货运电力机车在山区铁路的匹配分析

我国铁路的电力机车由直流韶山型向交流和谐型换型后，大部分区段实现了“多拉快跑”的目标，但在部分山区铁路受坡道限制高黏着系数的单节4轴的HXD1、HXD2的牵引表现并不理想，反而6轴机车有其优势。为山区铁路匹配合理的机型，从牵引计算、运用案例、牵引电机功率轴重比方面对以下机型进行针对性分析。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（1）牵引计算分析

典型货运电力机车限制坡道的牵引重量计算后的结果见表1、表2。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

从表1数据分析：SS3B双机、HXD1(2)+SS3B、HXD3C三机利用恒力矩进行低速闯坡，可在20‰的坡道上牵引5000-5500t，而HXD1(2)双机最多牵引5300t。

从表2数据分析：SS3B单机、HXD3C双机利用恒力矩进行低速闯坡，可在12‰的坡道上牵引5000t，HXD3C双机可牵引5000-5500t，而且速度高，HXD3C双机匹配此运用场景是最合理的。而SS3B低速闯坡时速度过低，影响区间效率，单机牵引5000t是很勉强的。HXD1(2)单机仅能起停4200t，牵引5000t是不可行的,HXD1（2）替换SS3B牵引4000t、4500t低速闯坡时速度不如SS3B,牵引4200t时速度相对略有提高。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

从表1、表2中机车的持续速度分析：HXD型机车的恒功速度点高，适合重车运行速度较高、限制坡道较短的区段，如将其用在低速、限制坡道较长区段，机车性能难以发挥，电机长时间工作在恒功速度点以下可能会导致绕组急剧温升烧毁电机。而SS3B恒功速度点低，适合允许速度在48km/h-63 km/h的区段，牵引电机基本在恒功范围工作，能发挥机车高效性能。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）运用案例分析

孝柳铁路属于典型山区小半径低速货运铁路，重车允许速度不超60Km/h。中阳—三角庄最大坡度为27.2‰，长度为100m，坡度20‰-22‰的坡道共7段，单段最长1750m (坡度为20‰)， 总长为3060m，其余坡道坡度均小于20‰。 三角庄—孝西间最大坡度为22.2‰，长度为200m，坡度20‰-22‰的坡道共7段，单段最长900m，总长为3200m，其余坡道坡度均小于20‰。中阳—穆村间最大坡度为13.2‰，长度为250米，坡道12‰-13.2‰的坡道共12段，单段最长850m(坡度为12.1‰), 总长为5160m，其余坡道坡度均小于12‰。电气化改造、轨道结构升级、桥梁加固改造完后中阳—孝西间常态化采用SS3B双机牵引5000t运行，区间技术速度在50 Km/h左右；中阳—穆村间上坡方向采用SS3B+补机牵引5000t兼顾提高了技术速度，SS3B在此场景的匹配总体是合理。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

近年在铁路基础装备发展政策要求电力机车全面交流化，停产直流电力机车和既有SS3B机车也逐步进入报废期的压力下，孝柳铁路尝试采用同功率的HXD1(2)代替SS3B，2022年4月采用HXD1(2)双机牵引5000t在19.1‰坡度进行起停试验未能成功，而采用HXD2(1)+SS3B牵引试验获得了成功。为使HXD1(2)机车恒功起点能适应低速线路条件，厂家通过修改TCU软件将孝柳铁路的HXD2(1)恒功点降为52Km/h，后续运用只得将HXD1(2)作为高坡区段牵引重车的补机，HXD1(2)完全替代SS3B的方案未能达到预期效果。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

前述牵引计算结果说明HXD1(2)双机在20‰限制坡道能牵引5000t，排除天气因素影响、司机操纵问题，分析为何其牵引试验不成功的原因。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

黏着利用理想情况下HXD1(2)、HXD3C 黏着系数0.387优于SS3B黏着系数0.347，HXD1(2)、SS3B、HXD3C机车整备重量分别是200t、276t、150t,轴重分别是25t、23t、25t，理论上整车重量和轴重数据越大，黏着利于越好。但是HXD1(2)单节为4轴悬挂结构而SS3B单节为6轴悬挂结构，两种不结构机车在相同高坡地段的车体前后重心倾角不同，引起轴重转移后4轴结构能可靠黏着钢轨的动轴数量会明显低于6轴结构。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

HXD1(2)双机的理想起动牵引力760×2kN, 采用黏着有效比7/8,在高坡地段只有14个轴黏着正常,此情况下HXD1(2)双机起动牵引力降为1330 KN,这个起动牵引力在20‰坡度上仅能起动4700t。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

SS3B双机的理想起动牵引力941.8×2kN, 采用黏着有效比10/12,在高坡地段有20个轴黏着正常，此情况下SS3B双机起动牵引力降为1569.6 kN，这个起动牵引力在20‰坡度上仍能起动5400t。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

HXD1(2)+SS3B的理想起动牵引力760kN+941.8kN, 采用黏着有效比7/8+10/12, 在高坡地段有7+10个轴黏着正常,此情况下HXD1(2)+SS3B起动牵引力降为665kN +784.8kN，这个起动牵引力在20‰坡度上也能起动5000t。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

如果选用HXD3C三机，三机的理想起动牵引力570×3kN，采用黏着有效比15/18，有15个轴黏着正常，此情况下HXD3C三机起动牵引力降为1425 kN，这个起动牵引力在20‰坡度上也能起动5000t。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

12‰限制坡度区段比如兰新线、西陇海线上行方向牵引定数普超5000t，张掖、武威一带上坡很长采用HXD1C双机；兰州—宝鸡下坡为主采用HXD1单机；三门峡一带又有很长的上坡采用HXD3双机；宁西线5000t采用HXD3双机，这些山区高速区段采用6轴双机是非常稳妥的。大秦铁路重车方向为4‰的上坡，每台HXD1、HXD2平均牵引10500t闯坡速度能够达到50-55km/h，HXD1、HXD2的性能在大秦铁路缓坡场景下得到匹配发挥。而西康线HXD1货列编组数量按4500t,此区段的货物大部分是轻质货物，列车实际重量要低于4500t，采用HXD1单机勉强牵引4500t，采用中途不停车闯坡运行，万一途停采取救援，HXD1用在西康线12‰限制坡度区段并不顺畅。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

以上案例说明6轴结构的机车比4轴结构的机车在山区铁路运行效果更好，但是HXD3C多机牵引比HXD1(2)、SS3B要多用1组司机，增加了机车运用的人工成本。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（3）牵引电机功率轴重比分析

牵引电机功率轴重比是衡量机车黏着能力富余的重要指标，其值越大黏着能力越不富余。SS3B轴重23t、牵引电机额定功率800kW，电机功率轴重比值是34.78kW/t；HXD1(2)、HXD3C 轴重25t、牵引电机额定功率1200KW，电机轴重比值是48kW/t；HXD1(2)、HCD3C牵引电机轴重比值是SS3B的1.38倍。在相同的线路条件下牵引同重的货列，其在低速闯坡运行中，HXD1(2)、HXD3C发生空转甚至坡停起车困难的问题比直流货运机车偏多。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

货运机车在不增加轴重和轴数的情况下，单提高牵引电机功率，实际运用中机车会出现黏着力不足问题，高功率机车适合平缓坡度的线路高速运行，不适合在低速高坡区段多拉低速运行，低速场景下牵引力受黏着力限制，再大的电机功率也不能充分发挥。而6轴的HXD3C因多了2个动轴其在12‰限制坡度的山区达到了多拉提速的效果，HXD3C双机牵引的用电负荷比HXD1(2)、SS3B又增加了25%，单个供电臂内车流密度不变的情况容易引起网压波动，给牵引供电带来扩容的压力。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

(4)结论

结合现有交流货运电力机车性能、机车用电负荷、运用人工成本、现场运用经验综合考虑，当前还没有交流货运电力机车能完全合理匹配山区低速铁路。建议在HXD3C的基础上设计一款额定功率10000kW左右、轴重23t、轴式2(C0-C0)、起动牵引力470×2kN、持续牵引力360×2kN、恒功点在50km/h左右、最高速度120km/h的双机固定重联十二轴交流电力机车来替换SS3B、HXD1,以满足中低速山区铁路的需求，笔者后续会借助AI技术完成此机型的设计方案以供读者探讨交流。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

陕西省地方铁路工程物业管理有限公司 韩伟󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄤󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

此文完成于2025年3月、陕西西安