澳大利亞某礦區配套鐵路重載技術選型研究

楊麗娟，丁學鋒，付昌友，劉劍飛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

澳大利亞某礦區鐵路位于澳大利亞昆士蘭州，為煤炭專用運輸鐵路，線路全長約455 km，預測貨運量為近期 4 000×104t、遠期 6 000×104t，全部為起點裝車站運至終點卸車站的煤炭。

根據澳大利亞的鐵路運營情況，大宗貨物的運輸線路大量開行重載列車，牽引質量較大，且普遍采用較大軸重。如BHP紐曼山鐵路軸重為40 t，編組方案為2臺機車+110輛+2臺機車+110輛，牽引質量約為35 000 t，采用DP技術;FMG鐵路軸重40 t，編組輛數為240輛，采用雙機牽引，牽引質量約39 000 t，使用ECP技術。

澳大利亞某礦區配套鐵路項目擬定的牽引質量為25 000 t，結合項目特點，對解決萬噸級列車中部車輛車鉤受力過大這一核心問題的兩種技術DP與ECP系統進行比選，選擇出適宜的系統。此外，結合重載列車的發展趨勢，以及澳大利亞重載鐵路軸重情況，對25、30、37、40 t四個軸重方案進行分析，給出適用于該項目的軸重的選擇過程與最終方案。

2 DP與ECP的比選

到20世紀末重載列車存在的兩大隱患:一是由于空氣制動波速無法超過300 m/s，重載列車在常用、緊急制動時發生前后制動不一致，由于列車中巨大的縱向力而造成嚴重的斷鉤、脫軌事故;二是重載列車在長大下坡道上、由于沒有階段緩解作用，再充氣時間過長，容易造成列車失控，威脅列車安全。目前，解決以上問題有兩種技術，一是通過無線傳輸指令的機車無線同步操縱技術(DP)，二是通過有線傳輸指令的電控空氣制動技術(ECP)。

DP系統是重載列車采用組合列車的形式、多臺機車分散在列車的前中后部，前部機車通過GSM－R系統向中、后部機車發布同步牽引和制動命令，實現前、中、后部機車的牽引、動力制動同步操縱及空氣制動系統同步制動與緩解。DP系統能有效減輕重載列車的牽引車鉤力;在彎道上減少列車阻力，減輕輪軌磨耗，降低燃油成本;中、后部機車同步參與了全列車的列車管排風與充風，加快了列車的充排風速度，提高制動波傳播速度，有利于減輕列車制動縱向力作用，減少斷鉤的危險。我國大秦線采用的是該技術，大秦線的運營經驗表明開行20 000 t列車需要采用機車無線同步操縱技術(DP系統)+可控列尾的條件下(編組方式為 HXD1×1+105×C80+HXD1×1+105×C80+可控列尾)，組合列車中部的車鉤力大于1 000 kN，為解決車鉤疲勞破壞的問題，同一卸車單元(即3輛車一組)內車輛間改用牽引桿連接。

ECP系統是主控機車通過網絡直接控制列車中各輛車的副風缸向制動缸充風制動或制動缸排風緩解，空氣是制動力產生來源，但空氣不再作為控制指令傳遞的介質，達到整列車的車輛同時響應制動、緩解信息，具有嚴格的同步性。同時還具有階段制動和階段緩解性能，利用貫通全列車的電纜可同時實現機車動力分散牽引控制。各國采用ECP系統后，取得良好的效果:平均車鉤力降低25%，斷鉤事故基本消滅，消除制動工況下脫軌的危險;制動距離可縮短50% ～70%;消除意外緊急制動現象;車輛平均周轉時間至少縮短9%;壓力空氣消耗降低，節能23%;車輛維修費用降低，車輪磨耗減少7%，閘瓦磨耗減少27%;車輪踏面剝離大大減輕;車體疲勞載荷降低。2009年美國交通部正式要求重載列車上全部裝用ECP裝置。

本文對DP和ECP系統進行了停車制動仿真，并針對項目的運量特征和運輸組織特點，選擇出能夠保證運輸安全，并有利于提高該項目運輸組織效率的系統。

2.1 DP與ECP系統的停車制動仿真

分別針對DP、ECP系統進行了不同軸重列車的緊急制動和常用制動仿真。考慮到澳大利亞某礦區配套鐵路項目擬定的牽引質量為25 000 t，編組按8 400 t+8 300 t+8 300 t計算。車輛制動能力按照AAR標準(S－461－76貨車制動機性能規范和 M－926－720閘瓦性能規范)計算，比較不同軸重列車的制動距離、最大縱向力和縱向減速度分布。仿真結果見表1。

如表1所示，使用不同軸重車輛的編組，在既有的重載線路條件下，應用DP或ECP控制方式均能滿足牽引、制動能力和坡道運行的基本要求，但其縱向動力學性能主要受到編組方式、控制方式不同的影響而有重大差異。仿真研究結果總結如下所述。

表1 采用DP和ECP系統不同軸重列車停車制動仿真

(1)ECP對改善列車縱向動力學的性能有重大影響，無論軸重、空重車編組列車均可明顯縮短制動距離和時間，例如25 000 t重車編組列車緊急制動距離至少減少30%以上，常用制動距離減少近50%。縱向力的減少更為明顯，緊急制動減少70%以上，常用制動減少近50%，縱向沖動及其分布也有重大改善。

(2)ECP對不同軸重的效果相差不大，重車列車緊急制動時40 t軸重最大壓鉤力較小、常用制動時37 t軸重最大壓鉤力較小。在DP方式下，由于隨著軸重增加，列車編組輛數減少，制動距離、時間有所減少，縱向力也有所改變。

(3)空車編組列車具有大坡道起動能力，可提高運行速度;另一方面縱向力也較重車列車有所減輕，但縱向沖動明顯增加。

(4)在常用制動情況下，空車編組列車在DP控制下的最大縱向力均在1 000 kN以下，30 t軸重編組的縱向力最低在700 kN以下。ECP方式可使縱向力減少到300 kN以下，并基本上不受軸重的影響，縱向沖動也有類似的規律性。

綜合以上分析，從列車控制方式方面ECP較優，能夠使列車縱向動力學的性能有重大改善。

2.2 DP與ECP系統對運輸組織的影響

采用DP技術的重載鐵路須開行組合列車，組合列車一般需分部裝車與卸車，運輸作業環節較多，我國大秦線開行的20 000 t列車就是如此;而采用ECP技術的重載鐵路則沒有此要求，其運輸組織的適應性較強。大秦線采用DP系統的主要原因是其重載列車需路網相關線路進行集疏運，如采用ECP車輛，則車輛購置費較大，且沿線人口稠密、車輛維護較困難;牽引質量僅20 000 t，相對較小，DP系統能夠適應。

澳大利亞某礦區配套鐵路運量全部為起點運至終點的煤炭，該線為獨立運輸系統，組織開行固定車底循環直達列車，車輛無解編作業，ECP系統貫通全列車的電纜并不影響運輸組織，故項目能夠采用 ECP系統。

綜上所述，列車控制方式以ECP為優，且能夠適應項目的運輸組織特點。因此，澳大利亞某礦區配套鐵路項目宜采用ECP系統。

3 項目的軸重比選分析

軸重選擇需在保證運輸安全的前提下完成運輸任務，減少工程建設成本，并降低建成后的運營成本，盡量使鐵路的經濟效益最優。影響軸重選擇的因素主要有:運輸安全、對預測運量的適應性、對工程的影響，以及鐵路運營成本等。

(1)運輸安全

由于列車縱向力與其長度成正比，軸重越大編組輛數越少，車輛長度越短，可減少斷鉤等事故，有利于列車安全。

(2)對運輸能力的影響

軸重選擇需滿足預測運量對鐵路運輸能力的要求，軸重提高后可在一定程度上提高線路的運輸能力，在列車編組輛數相同時，軸重越大列車的牽引質量越大，列車的年輸送能力也隨之增加。

(3)對工程的影響

軸重的增大對于線路、橋梁等固定設備的要求也相應提高。但另一方面，在同樣的牽引質量下，可縮短編組列車長度和站線有效長度;在同樣站線有效長度下，采用同樣的編組輛數，能提高牽引質量，減少行車量，并減少會讓站的分布數量。

(4)鐵路運營成本

軸重增加能夠減少完成運量所需的車輛總數，不僅減輕了車輛維修管理工作，也減少了調度、裝車、計量、質驗、卸車、運費核算等工作量，降低運營成本。

根據上述軸重選擇的影響因素，重點對不同軸重車輛的停車制動、運輸能力、工程影響、運營成本4個方面進行詳細分析。

3.1 不同軸重的停車制動計算

不同軸重主要影響列車編組輛數和長度，由于不同軸重列車的每百噸列車重力換算閘瓦壓力基本相同，因此在同樣機車和列車重力條件下的牽引能力和制動能力差別不大，反映為隨軸重增加，列車牽引能力、制動距離和時間的變化不大;縱向力則有不太大的下降趨向。

根據以上采用DP和ECP系統時不同軸重列車的停車制動仿真結果，在采用ECP系統時，不同軸重的停車制動均能夠滿足要求，且效果相差不大;但重車列車緊急制動時40 t軸重最大壓鉤力較小、常用制動時37 t軸重最大壓鉤力較小，故軸重增加對列車停車制動性能有一定改善。

3.2 軸重對運輸能力的影響

在車站到發線有效長保持不變的情況下，軸重的提高能夠增加列車的輸送能力。目前，我國20 000 t列車常用的到發線有效長為2 800 m，若用足到發線，25、30、37、40 t軸重列車的輸送能力見表2。

表2 不同軸重列車的年輸送能力

如表2所示，采用40 t軸重車輛較25 t軸重車輛的年輸送能力提高約50%、37 t軸重較25 t提高40%。項目的預測運量為近期4 000×104t、遠期6 000×104t，遠期40 t軸重車輛較25 t軸重行車量減少4對，估算的車站數量減少6個;37 t軸重的遠期行車量為9對、估算車站數量為13個，較40 t軸重方案相差不大。因此，從提高能力角度，宜選擇37 t或40 t軸重。

3.3 軸重對工程的影響

制約軸重增加的主要因素有橋梁、鋼軌、道砟、路基、焊接接頭等，大軸重對線路、橋梁等固定設備的設計和使用要求較高。但軸重提高以后，可提高牽引質量并減少車站的分布，或在牽引質量相同的條件下縮短站線有效長。

車站到發線有效長度須滿足列車長度的要求，并考慮停車安全附加距離，根據相關研究及大秦線的運營實踐經驗，重載線路可采用列車長度的10%作為停車安全附加距離。不同軸重對應的到發線有效長見表3。

表3 不同軸重的到發線有效長

在相同牽引質量的前提下，車輛軸重增大能減少編組輛數，相應的縮短到發線有效長。牽引質量為25 000 t時，采用40 t軸重，到發線有效長較25 t短1 050 m、37 t軸重較25 t短850 m。從縮短到發線有效長方面，37、40 t軸重較優。

3.4 軸重對運營成本的影響

結合澳大利亞某礦區配套鐵路項目的特點，將運營成本分為4個部分:軌面以上、軌面以下、綜合行政管理和維護支持4個部分;分別從燃料和能源支出、薪水與報酬、合同與服務費用、維護材料與服務費用、運營消耗支出、管理費用共6個方面進行分析。項目的運營成本組成內容見表4。

根據以上各項內容，測算不同軸重的可變成本和固定成本。可變成本指基于項目運量的有關開支，主要包括列車油耗、機車車輛維護成本、司機等乘務人員工資等;固定成本指在運營過程中產生的固定開支，包括線路和建筑物類等軌面以下設施的維護成本、鐵路公司人員和車站人員的工資等。

通過測算，不同軸重的單位運營成本見表5。

表4 運營成本組成內容

表5 不同軸重的鐵路運營成本

4個不同軸重方案的年運營成本關系見圖1。

圖1 不同軸重方案的年運營成本趨勢

如圖1所示，從運營成本方面，軸重越大運營成本越低，比較而言，37、40 t軸重較為節省成本。

4 結論

以澳大利亞某礦區擬建的煤炭運輸重載鐵路為研究對象，對項目擬采用的重載技術進行研究，重點分析比選了DP和ECP系統。盡管DP或ECP控制方式均能滿足牽引、制動能力和坡道運行的基本要求，但ECP系統不僅在列車控制方式方面較優，能夠使列車縱向動力學的性能有重大改善，且適用于項目的運輸組織特點。故經研究認為項目宜采用ECP系統。

此外，對 25、30、37、40 t四種軸重進行了對比選擇研究。從停車制動方面，使用不同軸重車輛的編組在既有的重載線路條件下，不同軸重的停車制動均能夠滿足要求，且效果相差不大;但軸重增加對列車的停車制動性能有一定改善。從提高能力、縮短站線長度、建設車站分布、節省運營成本等方面37、40 t軸重均優于25、30 t軸重。因此，認為澳大利某礦區配套鐵路項目宜采用37 t及以上軸重。

［1］錢立新.世界鐵路重載運輸技術［J］.中國鐵路，2007(6):49-53.

［2］馬大煒，王成國.大軸重貨車空氣制動系統基本問題的探討［J］.中國鐵路，2011(8):52-55.

［3］汪明棟.大軸重貨車延長緊急制動距離限值的探討［J］.中國鐵路，2011(9):44-46.

［4］馬大煒.關于大秦線重載列車下坡道安全運行和縱向力問題［J］.鐵道車輛，2005(1):1-4.

［5］常崇義，王成國，等.兩萬噸組合列車縱向力計算研究［J］.鐵道學報，2006(4):89-94.

［6］趙鑫，王成國，等.萬噸重載列車制動系統初充氣性能仿真研究［J］.鐵道車輛，2005，43(9):1-5.

［7］趙慶坤，王書紅.運煤專線開行重載列車提高軸重影響因素的分析和建議［J］.鐵道標準設計，2009(11):4-7.

［8］楊德修.重載鐵路軌道技術發展方向研究［J］.鐵道標準設計，2012(2):41-44.

［9］中國鐵道科學研究院機車車輛研究所.大秦線采用Locotrol技術開行2萬噸重載組合列車試驗報告［R］.北京:中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，2006.

［10］大秦鐵路公司湖東機務段:2萬噸列車安全運行預案［Z］.大同:大秦鐵路公司湖東機務段，2007.

［11］闞鳳瑛，孫洪濤，等.對我國鐵路重載運輸發展的建議［J］.鐵道標準設計，2006(S1):35-37.

［12］趙洪濤，宋宗瑩.重載組合貨運列車空氣制動技術［J］.鐵道技術監督，2012(8):36-38.