文 / 韓占濤 劉剛 馮洋

引言

蒙內(nèi)鐵路即蒙巴薩—內(nèi)羅畢鐵路，位于非洲東北部印度洋沿海國(guó)家肯尼亞共和國(guó)境內(nèi)南部，是肯尼亞的第一條標(biāo)準(zhǔn)鐵路，也是東非路網(wǎng)的第一段鐵路，2014年9月開工建設(shè)，于2017年5月底建成通車[1]。 由當(dāng)?shù)胤侵拗氰F路運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱非洲之星公司）參照中國(guó)鐵路管理模式負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)[2]。

蒙內(nèi)鐵路正線全長(zhǎng)470.282km，為單線站間自動(dòng)閉塞客貨并行一級(jí)線路，現(xiàn)階段采用內(nèi)燃機(jī)車牽引運(yùn)行，為遠(yuǎn)期預(yù)留電氣化線路改造空間。如圖1 所示，蒙巴薩至內(nèi)羅畢方向?yàn)橄滦蟹较?，采用DF8型內(nèi)燃機(jī)車牽引客運(yùn)列車以時(shí)速120km運(yùn)行，采用DF11型內(nèi)燃機(jī)車雙機(jī)重聯(lián)牽引貨運(yùn)列車以時(shí)速80km運(yùn)行。

值得注意的是蒙內(nèi)鐵路起點(diǎn)站蒙巴薩港(K7+000)位于大陸沿海，其軌面標(biāo)高僅為7m，K412+650m處軌面標(biāo)高達(dá)到最高為1657.191m，終點(diǎn)站內(nèi)羅畢(K470+000)位于內(nèi)陸高原，其軌面標(biāo)高為1638m。

圖1蒙內(nèi)鐵路示意圖

這意味著自蒙巴薩港至內(nèi)羅畢下行方向全線基本為連續(xù)上坡道，其最大坡度為12‰，反之上行方向全線幾乎一直處于下坡道運(yùn)行。全線換算坡度超過6‰的區(qū)間多達(dá)10個(gè)，累計(jì)坡道長(zhǎng)度達(dá)259.6km，占全線總長(zhǎng)54%；其中坡度最小6.34‰，最大9.66‰，最短區(qū)間長(zhǎng)度8591m，最長(zhǎng)區(qū)間長(zhǎng)度可達(dá)20839m；最大坡度12‰的最長(zhǎng)區(qū)間長(zhǎng)度可達(dá)8926m，全線多處符合我國(guó)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（普速鐵路部分）》中第274條的規(guī)定?？梢?，較為特殊的地理因素導(dǎo)致蒙內(nèi)鐵路具有中外鐵路較為罕見的長(zhǎng)大坡道線路特點(diǎn)。

蒙內(nèi)鐵路無論是客運(yùn)還是貨運(yùn)均采用DF型內(nèi)燃機(jī)車，隨著運(yùn)行里程的增加，燃油和冷卻水的消耗使得機(jī)車自重減輕，進(jìn)而導(dǎo)致黏著力降低，最終減低牽引和制動(dòng)性能，加之受到采油機(jī)和主發(fā)電機(jī)功率的限制，使得內(nèi)燃機(jī)車的整體性能和功率均弱于電力機(jī)車。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車牽引列車在在長(zhǎng)大坡道區(qū)段運(yùn)行時(shí)，上坡段容易發(fā)生坡停甚至可能引發(fā)二次事故，下坡段惰行時(shí)可能因動(dòng)力制動(dòng)不足而發(fā)生輪軌滑行。

可見針對(duì)蒙內(nèi)鐵路的線路條件和采用內(nèi)燃機(jī)車牽引的現(xiàn)實(shí)情況，為了保證安全高效的運(yùn)輸質(zhì)量，有針對(duì)性的進(jìn)行長(zhǎng)大下坡道牽引試驗(yàn)并制定相關(guān)的安全控制體系十分必要。

圖2試驗(yàn)列車編組示意圖

國(guó)內(nèi)對(duì)鐵路長(zhǎng)大下坡道行車安全的相關(guān)研究開始于上世紀(jì)九十年代初期。錢立新登針對(duì)鐵路長(zhǎng)大下坡道行車安全進(jìn)行了較為系統(tǒng)的理論研究[3]。王青元，林軒等針對(duì)貨運(yùn)列車在長(zhǎng)大下坡道空氣制動(dòng)無法恒速且兩次空氣制動(dòng)之間需滿足緩解再充風(fēng)的特點(diǎn)，以實(shí)際中普遍采用的50—70kPa減壓調(diào)速為依據(jù)，研究了長(zhǎng)大下坡道上最優(yōu)的操縱策略[4]。而隨著大秦鐵路，朔黃鐵路等重載線路的投入運(yùn)營(yíng)，與長(zhǎng)大下坡相關(guān)的研究涉及空氣制動(dòng)運(yùn)用，車鉤受力分析，坡道選擇以及相關(guān)的仿真優(yōu)化[5]-[8]。

本文以蒙內(nèi)鐵路為工程背景，首先介紹了蒙內(nèi)鐵路的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)意義，然后介紹了長(zhǎng)大下坡道現(xiàn)場(chǎng)牽引試驗(yàn)的情況并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并采用理論計(jì)算和軟件計(jì)算兩種方式，分析了不同坡度下坡段120km/h緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離，不同坡度下坡段800m制動(dòng)距離所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)速度，計(jì)算結(jié)果為蒙內(nèi)鐵路長(zhǎng)大下坡行車安全控制體系的制定提供支撐和依據(jù)。

1 蒙內(nèi)鐵路經(jīng)濟(jì)價(jià)值及政治意義

蒙內(nèi)鐵路下行方向起點(diǎn)站蒙巴薩港，是肯尼亞最大港口也是東非第一大港，亞非航線東非終點(diǎn)站，東非工商業(yè)中心，海陸空交通運(yùn)輸重要的樞紐，其中轉(zhuǎn)貨物覆蓋盧旺達(dá)，坦桑尼亞，扎伊爾，南蘇丹，剛果(金)等國(guó)，年集裝箱吞吐量超過25萬(wàn)個(gè)。內(nèi)羅畢為肯尼亞首都，是東非地區(qū)最大的城市，也是未來輻射東非路網(wǎng)的主要樞紐站?；诂F(xiàn)階段的實(shí)際狀況，蒙內(nèi)鐵路開行客車2—4對(duì)，上桌率超過97%；貨車8—10對(duì)。沿線穿越山地、東非大裂谷及多處國(guó)家公園?？梢娒蓛?nèi)鐵路對(duì)肯尼亞國(guó)內(nèi)以至于東非境內(nèi)的商品運(yùn)輸，旅客運(yùn)輸，旅游發(fā)展等具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

蒙內(nèi)鐵路連接肯尼亞首都和最大港口城市，是肯尼亞獨(dú)立以來最大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，也是肯尼亞實(shí)現(xiàn)2030年國(guó)家發(fā)展遠(yuǎn)景的旗艦工程，對(duì)于肯尼亞國(guó)內(nèi)以及區(qū)域內(nèi)非洲各國(guó)的政治穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的支撐作用。蒙內(nèi)鐵路的建設(shè)也是基于我國(guó)“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略的需要，是進(jìn)一步鞏固中—肯關(guān)系的重要紐帶和保證[9]。

綜上所述，針對(duì)蒙內(nèi)鐵路所存在的連續(xù)長(zhǎng)大坡道的線路條件和采用東風(fēng)內(nèi)燃機(jī)車牽引的現(xiàn)實(shí)情況，進(jìn)行相關(guān)的長(zhǎng)大坡道牽引試驗(yàn)分析，針對(duì)性制定長(zhǎng)大坡道行車相關(guān)的管理制度和辦法措施是蒙內(nèi)鐵路安全高效運(yùn)營(yíng)的重要保證。

2 長(zhǎng)大坡道緊急制動(dòng)試驗(yàn)及LKJ數(shù)據(jù)分析

一方面為構(gòu)建蒙內(nèi)鐵路長(zhǎng)大坡道行車安全控制體系提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，另一方面為確保蒙內(nèi)鐵路客貨列車長(zhǎng)大坡道運(yùn)行的安全性，特選取蒙內(nèi)鐵路最具代表性的長(zhǎng)大下坡區(qū)段進(jìn)行列車緊急制動(dòng)試驗(yàn)。

如圖2所示，該次緊急制動(dòng)試驗(yàn)采用DF11型內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行牽引，共17輛編組運(yùn)行，牽引總重929t，總長(zhǎng)446m。選取阿西河—路肯尼亞區(qū)間（K447+289—K448+389）作為試驗(yàn)區(qū)間，該區(qū)間為11.7‰下坡道，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到118km/h時(shí)施行緊急制動(dòng)，重點(diǎn)關(guān)注緊急制動(dòng)距離這一與運(yùn)行安全直接相關(guān)的重要因素。

圖3為制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)機(jī)車的LKJ數(shù)據(jù)。如圖3(a)所示，圖中距離0點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)際里程標(biāo)K469+495，此時(shí)機(jī)車運(yùn)行速度29km/h。整個(gè)試驗(yàn)分為三部分進(jìn)行：(I) 第一次減壓調(diào)速，施行常用制動(dòng)，機(jī)車運(yùn)行速度由29km/h降至21km/h，制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)25s，制動(dòng)距離約為200m；(II) 當(dāng)機(jī)車運(yùn)行3500m左右時(shí)達(dá)到117km/h速度，此時(shí)進(jìn)行第二次減壓調(diào)速，司機(jī)施行常用制動(dòng)，機(jī)車速度降至92km/h，降速25km/h，制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)85s，制動(dòng)距離2539m；(III) 當(dāng)機(jī)車運(yùn)行至8676m時(shí)進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)段，機(jī)車速度達(dá)到最大118km/h，此時(shí)司機(jī)施行緊急制動(dòng),當(dāng)機(jī)車運(yùn)行至9566m距離時(shí)，速度降為0，完成制動(dòng)，降速118km/h，制動(dòng)時(shí)長(zhǎng)50s，制動(dòng)距離890m。由圖3(b)可知，在實(shí)施緊急制動(dòng)前有t1=85s的充風(fēng)時(shí)間，充風(fēng)時(shí)間充足。實(shí)施緊急制動(dòng)后直至列車管壓為0經(jīng)過t2=3s時(shí)間，均符合規(guī)章要求。實(shí)施緊急制動(dòng)后檢查機(jī)車，車輛走行部各部件均無異常，機(jī)車部分踏面有輕微磨損變色的現(xiàn)象。

圖3制動(dòng)試驗(yàn)LKJ數(shù)據(jù)分析

3 制動(dòng)工況計(jì)算分析

本節(jié)采用采用理論計(jì)算的方式和鐵科研機(jī)輛研究所電算軟件分別對(duì)上述試驗(yàn)中的緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果得到驗(yàn)證后進(jìn)一步計(jì)算不同坡度和不同速度時(shí)的制動(dòng)距離，進(jìn)而為長(zhǎng)大下坡道緊急制動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

根據(jù)蒙內(nèi)鐵路的實(shí)際運(yùn)行情況，DF11機(jī)車采用粉末冶金合成閘瓦，客車采用高摩合成閘片，通過表1和表2可以計(jì)算得出17輛編組，15輛編組以及12輛編組時(shí)百頓閘瓦壓力。

根據(jù)表1表2，DF11機(jī)車換算至高磷鑄鐵閘瓦時(shí)的壓力為

編組17輛客車車輛換算到高磷鑄鐵閘瓦時(shí)的壓力為

所以編組17輛整列百噸閘瓦壓力為

對(duì)應(yīng)可以依次計(jì)算得到編組為15輛客車和12輛客車時(shí)的百噸閘瓦壓力分別為841kN和812kN，依據(jù)技規(guī)261條24表中每百噸閘瓦壓力低于760kN時(shí)需限速運(yùn)行的相關(guān)規(guī)定，蒙內(nèi)旅客列車目前運(yùn)行速度符合規(guī)定，不需限速。

依據(jù)《牽規(guī)》中相關(guān)計(jì)算公式可知

緊急制動(dòng)時(shí)間

空走距離

制動(dòng)距離為

式中：v0為制動(dòng)初速度km/h，vm為制動(dòng)末速度km/h，φh為換算摩擦系數(shù)，按照平均速度(v0+vm)/2取值， h為列車換算制動(dòng)率，βc為常用制動(dòng)系數(shù)，緊急制動(dòng)時(shí)取1，w0為列車單位基本阻力N/kN，按平均速度(v0+vm)/2取值，計(jì)算列車制動(dòng)距離時(shí)，w0可以用車輛單位基本阻力w0"代替。ij為制動(dòng)地段的坡度千分?jǐn)?shù)。

表1不同摩擦材料劃算閘瓦壓力的二次換算系數(shù)

表2機(jī)車和車輛換算閘瓦(片)壓力表

以制動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)為例計(jì)算，12‰坡道，初速度v0為120km/h，vm末速度為0，βc=1，換算制動(dòng)率盤型制動(dòng)取0.32，換算摩擦系數(shù)0.278，w0取2.94，計(jì)算可得空走距離為148.7m，制動(dòng)距離為751.6m，總制動(dòng)距離為900.3m，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果保持一致。利用試湊法限定制動(dòng)距離為800m，則可以算出緊急制動(dòng)速度為112km/h，以此類推如圖4所示，可見隨著坡度的不斷增加，緊急制動(dòng)速度線性減小。當(dāng)坡度為5‰時(shí)，緊急制動(dòng)速度為119km/h也可以符合制動(dòng)距離800m的要求。

圖4不同坡度下緊急制動(dòng)速度理論計(jì)算值

采用經(jīng)過驗(yàn)證的鐵科研機(jī)輛所電算軟件針對(duì)17輛編組和12輛編組兩種不同編組情況下，120km/h制動(dòng)速度下的制動(dòng)距離以及800m以內(nèi)制動(dòng)距離所對(duì)應(yīng)的緊急制動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3及圖5所示

圖5不同坡度下緊急制動(dòng)距離理論計(jì)算值

表3兩種編組方式制動(dòng)距離軟件計(jì)算結(jié)果

值得注意的是當(dāng)采用17輛編組方式，在12‰的坡道上，以120km/h的速度實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，其制動(dòng)距離計(jì)算結(jié)果為902m，這與理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)制動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果保持一致，也意味著理論計(jì)算和軟件計(jì)算結(jié)果較為可靠，可以作為長(zhǎng)大下坡道上行車相關(guān)規(guī)定制定的計(jì)算依據(jù)。無論時(shí)17輛編組還是12輛編組時(shí)，其制動(dòng)距離均隨坡度增大而線性增大。當(dāng)采用17輛編組時(shí)，為了使得列車在800m制動(dòng)距離以內(nèi)完成制動(dòng)，當(dāng)坡度為12‰時(shí)，建議其制動(dòng)速度不高于112km/h，坡度6‰以下時(shí)，建議其制動(dòng)速度不高于118km/h。

4 結(jié)論

本文以蒙內(nèi)鐵路(蒙巴薩—內(nèi)羅畢)為工程背景，首先介紹并分析了蒙內(nèi)鐵路所處的特殊的地理位置和以及由此導(dǎo)致的特殊的長(zhǎng)大下坡道占比較大的線路特點(diǎn)，進(jìn)一步分析了蒙內(nèi)鐵路安全運(yùn)營(yíng)對(duì)肯尼亞國(guó)內(nèi)和東非地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及政治穩(wěn)定的重要意義，以及對(duì)中—肯關(guān)系，乃至中—非關(guān)系長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展的重要意義。而長(zhǎng)大下坡道的安全行車是保證蒙內(nèi)鐵路安全運(yùn)營(yíng)的重中之重，所以重點(diǎn)介紹了12‰長(zhǎng)大下坡道上進(jìn)行緊急制動(dòng)試驗(yàn)的情況，對(duì)試驗(yàn)機(jī)車的LKJ數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，一方面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，另一方面對(duì)理論計(jì)算和軟件計(jì)算的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最終采用理論計(jì)算和軟件計(jì)算對(duì)120km/h制動(dòng)速度下，不同坡度上緊急制動(dòng)距離和800m制動(dòng)距離內(nèi)的不同坡度下的制動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算，旨在為蒙內(nèi)鐵路長(zhǎng)大下坡道的安全行車運(yùn)營(yíng)以及整體安全控制體系的制定提供有效可靠的試驗(yàn)依據(jù)和理論支撐。

基于以上的分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 蒙內(nèi)鐵路起點(diǎn)蒙巴薩港位于沿海地勢(shì)較低的平原地帶，而重點(diǎn)內(nèi)羅畢位于內(nèi)陸高原，海拔可達(dá)1650m左右，特殊的地理特點(diǎn)導(dǎo)致蒙內(nèi)鐵路全線長(zhǎng)大下坡道占比超過50%，制定針對(duì)性的安全行車規(guī)范以及安全控制體系十分重要。

(2) 采用DF11內(nèi)燃機(jī)車牽引，17輛編組，在11.7‰長(zhǎng)大下坡路段以制動(dòng)速度為118km/h進(jìn)行緊急制動(dòng)試驗(yàn)，通過對(duì)LKJ數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，制動(dòng)距離為890m；緊急制動(dòng)前有85s充風(fēng)時(shí)間，充風(fēng)時(shí)間充足；實(shí)施緊急制動(dòng)后列車管壓經(jīng)過3s減為0，符合規(guī)章要求。實(shí)施緊急制動(dòng)后檢查機(jī)車，車輛走行部各部件均無異常，機(jī)車部分踏面有輕微磨損變色的現(xiàn)象。

(3) 理論計(jì)算和軟件計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果保持一致，通過計(jì)算可知以120km/h制動(dòng)速度緊急制動(dòng)，制動(dòng)距離隨坡度增加線性增加；800m制動(dòng)距離要求下，隨著坡度增加，制動(dòng)速度線性減小。

(4) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，采用17輛編組時(shí)，為了使得列車在800m制動(dòng)距離以內(nèi)完成制動(dòng)，當(dāng)坡度為12‰時(shí)，建議其制動(dòng)速度不高于112km/h，坡度6‰以下時(shí)，建議其制動(dòng)速度不高于118km/h。