山區鐵路散裝水泥裝車方式及能力研究

李 東

(中鐵上海設計院集團有限公司 線站院，上海 200000)

梅州蕉嶺鐵路專用線位于廣東省梅州市境內，沿線經過主要地貌有剝蝕丘陵、丘間谷地及沖洪積平原等地貌單元。地形起伏標高在45 ~ 440 m 之間，車站選址多位于丘陵山區地帶，車站整體布局及貨運設備布置需充分結合山區地形條件，針對線路最大運量貨物品類——散裝水泥，需在滿足貨運裝車功能的前提下，做到因地制宜，節約占地，進行適應性布置。

1 散裝水泥市場需求及車站布局

1.1 梅州蕉嶺鐵路專用線水泥市場需求分析

梅州蕉嶺鐵路專用線是一條承擔蕉嶺地區水泥外運為主的貨運鐵路專用線，起于既有漳龍線丙村站到文福站，經梅縣區丙村鎮、城東鎮、石扇鎮至蕉嶺縣，經新鋪鎮、蕉華工業園區、蕉城鎮終至文福鎮，新建正線長度56.065 km，另預留新鋪支線3.06 km。沿線新設石扇站、新鋪站、蕉華站、文福站4 個車站。線路主要技術標準如表1 所示。

表1 線路主要技術標準Tab.1 Main technical standards of the line

蕉嶺縣境內主要有塔牌、皇馬、油坑三大集團共計5 家大型水泥廠，主要分布在文福鎮、華僑農場、新鋪鎮。2021 年蕉嶺縣水泥廠熟料生產情況[1]如表2 所示。

表2 2021 年蕉嶺縣水泥廠熟料生產情況 萬tTab.2 Production of clinker in Jiaoling County cement plantin 2021

1.2 車站布局及貨物到發量分析

1.2.1 文福站建設及貨物到發量分析

文福站位于廣東省梅州市蕉嶺縣文福鎮境內，主要服務于廣東塔牌集團股份有限公司。水泥廠鐵路發送作業量以成品散裝和袋裝水泥為主。預測文福站2035 年，2045 年水泥發送量為340 萬t，390 萬t，其中，散裝水泥發送量分別為204 萬t，234 萬t；袋裝水泥發送量分別為136 萬t，156 萬t。

文福站為橫列式直線車站，站坪長度1.965 km。到發場設1 條正線3 條到發線，有效長650 m。裝卸場設有散裝水泥裝車區、袋裝水泥裝車區。散裝水泥裝車區設1 條裝車線，遠期預留1 條，有效長900 m；袋裝水泥裝車區設1 條裝車線，遠期預留1 條，有效長650 m，設550×20 m 裝車站臺1 座。散裝水泥裝車筒倉兩座及配套輸送管廊。文福站示意圖如圖1 所示。

圖1 文福站示意圖Fig.1 Schematic of Wenfu Station

1.2.2 石扇站建設及貨物到發量分析

石扇站位于廣東省梅州市梅縣區石扇鎮境內，服務于梅州皇馬水泥有限公司。水泥廠鐵路發送作業量以成品散裝水泥為主，預測石扇站2035 年，2045年散裝水泥發送量分別為120 萬t，160 萬t。

石扇站地勢起伏較大，相對高差120 ~ 500 m，車站為直線車站，站坪長度1.75 km。設1 條正線2條到發線(兼裝卸線)，1 條牽出線，遠期預留1 條到發線，有效長650 m。散裝水泥裝車筒倉一座及配套輸送管廊。石扇站示意圖如圖2 所示。

圖2 石扇站示意圖Fig.2 Schematic of Shishan Station

1.2.3 新鋪站建設及貨物到發量分析

新鋪站位于廣東省梅州市蕉嶺縣新鋪鎮境內，服務于蕉嶺縣油坑企業集團龍騰旋窯水泥有限公司。水泥廠鐵路發送作業量以成品散裝和袋裝水泥為主。預測新鋪站2035 年、2045 年水泥發送量分別為200 萬t、235 萬t，其中，散裝水泥發送量分別為120 萬t、141 萬t；袋裝水泥發送量分別為80 萬t、94 萬t。

新鋪站為盡端式直線車站，呈縱列式布置，站坪長度1.95 km。設正線1 正2 到，有效長650 m，另設1 條機待線，3 條貨物線。貨場內設550 m×20 m×1.1 m 袋裝水泥裝車站臺1 座、散裝水泥裝車筒倉1 座及配套輸送管廊。新鋪站示意圖如圖3 所示。

圖3 新鋪站示意圖Fig.3 Schematic of Xinpu Station

2 散裝水泥運輸裝卸方式

梅州蕉嶺鐵路專用線始發貨物主要為水泥，袋裝水泥采用皮帶運輸機、叉車、托盤及倉庫進行站內運輸裝卸，因此，重點研究散裝水泥運輸裝卸方式和車站布置形式。

2.1 車輛選型

目前鐵路運輸散裝水泥的主要方式為U 型罐車和罐式集裝箱2 種方式，鐵路U 型散裝水泥罐車作為鐵路罐車中的運輸水泥專用車型，為水泥鐵路貨運業務提供了有力支撐。但是隨著我國水泥產業的蓬勃發展，水泥運量的大幅度提升，既有車型、運輸裝卸方式存在一定局限，限制了水泥運輸效率。由中鐵集裝箱運輸中心和有關罐箱生產單位設計的水泥罐式集裝箱經過不斷改進，在水泥運輸中發揮著越來越重要作用。車輛選型比較[2]如表3 所示。水泥罐式集裝箱構造示意圖如圖4 所示。

圖4 水泥罐式集裝箱構造示意圖Fig.4 Schematic of tank container structure

表3 車輛選型比較Tab.3 Vehicle selection comparison

2.2 散裝水泥裝車方式

為減少散裝水泥站內裝卸中的損耗、污染，滿足環保要求，散裝水泥罐式集裝箱擬采用全封閉式跨線裝車筒倉，配備封閉式皮帶運輸機、氣力管道輸送機等輸送設備[4]，實現散裝水泥從儲存庫到火車、站內裝卸與鐵路專用線運輸的無縫高效銜接。系統配置自動計量系統、收塵系統、電控系統等配套設備。散裝水泥裝車筒倉示意圖如圖5所示。主要特點為：工藝流程機械自動化程度高、操作便捷、裝車效率高、一次裝車量大、出廠成本低、實現全過程無塵裝車等。

圖5 散裝水泥裝車筒倉示意圖Fig.5 Schematic of bulk cement loading silo

水泥由水泥粉磨系統生產為水泥成品，儲存在水泥庫中，經密閉式螺旋閘門、流量控制閥(或回轉開關閥)進入輸送斜槽(或螺旋輸送機)，再經斜槽送到散裝水泥裝車機，由散裝水泥裝車機裝入散裝水泥罐式集裝箱，通過散裝水泥罐式集裝箱運送出廠，經鐵路專用線、國家鐵路干線網絡輸送至鐵路貨場后發往水泥使用單位。

2.3 散裝水泥裝車布置形式

根據山區鐵路建設特點，線路敷設和場站建設受地形條件限制較大，特別是大規模的鐵路貨場的建設對地形地貌、地質條件、地勢標高的要求較高，鐵路車站的布置形式應當遵循功能齊全、緊湊布置、因地制宜的原則，同時，新建貨場應盡量深入既有廠區，避免場內中轉倒運，縮短運輸徑路，充分利用山區土地資源，實現集約化發展建設[5]。針對項目工程特點，新建貨運站均采用橫列式緊湊布置形式，合理配置貨線規模和設備數量，且水泥裝車線深入廠區，通過輸送管廊銜接，包含以下2 種方式。

（1）皮帶運輸機輸送。封閉式皮帶運輸機輸送能力大，造價低，適用于車站運量較大，輸送距離較長，地形條件相對較好的廠區。皮帶運輸機裝運模式如圖6 所示。

圖6 皮帶運輸機裝運模式Fig.6 Shipping mode of belt conveyor

（2）氣力管道運輸機輸送。氣力管道輸送機輸送動力強，爬坡能力足，適用于山區車站與廠區標高差距較大，輸送距離較近，地形條件相對受限的廠區。氣力管道運輸機裝運模式如圖7 所示。

圖7 氣力管道運輸機裝運模式Fig.7 Shipping mode of pneumatic pipeline conveyor

3 裝車線能力及裝車機械設備配置

石扇站、新鋪站、文福站均有散裝水泥外運需求，考慮運輸需求，當采用全封閉式跨線裝車筒倉時，結合裝車設備，合理布置裝車站。裝車線的能力影響因素包括車站布置形式、裝車線規模、裝車設備數量和機車數量等，研究旨在確定裝車線規模和裝車設備數量，忽略機車臺數的影響，只對裝車線所能達到的正常能力進行研究[6]。全封閉式跨線裝車筒倉在調車作業的空檔時間內完成向緩沖倉和定量斗備料作業，不影響車列裝車作業占用裝車線的時分。

3.1 裝車能力計算

以列數為單位的日裝車能力N裝計算如下。

式中：α空為貨物線空費系數，一般取0.02 ~ 0.04；t固為班組人員固定作業時間，包括交接、吃飯時間，min；t裝占為裝滿1 列車需要占用貨物線的平均時間，min。

式中：t交接為車站作業人員交接班時間，min；t吃飯為車站作業人員吃飯時間，min。

式中：t空車為空車調車時間，即盡端式裝車線為調機自到發線推送車列時起至列車頭部到達裝車樓前停車位置時止的時間，min；t裝載為裝車作業時間，即車列自裝車樓前停車位置啟動時起至列車尾部越過貨位為止的時間，min；t重車為重車調車時間，即自車列裝載完成調車開始至尾部越過警沖標進入到發線的時間，min。

式中：Q凈為車列凈載重，t；Q裝為裝車系統裝載效率，t/h；l機為列車長度，m；l為機車停車位置至裝車樓間的距離，m；l列為機車長度， m；n筒為裝車筒倉設備數量。

其中機車停車位置一般在裝車樓前20 m，DF 調機為20 m。根據相關規定，集運站和貨場每年生產天數為365 d，散裝水泥裝車線裝車能力計算方法如下。

式中：γ為貨物月間到發不平衡系數，取值在1.05 ~1.2 間。

3.2 技術作業參考時間

（1）交接班、吃飯時間：每日班組固定作業時間主要包括交接班時間、吃飯時間。一般按照3 班倒工作制度，交接次數2 次/d，每次時間20 ~ 25 min，全天交接班占用時間為40 ~ 50 min。班組吃飯次數2 次/d，每次時間30 min，全天班組人員吃飯占用時間為60 min。

（2）車列裝車作業占用裝車線時間。空車調車時間t空車：盡端式裝車線用時約6 ~ 7 min。清空裝車線時間t重車：車列移動600 ~ 700 m 用時7 ~ 8 min。裝車時間t裝載：裝車樓長度12 m，機車停車位置設在裝車樓前20 m。散裝水泥裝車均為整列裝車，牽引質量3 000 t，凈載重Q凈為1 900 t，車列長度550 m。筒倉流速為250 m3/h，散裝水泥密度為1 450 kg/m3，則一臺筒倉設備裝車效率為362.5 t/h。

3.3 裝載時間計算

若采用多臺筒倉設備同時裝車，則根據筒倉布置形式又可分為連續布置形式、等分布置形式和混合布置形式[7]。

連續布置形式：多臺筒倉設備連續布置于裝車線側，空車到達之后，頭車對孔第1 臺筒倉設備，機車牽引列車一次性裝車，裝滿車需走行長度為一列車長距離。連續布置形式如圖8 所示。

圖8 連續布置形式Fig.8 Continuous layout arrangement

等分布置形式：多臺筒倉設備按照編組車數n等分分開布置于裝車線側，空車到達之后，頭車對孔第1 臺筒倉設備，機車牽引列車一次性裝車，裝滿車需走行長度為一列車長長度的1/n。等分布置形式如圖9 所示。

圖9 等分布置形式Fig.9 Equal layout arrangement

混合布置形式：多臺筒倉設備連續成組后n等分分開布置于裝車線側，空車到達之后，頭車對孔第1 臺筒倉設備，機車牽引列車一次性裝車，裝滿車需走行長度為一列車長長度的1/n減去(成組個數×車長)。混合式布置形式如圖10 所示。

圖10 混合布置形式Fig.10 Mixed layout arrangement

連續布置形式列車裝載時間計算公式如下。

等分、混合布置形式列車裝載時間計算公式如下。

式中：d為等分個數。

根據公式，計算不同布置形式、筒倉個數條件下裝車線對應裝車能力、所需裝車線長度。裝車能力對照[8]如表4 所示。

由表4 可知，連續布置形式：①缺點為所需裝車線長度最長、裝車時間最長、裝車能力最小，適用于運量較小或者用地條件較優的廠區；②優點為筒倉設備統一并排布置，裝料管道徑路短，占用車站空間小，人員操作、維修更加便捷。等分布置形式：①缺點為筒倉設備分散，裝料管道徑路長，占用空間大，操作維修不便；②優點為所需裝車線長度最短、裝車時間最短、裝車能力最大，適用于運量較大且地形條件相對受限的水泥廠區，對于大幅提高裝車效率具有較高價值。混合布置形式介于前二者之間，適用于運量大、筒倉設備多且對一列車裝車時間要求較高的廠區。

表4 裝車能力對照Tab.4 Loading capacity comparison

根據研究年度沿線各站水泥運量，對照裝車能力表，則可以推斷車站所需裝車筒倉設備個數和裝車線所需最小長度。建議石扇、新鋪站近遠期均設散裝水泥裝車線1 條，設筒倉設備1 臺，裝卸線有效長不小于1 086 m；文福站近遠期均設散裝水泥裝車線1 條，設筒倉設備2 臺，受地形條件限制，采用等分布置形式，裝卸線有效長不小于820 m。同時預留遠期年度發展條件。若企業對裝載時間有要求，可以適當增加筒倉個數，有效縮短列車裝載時間。

4 結束語

隨著社會經濟發展，水泥產業對國民經濟的發展和支撐作用越來越明顯，而水泥廠一般設置在靠近原材料的山區，山區鐵路車站的布置形式和裝車方式對水泥外運效率的提升具有重大意義，以本項目工程車站設計為基礎，分析研究了山區鐵路大運量水泥運輸裝車方式及場站布置方案，提出了水泥裝車筒倉數量、布置形式與鐵路裝車線長度合理配置方案，優化裝卸效率的同時節約車站建設用地，對今后類似建設項目具有一定參考意義。