冬季瓦日線南呂梁山長大隧道內列車管壓異常上升研究

謝創舉，周霆，王正衛，李春芳，柴彥林，楊國新

（大秦鐵路股份有限公司 侯馬北機務段，山西侯馬 043099）

瓦日鐵路是我國煤炭運輸的大通道，在貨運增量的壓力下，保證鐵路運輸安全和效率意義重大。近年來，南呂梁山長大隧道（約23.5 km）內的列車管壓在寒冬異常上升的現象較為常見，甚至發生幾例隧道內列車自然減壓途停事件。機車牽引力較大時，個別車輛即使制動抱閘，也不易察覺，車輛長時間帶閘運行，極易造成踏面擦傷，甚至損壞鋼軌。鑒于未檢索到相關隧道內列車管風壓異常的文獻報道，通過調研和大量的數據分析，初步給出長大隧道內列車管壓異常上升及車輛制動的原因，并提供有效的措施和建議。

1 調研及添乘情況

在發生3 起冬季長大隧道內列車自然制動后，對進入南呂梁山隧道的大量列車運行數據進行了分析和管壓異常排查。發現2021 年元旦前后，該長大隧道內存在大量列車管壓力上升的異常情況，據個別乘務員反映，2019 年冬季也有長大隧道內管壓異?，F象。在超過10 km的長大隧道運行時，列車管壓力大多上升10 kPa，部分裝有DK-2 型制動機的機車牽引普通列車時，上升20 kPa，上升的壓力一般在列車駛出隧道后緩慢下降至定壓，但有個別機車下降較快，疑似引起車輛意外制動（DK-2 型制動機）。經排查未發現機車制動機系統故障情況。

1.1 調研數據分析

針對冬季大量南呂梁山隧道內列車管壓力波動的案例，選取2 個具有代表性的案例進行分析：

案例一：2021 年1 月2日，洪洞北站至臨縣北站的87544 次列車，機車進入南呂梁山隧道后均衡風缸壓力自606 kPa 逐步上升至615 kPa，列車管壓力自605 kPa 逐步上升至616 kPa。即均衡風缸壓力上升了9 kPa，列車管壓力上升了11 kPa。

經網絡查詢，臨汾地區2021 年1 月1 日氣溫為-13～3 ℃，1 月2 日氣溫為-8～6 ℃，該列車進入南呂梁山隧道時間約為1 月2 日凌晨4∶40，最低溫度在-8 ℃左右。隧道內溫度一般在0 ℃以上，溫差大于8 ℃。

通過LKJ 數據（部分6A 數據）分析可知，列車編組后列車保壓1 min，該列車管壓力下降不超過10 kPa，列車管密封性能達標，具體數據見表1。推斷該列車進入長大隧道后由于溫升超過8 ℃導致均衡風缸壓力上升了9 kPa，列車管壓力上升了11 kPa。

表1 87544 次列車簡略試驗數據記錄（LKJ）

案例二：2020 年12 月30日，洪洞北 站至臨 縣北站的87438 次列車，機車進入南呂梁山隧道后均衡風缸壓力自606 kPa 逐步上升至619 kPa，列車管壓力自607 kPa 逐步上升至627 kPa，均衡風缸壓力上升了13 kPa，列車管壓力上升了20 kPa，列車管壓力高于均衡風缸8 kPa，并且疑似發生了部分車輛意外制動的情況。

經網絡查詢，臨汾地區2020 年12 月30 日氣溫為-11～-4 ℃，該列車進入南呂梁山隧道時間約為2021 年1 月2 日01∶05，溫度應該接近當日的最低溫度，估計在-11 ℃左右。隧道內溫度一般在0 ℃以上，溫差大于11 ℃。

通過6A 裝置數據分析可知，列車編組后保壓試驗4 min，列車管壓力下降不超過3 kPa，列車管密封性能很好，具體數據見表2。推斷該列車進入長大隧道后由于溫升超過11 ℃導致均衡風缸壓力上升了13 kPa，列車管壓力上升了20 kPa。

表2 87438 次列車簡略試驗數據記錄（6A）

1.2 添乘數據分析

2021 年2 月25日，太原局重載技術中心、機務部與機務段安全科添乘了87042 次列車（HXD1-1886，DK-2 型制動機），牽引輛數60輛，牽引質量1 373 t。列車上行在南呂梁山隧道（單線，起點308 km+008 m，終點284 km+534 m，長度23 474 m）運行期間，記錄了6A 裝置、機車制動屏顯示的列車管壓力和均衡風缸壓力，記錄了6A 裝置監測的環境溫度和列尾裝置顯示的列車尾部壓力，記錄數據見表3。由表3 可知：

表3 HXD1-1886 型機車添乘記錄

（1）列車在進入南呂梁山隧道前，均衡風缸、列車管、列尾風壓以及6A 溫度基本穩定。

（2）列車運行進入隧道一段時間后，列車管、均衡風缸、列尾風壓先后緩慢上升，列車出隧道時風壓開始緩慢下降。

（3）列車管壓力先于均衡風缸壓力上升和下降，列車管壓力上升幅度更大。

（4）列車在隧道內運行約24 min，均衡風缸壓力上升4～5 kPa、列車管壓力上升8 kPa、列尾壓力上升9 kPa，6A 裝置顯示環境溫度上升5 ℃。

2 夏季數據分析

以上2 個案例及后期調研分析的10 余次列車，均為2021 年1 月1 日前后開行的列車，這段時間是2021 年冬季最冷的時間，為了驗證確實因隧道內外溫差較大導致列車管壓力發生變化的結論，特對2020 年8 月3 日（27～35 ℃）通過南呂梁山隧道的87554 次（8∶24 發 車）、87438 次（12∶38 發車）、87076 次（13∶26 發 車）、87556 次（14∶04 發車）、87906 次（15∶08 發 車）、87558 次（15∶30 發車）、87086 次（16∶29 發 車）、87054 次（17∶14 發車）、87082 次（18∶44 發車）、87924 次（19∶22 發車）10 趟列車進行了分析，進入南呂梁山隧道后沒有列車管壓力、均衡風缸壓力上升的情況。

3 原因分析

李人憲等人［1］通過流體力學方程三維動態值計算，仿真分析了列車高速通過隧道時壓力波效應，計算得出最大正壓出現在列車進入隧道時（表壓小于1.5 kPa），隧道內基本是波動的負壓（表壓小于4 kPa），符合英國鐵路公司或國際鐵路聯盟關于隧道內氣體壓力變化在3 s 內不得大于3 kPa的規定。由此可見，列車通過隧道引起的大氣壓力變化僅影響列車制動效能，對列車管和均衡風缸風壓影響很小。

因此，根據列車管壓力上升現象，從誤發控制指令、壓力傳感器異常、環境影響3 方面進行分析。

（1）誤發控制指令

控制指令由機車網絡觸發或者傳遞執行，機車制動機如果有“過充”功能，可能通過“過充”控制指令實現機車列管壓力上升到630～640 kPa，但是配置CCBⅡ型制動機或DK-2 型制動機的HXD1型機車的“大閘”沒有過充位，在列車充分緩解狀態下不存在發出“過充”指令的可能性。

（2）壓力傳感器異常

針對列車進入長大隧道后管壓逐漸上升，駛出隧道后列車管壓逐漸下降情況，分析了6A 裝置均衡風缸和列車管壓力、制動機均衡風缸和列車管壓力、列尾裝置壓力等5 個壓力傳感器的數據，在列車進入南呂梁山長大隧道后顯示壓力值均呈上升趨勢。對2020 年12 月31 日前后的10 余趟經過南呂梁山隧道的列車數據進行了分析，從6A 數據和LKJ 數據分析可知，列車進入長大隧道后各系統顯示壓力值均呈現上升趨勢，因此判定壓力傳感器異?；蚬收系目赡苄詷O小。

（3）環境影響

根據添乘數據（表3），列車進入隧道前6A裝置顯示溫度為8 ℃，進入隧道后環境溫度逐步上升到13 ℃。6A 裝置均衡風缸壓力從608 kPa 逐步上升至611 kPa，6A 裝置列車管壓力從605 kPa 逐步上升到612 kPa；機車制動屏顯示的均衡風缸壓力從611 kPa 逐步上升到613 kPa，列車管壓力從605 kPa 逐步上升到612 kPa，列尾裝置檢測列車尾部壓力由607 kPa 上升至615 kPa。而添乘列車進入隧道后環境溫度逐步上升了5 ℃，通過理想氣體方程P2=T2×P1/T1計算，列車管內氣體壓力上升△P=605×（13-8）/（8+273.15）≈11 kPa。密閉列車管內氣體溫度每上升1 ℃，壓力平均上升約2.2 kPa。且初始溫度越低，氣壓上升越快。

隧道內的熱傳遞主要有傳導和對流傳熱（由于溫度較低，熱輻射可以忽略不計）［2］。列車主管分布在每個車輛的底部，全長幾百米，因此列車主管的體積要遠大于均衡風缸的體積，列車管與周圍熱空氣的換熱比表面積也是均衡風缸的百十倍。均衡風缸置于機車內部，周圍環境氣體流速較低，熱對流傳熱更小。因此，單位時間內周圍空氣對列車管的熱傳導和熱對流傳遞的熱量更多，管內空氣的溫度先升高，且增壓更大。列車管與均衡風缸壓力僅上升7～8 kPa，其數值小于理論計算值11 kPa，具體原因為：一是隧道內的環境氣溫向列車管及均衡風缸傳熱是一個緩慢的過程，滯后于環境溫度的上升，且低于環境溫度；二是列車管并非絕對密閉空間，存在泄漏情況，一定程度上削弱了管壓上升的幅度；三是理想氣體方程是在理想環境下得出的，現實環境中，溫度升高到壓力升高的轉換過程中存在能量損耗，氣體壓力上升幅度要小于理論計算值。

4 部分車輛意外制動分析

在調研期間，就列車管及均衡風缸風壓波動及車輛自然制動異常情況與某公司進行了溝通交流，咨詢了DK-2 型制動機的性能參數和有關結構。某公司已獲知2020 年12 月14 日集寧機務段發生的列車在長大隧道內列車管壓力上升并出現了車輛意外制動情況，開展了相應試驗檢測和研究，提出了DK-2 型制動機的改進措施。其研究試驗結論是：列車通過長大隧道時，由于隧道內外存在較大溫差（最大可達18 ℃），導致列車管壓力上漲，同時均衡風缸也因溫度影響造成壓力上漲（機械間溫度變化達7.5 ℃），進一步助推了列車管壓力的上升。呼和浩特局燕山隧道檢測具體數據見表4，曲線圖如圖1 所示。

圖1 呼和浩特局燕山隧道檢測數據曲線圖

表4 HXD1-1669 機車（DK-2 型制動機）燕山隧道監控數據（時間：2020/12/29 16∶39∶57-2020/12/29 17∶02∶50）

根據圖1 可知，列車進入隧道后，隨著環境溫度的上升，列車管壓力逐漸上升，并超過機車均衡風缸壓力，當該差值超過機車中繼閥啟動壓差（5～8 kPa）后，中繼閥膜板被推動，中繼閥排風，壓差越大，中繼閥排風程度越大。隧道內外的溫差越大，這一現象越明顯。中繼閥排風導致列車管壓力下降，當車輛副風缸與列車管壓差超過車輛制動閥動作阻力時，車輛產生制動。如果個別車輛制動閥動作阻力較小，靈敏度較高時，更容易發生意外制動現象。

5 結論及建議

5.1 結論

根據數據分析與計算，2021 年1 月1 日前后，瓦日線列車進入長大隧道列車管壓力與均衡風缸壓力均出現上升，駛出隧道后列車管壓力與均衡風缸壓力均緩慢恢復正常，主要由于隧道內溫度明顯大于隧道外環境溫度所致。

（1）由于冬季嚴寒時期長大隧道內外溫差較大，列車進入隧道后，制動系統空氣被加熱溫度升高，使風壓緩慢增高，由于列車管和均衡風缸處于不同外部環境，往往列車管比均衡風缸溫度上升更高，風壓也更高。

（2）當列車管與均衡風缸風壓差達到機車中繼閥開啟臨界值時，中繼閥開啟列車管排風，當列車管排風速率較快時，引起了部分制動機靈敏度高的車輛發生自然制動。

（3）隧道內列車管壓波動大小及自然制動與機車制動機性能有關，如中繼閥動作的靈敏度及排風速率等。

5.2 建議

當發現列車在隧道內列車管壓異常增高時或列車速度下降異常時，駛出隧道后，進行空氣初制動調速一次，消除溫度變化對列車空氣制動系統壓力的影響，防止車輛長時間意外制動，經分析和實踐驗證，該措施可行。也可通過對列車主管表面噴涂隔熱漆或包裹隔熱棉，以削減隧道內高溫空氣對列車主管的傳熱，進而穩定管壓。