趙 楠 王 蕾 陳 哲

（1.國能鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

隨著重載鐵路快速發(fā)展，國際上重載鐵路牽引裝備也得到了廣泛應(yīng)用。重載發(fā)達(dá)國家都采用大軸重機(jī)車牽引的單元列車或組合列車的方式來實(shí)現(xiàn)重載牽引。國外重載運(yùn)輸?shù)闹饕攸c(diǎn)是單列質(zhì)量大，但運(yùn)行速度和線路開通密度相對(duì)較低。我國作為人均資源少，資源相對(duì)比較集中的國家，重載鐵路采用快速度、高密度、大質(zhì)量和節(jié)能綠色的重載的發(fā)展道路，主要采用大功率的交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引列車模式。

提升列車牽引噸位主要有3 種方式：一是提高軸重，二是擴(kuò)大列車編組，三是優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)。但針對(duì)國能集團(tuán)鐵路大部分線路、橋梁不能滿足30t 及以上大軸重貨車的運(yùn)行。在編組方面已實(shí)現(xiàn)2 萬t 常態(tài)化運(yùn)用，長大列車縱向沖擊力較大，導(dǎo)致設(shè)備故障率高。另外，既有車輛已采用輕量化材質(zhì)，提升空間少。目前，國能集團(tuán)重載鐵路牽引噸位已難以提升，制約了我國“西煤東運(yùn)”的發(fā)展戰(zhàn)略。

1 原因分析及解決思路

萬噸及以上重載組合列車的規(guī)?；_行，在有效提高鐵路運(yùn)能的同時(shí)，造成機(jī)車車輛縱向力作用加大，作用于線路基礎(chǔ)設(shè)施的集中荷載增加、頻次增大、振動(dòng)加劇，導(dǎo)致機(jī)車車輛設(shè)備、線路結(jié)構(gòu)和部件安全儲(chǔ)備下降、疲勞傷損、使用壽命縮短等問題凸顯，給運(yùn)輸安全帶來了挑戰(zhàn)[1]。

在軸重和車輛結(jié)構(gòu)短時(shí)間內(nèi)無法進(jìn)一步提升的情況下，為進(jìn)一步提升國能集團(tuán)重載鐵路牽引噸位，該文在擴(kuò)大列車編組方面進(jìn)行突破，提出了一種貨運(yùn)車組的設(shè)計(jì)思路，提升在既有條件下的牽引噸位，以達(dá)到提升運(yùn)能的目標(biāo)[1-2]。

目前，國能集團(tuán)既有鐵路線路大列運(yùn)輸有萬t（10800t）（車輛總長1296m）和2 萬t（21600t）（車輛總長2592m）2種模式，其中2 萬t 運(yùn)輸僅在朔黃鐵路開行[4]。編組站場長度為1700m 和2800m 2 種，其中2800m 長度編組站場僅在朔黃鐵路。重載貨運(yùn)動(dòng)車組考慮國能集團(tuán)所轄的大部分鐵路的線路情況，實(shí)現(xiàn)全線貫通運(yùn)營，因此受線路站場條件的限制，考慮采用萬t 編組形式。以神朔鐵路為基礎(chǔ)開展分析，目前線路應(yīng)用的編組模式為動(dòng)力集中（非推挽），該文提出了動(dòng)力集中（推挽式）、 動(dòng)力分散（非推挽）、動(dòng)力分散（推挽式）3種編組模式，與既有編組模式在網(wǎng)絡(luò)傳輸、制動(dòng)/緩解同步性、ECP 傳輸和控制縱向沖動(dòng)力等方面開展可行性分析。

1.1 動(dòng)力集中（非推挽）

智能重載貨運(yùn)動(dòng)車組參考神朔鐵路既有運(yùn)輸模式——?jiǎng)恿蟹峭仆焓剑?）2 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+120 輛C80，如圖1 所示。2）1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+60 輛C80+ 1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+60 輛C80，如圖2 所示。

圖1 2 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+120 輛C80 編組模式

圖2 1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+60 輛C80+1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+60 輛C80 編組模式

1.2 動(dòng)力集中（推挽式）

1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+120 輛C80+1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車，如圖3 所示。

圖3 1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+120 輛C80+1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車編組模式

1.3 動(dòng)力分散（非推挽）

1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（帶司機(jī)室）+20 輛C80+1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（不帶司機(jī)室）+20 輛C80+1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（不帶司機(jī)室）+20 輛C80+1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（不帶司機(jī)室）+20輛C80+1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（不帶司機(jī)室）+20 輛C80+1 臺(tái)4軸動(dòng)力單元（不帶司機(jī)室）+20 輛C80，如圖4 所示。

圖4 動(dòng)力分散非推挽式編組模式

1.4 動(dòng)力分散（推挽式）

1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（帶司機(jī)室）+24 輛C80+1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（不帶司機(jī)室）+24 輛C80+1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（不帶司機(jī)室）+24 輛C80+1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（不帶司機(jī)室）+24輛C80+1 臺(tái)4 軸動(dòng)力單元（不帶司機(jī)室）+24 輛C80+1 臺(tái)4軸動(dòng)力單元（帶司機(jī)室），如圖5 所示。

圖5 動(dòng)力分散推挽式編組模式

2 可行性論證分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸

各通信模式下網(wǎng)絡(luò)傳輸距離。

2.1.1 無線傳輸

電臺(tái)傳輸方式傳輸距離為800m；LTE 傳輸方式無距離限制，由于全線須建設(shè)LTE 網(wǎng)絡(luò)成本較高，暫不考慮。

2.1.2 有線傳輸

WTB 總線方式傳輸距離為860m；LonWorks 總線方式傳輸距離為2700m；以太網(wǎng)方式通過中繼器可以實(shí)現(xiàn)無距離限制傳輸。

動(dòng)力集中非推挽式動(dòng)力單元長度約102m，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用電臺(tái)、WTB、LonWorks、以太網(wǎng)方式，均可滿足要求，ECP 可采用LonWorks、以太網(wǎng)方式傳輸。一臺(tái)國能十二軸機(jī)車+60 輛C80+1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+60 輛C80 編組，2 個(gè)動(dòng)力單元之間距離約820m，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可采用電臺(tái)、WTB、LonWorks、以太網(wǎng)方式，ECP 可采用LonWorks、以太網(wǎng)方式傳輸。

動(dòng)力集中推挽式2 個(gè)動(dòng)力單元之間距離約1540m，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可采用電臺(tái)、LonWorks、以太網(wǎng)方式，ECP 可采用LonWorks、以太網(wǎng)方式傳輸。

動(dòng)力分散非推挽式最遠(yuǎn)2 個(gè)動(dòng)力單元之間距離約1400m，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可采用LonWorks、以太網(wǎng)方式，ECP可采用LonWorks、以太網(wǎng)方式傳輸。

動(dòng)力分散推挽式最遠(yuǎn)2 個(gè)動(dòng)力單元之間距離約1540m，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可采用LonWorks、以太網(wǎng)方式，ECP 可采用LonWorks、以太網(wǎng)方式傳輸。

綜上所述，動(dòng)力集中非推挽式貨運(yùn)動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可采用無線及有線傳輸方式，動(dòng)力集中推挽式和動(dòng)力分散式貨運(yùn)動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可采用LonWorks 或以太網(wǎng)的有線傳輸方式；ECP 采用LonWorks 或以太網(wǎng)方式。由于受線路LTE 限制，無線傳輸方式穩(wěn)定性較差，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和ECP 推薦使用LonWorks 或以太網(wǎng)方式。

2.2 制動(dòng)/緩解同步性

目前，重載長大列車的制動(dòng)控制指令采用有線或無線網(wǎng)絡(luò)方式基本達(dá)到同步，因此制動(dòng)的一致性、列車的充風(fēng)/緩解時(shí)間均受制于壓縮空氣在列車管的傳播波速（一般約為300m/s），對(duì)重載長大列車來說這使循環(huán)制動(dòng)的時(shí)間較長，列車制動(dòng)一致性降低，降低了運(yùn)行效率。

對(duì)上述4 種編組方式，在僅能通過壓縮空氣波速傳播制動(dòng)指令的前提下，充風(fēng)緩解時(shí)間取決于動(dòng)力分散的程度，分散的動(dòng)力單元相當(dāng)于增加了列車管的充風(fēng)和排風(fēng)的口，有利于提高制動(dòng)的傳播速度，提高制動(dòng)的一致性，降低循環(huán)制動(dòng)時(shí)間，提高運(yùn)行效率[3]。

因此，動(dòng)力分散推挽式相對(duì)充風(fēng)/緩解時(shí)間來說是較好的選擇。

但動(dòng)力分散的編組方式雖然能提高制動(dòng)同步性，但依舊無法滿足長大列車的需求，隨著ECP 技術(shù)不斷完善，如果在動(dòng)力分散的推挽式編組方式的同時(shí)結(jié)合ECP 技術(shù)的應(yīng)用，可以有效解決相關(guān)問題。

ECP 制動(dòng)指令通過電纜傳輸，速度較快，列車的制動(dòng)緩解一致性非常高，同時(shí)通過車輛制動(dòng)機(jī)的改進(jìn)，列車管僅作為供風(fēng)管，使制動(dòng)時(shí)的用風(fēng)量大大降低，再循環(huán)制動(dòng)時(shí)間也大大減少，對(duì)提高運(yùn)行效率有很大的幫助[6]。

各種編組及制動(dòng)緩解傳播速度如圖6 所示。

圖6 不同編組及制動(dòng)緩解傳播速度

綜上所述，4 種貨運(yùn)動(dòng)車組編組方式在充風(fēng)/緩解同步上，動(dòng)力分散推挽式具有突出優(yōu)勢、縱向沖擊小，建議采用結(jié)合ECP 的動(dòng)力分散推挽式編組形式。

2.3 ECP 傳輸和控制

4 種貨運(yùn)動(dòng)車組編組方式ECP 傳輸網(wǎng)絡(luò)均采用LonWorks、以太網(wǎng)方式傳輸，且整列車長度相當(dāng)情況下，傳輸和控制可靠性能基本一致。但考慮到動(dòng)力單元分散供電，可提升連接可靠性和冗余性，因此，動(dòng)力分散式貨運(yùn)動(dòng)車組具有突出優(yōu)勢。

綜上所述，動(dòng)力分散式貨運(yùn)動(dòng)車組編組方式ECP 傳輸及控制可靠性高。

2.4 縱向沖動(dòng)力

對(duì)比各編組模式，設(shè)置3 種典型工況，測試各機(jī)車車鉤力的大小。工況一在6‰坡道坡停啟動(dòng)；工況二在78km/h速度下緊急制動(dòng)；工況三在11‰長大下坡道上循環(huán)制動(dòng)。對(duì)車鉤力最大的工況進(jìn)行分析。

2.4.1 動(dòng)力集中非推挽式

2 臺(tái)十二軸機(jī)車+120 輛C80，當(dāng)坡停啟動(dòng)時(shí)，最大車鉤力達(dá)2050kN，如圖7 所示。1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+60 輛C80+ 1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+60 輛C80，當(dāng)坡停啟動(dòng)時(shí)，最大車鉤力達(dá)1340kN，如圖8 所示。

圖7 2 臺(tái)十二軸機(jī)車+120 輛C80 牽引起動(dòng)工況

圖8 2 臺(tái)國能八軸機(jī)車+60 輛C80+1 臺(tái)國能八軸機(jī)車+60 輛C80 牽引起動(dòng)工況

2.4.2 動(dòng)力集中（推挽式）

當(dāng)坡停啟動(dòng)時(shí)，前牽后推，最大車鉤力為1050kN，如圖9 所示。

圖9 1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車+120 輛C80+1 臺(tái)國能十二軸機(jī)車牽引起動(dòng)工況

2.4.3 動(dòng)力分散（非推挽式）

當(dāng)坡停起動(dòng)時(shí)，最大車鉤牽引力約為410kN，如圖10所示。

圖10 動(dòng)力分散（非推挽式）牽引起動(dòng)工況

2.4.4 動(dòng)力分散（推挽式）

當(dāng)坡停起動(dòng)時(shí)，最大車鉤牽引力為370kN，如圖11 所示。

圖11 動(dòng)力分散（推挽式）牽引起動(dòng)工況

綜上所述，動(dòng)力集中非推挽式坡停起動(dòng)的車鉤力最大，動(dòng)力集中非推挽式次之，動(dòng)力分散推挽式車鉤力最平穩(wěn)[5]。

2.5 乘務(wù)員配置及效率

4 種編組模式下乘務(wù)員配置及編組/解編效率分析。

2.5.1 動(dòng)力集中非推挽式

在動(dòng)力集中非推挽式在既有萬噸編組模式下，需要2-3組乘務(wù)員；大列貨車車輛固定編組，對(duì)規(guī)模大的煤礦裝卸場可以進(jìn)行運(yùn)輸組織較快；但對(duì)規(guī)模較小的裝卸場需要進(jìn)行周轉(zhuǎn)，效率較低。

2.5.2 動(dòng)力集中推挽式

在動(dòng)力集中推挽式在萬噸編組模式下，需要2 組乘務(wù)員；大列貨車車輛固定編組，對(duì)規(guī)模大的煤礦裝卸場可以進(jìn)行運(yùn)輸組織較快；但對(duì)規(guī)模較小的裝卸場需要進(jìn)行周轉(zhuǎn)，效率較低。

2.5.3 動(dòng)力分散非推挽式

在動(dòng)力分散非推挽式在萬噸編組模式下，需要1 組乘務(wù)員；貨車車輛以“動(dòng)力單元+小編組車輛”為小編組靈活組編，且可通過遙控進(jìn)行牽引/制動(dòng)控制，對(duì)煤礦裝卸場裝卸貨物運(yùn)輸組織較快，效率較高。

2.5.4 動(dòng)力分散推挽式

在動(dòng)力分散推挽式在萬噸編組模式下，需要1 組乘務(wù)員；貨車車輛以“動(dòng)力單元+小編組車輛”為小編組靈活組編，且可通過遙控進(jìn)行牽引/制動(dòng)控制，對(duì)煤礦裝卸場裝卸貨物運(yùn)輸組織較快，效率較高。

綜上所述，4 種貨運(yùn)動(dòng)車組編組方式動(dòng)力集中式需要乘務(wù)員數(shù)量多、貨物裝卸效率相對(duì)較低；動(dòng)力分散式需要乘務(wù)員數(shù)量少、貨物裝卸效率較高。

2.6 日常檢查維護(hù)與應(yīng)用

4 種編組模式下日常檢查與維護(hù)分析。

2.6.1 動(dòng)力集中非推挽式

在動(dòng)力集中非推挽式在日常檢查和維護(hù)方面，可參考現(xiàn)有模式，動(dòng)力單元由機(jī)務(wù)段進(jìn)行檢修，車輛由車輛段進(jìn)行檢修，但須進(jìn)行解編；也可參考動(dòng)車組模式，由機(jī)務(wù)與車輛檢修人員整列進(jìn)行檢修與維護(hù)。但由于司機(jī)室僅在整列車的一端，運(yùn)行時(shí)須進(jìn)行解編與連掛。

2.6.2 動(dòng)力集中推挽式

在動(dòng)力集中推挽式在日常檢查和維護(hù)方面，可參考現(xiàn)有模式，動(dòng)力單元由機(jī)務(wù)段進(jìn)行檢修，車輛由車輛段進(jìn)行檢修，但須進(jìn)行解編；也可參考動(dòng)車組模式，由機(jī)務(wù)與車輛檢修人員檢修與維護(hù)整列。

2.6.3 動(dòng)力分散非推挽式

在動(dòng)力分散非推挽式日常檢查和維護(hù)方面，可參考動(dòng)車組模式，由機(jī)務(wù)與車輛檢修人員檢修與維護(hù)整列。由于司機(jī)室僅在整列車的一端，因此當(dāng)運(yùn)行時(shí)須進(jìn)行解編與連掛。

2.6.4 動(dòng)力分散推挽式

在動(dòng)力分散推挽式日常檢查和維護(hù)方面，可參考動(dòng)車組模式，由機(jī)務(wù)與車輛檢修人員檢修與維護(hù)整列。

綜上所述4 種貨運(yùn)動(dòng)車組編組方式，動(dòng)力集中式可參考既有檢修模式解編檢修，也可參考動(dòng)車組檢修模式。動(dòng)力分散式須參考動(dòng)車組檢修模式進(jìn)行檢修和維護(hù)。動(dòng)車組檢修模式，由于無須解編，檢修和維護(hù)耗時(shí)相對(duì)較短。在運(yùn)用方便性上，建議采用推挽式。

2.7 對(duì)比分析結(jié)果

根據(jù)以上幾個(gè)方面的技術(shù)論證分析，以“優(yōu)”、“良”、“差”進(jìn)行評(píng)價(jià)，匯總見表1。

表1 各方面技術(shù)對(duì)比表

綜上所述，動(dòng)力分散推挽式貨運(yùn)動(dòng)車組在各方面均具有突出的技術(shù)優(yōu)勢?？勺鳛槲磥碇剌d運(yùn)輸?shù)囊环N模式。

3 結(jié)論

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國對(duì)重載運(yùn)輸運(yùn)量要求越來越高，該文提出了動(dòng)力分散貨運(yùn)車組方案從技術(shù)可行性、網(wǎng)絡(luò)傳輸、制動(dòng)/緩解同步性、沖向沖動(dòng)力及經(jīng)濟(jì)效率方面有較多優(yōu)勢，為重載運(yùn)輸提供了一種新思路。