重载列车牵引动力技术特点研究

摘 要：考虑到重载列车技术对提升铁路运输能力所起的作用，针对其开展的理论研究与工程试验依然有着重要而深远的意义。机车作为铁道车辆的动力来源，依然是铁路运输未来发展的重头戏。鉴于此，介绍了重载列车的牵引动力形式、技术特点与相关要求。

关键词：重载运输;重载列车;重载铁路;内燃机车;电力机车

0    引言

随着铁路牵引动力的发展和运输形势发展的需要，牵引重载列车将成为一个各国普遍关注的问题。本文主要讨论重载货物列车（以下简称重载列车）的主要形式和有关列车操纵问题。

1    重载运输

重载列车主要有3种形式：单元重载列车、组合重载列车和单编重载列车。铁路重载运输是涉及面广而复杂的综合技术。重载列车编组长、质量大，由一台或几台机车担当牵引，需要采取有效的技术组织措施，确保运行安全，提高运输效率。近几十年来，世界各国都对重载运输的有关技术问题进行了有针对性的研究，以使重载列车货物运输达到最理想的效果。

2    重载列车的牵引动力形式

2.1    机车牵引动力

各国重载列车牵引机车，除了美国和加拿大主要使用内燃机车外[1-4]，绝大多数国家均采用电力机车。为满足重载列车的牵引要求，最主要的是通过增加内燃机车柴油机功率和加大电力机车的牵引电机功率，以及实现轮轨之间最佳黏着系数来提高机车的牵引力[5]。

2.2    重载列车的双机或多机组合牵引

重载列车牵引机车集中在列车头部，尽管机车功率增加，但受机车和车辆的车钩强度及制动性能限制，列车质量不可能有更大的提高，否则极易造成车钩断裂、列车分离，不能保证行车安全。目前的重载列车，无论是美国等国的重载单元列车还是俄罗斯的超重超长列车，在列车质量超过10 000～12 000 t时都采用多台机车组合，合理分布在列车头部、中部或尾部，根据列车的实际质量确定所需要的机车台数。全列车由头部机车担当本务机车，中部机车作为辅助机车，按照本务机车司机指令进行操纵。

重载列车遥控同步操纵，在山区和长隧道线路区段运行时会出现干扰和无线电波传送困难问题，使前后机车的无线通信联系中断。为了保证无线电波在长隧道传送的可靠性，各国多采用在隧道内加装波导线、隧道口装设中继器的方式，同时也在寻求更有效的措施。

3    重载列车牵引动力的技术特点

3.1    重载列车的牵引方式

重载铁路运输动力牵引包括电力牵引和内燃牵引。除美国、加拿大主要采用内燃牵引外，绝大多数国家依然采用电力牵引。国外运营实践表明，电力牵引具有功率大、效率高、污染少等优点，大多数国家都将其作为牵引动力现代化的发展方向。电力机车本身不带动力能源，具有功率大、单位功率质量小、过载能力强等特点，能大幅提高货物列车质量。因此，电气化铁路最适于发展重载运输。

（1）从能源利用效率看，电力机车和内燃机车牵引效率都很高，都可用于重载运输。但内燃牵引必须使用柴油，对石油资源有很强的依赖性，而电力牵引不但可以更有效地利用其他化学燃料，而且可以利用水力或核能发电等方式。在能源问题成为全球关注焦点的今天，从综合利用能源的角度看，电力牵引比内燃牵引具有更广阔的发展前景。

（2）电力牵引可以应用“再生制动”技术，一般来说，再生能源所节约的电能可达列车全部电能消耗量的18%～20%。虽然目前从技术上看比较复杂，但经济上是合算的。

（3）电力机车由于车上没有原动机，因此其可比同样质量的其他型式的机车功率更大。同时，其功率不受原动机功率的限制，可以短时由接触网取用超额的电力。因此，相同质量的电力机车比其他机车功率更大。

（4）电气化铁路还具有所需操作人员较少，劳动生产率较高，污染小，劳动条件好等优点。但需要注意的是，相较于内燃牵引，电气化铁路对电源的极度依赖性也使其较为脆弱。一旦电力供应系统遭到破坏，也会造成整个运输系统的瘫痪。比较典型的例子是2008年春节我国南方雪灾，造成电网崩溃，进而导致包括南北铁路大动脉——京广线在内的南方许多铁路运输瘫痪。

3.2    重載列车的牵引要求

对于牵引重载列车的机车，有两项基本要求：足够高的功率和足够大的黏着牵引力。机车牵引重载列车，要以规定的计算速度通过限制坡道，在平道上也要达到一定的速度。由于列车质量大、运行阻力大，要求机车的功率也相应较高[6]。一台机车的功率通常不够，可以双机或多机牵引重载列车。单节机车的功率大，则可以减少机车数量，减少机车购置费及维修费用，降低运输成本，电力机车较内燃机车更容易实现大功率，故重载运输采用电力牵引优于内燃牵引。各国用于重载牵引的机车，不论是内燃机车还是电力机车，近年来都有增大功率的趋势，其目的在于减少牵引机车的台数，降低运输成本。

重载列车在启动及通过限制坡道时，列车阻力较大，对机车牵引力就有一定要求;但其最大牵引力不能超过机车黏着牵引力，因此对机车的轴数、轴重、能发挥的黏着系数都有一定的要求。轴重受线路的限制，美国内燃机车的轴重达28～30 t。机车能够发挥的黏着系数，不同类型的机车相差甚大，通常体现为该机车黏着性能的好坏。

重载机车应注重提高牵引机车性能，机车功率和轮轨间黏着力应相匹配。在重载运输中，机车轮轨间黏着力的限制往往比功率的限制更为突出，应选择合理的功率与黏着质量比，以保证机车有足够的牵引力。目前，货车普遍采用滚动轴承，在限制坡道上启动一般不成为牵引质量提高的限制因素，列车的牵引质量应根据以持续速度通过长大限制坡道而不发生空转的条件来确定。

一般而言，电力机车的黏着性能比内燃机车好;交流传动机车比直流传动的黏着性能好;机车采用径向转向架通过曲线时的黏着系数不下降;微机控制的防空转装置能使轮轨间的黏着潜力得到充分的利用。必须指出，机车的功率及牵引力必须同时满足要求。若功率足够但牵引力不足，则可能发生列车启动困难或在区间长大上坡段出现停止的情况;若功率不足则列车难以达到规定的速度。

3.3    重载内燃机车柴油机节油要求

内燃机车使用柴油机作为动力来源。柴油机能在宽广的功率范围内以较高的效率将燃料中的化学能转换成为机械功，而且结构相对简单，操纵较为方便，机动性好，适应性强，这些都是其他热能动力机械无法比拟的。由于柴油机是以碳氢化合物为燃料的动力机械，受到石油资源储量及其燃烧产物中有害排放物质的制约，其发展面临着严峻的挑战。而且，随着人们对生产的高效性、运输的快捷性及运用的安全性等要求的进一步提高，在柴油机的节能、强化及可靠性等方面都提出了新的要求。

重载内燃机车由于牵引质量大，燃油消耗相应也较大，因此采用先进的节油降耗技术可以提高机车利用效率，以更好地适应重载运输的发展。

4    重载机车同步操纵及遥控装置

重载列车总质量较大，一台机车的功率往往不够，需双机或多机组合牵引。采用双机或多机牵引时，机车的编挂方式（位置）对重载列车的运行和在站作业都会造成影响。牵引机车可采取集中连挂和分散连挂两种编挂方式[7]。

集中连挂，一般采用机车自有的重联装置，多台机车均挂于列车头部集中牵引重载列车，这种方式对机车及车辆的车钩、缓冲器及列车的制动和缓解均带来较大的影响。如列车中的车钩受力不均，差异较大，机后车钩受力最大，随后车钩受力逐渐递减，到列车尾部车钩受力最小。因此当列车启动和运行中牵引力突然变化时，极易造成列车车钩分离或断钩。同时，因为惯性的存在，制动或停车时车钩缓冲器会受列车自身的冲击，将会产生压死、爆裂现象。此外，重载列车编挂车辆多，造成列车长度较普通列车成倍增加，列车制动机在制动减压或缓解充风时的时间过长，且列车主风管前、中、后部的压差很大，影响列车制动和缓解性能，特别是在长大坡道下坡制动时充风速度慢，列车易失控。

一般而言，牵引重载列车的机车集中在列车头部时，尽管机车功率可增加，但列车牵引质量受车钩强度及制动性能的限制，不可能有更大的提高，否则极易造成车钩断裂、列车分离，不能保证行车安全。机车集中在列车头部时，通常只用双机牵引，而不用更多的机车牵引;如超过规定的最大牵引力，需在列车后部加挂补机推送。

采用无线通信的重载列车遥控同步操纵，在山区和长隧道线路区段往往会出现干扰和无线电传送困难问题，使前后机车的无线通信联系中断。为了保证无线电波在长隧道内传送，各国多采用在隧道内加装波导线、隧道口装设中继器的方式解决问题，同时还在寻求更有效的措施。

5    结语

目前，铁路运输在国民经济建设领域依然起着重要作用。考虑到重载列车技术对提升铁路运输能力所起到的作用，针对其开展的理论研究与工程试验依然有着重要而深远的意义。机车作为铁道车辆的动力来源，依然是铁路运输未来发展的重頭戏。

[参考文献]

[1] 伍赛特.内燃机车应用前景展望[J].机电信息，2018（33）：51-52.

[2] 伍赛特.机车柴油机的节能研究及展望[J].节能，2018，37（10）：54-57.

[3] 伍赛特.交通运输减排技术研究及展望[J].上海节能，2020（6）：538-542.

[4] 伍赛特，姜福波，梁昱.内燃机车技术运用及节能措施研究[J].节能，2020，39（3）：153-155.

[5] 亢红霞.货运专线重载运输组织及运行图仿真——以大秦铁路为例[D].兰州：兰州交通大学，2008.

[6] 王秋允.200 km/h等级机车整体驱动系统方案研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[7] 张进川.半封闭式重载铁路运输组织关键技术研究[D].北京：北京交通大学，2008.

收稿日期：2021-01-06

作者简介：伍赛特（1990—），男，湖南邵阳人，工学硕士，工程师，研究方向：内燃机与动力装置。