡道時，需及時提醒司機觸發(fā)限速模式。由于到站就可觸發(fā)，可由網(wǎng)絡根據(jù)站信息，在DDU上提醒司機觸發(fā)或恢復大坡道限速按鈕，但為防止網(wǎng)絡故障或報站信息錯誤時，不能及時限速，仍建議設(shè)置標志牌提醒司機。

根據(jù)分析的長大坡道線路，在下列站的始發(fā)位置應設(shè)置標志牌提醒司機，前方進入大坡道，限速60 km／h，按下大坡道限速按鈕：

①將軍山站（往下麥西站方向）；

②行政中心站（往會展中心站方向）；

③貴陽北站（往雅關(guān)－蠻坡－安云路站方向）；

④北京路站（往延安路站方向）；

⑤望城坡站（往沙沖路站方向）；

⑥場壩村站（往清水江路站方向）。

同時在下麥西站、會展中心站、安云路站、延安路站、沙沖路站、清水江路各站的終點位置設(shè)置標志牌提醒司機，駛離大坡道正常行駛 ，注意復位大坡道限速按鈕。

5 結(jié) 論

基于貴陽市軌道交通1號線線路參數(shù)及天氣情況，通過制動、黏著計算，可以看出采用電空混合的小制動方案和純空氣制動的小制動力通過長大坡道方案均滿足各性能要求，方案具備操作可行性。并且使用純空氣制動的小制動力需求的制動黏著要求更小。

正常情況下，在長大下坡道上運行時可完全由信號系統(tǒng)控制施加小制動力控制。同時，當人工駕駛時，在司機臺上設(shè)置大坡道限速按鈕，以便信號控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)可自動施加小制動力，避免人工操作不當造成制動力過大出現(xiàn)滑行的情況，從而確保行車安全。

［1］ GB 50157－2013地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ GB／T 50438－2007地鐵運營安全評價標準［S］.

［3］ 何建枝，張海波，王 剛，等.貴陽軌道交通1號線工程可行性研究報告［R］.

Research on Control Scheme of Vehicle Safety Operation in Long Ramp for Guiyang Rail Transit Line 1

LI Dawei，LI Lan
（Guiyang Urban Rail Transit Co.，Ltd.，Guiyang 550091 Guizhou，China）

Guizhou province is one of the most concentrated areas of Karst landform，Guiyang city is located in the mountains around the basin，its topographic relief is bigger，and its geological conditions is relatively complex.Due to Guiyang’s special topography，the rail transit line 1 has the problems of big terrain gap and long ramp.This paper focuses on the research and discussion of the vehicle braking adaptability.

Guiyang rail transit；long ramp；control strategy；operation safety

U239.5

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.29

1008－7842（2016）06－0111－04

8—）男，助理工程師（

2016－06－03）