王利軍 張彥棟

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 研究背景

根據(jù)鐵總運[2015]325號文《中國鐵路總公司關(guān)于印發(fā)<高速鐵路應(yīng)急熱備內(nèi)燃機(jī)車管理辦法>的通知》，高速鐵路應(yīng)設(shè)置應(yīng)急熱備內(nèi)燃機(jī)車，承擔(dān)高速鐵路應(yīng)急救援工作，保證動車組列車被迫停車后能得到及時處置[1]。2019年，鐵總黨[2019]1號文《中共中國鐵路總公司黨組關(guān)于做好2019年鐵路運輸安全工作的意見》要求提升高速鐵路應(yīng)急救援能力。進(jìn)一步優(yōu)化救援列車，熱備動車組、內(nèi)燃機(jī)車的配置和布局，探索研究利用時速160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車救援動車組的模式[2-3]。

時速160 km接觸網(wǎng)多功能檢修作業(yè)車滿足高速及快速鐵路的高空接觸網(wǎng)維護(hù)和高架線路下部的檢查維修作業(yè)需要。該接觸網(wǎng)多功能檢修作業(yè)車能在高速鐵路及城市快速鐵路上運行，即使在不利環(huán)境條件或惡劣天氣下，也可快速、安全到達(dá)現(xiàn)場，對高空接觸網(wǎng)及橋梁進(jìn)行檢測和維修；還可牽引附掛車輛，或雙機(jī)、多機(jī)重聯(lián)牽引動車組，為多種功能綜合性維修車[4]。

2015年，由我國自主制造生產(chǎn)的國產(chǎn)化時速 160 km接觸網(wǎng)多功能作業(yè)車開始在北京、上海、濟(jì)南、西安、鄭州、沈陽、成都、南昌鐵路局等投入使用[5]。截止目前，時速160 km接觸網(wǎng)多功能作業(yè)車已在多個鐵路局合計配屬66臺。

我國高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備日常維護(hù)采用每天固定時間(開天窗，一般為4 h左右)集中檢查維修的方式。在非天窗時段，有效利用時速160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車承擔(dān)動車組救援任務(wù)，可減少資源閑置，減少對應(yīng)急熱備機(jī)車的需求，從而實現(xiàn)資源共享，加強高速鐵路應(yīng)急救援能力。因此有必要對時速160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車救援動車組的可行性進(jìn)行分析。

2 BR711C接觸網(wǎng)多功能綜合作業(yè)車車型分析

2.1 作業(yè)車運用條件及技術(shù)參數(shù)

BR711C接觸網(wǎng)多功能綜合作業(yè)車是接觸網(wǎng)檢修、維護(hù)、搶修的專業(yè)設(shè)備，具有160 km/h的最高運行速度，可快速到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場。該車配有升降旋轉(zhuǎn)作業(yè)平臺、高空作業(yè)斗、導(dǎo)線撥線裝置、接觸網(wǎng)檢測裝置等設(shè)備。其運用條件及整體技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 作業(yè)車運用條件表

2.2 作業(yè)車牽引特性

作業(yè)車牽引特性曲線如圖1所示，液力制動特性曲線如圖2所示。

表2 作業(yè)車技術(shù)參數(shù)表

圖1 BR711C型作業(yè)車牽引特性曲線圖

圖2 BR711C型作業(yè)車液力制動特性曲線圖

3 理論分析

根據(jù)TB/T 1407.1-2018《列車牽引計算-第1部分：機(jī)車牽引式列車》進(jìn)行列車牽引計算。

(1)單位基本運行阻力

當(dāng)速度為0時(起動點)：

ω0=ωst

(1)

當(dāng)速度不為0時(過程)：

ω0=c0+c1v+c2v2

(2)

式中：ω0——單位基本運行阻力；

c0,c1,c2——列車基本阻力系數(shù)，c0取0.028，c1取0.000 2，c2取0.000 298;

v——運行速度(km/h)；

ωst——列車起動阻力，取5 N/kN。

(2)單位坡道附加阻力

ωi=i

(3)

式中：ωi—— 單位坡道附加阻力(N/kN);

i—— 坡道千分?jǐn)?shù)。

(3)單位曲線附加阻力

(4)

式中：ωr——單位坡道附加阻力(N/kN);

R——曲線半徑(m)。

(4)單位隧道附加阻力

機(jī)車車輛的單位隧道附加阻力ωs由試驗確定。

(5)起動加速度

(5)

式中：ast——列車起動加速度(m/s2);

Fst——列車起動牽引力(kN);

ωst——列車起動阻力(N/kN);

ωi——列車起動坡道阻力(N/kN);

ωr——列車起動曲線阻力(N/kN)；

I——列車起動坡道千分?jǐn)?shù);

R——列車起動曲線半徑(m);

M——列車質(zhì)量(t)。

(6)平衡速度

列車處于牽引工況下，所受合力為0時對應(yīng)的速度為列車的平衡速度。

(7)牽引力使用系數(shù)

單機(jī)牽引使用系數(shù)取1，雙機(jī)重聯(lián)牽引系數(shù)取0.98。

(8)牽引力修正

內(nèi)燃機(jī)車受周邊空氣溫度及海拔高度的影響，機(jī)車牽引力存在修正。

(9)其他

根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》，正線線路平面曲線應(yīng)與設(shè)計行車速度匹配，所有設(shè)計行車速度等級最小曲線半徑為 2 800 m(無砟軌道，設(shè)計行車速度250 km/h)，其曲線附加阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于坡道附加阻力，因此可不考慮曲線附加阻力的作用。

同時，亦不考慮隧道附加阻力、牽引力修正和被救動車組參與制動情況。

4 救援能力分析

4.1 救援動車組及線路條件

本文采用CR400BF作為救援動車組進(jìn)行救援能力計算，CR400BF型動車組技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 CR400BF型動車組技術(shù)參數(shù)表

根據(jù)國內(nèi)高速鐵路設(shè)計的線路條件，坡度一般分為0‰，6‰，12‰，20‰，24‰，30‰。本次分析分別對上述坡度下的救援能力進(jìn)行計算。

4.2 起動加速度

列車起動加速度由列車牽引力、列車起動阻力、坡道附加阻力、曲線附加阻力等共同決定。根據(jù) 式(5)，本文分別對BR711C型作業(yè)車單機(jī)、雙機(jī)的起動加速度進(jìn)行計算。

(1)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)可在不大于12‰的上坡道上，實現(xiàn)CR400BF動車組的救援起動，其起動加速度如表4所示。

表4 BR711C型作業(yè)車單機(jī)救援動車組起動加速度表

(2)BR711C型作業(yè)車雙機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)可在不大于30‰的上坡道上，實現(xiàn)CR400BF動車組的救援起動，其起動加速度如表5所示。

表5 BR711C型作業(yè)車雙機(jī)救援動車組起動加速度表

4.3 平衡速度

列車平衡速度是列車牽引力與所受阻力平衡時達(dá)到的速度。本文分別對BR711C型作業(yè)車單機(jī)、雙機(jī)救援CR400BF型動車組的平衡速度進(jìn)行計算。

(1)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援CR400BF型動車組在平直道上的平衡速度為153 km/h，在6‰上坡道上的平衡速度為78 km/h，在12‰上坡道上的平衡速度為42 km/h。BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援CR400BF動車組平衡速度如圖3所示。

圖3 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援CR400BF動車組平衡速度圖

(2)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF型動車組在平直道上的平衡速度可以達(dá)到作業(yè)車最高運行速度160 km/h，在6‰上坡道上的平衡速度為 120 km/h，在12‰上坡道上的平衡速度為75 km/h，在20‰上坡道上的平衡速度為44 km/h，在24‰的上坡道上的平衡速度為36 km/h，在30‰上坡道上的平衡速度為24 km/h。BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF動車組平衡速度如圖4所示。

圖4 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF動車組平衡速度圖

4.4 液力制動調(diào)速

BR711C型動車組的動力制動為液力制動，主要用于長大坡道下坡時的制動實施，控制下坡速度。本文分別對BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)、雙機(jī)的液力制動與列車在不同下坡道下的下滑力進(jìn)行比較。

(1)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援CR400BF型動車組在6‰下坡道時，當(dāng)運行速度處于25～160 km/h范圍內(nèi)時，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調(diào)速要求；當(dāng)運行速度小于25 km/h，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援CR400BF型動車組在12‰下坡道時，當(dāng)運行速度處于35～145 km/h范圍內(nèi)時，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調(diào)速要求；當(dāng)運行速度小于35 km/h或超過145 km/h時，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援CR400BF型動車組在20‰及以上下坡道時，無法使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的液力制動進(jìn)行列車救援運行調(diào)速。BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援CR400BF動車組液力制動如圖5所示。

圖5 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援CR400BF動車組液力制動圖

(2)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF型動車組在6‰下坡道時，當(dāng)運行速度處于15～160 km/h范圍內(nèi)時，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調(diào)速要求；當(dāng)運行速度小于15 km/h，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF型動車組在12‰下坡道時，當(dāng)運行速度處于26～160 km/h范圍內(nèi)時，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調(diào)速要求；當(dāng)運行速度小于26 km/h，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF型動車組在20‰下坡道時，當(dāng)運行速度處于33～130 km/h范圍內(nèi)時，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調(diào)速的要求；當(dāng)運行速度小于 33 km/h或超過130 km/h時，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF型動車組在24‰下坡道時，當(dāng)運行速度處于37～100 km/h范圍內(nèi)時，僅使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的液力制動即可滿足列車救援運行調(diào)速要求；當(dāng)運行速度小于 37 km/h或超過100 km/h時，需使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的空氣制動，才能滿足列車救援運行調(diào)速要求。

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF型動車組在30‰下坡道時，無法使用接觸網(wǎng)作業(yè)車的液力制動進(jìn)行列車救援運行調(diào)速。BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF動車組液力制動如圖6所示

圖6 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF動車組液力制動圖

4.5 空氣制動

BR711C型接觸網(wǎng)多功能綜合作業(yè)車單機(jī)最大空氣制動力為69 kN。本文分別對BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車的空氣制動力與單機(jī)救援動車組、雙機(jī)救援動車組在不同坡道下的下滑力進(jìn)行比較，計算救援動車組在不同坡道下利用BR711C空氣制動力進(jìn)行制動停車的能力。

(1)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援動車組空氣制動力與下滑力關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援CR400BF型動車組在12‰及以下的下坡道上，下滑力均在接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)空氣制動力包絡(luò)線范圍內(nèi)，可實現(xiàn)空氣制動停車；在20‰及以上的下坡道上，下滑力均在接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)空氣制動力包絡(luò)線范圍外，無法實現(xiàn)空氣制動停車。

圖7 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)救援動車組空氣制動力與下滑力關(guān)系圖

(2)BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援

BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援動車組空氣制動力與下滑力關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援CR400BF型動車組在20‰及以下的下坡道上，下滑力均在接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)空氣制動力包絡(luò)線范圍內(nèi)，可實現(xiàn)空氣制動停車；在24‰及以上的下坡道上，下滑力均在接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)空氣制動力包絡(luò)線范圍外，無法實現(xiàn)空氣制動停車。

圖8 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車雙機(jī)救援動車組空氣制動力與下滑力

5 結(jié)論及建議

本文對BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車單機(jī)、雙機(jī)救援CR400BF型動車組進(jìn)行了救援能力分析，分別對救援起動加速度、平衡速度、液力制動調(diào)速能力、空氣制動停車能力進(jìn)行了計算(計算過程不考慮牽引力修正、曲線附加阻力、隧道附加阻力和被救動車組參與制動情況)。救援能力計算結(jié)果，如表6所示。

由表6可知，BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車救援CR400BF型動車組的單機(jī)限制坡度為12‰，雙機(jī)限制坡度為20‰。

綜上所述，時速160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車代替熱備機(jī)車救援動車組在一定坡道條件的限制下具備可行性。具體救援方案需根據(jù)實際線路標(biāo)準(zhǔn)、動車組車型及編組、救援速度等情況進(jìn)行驗算。后續(xù)應(yīng)開展時速 160 km接觸網(wǎng)作業(yè)車的現(xiàn)場救援試驗，進(jìn)一步細(xì)化救援工序與操作方案。

表6 BR711C型接觸網(wǎng)作業(yè)車救援動車組救援能力匯總表