山西中南部通道重載列車運輸試驗及對線路設計的啟示

王宇嘉，徐利民，賈永剛，花 偉，魏 然

（中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所，北京 100081）

山西中南部通道重載列車運輸試驗及對線路設計的啟示

王宇嘉，徐利民，賈永剛，花 偉，魏 然

（中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所，北京 100081）

利用山西中南部鐵路通道重載運輸試驗數據，分析各牽引質量下重載列車的進站速度、停車位置及重載列車區間運行情況，確定30t軸重重載列車各工況下適宜的牽引質量；分析并判斷重載列車在長大坡道的牽引制動性能。通過分析，提出30t軸重重載線路縱斷面設計時，最大限制坡度不宜大于9‰；在開行萬噸組合重載列車時，可以通過在到發線增設腰岔的方式，減少機車轉線作業時間。

30t軸重；重載鐵路；牽引質量；坡道起動；運輸試驗

1 山西中南部通道重載列車牽引質量試驗

山西中南部鐵路 (興縣—日照港) 是一條新建的萬噸級重載煤炭運輸通道，是我國首條運行 30 t 大軸重萬噸重載列車的鐵路，較目前廣泛使用的 27 t 軸重重載列車運輸能力有很大提高。線路全長約 1 267.3 km，按Ⅰ級重載鐵路標準建設，為雙線電氣化、自動閉塞客貨混行線路。為使線路輸送能力達到設計目標，需要通過試驗驗證 30 t 軸重重載列車運輸能力，為 30 t 軸重重載列車運行及車站作業組織提供運營前的技術支持及參考。試驗區段為長子南站—平順站，正線長度 91.8 km，區段內包含長子南、壺關、平順 3 個車站，有長度 33.3 km 的連續上坡道 (下行方向)，最大坡度 6‰，其中包含一段長 400 m 的11‰下坡道和長 1 300 m 的 13‰ 下坡道[1]。

1.1 重載列車牽引質量理論值

重載列車牽引質量主要由機車的類型、功率、牽引特性及線路的限制坡度等決定。目前我國 30 t 軸重電力機車 HXD1F、HXD2F裝機功率均為 9 600 kW。

牽引運行時，在長大上坡區段重載列車運行速度可能會逐步下降，通常要求重載列車最低運行速度應不低于機車的持續速度，或者不能長時間低于機車持續速度 (HXD1F/HXD2F持續速度為 50 km/h)；在長大下坡道上，重載列車運行速度應控制在制動能力能夠滿足重載列車安全運行的范圍內，并滿足空氣制動與電制動交互運用時為制動機充風的要求。

設機車牽引質量為 G，其計算公式為[2]

式中：Fj為機車計算牽引力，kN；r 為機車牽引力利用系數，一般取 0.9～1.0，此處取 0.9；p 為機車計算質量，t；為機車單位基本阻力，N/kN；為車輛單位基本阻力，N/kN；i限為限制坡度，‰；g 為重力加速度，取 9.8 N/kg。

試驗機車持續速度條件下牽引重載列車質量理論計算值如表 1 所示。

1.2 重載列車牽引質量試驗數據分析

（1）重載列車牽引運行。通過重載列車牽引運行試驗，得出重載列車在不同工況下的運行速度，30 t軸重重載列車運行試驗數據如表 2 所示。

表 1 試驗機車持續速度條件下牽引重載列車質量理論計算值

實際試驗的機車牽引能力略大于理論計算值，如利用 HXD2F機車單機牽引 5 000 t (42 輛) 重載列車在11‰～13‰ 的上坡道運行，運行速度持續下降，最低為 45.5 km/h；而在 6‰ 的上坡道運行，運行速度能夠緩慢上升，理論分析數據與試驗數據基本吻合。

（2）重載列車進站停車。不同重載列車牽引質量及限速條件下，平順站重載列車進站速度與停車位置試驗數據如表 3 所示。

車站到發線連接道岔一般采用18號單開道岔，側向通過允許速度不大于 80 km/h[3]，平順站重載列車進站 (過岔)速度最高 52 km/h，實測過岔速度在安全范圍之內。

1.3 重載列車牽引質量試驗結論

試驗中，不同區間限速條件下的重載列車停車位置均在到發線有效長范圍之內，重載列車進站停車控制有效，在進站前線路存在長大上坡道的條件下，能夠實現安全停車。通過試驗可得出以下結論。

限制坡度6‰的線路上，30 t軸重機車(HXD1F/ HXD2F)單機牽引8 000 t/雙機牽引12 000 t時，重載列車運行速度、進站速度均在安全范圍內，運行良好，能夠實現安全進站停車；限制坡度13‰的線路上，30 t軸重機車(HXD1F/HXD2F)單機牽引5 000 t時重載列車運行速度較低(平均57.7 km/h)，能實現安全進站停車；雙機牽引 10 000 t 時運行良好，能夠實現安全進站停車；雙機牽引 12 000 t 時能實現安全進站停車，但重載列車運行速度偏低 (平均 49.4 km/h)。

表 2 30 t 軸重重載列車運行試驗數據

表 3 平順站重載列車進站速度與停車位置試驗數據

山西中南部鐵路通道限制坡度較大，最大達到13‰，對機車牽引制動性能要求較高。采用功率為9 600 kW 的新型 30 t 軸重機車牽引時，在限制坡度較大且不超過 13‰ 的重載線路上運行，單機牽引質量不宜大于 5 000 t，雙機牽引質量不宜大于 10 000 t；在限制坡度不超過 6‰ 的重載鐵路上，單機牽引質量不宜大于 8 000 t，雙機牽引質量不宜大于 12 000 t。在實際操縱中，可以充分利用重載列車動能闖坡[4]方式，實現較高運行速度。

2 重載列車坡道起動試驗

2.1 重載列車坡道起動的理論分析

有坡度時，機車的起動牽引力應該大于機車和車輛所受的阻力與整列車所受的坡道阻力之和[2]，即

取 r ＝ 0.9，根據以上公式得到的坡度與單機最大起動質量、最大起動車輛數關系表如表 4 所示。

表 4 坡度與單機最大起動質量、車輛數關系表

按照計算結果，取機車牽引力利用系數 r ＝ 0.9時，在 6‰ 的坡道上，30 t 軸重機車單機最大起動車輛數為 71 輛，最大起動質量為 8 565.41 t；當坡度達到 13‰ 時，30 t 軸重機車單機最大起動車輛數為 40輛，最大起動質量為 4 846.75 t。

如果采用 30 t 軸重機車單機牽引的方式，按照重載列車在坡道停車后應能起動的原則進行判定， 在限制坡度 6‰ 的線路上具有起動和牽引 8 500 t 重載列車質量的能力；在限制坡度 13‰ 的線路上具有起動和牽引 4 800 t 重載列車質量的能力。

2.2 重載列車坡道起動試驗數據分析

坡道起動試驗的機車型號包括 HXD1F、HXD2F。采用不同的機車在 6‰、11‰、13‰ 的坡道上分別進行坡道起動試驗，測試不同機車、不同牽引質量及不同坡度的重載列車起動情況。30 t 軸重重載列車坡道起動試驗數據如表 5 所示。

表 5 30 t 軸重重載列車坡道起動試驗數據

將試驗數據與表 4 中理論計算值比較可見，理論分析結論與試驗數據基本吻合。綜合實驗數據，可以得到坡道起動的基本結論。

（1）30 t 軸重機車 (HXD1F/HXD2F) 單機牽引 5 000 t，可在 11‰～13‰ 坡道上起動；

（2）30 t 軸重機車 (HXD1F/HXD2F) 雙機牽引12 000 t，可在 6‰ 坡道上起動。

2.3 重載列車坡道起動試驗結論

山西中南部鐵路通道重車方向為呂梁至日照，空車方向為日照至呂梁。與同為重載鐵路的大秦鐵路 (大同—秦皇島) 不同，其空車方向也有一定的重車流。13‰ 的限制坡度在空車方向為上坡，因而要求機車具有較大的起動牽引力。在空重車方向均有重車流的重載鐵路縱斷面設計時，應充分考慮限制坡度對 2個方向行車的影響。采用新型 30 t 軸重機車單機或雙機牽引時，最大限制坡度不宜大于 9‰，以便為日常運營創造良好條件。此外，重載列車運行過程中，在6‰ 及其以上坡度的上坡區段應盡量避免坡道停車，以防止重載列車停留在長大坡道上無法起動。

3 重載鐵路試驗對技術站到發線設計的啟示

3.1 到發線有效長的確定

技術作業站的到發線有效長應滿足其接發的集結重載列車長度的要求。

（1）12 000 t 重載列車。滿足接發 12 000 t 重載列車需要的到發線有效長應包括重載列車長和安全距離 2 部分。12 000 t 重載列車的車輛采用 30 t 軸重運煤專用敞車 (長 13.6 m)，編組 100 輛；機車采用 2 臺 30 t 軸重機車 (長 35.24 m)，重載列車全長為13.6 × 100 + 35.24 × 2 = 1 430 m。普通鐵路附加 30 m的安全距離[5]對于重載鐵路過小，安全難以保證，因而安全距離取重載列車車長的 10% 計算[6]，即 1 430 × 10% = 143 m。故滿足接發 12 000 t 重載列車需要的到發線有效長應為 1 573 m。

（2）10 000 t 重載列車。10 000 t 重載列車編組84 輛，機車 2 臺，安全距離取車長的 10%，則到發線有效長為 (13.6 × 84 + 35.24 × 2) × 1.1 = 1 334 m。

（3）8 000 t重載列車。8 000 t 重載列車編組 67輛，機車 2 臺，安全距離取車長的 10%，則到發線有效長為 (13.6 × 67 + 35.24 × 2) × 1.1 = 1 080 m。

（4）5 000 t 重載列車。5 000 t 重載列車編組 42輛，機車 1 臺，安全距離取 30 m，則到發線有效長為(13.6 × 42 + 35.24)＋ 30 = 636 m。

試驗區段內各車站到發線有效長為 1 700 m，滿足接發 12 000 t 重載列車的條件。

3.2 到發線腰岔設置

開行組合式重載列車時，需要將 2 列或 2 列以上普通重載列車或單元式重載列車首尾相接，進行組合，運行至終到站或前方技術站再進行分解作業。以 2 列 5 000 t 重載列車組合為 10 000 t 重載列車為例：第 1 列 5 000 t 重載列車到達，摘走本務機車，進行車列技術檢查作業；該到發線接入第 2 列 5 000 t 重載列車，停于腰岔和信號機前，并由腰岔處摘走本務機車；連接 2 組車列，組成 10 000 t 重載列車。12 000 t重載列車的作業程序與此相似[7]。

為了提高重載列車在車站的組合分解作業效率，可以在到發線中部設置腰岔。腰岔主要是為了滿足機車換掛作業時出入到發線而設置，采用 9 號道岔[8]，其警沖標至岔心距離 39 m，岔心至道岔始端距離13.84 m，道岔始端前設置信號機，距道岔始端距離按 5 m 計算[8]，則警沖標至信號機距離總計 57.84 m。腰岔的設置數量應由組合 (或分解) 重載列車的牽引質量、牽引方式及重載列車長度等因素決定。5 000 t 重載列車組合成 10 000 t 重載列車應在到發線中部設置1 處腰岔；如需組合成 20 000 t 重載列車時，還可以增加腰岔數量，而且咽喉區道岔至腰岔及腰岔與腰岔之間的距離應滿足接發單元重載列車的需要。

3.3 到發線設計的原則

重載鐵路到發線設計時，首先應考慮其有效長是否滿足集結重載列車長度的要求；但到發線設置過長，如未設置腰岔，則機車需在車站咽喉區進行轉線作業，走行距離過長，影響重載列車在車站的各項技術作業效率。同時到發線長度決定車站站坪長度，到發線過長，在坡度較大地段會導致線路展長，在坡度較緩地段會增加土石方數量[9]，增大建設成本。在站場設計時，有必要根據重載列車的牽引方式、牽引質量、列車長度來設置腰岔。

4 結束語

我國目前普遍采用 27 t 及以下軸重的重載列車，隨著 30 t 軸重重載列車投入運營，重載車輛的每延米載重量增加，同樣牽引質量的重載列車長度更小；重載機車的牽引和制動性能也更出色，可以有效緩解長大重載列車受既有站線長度、機車性能制約等問題，從而大幅度提高運輸能力。山西中南部鐵路通道重載運輸試驗的成功，標志著我國 30 t 軸重重載技術已經發展成熟，顯示我國鐵路重載列車技術達到質的飛越，是我國鐵路重載技術創新的重大突破。在今后的重載運輸試驗中，還可以對重載列車追蹤間隔時間、站內流線疏解、重載列車應急救援等內容做進一步研究，完善重載鐵路運輸試驗體系。

[1]中國鐵道科學研究院.山西中南部鐵路通道重載綜合試驗大綱[R].北京：中國鐵道科學研究院，2013.

[2]張中央.列車牽引計算[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[3]張超，李海鷹.鐵路站場及樞紐[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[4]付昌友，丁學峰.山西中南部鐵路壺關至紅旗渠段長大坡道緩坡設置研究[J].鐵道標準設計，2015，59(1)：11-15.

[5]中國鐵路總公司.TG/01—2014中華人民共和國鐵路技術管理規程[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[6]鐵道第三勘察設計院.關于重載鐵路的技術標準編制及其重要技術參數確定的研究[R].天津：鐵道第三勘察設計院，1998.

[7]胡顯永.重載鐵路組合分解技術作業站設計探討[J].鐵道貨運，2013，31(9)：13-18.

[8]張東風.山西中南部鐵路30t軸重75kg/m鋼軌重載道岔設計研究[J].鐵道標準設計，2014，58(6)：17-22.

[9]余君領.重載鐵路到發線有效長的確定[J].中國水運，2007，5(8)：103-105.

責任編輯：劉 新

1004-2024(2015)10-0027-05

：U296；U239.4

：B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2015.10.07

2015-09-22

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(Z2014-033)