时速160 km接触网作业车代替热备机车的方案研究

时间：2024-09-03

王利军张彦栋

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 研究背景

根据铁总运[2015]325号文《中国铁路总公司关于印发<高速铁路应急热备内燃机车管理办法>的通知》，高速铁路应设置应急热备内燃机车，承担高速铁路应急救援工作，保证动车组列车被迫停车后能得到及时处置[1]。2019年，铁总党[2019]1号文《中共中国铁路总公司党组关于做好2019年铁路运输安全工作的意见》要求提升高速铁路应急救援能力。进一步优化救援列车，热备动车组、内燃机车的配置和布局，探索研究利用时速160 km接触网作业车救援动车组的模式[2-3]。

时速160 km接触网多功能检修作业车满足高速及快速铁路的高空接触网维护和高架线路下部的检查维修作业需要。该接触网多功能检修作业车能在高速铁路及城市快速铁路上运行，即使在不利环境条件或恶劣天气下，也可快速、安全到达现场，对高空接触网及桥梁进行检测和维修；还可牵引附挂车辆，或双机、多机重联牵引动车组，为多种功能综合性维修车[4]。

2015年，由我国自主制造生产的国产化时速 160 km接触网多功能作业车开始在北京、上海、济南、西安、郑州、沈阳、成都、南昌铁路局等投入使用[5]。截止目前，时速160 km接触网多功能作业车已在多个铁路局合计配属66台。

我国高速铁路接触网设备日常维护采用每天固定时间(开天窗，一般为4 h左右)集中检查维修的方式。在非天窗时段，有效利用时速160 km接触网作业车承担动车组救援任务，可减少资源闲置，减少对应急热备机车的需求，从而实现资源共享，加强高速铁路应急救援能力。因此有必要对时速160 km接触网作业车救援动车组的可行性进行分析。

2 BR711C接触网多功能综合作业车车型分析

2.1 作业车运用条件及技术参数

BR711C接触网多功能综合作业车是接触网检修、维护、抢修的专业设备，具有160 km/h的最高运行速度，可快速到达作业现场。该车配有升降旋转作业平台、高空作业斗、导线拨线装置、接触网检测装置等设备。其运用条件及整体技术参数如表1、表2所示。

表1 作业车运用条件表

2.2 作业车牵引特性

作业车牵引特性曲线如图1所示，液力制动特性曲线如图2所示。

表2 作业车技术参数表

图1 BR711C型作业车牵引特性曲线图

图2 BR711C型作业车液力制动特性曲线图

3 理论分析

根据TB/T 1407.1-2018《列车牵引计算-第1部分：机车牵引式列车》进行列车牵引计算。

(1)单位基本运行阻力

当速度为0时(起动点)：

ω0=ωst

(1)

当速度不为0时(过程)：

ω0=c0+c1v+c2v2

(2)

式中：ω0——单位基本运行阻力；

c0,c1,c2——列车基本阻力系数，c0取0.028，c1取0.000 2，c2取0.000 298;

v——运行速度(km/h)；

ωst——列车起动阻力，取5 N/kN。

(2)单位坡道附加阻力

ωi=i

(3)

式中：ωi—— 单位坡道附加阻力(N/kN);

i—— 坡道千分数。

(3)单位曲线附加阻力

(4)

式中：ωr——单位坡道附加阻力(N/kN);

R——曲线半径(m)。

(4)单位隧道附加阻力

机车车辆的单位隧道附加阻力ωs由试验确定。

(5)起动加速度

(5)

式中：ast——列车起动加速度(m/s2);

Fst——列车起动牵引力(kN);

ωst——列车起动阻力(N/kN);

ωi——列车起动坡道阻力(N/kN);

ωr——列车起动曲线阻力(N/kN)；

I——列车起动坡道千分数;

R——列车起动曲线半径(m);

M——列车质量(t)。

(6)平衡速度

列车处于牵引工况下，所受合力为0时对应的速度为列车的平衡速度。

(7)牵引力使用系数

单机牵引使用系数取1，双机重联牵引系数取0.98。

(8)牵引力修正

内燃机车受周边空气温度及海拔高度的影响，机车牵引力存在修正。

(9)其他

根据TB 10621-2014《高速铁路设计规范》，正线线路平面曲线应与设计行车速度匹配，所有设计行车速度等级最小曲线半径为 2 800 m(无砟轨道，设计行车速度250 km/h)，其曲线附加阻力远远小于坡道附加阻力，因此可不考虑曲线附加阻力的作用。

同时，亦不考虑隧道附加阻力、牵引力修正和被救动车组参与制动情况。

4 救援能力分析

4.1 救援动车组及线路条件

本文采用CR400BF作为救援动车组进行救援能力计算，CR400BF型动车组技术参数如表3所示。

表3 CR400BF型动车组技术参数表

根据国内高速铁路设计的线路条件，坡度一般分为0‰，6‰，12‰，20‰，24‰，30‰。本次分析分别对上述坡度下的救援能力进行计算。

4.2 起动加速度

列车起动加速度由列车牵引力、列车起动阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力等共同决定。根据式(5)，本文分别对BR711C型作业车单机、双机的起动加速度进行计算。

(1)BR711C型接触网作业车单机救援

BR711C型接触网作业车单机可在不大于12‰的上坡道上，实现CR400BF动车组的救援起动，其起动加速度如表4所示。

表4 BR711C型作业车单机救援动车组起动加速度表

(2)BR711C型作业车双机救援

BR711C型接触网作业车双机可在不大于30‰的上坡道上，实现CR400BF动车组的救援起动，其起动加速度如表5所示。

表5 BR711C型作业车双机救援动车组起动加速度表

4.3 平衡速度

列车平衡速度是列车牵引力与所受阻力平衡时达到的速度。本文分别对BR711C型作业车单机、双机救援CR400BF型动车组的平衡速度进行计算。

(1)BR711C型接触网作业车单机救援

BR711C型接触网作业车单机救援CR400BF型动车组在平直道上的平衡速度为153 km/h，在6‰上坡道上的平衡速度为78 km/h，在12‰上坡道上的平衡速度为42 km/h。BR711C型接触网作业车单机救援CR400BF动车组平衡速度如图3所示。

图3 BR711C型接触网作业车单机救援CR400BF动车组平衡速度图

(2)BR711C型接触网作业车双机救援

BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF型动车组在平直道上的平衡速度可以达到作业车最高运行速度160 km/h，在6‰上坡道上的平衡速度为 120 km/h，在12‰上坡道上的平衡速度为75 km/h，在20‰上坡道上的平衡速度为44 km/h，在24‰的上坡道上的平衡速度为36 km/h，在30‰上坡道上的平衡速度为24 km/h。BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF动车组平衡速度如图4所示。

图4 BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF动车组平衡速度图

4.4 液力制动调速

BR711C型动车组的动力制动为液力制动，主要用于长大坡道下坡时的制动实施，控制下坡速度。本文分别对BR711C型接触网作业车单机、双机的液力制动与列车在不同下坡道下的下滑力进行比较。

(1)BR711C型接触网作业车单机救援

BR711C型接触网作业车单机救援CR400BF型动车组在6‰下坡道时，当运行速度处于25～160 km/h范围内时，仅使用接触网作业车的液力制动即可满足列车救援运行调速要求；当运行速度小于25 km/h，需使用接触网作业车的空气制动，才能满足列车救援运行调速要求。

BR711C型接触网作业车单机救援CR400BF型动车组在12‰下坡道时，当运行速度处于35～145 km/h范围内时，仅使用接触网作业车的液力制动即可满足列车救援运行调速要求；当运行速度小于35 km/h或超过145 km/h时，需使用接触网作业车的空气制动，才能满足列车救援运行调速要求。

BR711C型接触网作业车单机救援CR400BF型动车组在20‰及以上下坡道时，无法使用接触网作业车的液力制动进行列车救援运行调速。BR711C型接触网作业车单机救援CR400BF动车组液力制动如图5所示。

图5 BR711C型接触网作业车单机救援CR400BF动车组液力制动图

(2)BR711C型接触网作业车双机救援

BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF型动车组在6‰下坡道时，当运行速度处于15～160 km/h范围内时，仅使用接触网作业车的液力制动即可满足列车救援运行调速要求；当运行速度小于15 km/h，需使用接触网作业车的空气制动，才能满足列车救援运行调速要求。

BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF型动车组在12‰下坡道时，当运行速度处于26～160 km/h范围内时，仅使用接触网作业车的液力制动即可满足列车救援运行调速要求；当运行速度小于26 km/h，需使用接触网作业车的空气制动，才能满足列车救援运行调速要求。

BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF型动车组在20‰下坡道时，当运行速度处于33～130 km/h范围内时，仅使用接触网作业车的液力制动即可满足列车救援运行调速的要求；当运行速度小于 33 km/h或超过130 km/h时，需使用接触网作业车的空气制动，才能满足列车救援运行调速要求。

BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF型动车组在24‰下坡道时，当运行速度处于37～100 km/h范围内时，仅使用接触网作业车的液力制动即可满足列车救援运行调速要求；当运行速度小于 37 km/h或超过100 km/h时，需使用接触网作业车的空气制动，才能满足列车救援运行调速要求。

BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF型动车组在30‰下坡道时，无法使用接触网作业车的液力制动进行列车救援运行调速。BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF动车组液力制动如图6所示

图6 BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF动车组液力制动图

4.5 空气制动

BR711C型接触网多功能综合作业车单机最大空气制动力为69 kN。本文分别对BR711C型接触网作业车的空气制动力与单机救援动车组、双机救援动车组在不同坡道下的下滑力进行比较，计算救援动车组在不同坡道下利用BR711C空气制动力进行制动停车的能力。

(1)BR711C型接触网作业车单机救援

BR711C型接触网作业车单机救援动车组空气制动力与下滑力关系如图7所示。从图7可以看出，BR711C型接触网作业车单机救援CR400BF型动车组在12‰及以下的下坡道上，下滑力均在接触网作业车单机空气制动力包络线范围内，可实现空气制动停车；在20‰及以上的下坡道上，下滑力均在接触网作业车单机空气制动力包络线范围外，无法实现空气制动停车。

图7 BR711C型接触网作业车单机救援动车组空气制动力与下滑力关系图

(2)BR711C型接触网作业车双机救援

BR711C型接触网作业车双机救援动车组空气制动力与下滑力关系如图8所示。从图8可以看出，BR711C型接触网作业车双机救援CR400BF型动车组在20‰及以下的下坡道上，下滑力均在接触网作业车双机空气制动力包络线范围内，可实现空气制动停车；在24‰及以上的下坡道上，下滑力均在接触网作业车双机空气制动力包络线范围外，无法实现空气制动停车。

图8 BR711C型接触网作业车双机救援动车组空气制动力与下滑力