內燃機車救援制動不可用動車組限速優化研究

陳波，郭奇宗，張波，馬忠，呂寶佳

（1 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京 100081；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；3 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

當動車組因自身發生故障、接觸網供電中斷等原因無法繼續運行時，需申請救援，由其他動車組或救援機車牽引運行至下一站。為了滿足救援需要，目前動車組基本都配備了過渡車鉤［1］和救援回送裝置［2］，被救援時可以分擔一部分制動力。按鐵總運〔2014〕157 號《動車組回送作業辦法》第二十條：“動車組無動力回送，制動可用時限速120 km/h，制動不可用時限速5 km/h”。在被救援動車組全列制動不可用的極端情況下，按限速5 km/h 執行，對救援效率帶來較大影響。

為了降低閘瓦磨耗，提高牽引噸數，便于平穩操縱，內燃機車在設計時普遍安裝有電阻制動裝置［3-4］。文中對充分利用內燃機車電阻制動提高救援限速的可行性進行了分析，評估了既有內燃機車空氣制動能力并結合國內實際提出相關建議。

1 內燃機車救援限制因素

內燃機車救援無制動能力動車組限制因素需要從機車牽引能力、機車制動能力和車鉤構件性能特性等方面綜合考慮，如圖1 所示。機車牽引能力方面，需核算機車牽引動車組坡道起動、上坡道持續運行能力；機車制動能力方面，需核算僅依靠機車制動坡道臨停、下坡道調速和坡道緊急制動停車能力，下坡道調速又分為空氣制動調速和電阻制動調速2類，并對基礎制動熱負荷和緊急制動黏著進行校核；車鉤構件性能特性方面，需核算過渡車鉤強度是否滿足救援工況要求，對于裝有柴田車鉤的動車組，尤需考慮車鉤力作用下的鉤緩裝置運動特性和干涉問題［5］。綜合各方面限制因素，對內燃機車救援的限坡和限速進行規定。

圖1 內燃機車救援限制因素

被救援動車組制動不可用時，內燃機車制動能力將成為救援限制因素的核心與基礎。同時鑒于目前高鐵熱備救援機車以東風型為主，文中選取DF4D（客）和DF4D（準高速）2 種內燃機車對其救援8 輛編組動車組時的機車電阻制動和空氣制動能力進行仿真計算和試驗研究。

2 東風型內燃機車電阻制動概述

2.1 電阻制動原理

在電阻制動工況時，利用直流電機的可逆原理，直流牽引電機工作在發電模式，通過輪對將列車的動能轉變為電能，消耗在制動電阻上，以熱能的形式逸散到大氣中。此過程中，牽引電機軸上所產生的反力矩作用于機車動輪上而產生制動力，故名電阻制動。

現役東風型內燃機車電阻制動的電路大致相同，都是由機車上的勵磁調節器/電阻制動控制柜控制，機車施加電阻制動時，勵磁調節器/電阻制動控制柜根據柴油機轉速信號，規定了制動電流和制動勵磁電流的基準值并將實際制動電流和制動勵磁電流與基準值進行比較，經計算輸出相應斬波信號控制勵磁系統的勵磁電流，將制動電流和制動勵磁電流限制在規定范圍內。此外，勵磁調節器/電阻制動控制柜還根據機車速度信號控制機車電阻制動的I、II 級轉換以及機車在高速時對制動電流進行電流限制［6-8］。DF4D（客）和DF4D（準高速）機車的電阻制動特性如圖2 所示。

圖2 DF4D(客)和DF4D(準高速)電阻制動特性

總的來說，電阻制動在使用中一方面受最大勵磁電流和最大制動電流的限制；另一方面受到機車高速運行換向火花和機車黏著條件以及機車構造速度限制。

2.2 電阻制動運用情況

東風型內燃機車的電阻制動，最早是在DF4B型機車上進行加裝改造，使其具備了電阻制動功能，在原有空氣制動系統的基礎上，提高了機車運行中的安全保障，并且具有使用時平穩、操作簡單、減少輪對和閘瓦的磨耗等優點［9-10］。

其后生產的東風型機車都裝備了電阻制動裝置，但在實際運用中電阻制動也存在一些問題［6，10-13］。針對這些問題，一方面運用路局通過加強檢修作業故障排查，以保障機車電阻制動裝置的正常使用；另一方面機車制造商和運用路局也提出了一系列改進措施，以提升電阻制動的可靠性［14-15］。

但是，隨著東風型內燃機車服役年限的增長，各路局對于東風型內燃機車電阻制動的使用情況不一，某些內燃機車電阻制動裝置已被拆除。

3 救援機車制動能力分析

內燃機車救援動車組時，如果動車組全列空氣制動不可用，則救援列車的調速與停車需由機車控制，對機車制動系統是嚴峻的考驗。如果機車不具備電阻制動功能，通過長大下坡道時，需頻繁施加空氣制動控制速度，會導致機車閘瓦熱負荷較大，極易發生空氣制動失效，后果嚴重。若機車使用電阻制動控制速度，且可用電阻制動力大于救援列車下滑力，可在不施加空氣制動的情況下，利用電阻制動實現坡道平穩調速，使提高救援限速成為可能。

3.1 救援機車制動能力計算

根據TB/T 1407.1《列車牽引計算 第1 部分：機車牽引式列車》，機車救援動車組全列編組下滑力在不同坡道，下滑力為式（1）［16］。

式中：f為下滑力，kN；G為機車質量，t；M為動車組質量，t；i1為坡度；f1為機車運行阻力，kN；f2為動車組運行阻力，kN；v為速度，km/h。

計算選用DF4D（客）和DF4D（準高速）作為救援機車，其主要計算參數見表1。因被救援動車組全列無制動，其主要影響參數為質量，經統計選用最重的CRH380D 動車組作為被救援動車組，按超員15%計算，質量為516.7 t。

表1 內燃機車主要計算參數

此外，救援機車和被救援動車組單位基本運行阻力（N/kN）為式（2），各項系數見表2。

表2 計算單位基本阻力系數

當被救援動車組制動不可用時，救援機車的電阻制動力需大于救援列車的坡道下滑力，才可以滿足坡道調速要求；最大常用空氣制動力需大于全列編組的坡道下滑力，否則在該下坡道無法減速，此外還需對基礎制動熱負荷進行校核。

DF4D（客）和DF4D（準高速）電阻制動力、緊急制動力、最大常用空氣制動力以及各坡道下滑力曲線如圖3 圖、圖4 所示，DF4D（客）閘瓦換算摩擦系數與制動初速度v0相關，圖3 中取v0=40 km/h。從圖中可以看出，機車空氣制動力隨速度的降低而增大，而電阻制動力則根據設計特性隨速度而變化。

圖3 DF4D(客)坡道調速能力計算結果

圖4 DF4D(準高速)坡道調速能力計算結果

DF4D（客）救援CRH380D 動車組在速度18～60 km/h 范圍內運行時，機車電阻制動力可以覆蓋16‰ 及以下坡度的救援列車下滑力，可以滿足救援列車在該速度范圍調速要求。

DF4D（準高速）救援CRH380D 動車組在速度24～60 km/h 范圍內運行時，機車電阻制動力可以覆蓋12‰及以下坡度的救援列車下滑力，可以滿足救援列車在該速度范圍調速要求。

分別計算DF4D（客）和DF4D（準高速）單機救援CRH380D 動車組在不同坡道、不同初速度下的緊急制動距離和制動時間，結果見表3～表5。

表3 單機救援CRH380D 緊急制動計算結果（-8‰坡道）

表4 單機救援CRH380D 緊急制動計算結果（-12‰坡道）

表5 單機救援CRH380D 緊急制動計算結果（-16‰坡道）

3.2 空氣制動臺架試驗分析

利用1∶1 制動動力試驗臺模擬DF4D（客）和DF4D（準高速）機車救援CRH380D 動車組（超員15%），對上文計算涉及的機車制動工況進行基礎制動熱負荷校核。

DF4D（客）機車使用高磷鑄鐵閘瓦，DF4D（準高速）機車使用粉末冶金閘瓦，被救援CRH380D 動車組全列無制動力，利用換算等效制動功率的方法作為臺架試驗模擬工況的邊界輸入條件，分別模擬了救援列車坡道緊急制動停車、長大坡道控速工況，在閘瓦中預埋熱電偶測量制動時的閘瓦溫度。試驗結果見表6。

表6 救援列車典型工況臺架試驗結果

高磷鑄鐵閘瓦制動過程中溫度上升較快，DF4D（客）救援CRH380D 動車組施加緊急制動時，閘瓦最高溫度可達到700 ℃以上，試驗過程中閘瓦表面出現局部融化，如圖5 所示。DF4D（客）救援CRH380D 動車組利用機車空氣制動調速，高磷鑄鐵閘瓦長時間溫度超過750 ℃，閘瓦表面熔化加劇，出現異常磨損，車輪表面會出現閘瓦材料轉移，如圖6 所示。此外，臺架試驗實測的閘瓦摩擦系數低于理論計算用摩擦系數，且速度越高，兩者偏離越大。

圖5 工況1 試驗后閘瓦狀態

圖6 工況2 試驗后閘瓦狀態

粉末冶金閘瓦制動過程中溫度上升較為平緩，DF4D（準高速）救援CRH380D 動車組施加緊急制動時，閘瓦溫度超過300 ℃，試驗過程中閘瓦邊角出現掉塊，但摩擦系數沒有明顯衰減，閘瓦總體狀態良好，如圖7 所示。

圖7 工況3 試驗后閘瓦狀態

3.3 實車線路試驗驗證

為進一步驗證內燃機車救援無制動能力動車組時的機車制動能力，在實際線路開展了實車試驗。救援機車采用DF4D（客）和DF4D（準高速），因受試驗條件限制，被救援動車組以CRH380B 替代計算所用的CRH380D，但將其加載至516.7 t，與計算CRH380D 質量一致。機車與動車組制動風管不連接，為了保證試驗安全，動車組制動保持可用狀態，當機車制動無法滿足救援編組調速或停車要求時，由動車組施加制動。

3.3.1 坡道制動調速

DF4D（客）和DF4D（準高速）機車救援動車組，在-11.2‰坡道調速試驗曲線分別如圖8、圖9 所示。由圖9 可知，DF4D（準高速）救援CRH380B 動車組，機車僅使用電阻制動可在-11.2‰坡道維持45 km/h 速度運行，全程未施加空氣制動，閘瓦溫度呈下降趨勢。

圖8 DF4D(客)坡道調速試驗曲線

圖9 DF4D(準高速)坡道調速試驗曲線

作為對照，雖然DF4D（客）電阻制動能力理論上略強于DF4D（準高速），但試驗中未發揮完全，制動電阻電流約為200 A，無法維持全列編組以50 km/h 速度運行，需補充空氣制動，閘瓦溫度迅速由150 ℃升至420 ℃，進入9.8‰上坡后緩解空氣制動，閘瓦溫度逐漸下降，如圖8 所示。

3.3.2 坡道制動停車

DF4D（客）救援CRH380B 動車組在-11.2‰坡道進行機車最大減壓量制動，初速度49.1 km/h，試驗曲線如圖10 所示。機車制動施加后，列車速度仍大于50 km/h 并呈現持續上升趨勢。列車速度增至58.5 km/h時，動車組施加小級位制動輔助控速停車。DF4D（客）機車制動過程中，閘瓦溫度最高達717 ℃。

圖10 DF4D(客)坡道最大減壓量制動試驗曲線

理論上DF4D（客）機車最大減壓量制動應滿足救援CRH380B 動車組在-11.2‰ 坡道停車要求，實測結果與理論計算存在差異的原因為：

（1）機車制動管減壓170 kPa，制動缸壓力355 kPa，較JZ-7 型空氣制動機最大常用時制動缸壓力410 kPa，低65 kPa。

（2）由于機車電阻制動不足，空氣制動施加前閘瓦初始溫度已接近400 ℃，閘瓦摩擦系數也因溫度高而下降，導致制動力不足。

DF4D（準高速）救援CRH380B 動車組在-11.2‰坡道進行機車緊急制動，初速度44.8 km/h，試驗曲線如圖11 所示。實測制動距離為1 000 m，制動時間為131.8 s，要優于理論計算結果。緊急制動過程中，閘瓦溫度最高為432 ℃。停車檢查，閘瓦未出現掉塊、熔化、明顯變形等缺陷。

圖11 DF4D(準高速)坡道緊急制動試驗曲線

4 限速優化與建議

由上文分析可知，內燃機車救援無制動力動車組時，若僅依靠機車空氣制動力對救援列車控速，將導致機車閘瓦持續磨耗和溫度升高，嚴重時會使機車基礎制動的摩擦系數降低，制動距離延長。對于使用分體輪對的機車，還存在輪轂弛緩風險，嚴重時會導致脫軌。

因此，內燃機車救援無制動力動車組時，空氣制動須配合電阻制動共同使用，才能提高救援列車運行速度。電阻制動具有調速平穩、減小閘瓦磨耗等優點，是內燃機車救援無制動能力動車組限速優化的必要條件。實際上，由圖2 可知，適當提高救援列車的運行速度，更有助于機車電阻制動的發揮，但前提是機車空氣制動可滿足在一定距離內停車的要求。

因為內燃機車救援無制動能力動車組屬于非正常運營工況，對于制動距離和限速沒有明文規定，可參考技規按普通旅客列車計算制動距離800 m掌握限速［17］。

表3～表5 給出了DF4D（客）和DF4D（準高速）機車救援無制動能力8 輛短編動車組（516.7 t）在不同坡度、不同速度下的制動距離和制動時間，結合圖3 和圖4 機車電阻制動坡道調速能力計算結果，可得出不同坡道下的限速值，見表7。其中，對DF4D（客）和DF4D（準高速）機車救援限速進行了簡統。

表7 單機救援8 輛短編動車組坡道限速建議

對于更大坡道，根據電阻制動特性，機車需運行在更高速度（此時電阻制動力更大）才能滿足調速要求，但又無法滿足空氣制動減速停車要求，因此建議增加救援機車數量。

臺架試驗和線路實車試驗均表明，鑄鐵閘瓦的實際摩擦系數低于預期，建議擔當救援熱備機車的DF4D（客）機車換裝粉末冶金閘瓦。

另外值得注意的是，東風型內燃機車電阻制動在運用中也發生過諸多問題，總體穩定性欠佳，甚至有電阻制動被拆除的報道，這也是受當時技術發展水平制約。

因此，內燃機車救援無制動能力動車組限速優化對電阻制動狀態保障也提出了新的要求，需加強熱備內燃機車電阻制動檢修，確保其可用性和穩定性。

5 結論

文中針對內燃機車救援無制動能力動車組限速優化需求，梳理了影響限速提高的各項限制因素，并重點對最關鍵的機車制動能力開展了理論計算、臺架試驗和實車線路試驗，調研了東風型內燃機車電阻制動工作原理和運用情況，論證了內燃機車電阻制動對救援限速優化的必要性和重要性，并提出了若干建議。