大准铁路交流机车牵引质量试验分析及对策研究

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  【摘要】本文通过对八轴、十二轴交流电力机车在4‰计算坡道(大准线上行限制坡道)牵引重量的计算,并结合八轴交流机车在大准线牵引能力的试验结果,深入分析了铁路运输不确定因素对八轴交流机车在大准线牵引运行的影响,有针对性的分析总结了八轴交流机车在大准线运用的具体措施,并就大准线交流机车的选型给出了建议。
  【关键词】机车;牵引力;牵引重量;效率
  1.前言
  大准铁路东起山西省大同市境内的燕庄车站(与国铁大同枢纽大同东站接轨),西至内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾站,途径两省六县市(旗)。是大秦线货源重要运输通道,与国铁有两大交接口,一是与大秦线大同枢纽大同东站接轨(交接站燕庄站),连接大秦线、丰沙大线;二是与京包线呼铁局丰镇站接轨(交接站丹洲营站),连接京包线、集通线。准东铁路(145km)与大准铁路在薛家湾站接轨,同时神华集团新建巴准线、准池线,分别与大准线点岱沟、外西沟站接轨,。大准线正线全长264km(不含湖东—大同东21.6km太原局管辖大准机车牵引区段),站线全长156.3km,总运营里程302.4km。最初设计为单线一级电气化铁路,随着神华铁路板块的快速发展,2014年6月24日点岱沟至九苏木区段增二线改造建成开通运营。线路最高允许运行速度为85km/h,限制坡度为上行4‰,下行9‰(点支线12‰)。
  大准铁路干线货运机车以电力机车为主,现支配电力机车81台,其中SS4B型45台、SS4G型电力机车30台、SS3型6台(已停用)。
  2011年9月,中国神华能源股份公司与中国南车股份公司在北京签署战略合作框架协议,中国南车集团开始开发适合神华集团铁路的机车车辆。株洲电力机车有限公司与神华集团共同研究开发,在深度国产化的HXD1型电力机车基础上研制2种大功率交流传动电力机车,分别为9600千瓦的双节八轴电力机车、14400千瓦的三节十二轴电力机车。机车首次采用动车组理念设计,以动力单元为基础的模块化设计,符合世界重载货运机车技术发展潮流,多项设计达到世界先进水平。然而,对于铁路运输的大联动体,机车的选型还要围绕其牵引重量,需从经济、适用性等方面进行综合评价,以达到最优。
  2.交流机车牵引质量计算
  2.1交流传动电力机车,主要技术参数
  2.1.1八轴交流传动电力机车主要技术参数:
  机车轮周牵引功率(持续制):9600kW
  机车轮周电制动功率(持续制):9600kW
  机车起动牵引力:≥760kN(0~5km/h速度范围内半磨耗的轮周平均牵引力,干燥无油轨面)
  持续速度:65km/h
  最高速度:120km/h
  机车持续制牵引力:532kN
  2.1.2十二轴交流机车主要技术参数:
  机车轮周牵引功率(持续制):14400kW
  机车轮周电制动功率(持续制):14400kW
  机车起动牵引力(0~5km/h速度范围内半磨耗的轮周平均牵引力,干燥无油轨面): ≥1140kN
  机车速度
  持续速度:65km/h
  最高速度:120km/h
  最高试验速度(新轮):132±2km/h
  机车持续制牵引力:798kN
  2.2交流机车4‰上坡道起动牵引重量计算
  2.2.1按照《牵规》对于电力机车牵引的滚动轴承货物列车计算公式,在4‰坡道上八轴大功率交流传动电力机车起动牵引重量为:
  考虑牵引力使用系数
  不考虑牵引力使用系数
  2.2.2按照《牵规》对于电力机车牵引的滚动轴承货物列车计算公式,在4‰坡道上十二轴轴大功率交流传动电力机车起动牵引重量为:
  2.3适应神华铁路列车编组交流机车起动限制坡道计算
  2.3.1八轴电力机车牵引105辆C80重车起动限制坡道计算
  考虑牵引力使用系数
  不考虑牵引力使用系数
  神8型交流电力机车牵引10500吨,限制起动计算坡道约为3‰;不考虑牵引力使用系数为3.7‰。
  2.3.2八轴电力机车牵引116辆C80重车起动限制坡道计算:
  1.考虑牵引力使用系数
  2.不考虑牵引力使用系数
  八轴交流电力机车牵引11600吨,限制起动计算坡道考虑牵引力使用系数约为2.4‰;不考虑牵引力使用系数约为3.04‰。
  2.3.3十二轴电力机车牵引116辆C80重车:
  通过以上理论计算得:
  1.八轴交流机车4‰计算坡道,起动牵引重量约为9062.4吨;如不考虑机车牵引力使用系数,起动牵引重量约为10096吨,均小于目前大准铁路列车编组总重。牵引105辆C80重车,适应的最大线路坡道约为3‰(不考虑机车牵引力使用系数最大约为3.7‰);牵引116辆C80重车,适应的最大线路坡道约为2.4‰(不考虑机车牵引力使用系数最大约为3.04‰)由此,八轴交流机车理论上不能满足大准线4‰限制坡道的牵引需求。
  2.十二轴交流机车4‰计算坡道,起动牵引重量约为13593.6吨;大于目前大准铁路乃至神华路网内列车编组总重。牵引目前神华路网内载重最大的列车(116辆C80),其适应的最大线路坡道约为5.3‰。由此,从理论上能够满足神华路网内上行限制坡道为4‰的各条铁路牵引需求,并且牵引力富余相对较大。
  综上所述,十二轴交流机车能够完全满足大准线单牵万吨需求;八轴交流机车理论上不能满足限制坡道起车需求,但单牵105辆C80型重车,起动牵引力非常接近起动需求。
  3.交流机车牵引质量运行试验分析   在机车实际运用中,由于天气、线路状态等诸多不确定因素影响,机车功率的发挥也不尽相同,为了准确掌握HXD1型八轴交流传动电力机车牵引特性及最大牵引质量,充分论证其在大准线配置的适应性,大准铁路公司组织在大准线进行了实地试验,并结合理论计算对八轴交流机车的牵引性能进行全面的对比分析。
  3.1试验列车编组方式
  1.1台HXD2机车+1台神8机车+108辆C80重车。
  2.1台神8机车+1台HXD2机车+105辆C80重车。
  3.2试验项目及地点
  1.4‰限制坡道机车起动性能试验
  神华8轴、HXD2型交流机车单牵108辆、105辆C80万吨列车,在大准线k224+500、191+9004‰处,进行4%限制坡道起车试验,测试机车坡道起车性能。
  2.困难区段站停起车运行试验
  试验列车运行至外西沟站停车再开车(站内超过2.5‰上坡道,出站后连续上坡道),运行通过前石门站,对试验列车在起车困难车站停车后通过连续上坡道地段运行,技术速度、运行时分等内容进行写实分析。
  3.3试验内容及写实分析
  (一)神华8轴、HXD2型交流机车单牵108辆C80万吨列车,k224+500处4‰限制坡道起动能力试验。
  1.HXD2型机车单牵108辆C80万吨列车,在k224+500处4‰限制坡道起动时,机车牵引力最大达到476KN,试验机车轮轨粘着力破坏轮对空转严重,列车未能正常起动。
  2.神华8轴交流机车单牵108辆C80万吨列车,在k224+500处4‰限制坡道起动时,机车牵引力最大达到546KN,试验机车轮轨粘着力破坏轮对空转严重,列车未能正常起动。
  (二)神华8轴交流机车单牵105辆C80万吨列车,k224+631处4‰限制坡道起动能力试验。
  神华8轴交流机车单牵108辆C80万吨列车,在k224+631处4‰限制坡道起动时,机车牵引力达到544KN,列车开始起动,起动过程中牵引力最大发挥至648KN,具体情况见表1。
  (三)神华8轴、HXD2型交流机车单牵105辆C80万吨列车,k191+900处4‰限制坡道起动能力试验。
  1.HXD2型机车单牵105辆C80万吨列车,在k191+937处4‰限制坡道起动时,随着牵引力的不断增加,试验机车轮轨粘着力破坏轮对空转严重,列车未能正常起动。
  2.HXD2机车在k191+937处坡起失败后,神华8轴交流机车牵引列车起动,由于起动过程相对顺利(疑似补机牵引力未完全撤除),列车二次停于k191+847处重新进行坡起试验。在k191+847处神华8轴交流机车单牵105辆C80万吨列车起动时,机车牵引力达到592KN,列车开始起动,起动过程中牵引力最大发挥至758KN,具体情况见表2。
  (四)HXD2型交流机车单牵108辆C80万吨列车,外西沟站(站内超过2.5‰上坡道)站停起车运行试验。
  HXD2型交流机车单牵108辆C80万吨列车,外西沟站能够正常起动列车,运行至前石门站通过用时为17分08秒(超运行图1分08秒)。
  (五)神华8轴交流机车单牵105辆C80万吨列车,外西沟站(站内超过2.5‰上坡道)站停起车运行试验。
  神华8轴交流机车单牵105辆C80万吨列车,外西沟站能够正常起动列车,运行至前石门站通过用时为17分51秒(超运行图1分57秒),具体起动过程见表4。
  3.4试验结论
  3.4.1神华8轴、HXD2型交流机车单牵108辆C80万吨列车,在大准线4‰限制坡道均不能顺利完成起车任务;HXD2型交流机车单牵105辆C80万吨列车,在大准线4‰限制坡道不能顺利完成起车任务。
  3.4.2神华8轴交流机车单牵105辆C80重车,在大准线4‰限制坡道能够起动列车,但起动过程较为困难。
  3.4.3神华8轴、HXD2型交流机车单牵108辆C80万吨列车,在大准线起车困难车站(站内超过2.5‰上坡道,出站后3‰-4‰连续上坡道)站停后能够顺利起动列车,途经连续上坡道,技术速度略低于双SS4型牵引的万吨列车。以外西沟站起车运行至前石门为例,区间运行时间约增加1分钟;通通运行时分与双SS4型牵引基本相当,并在连续上坡道区间通通运行时分略低于双SS4型牵引,具体运行时分写实见附件。
  4.大准线配置八轴交流机车存在的问题
  4.1坡停救援的现象将频繁出现。大准、准池线超过3‰的坡道较为普遍且多为连续坡道,尤其是准池铁路有两个区段超过3.5‰的连续上坡道均达到20km以上(其中4‰坡道最长超过4km),既无运行闯坡的有力地形,又无停车躲避坡道的平缓地段。而通过试验,神华8轴交流机车单牵108辆C80万吨列车在4‰坡道不能正常起车;单牵105辆虽能够起动,但从牵引力的发挥和轮轨粘着条件看基本达到极限,为此如遇不良天气或个别故障需要机车甩轴运行等特殊情况,列车停于4‰上坡道,正常起动的机率极小,将导致坡停救援的现象频发出现。
  4.2不良天气对运输的影响更加严重。根据现场试验,神华8轴交流机车单牵105辆C80万吨列车,在4‰上坡道起车牵引力的发挥基本达到极限,而不良天气机车牵引功率不能充分发挥,列车停于4‰上坡道起动的可能性极小,且长时间在超过3‰的坡道牵引运行,极易导致列车坡停不能正常牵引运行,将严重干扰正常的运输组织秩序。
  4.3运输效率的发挥受到影响。大准线上坡道车站较多,而且出站后多为连续大坡道,神华8轴机车单牵万吨列车站内起车时间长、加速时间慢;如在4‰上坡道停车,列车区间占用时间将更长,随着运输任务的不断增加,列车技术速度降低,将严重影响运输效率的发挥。同时,准池铁路开通运营后,准池方向列车编组数量将与朔黄铁路对接,受机车牵引质量限制,神华路网拉通后列车编组的对接及路网内列车扩编将受到直接影响,进而对运输效率的进一步提升形成制约。
  5.大准线八轴交流机车运用应对措施
  5.1八轴交流机车在正常条件下能够满足大准线单牵105辆C80万吨列车牵引动力需求,只有重车在连续4%上坡道停车后启动较为困难,甚至无法正常起动。为此,首先考虑从机车本身起动控制环节进行深入研究、改进,设法调整起动控制程序,使机车坡道起车特性更加适应大准铁路线路特征和编组条件,以应对不确定因素对机车运用的影响。
  5.2提高机车检修、保养质量,将机车质量的影响因素降到最低。
  5.3进一步改善路外行车环境,减少人、畜上线影响正常行车的现象,尤其是上行连续上坡道地段的护网管理,将外部因素影响降到最低,保证正常运输组织秩序。
  5.4优化运输组织,有针对性地制定行车保障措施,在运输能力相对空余的情况下,适当增大交流机车牵引列车的运行间隔。使外界因素的影响能够有效掌控,让预防性措施发挥积极作用。
  5.5强化机车乘务员队伍素质建设。一是提高应急故障的处理能力,防止坡停故障的发生;二是提高对机车交路区段的熟悉程度,尽量避免在限制坡道区段停车;三是提高机车操纵技能,熟练应对坡道起车的突发事件,将坡道救援的可能性降到最低。
  综上所述,目前大准铁路机车交路区段,9600KW的八轴交流机车,在正常行车条件下其牵引动力能够满足单牵105辆C80万吨列车需求,但考虑到神华路网拉通后准池铁路线路特征和列车扩编的可能性,以及实际运输生产中存在诸多不确定因素影响,建议大准铁路在确定交流配置机型时,尽可能选择牵引功率大于9600KW的机型或预留进一步增大功率条件的机车,以满足神华路网运输和神华铁路板块发展需求。
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