鐵路既有線發(fā)展重載運(yùn)輸?shù)哪Ｊ窖芯?/h1>
2013-09-03 13:13杜旭升
鐵道貨運(yùn) 2013年10期
杜旭升
（中國鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）
1 概述
鐵路開展重載運(yùn)輸是世界鐵路發(fā)展趨勢之一。鐵路重載運(yùn)輸因具有運(yùn)能大、效率高和成本低等優(yōu)勢而受到世界各國的廣泛重視。根據(jù)北美鐵道協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[1]，1994—2009年，美國鐵路直線和曲線上鋼軌的使用壽命分別延長了 12%、24%～69%，商業(yè)運(yùn)營的每噸公里燃油消耗量降低了 25%，同時(shí)列車安全性也得到了大幅度提高。在相同運(yùn)量條件下，重載運(yùn)輸主要通過減少司機(jī)數(shù)量、裝卸費(fèi)用、車輛采購費(fèi)用、輪軌磨耗、燃油消耗等途徑提高運(yùn)輸效益，有些費(fèi)用降低十分顯著。因此，鐵路貨運(yùn)采用重載運(yùn)輸能夠帶來良好的預(yù)期效益。
國際重載運(yùn)輸協(xié)會(huì) 2005年對重載運(yùn)輸?shù)亩x進(jìn)行了新的修訂，在以下 3 個(gè)條件中至少滿足 2 條才能稱為重載鐵路：重載列車牽引質(zhì)量至少達(dá)到 8 000 t；軸重達(dá)到或超過 27 t；在長度至少為 150 km 的線路區(qū)段上運(yùn)量至少達(dá)到 4 000 萬 t。我國鐵路目前只有大秦線、大包線等少數(shù)線路可以滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。
我國大秦線大量開行 2 萬 t 列車、大包線大量開行 1 萬 t 列車，在大幅提高運(yùn)能的同時(shí)也創(chuàng)造了非常好的經(jīng)濟(jì)效益，為我國既有線發(fā)展重載運(yùn)輸起到示范作用，特別在重載運(yùn)輸線路改造與維護(hù)、集疏運(yùn)一體化運(yùn)輸組織和運(yùn)輸效益拓展方面，積累了大量經(jīng)驗(yàn)。但是，鐵路既有線開行重載運(yùn)輸依然存在諸多問題，針對既有線軸重種類和牽引總重的合理匹配，符合運(yùn)輸需求需要選擇組合列車、單元列車和普通整列式重載列車的類型，在確定列車總重后需要確定到發(fā)線有效長、牽引機(jī)車類型與功率、重載車站間距、技術(shù)作業(yè)站改造方案等方面，仍然需要進(jìn)一步研究和探討。
2 既有線基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)性分析
2.1 既有線橋涵結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的適應(yīng)性
據(jù)統(tǒng)計(jì)，既有線橋梁基本類型中鋼筋混凝土梁比重最大，占全部孔數(shù)的 50.5%；預(yù)應(yīng)力混凝土梁占全部孔數(shù)的 41.9%；鋼梁占全部孔數(shù)的 5.1%；其他梁占全部孔數(shù)的 2.6%。既有橋涵中，7.7%、55.4% 和20.9%的鋼筋混凝土梁分別采用中-活載圖式、中-22活載圖式和中-22 以上活載圖式設(shè)計(jì)；53.3%和46.2%的預(yù)應(yīng)力混凝土梁分別采用中-活載和中 -22活載設(shè)計(jì)；35.1% 的鋼梁采用中 -22 活載圖式設(shè)計(jì)，53.3% 的鋼橋采用其他活載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[1]。
為了確定既有線橋涵對重載車輛軸重的適應(yīng)性，需要從列車運(yùn)行時(shí)線路的豎向、縱向、橫向 3 個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)分析。從大秦線的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)看，20 世紀(jì)90年代修建的預(yù)應(yīng)力混凝土梁僅可以滿足軸重 25 t 的C80列車的運(yùn)行要求；如果進(jìn)一步提高軸重，將出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗裂安全系數(shù)不足等問題，影響結(jié)構(gòu)的正常、安全使用。因此，對于中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁，在開行重載貨物列車前，應(yīng)確?；钶d作用下結(jié)構(gòu)的抗裂安全系數(shù)滿足要求。
根據(jù)我國既有線橋涵結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，通過強(qiáng)化小跨度鋼筋混凝土橋涵結(jié)構(gòu)和對部分特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，既有線橋涵結(jié)構(gòu)可以適應(yīng) 25 t 軸重專用貨車 ( 每延米8.33 t ) 和通用貨車。在此基礎(chǔ)上，通過開展系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和長期監(jiān)測工作，進(jìn)一步完善輪軌管理和養(yǎng)護(hù)維修體制，降低輪軌動(dòng)力作用，可以進(jìn)一步將通用貨車軸重提高到 27 t ( 每延米 7.94 t )。
2.2 既有線隧道結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的適應(yīng)性
鐵路既有線隧道存在的問題主要是病害。病害類型包括：Ⅱ類、Ⅲ類圍巖 ( 舊圍巖分類 ) 情況，病害發(fā)生之處設(shè)計(jì)均采用直墻結(jié)構(gòu)和較薄的基底，對于大跨度軟巖隧道設(shè)計(jì)沒有采用曲墻和仰拱。重載鐵路實(shí)踐表明，隧道基底設(shè)計(jì)過薄，基底病害往往發(fā)生于運(yùn)營后的一段時(shí)期并不斷惡化；運(yùn)營通風(fēng)效果差和運(yùn)煤煤粉污染嚴(yán)重，雙線隧道難以利用列車的“活塞作用”來發(fā)揮隧道的自然通風(fēng)作用，雙線隧道內(nèi)列車相向而行，氣流紊亂，大量粉塵滯留洞內(nèi)；隧道防排水沒有很好解決，因而帶來隧道的一系列病害。既有線隧道基底經(jīng)過一定時(shí)間運(yùn)營后，在隧道底部出現(xiàn)基底開裂、破損、下陷，向兩側(cè)外擠及翻漿、冒泥等現(xiàn)象。
對于隧道結(jié)構(gòu)來說，其安全性主要由仰拱與拱腳控制，表現(xiàn)為仰拱動(dòng)壓應(yīng)力和拱腳動(dòng)拉應(yīng)力。在貨車動(dòng)荷載作用下，軸重、軸距、定距、車速及鋼軌類型等因素對既有雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)的受力具有一定的影響，但軸重的影響最大，定距、軸距及車速等因素的影響次之。對目前通用貨車通過隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明[1]，既有線開行重載貨物列車軸重從 23 t 提高到 27 t 后，既有隧道基底結(jié)構(gòu)所受荷載值小于材料強(qiáng)度允許值，基本滿足通用貨物列車的安全運(yùn)輸要求。
2.3 既有線路基工程的適應(yīng)性
既有線路基狀況與道床厚度有很大關(guān)系。路基存在的問題是道床污染較重，含水率較高，路基填料大量采用性質(zhì)較差的細(xì)粒土，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏低，有些線路存在冒泥、凍害、暗洞、邊坡沖刷失穩(wěn)等現(xiàn)象。
根據(jù)測試，路基動(dòng)荷載的幅值受車速的影響相對較小，95% 范圍內(nèi)的速度影響系數(shù)在 0.004 以內(nèi)。不同軸重列車的路基動(dòng)荷載范圍幅值受車輛軸重的影響十分顯著，與軸重基本成正比。對于 27 t 和 30 t 軸重下的路基動(dòng)應(yīng)力最大值將分別達(dá)到 108 kPa 和 120 kPa，30 t 軸重相較于 25 t 軸重下的路基面動(dòng)應(yīng)力將增大 20%。
隨著軸重的增加，穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低。列車軸重由 22 t 提高至 25 t，路基穩(wěn)定安全系數(shù)降低至1.15 左右，基本滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求。而軸重提高至27 t 時(shí)，路基穩(wěn)定安全系數(shù)降低至 1.13，低于原設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，更低于新規(guī)范的要求。
綜合分析既有路基填料動(dòng)力性能和列車動(dòng)荷載，既有線路基基本滿足開行 25 t 軸重列車的條件，但需要對細(xì)粒土基床上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測評估；開行 27 t 軸重列車需要對既有路基進(jìn)行系統(tǒng)性檢測和評估。
2.4 既有線軌道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性
經(jīng) 6 次提速，我國鐵路旅客列車速度達(dá)到120 km/h及以上的線路里程已達(dá) 2.2 萬 km 以上；正線 60 kg/m及其以上鋼軌占正線鋼軌的 80% 以上；正線無縫線路營業(yè)里程 6 萬 km 以上。既有線主要軌道結(jié)構(gòu)如下。
（1）鋼軌。60 kg/m 鋼軌，既有線客貨共線鐵路鋼軌主要采用 12.5 m、25 m 定尺鋼軌，鋼軌主要為U71Mn、U75V、U76NbRE 鋼軌。在小半徑曲線采用熱處理鋼軌。鋼軌的強(qiáng)度等級不高，鋼軌疲勞性能對重載鐵路的適應(yīng)性不強(qiáng)。
（2）軌枕。既有客貨共線鐵路主要采用 Ⅲ 型或Ⅱ 型軌枕。Ⅱ 型軌枕在大秦、大包線上使用時(shí)，出現(xiàn)了明顯的傷損，不適應(yīng)25 t 重載運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>
（3）扣件。扣件主要為 Ⅱ 型或 Ⅲ 型扣件。Ⅰ 型彈條扣件已經(jīng)逐步更換為 Ⅱ 型彈條扣件。
（4）道床。道床采用單層或雙層結(jié)構(gòu)。允許速度大于 120 km/h 的線路，無墊層時(shí)一般路基區(qū)段碎石道床厚度不小于 450 mm，碎石路基、橋上及隧道內(nèi)道床厚度一般要求不小于 350 mm。
（5）道岔。既有線道岔為可動(dòng)心軌道岔或固定式道岔，60 kg/m 固定型主要為 12 號道岔，轍叉有高錳鋼鑄造、奧貝體合金鋼、貝氏體合金鋼轍叉，速度超過 160 km/h 的區(qū)段采用可動(dòng)心軌轍叉。在京滬、京廣等主要干線，道岔采用無縫道岔結(jié)構(gòu)，可動(dòng)心軌道岔除絕緣接頭采用膠接絕緣接頭外，其余接頭全部焊接；固定型道岔轍叉前后接頭及曲股接頭一般采用凍結(jié)接頭，其余接頭全部焊接。
通過既有線開行 25 t 軸重 ( C80型 ) 貨物列車的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，對于曲線半徑為 600 m 的線路，脫軌系數(shù)、鋼軌垂移、軌枕垂移、軌頭橫移、軌距擴(kuò)大明顯增加，外軌橫向力顯著增大。由于 C80型萬噸大列對半徑為 600 m 的曲線線路動(dòng)力作用較大，對軌道的破壞較為嚴(yán)重，軌道部件傷損嚴(yán)重，軌道幾何狀態(tài)不易保持，造成軌距、水平等靜態(tài)幾何尺寸偏差易超限，加劇了輪軌動(dòng)力作用，增大了輪軌動(dòng)力沖擊，對安全運(yùn)營帶來一定的隱患。
25 t 軸重貨物列車側(cè)向通過 12 號道岔時(shí)，脫軌系數(shù)、外軌橫向力、軌頭橫移、軌距擴(kuò)大明顯增加，運(yùn)營安全儲(chǔ)備量已經(jīng)很小，對運(yùn)營安全造成較大的隱患。軸重增加使軌道結(jié)構(gòu)的受力明顯增加。貨車軸重由 23 t 增加到 27 t 時(shí)，鋼軌應(yīng)力、枕上壓力、道床應(yīng)力、基床表層壓應(yīng)力均增大約 18%。在特殊區(qū)段 ( 如道床硬化、道床臟污嚴(yán)重等軌道剛度較大的區(qū)段 )，貨車 27 t 軸重下，采用 Ⅱ 型混凝土軌枕時(shí)，軌枕彎矩、道床應(yīng)力、基床表層壓應(yīng)力已經(jīng)無法滿足要求，Ⅱ 型混凝土軌枕無法適應(yīng) 27 t 軸重貨車的運(yùn)營要求。
根據(jù)分析，既有線鋼軌基本適應(yīng)開行軸重不大于25 t 貨物列車的要求，軌枕和扣件應(yīng)采用 Ⅲ 型混凝土枕及配套扣件；道床應(yīng)采用一級碎石道砟，雙層道床結(jié)構(gòu)，墊層厚度 20 cm，枕下道床厚度 30 cm；正線道岔應(yīng)采用 18 號及以上固定轍叉或可動(dòng)心軌道岔。
3 牽引機(jī)車的適應(yīng)性分析
3.1 主型貨運(yùn)機(jī)車的起動(dòng)牽引質(zhì)量
機(jī)車的起動(dòng)牽引力必須大于全列車各種阻力之和才能滿足起動(dòng)需要，并且能夠在所有列車可能停車的坡道上均能起動(dòng)。一般機(jī)車的起動(dòng)牽引力遠(yuǎn)大于持續(xù)牽引力，起動(dòng)時(shí)主要受車輪粘著牽引力限制，功率不可能得到全部利用。在實(shí)際起動(dòng)操縱時(shí)，可以采用首先壓縮車鉤空隙，然后逐輛牽引起動(dòng)的方式，起動(dòng)阻力并不是特別大，但在較大的坡道上，逐輛起動(dòng)受到一定限制。主型貨運(yùn)機(jī)車在不同坡度上的起動(dòng)牽引質(zhì)量如表 1 所示。
3.2 主型貨運(yùn)機(jī)車在限制坡度的牽引質(zhì)量
列車運(yùn)行時(shí)，機(jī)車牽引力應(yīng)滿足區(qū)段限制坡段上以不低于機(jī)車最低計(jì)算速度順利運(yùn)行，并考慮牽引力有一定富裕量。機(jī)車牽引力一般采用計(jì)算牽引力，功率利用系數(shù)取 0.9。主型貨運(yùn)機(jī)車在不同坡度上的牽引質(zhì)量如表 2 所示。
將同一機(jī)車在相同坡度上的起動(dòng)牽引列車質(zhì)量與牽引列車質(zhì)量相比，一般前者大于后者。但這一般坡度與限制坡度不是同一坡段，通常運(yùn)營中盡可能要求列車在限制坡道上不停車。如果機(jī)車在一般坡度與限制坡度上牽引質(zhì)量有較大差別時(shí)，應(yīng)采用增加補(bǔ)機(jī)的方式提高區(qū)段列車牽引定數(shù)。
3.3 列車長大下坡道牽引質(zhì)量與限速計(jì)算
3.3.1 列車在坡道上常用制動(dòng)實(shí)現(xiàn)減速
重載列車在線路上運(yùn)行，特別是在長大下坡道上運(yùn)行需要滿足列車制動(dòng) 3 個(gè)方面的要求：一是在坡道上實(shí)行常用制動(dòng)時(shí)，列車可以正常減速；二是在坡道上實(shí)行緊急制動(dòng)時(shí)，列車可以在規(guī)定的距離內(nèi)停車；三是長大下坡道列車可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)制動(dòng)而不失控。
貨運(yùn)機(jī)車的起動(dòng)牽引力在 400～620 kN 之間，通常列車的制動(dòng)力大約是機(jī)車起動(dòng)牽引力的 3～5 倍。同樣在 6‰ 的坡道上運(yùn)行，機(jī)車制動(dòng)產(chǎn)生的加速度比牽引力產(chǎn)生的加速度大 3～5 倍。因此，在列車正常制動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)減速是確定的。
大秦線 2 萬 t 列車常用全制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，3 臺機(jī)車或 4 臺機(jī)車牽引。在平道上，列車運(yùn)行初速 78.9～80.5 km/h，實(shí)際全制動(dòng)距離在 901～1 180 m；在12‰的長大下坡道上，列車運(yùn)行初速 76.0～80.9 km/h，實(shí)際全制動(dòng)距離在 1 286～1 697 m。
其他類型機(jī)車常用制動(dòng)距離如表 3 所示。
根據(jù)計(jì)算，在常用制動(dòng)情況下，2 臺機(jī)車牽引8 000 t及以上列車，各種坡道情況下全制動(dòng)距離在429.9～1 061 m 之間，能夠滿足制動(dòng)距離不大于1 200 m 的要求。列車緊急制動(dòng)力大約是起動(dòng)牽引力的 10～16倍。萬噸列車以 80 km/h 運(yùn)行時(shí)，按 2 臺HXD1機(jī)車牽引計(jì)算，具有動(dòng)能為 2.57 × 106kN · m；制動(dòng)到完全停車需要走行 559 m，另外，制動(dòng)前空走距離約 60 m，合計(jì)制動(dòng)走行 619 m。在長大下坡道上進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)距離會(huì)顯著增加。
大秦線 2 萬 t 列車緊急制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，2 臺機(jī)車或 4 臺機(jī)車牽引。在平道上，列車運(yùn)行初速 75.5～78.1 km/h，實(shí)際緊急制動(dòng)距離在 537～671 m；在12‰的長大下坡道上，列車運(yùn)行初速 74.9～81.1 km/h，實(shí)際緊急制動(dòng)距離在 680～956 m。
3.3.2 列車在長大下坡道上重復(fù)制動(dòng)
實(shí)際的運(yùn)營線路經(jīng)常會(huì)有長大下坡道，特別是山區(qū)，下坡超過 6‰，坡長有幾公里甚至幾十公里。列車在長大下坡道上運(yùn)行時(shí)，為了不使運(yùn)行速度超過規(guī)定速度，沒有動(dòng)力制動(dòng)裝置的老式機(jī)車 ( 如 DF 和 DF4型內(nèi)燃機(jī)車 )，需要采用周期性的空氣制動(dòng)，反復(fù)進(jìn)行制動(dòng)、緩解操作，直至駛出長大坡道。當(dāng)機(jī)車具有動(dòng)力制動(dòng)裝置時(shí) ( 如電阻制動(dòng) )，在長大下坡道上常用制動(dòng)主要靠空氣制動(dòng)，在副風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)，采用動(dòng)力制動(dòng)，充風(fēng)完成再采用空氣制動(dòng)，因而不需要進(jìn)行重復(fù)制動(dòng)的檢驗(yàn)。
4 鐵路貨運(yùn)車輛的適應(yīng)性分析
4.1 鐵路貨車類型與軸重
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，鐵路敞車占全部車輛比重的 67.3%，主要運(yùn)輸散堆裝貨物，是我國鐵路貨車的主體；棚車占全部車輛的 16.3%，主要運(yùn)輸高附加值貨物，二者合計(jì)占鐵路車輛總數(shù)的 84.6%。其次，鐵路載重70 t 及以上的車輛僅占全部車輛的 26.1% ( 2010年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，C80型等重載車輛主要用于重載專線，C70型等通用重載車輛還沒有成為既有線的核心車型。從2006年開始，國鐵已經(jīng)不再購置 21 t 軸重貨車，現(xiàn)在平均每年新投入載重 70 t 及以上貨車約 3.37 萬輛，全部更換軸重 21 t 以下貨車仍然需要 15年以上。
表 1 主型貨運(yùn)機(jī)車在不同坡度上的起動(dòng)牽引質(zhì)量 t
表 2 主型貨運(yùn)機(jī)車在不同坡度上的牽引質(zhì)量 t
表 3 其他貨運(yùn)機(jī)車 ( 2 臺 ) 牽引 8 000 t 以上列車的常用制動(dòng)距離
我國鐵路貨車軸重與美國、加拿大、澳大利亞等國家相比，還存在較大差距。我國最大軸重的貨車是C80型敞車，裝運(yùn)貨物后車輛總重 100 t，美國及北美國家最大貨車總重 142.4 t，相差 42.4 t。因此，我國鐵路貨車向大型化、重載化發(fā)展仍有很大空間。大軸重貨車運(yùn)用受鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的限制，貨車換型也需要較長的周期，采用軸重 21～23 t 貨車開展重載運(yùn)輸，或者開行重載列車依然是鐵路既有線的可靠選擇。
4.2 貨車車鉤受力適應(yīng)性分析
4.2.1 既有線車輛類型及車鉤允許受力情況
列車運(yùn)行過程中，車鉤承擔(dān)著列車縱向力的傳遞。為保證列車運(yùn)行的安全，應(yīng)使列車在各種工況下運(yùn)行時(shí)，車鉤及附件的受力低于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，并留有一定安全余量。主要運(yùn)營車輛及車鉤類型如表 4 所示。
根據(jù)鐵路各類車鉤制造標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)資料，車鉤最小允許拉荷載情況如表 5 所示，車鉤緩沖器的容量如表 6 所示。
由表可知，對于鉤體來說縱向拉力不應(yīng)大于2 800 kN，對于車鉤緩沖器來說壓縮力不應(yīng)大于2 200 kN。超過這個(gè)范圍，車輛運(yùn)行將存在安全隱患。
4.2.2 重載列車牽引時(shí)車鉤受力情況
重載列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)主要在大秦線進(jìn)行。萬噸列車組合試驗(yàn)分別采用了 8K、SS3、SS1等電力機(jī)車，8K 和 SS3采用單機(jī)牽引 123 輛 C63型貨車 ( 平均每輛車總重 81.5 t )；SS1型機(jī)車采用 2 臺機(jī)車牽引，其中 1 臺機(jī)車位于中部，牽引 123 輛 C61型貨車；分別進(jìn)行了起動(dòng)、緊急制動(dòng)、調(diào)速運(yùn)行等試驗(yàn)，積累了大量測試數(shù)據(jù)。這些試驗(yàn)與既有線開行萬噸列車情況基本類似，測試數(shù)據(jù)可以為既有線開行重載列車參考。
列車起動(dòng)時(shí)牽引力逐步上升，隨著時(shí)間延續(xù)，機(jī)車車鉤力越來越大，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。這與列車起動(dòng)司機(jī)操縱方式有關(guān)，司機(jī)在起動(dòng)時(shí)，會(huì)逐步將牽引控制手柄提高到最大，然后穩(wěn)定運(yùn)行。8K 機(jī)車最大牽引力達(dá)到 800 kN，SS3機(jī)車達(dá)到 631 kN，SS1機(jī)車達(dá)到 338 kN。將機(jī)車最大起動(dòng)牽引力與各種車鉤允許受力比較，起動(dòng)牽引力小于車鉤允許拉力值。因此，可以認(rèn)為起動(dòng)階段各類車鉤在安全范圍之內(nèi)。
當(dāng)運(yùn)行列車緊急制動(dòng)時(shí)，縱向力沿車長分布是中間較大、兩端較小，制動(dòng)壓縮力與制動(dòng)初速度、操縱方式及機(jī)車類型有關(guān)。對 8K 機(jī)車牽引萬噸列車，緊急制動(dòng)初速度 32.7 km/h，最大壓縮力 1 360 kN，出現(xiàn)于第 93 位車輛；SS 機(jī)車牽引萬噸列車，緊急制動(dòng)初速度 63.7 km/h，最大壓縮力1 050 kN，出現(xiàn)于第75 位車輛；SS1機(jī)車牽引萬噸列車，緊急制動(dòng)初速度67.4 km/h，最大壓縮力1 848 kN，出現(xiàn)于第 60 位車輛。
表 4 主要運(yùn)營車輛及車鉤類型
表 5 車鉤最小允許拉載荷 kN
表 6 車鉤緩沖器容量
列車進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，車輛由前向后迅速制動(dòng)，在列車中首先出現(xiàn)較大壓縮力，該力由前向后傳遞，當(dāng)列車全部處于壓縮后迅速反彈，形成較大的拉伸力，由列車后部向前傳遞。8K 機(jī)車緊急制動(dòng)的初速較低，制動(dòng)后未出現(xiàn)拉伸即停車，因而沒有拉伸力；SS3機(jī)車緊急制動(dòng)時(shí)，最大拉伸力 690 kN，發(fā)生在第 30 輛車位置；SS1機(jī)車緊急制動(dòng)時(shí)，最大拉伸力1 200 kN，發(fā)生在第 62 輛車位置。
拉伸力大小受車鉤類型影響較大，專用 C63、C70、C76、C80型車等采用新型車鉤，車鉤間隙小，列車制動(dòng)時(shí)沖動(dòng)小，停車平穩(wěn)。C61型貨車是老型貨車，車鉤間隙大，制動(dòng)時(shí)間隙效應(yīng)明顯，列車制動(dòng)時(shí)沖動(dòng)大。C61型貨車裝備 13 號車鉤，破壞強(qiáng)度不大于2 820 kN，與其配套的 2 號緩沖器的容量為 18 kJ，試驗(yàn)中的最大壓縮力 1 848 kN，最大拉伸力 1 200 kJ，在安全范圍內(nèi)，但安全余量偏小。
重載列車在運(yùn)行過程中受坡度、環(huán)境因素等影響，經(jīng)常需要進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)。8K 機(jī)車牽引萬噸列車進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)的最大車鉤壓縮力為560 kN，緩解時(shí)最大車鉤拉伸力為 380 kN，緩解拉伸后最大反彈壓縮力為 618 kN；SS 牽引萬噸列車進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)的最大車鉤壓縮力為 916 kN，最大車鉤拉伸力為 400 kN；SS1牽引萬噸列車進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)的最大車鉤壓縮力為 1 596 kN，壓縮后反彈最大壓縮力為 1 078 kN。列車運(yùn)行調(diào)速制動(dòng)中，車鉤最大壓縮力和拉伸力均小于緊急制動(dòng)工況，因而鉤車受力均處于安全范圍。
5 既有線貨物品類的適應(yīng)性分析
從運(yùn)輸?shù)呢浳锟?，我國主要貨物品類除焦炭、集裝箱等輕浮貨物外，都適合采用重載車輛和重載運(yùn)輸方式，集裝箱列車采用雙層裝載方式，也可以編組重載列車。各種主要貨物品類所占比重如表 7所示。
6 閉塞區(qū)間距離的適應(yīng)性分析
目前，我國鐵路既有線主要采用的閉塞方式有4種：站間半自動(dòng)閉塞、三顯示自動(dòng)閉塞、四顯示自動(dòng)閉塞、CTCS-2 列控方式。站間半自動(dòng)閉塞主要用于單線鐵路，開行重載列車在國內(nèi)通霍線、南昆線，以及南非、巴西鐵路等均有實(shí)例。三顯示自動(dòng)閉塞的分區(qū)距離一般為 800～1 200 m，適應(yīng)列車運(yùn)行速度小于 120 km/h、牽引列車質(zhì)量小于 4 000 t、緊急制動(dòng)距離不超過 800 m 等情況。開行 8 000 t 及以上重載列車后，列車速度一般在 80 km/h 以內(nèi)，但在較大下坡道緊急制動(dòng)距離可能超過 800 m，增加了列車冒進(jìn)信號的危險(xiǎn)，因此要求列車采用更低的運(yùn)行速度。如果經(jīng)試驗(yàn)或牽引計(jì)算證明閉塞分區(qū)距離不滿足重載列車制動(dòng)距離要求時(shí)，應(yīng)對閉塞分區(qū)進(jìn)行重新劃分。四顯示自動(dòng)閉塞的分區(qū)距離一般為 800～1 200 m，適應(yīng)既有線提速線路，列車運(yùn)行速度小于 160 km/h、牽引列車質(zhì)量小于 6 000 t、緊急制動(dòng)距離不超過 1 200 m 等情況。開行 8 000 t 及以上重載列車后，列車速度一般在 80 km/h 以內(nèi)，在較大下坡道緊急制動(dòng)距離可能超過 1 200 m，增加了列車冒進(jìn)信號的危險(xiǎn)，因此要求列車采用更低的運(yùn)行速度。如果經(jīng)試驗(yàn)或牽引計(jì)算證明閉塞分區(qū)距離不滿足重載列車制動(dòng)距離要求時(shí)，應(yīng)對閉塞分區(qū)進(jìn)行重新劃分。
表 7 鐵路運(yùn)輸主要貨物品類占比重 ( 2010年)
既有線提速 160～200 km/h 線路，客運(yùn)列車控制采用 CTCS-2 列控系統(tǒng)，但貨運(yùn)列車仍采用四顯示自動(dòng)閉塞系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)下重載運(yùn)輸?shù)倪m應(yīng)性判定應(yīng)按四顯示自動(dòng)閉塞方式進(jìn)行。
7 既有線站場設(shè)施及相關(guān)設(shè)備的適應(yīng)性分析
目前，既有線到發(fā)線有效長主要有 850 m和1 050 m 2 個(gè)系列。開行 8 000 t、10 000 t 重載列車時(shí)，到發(fā)線有效長如表 8 所示。
由表 8 數(shù)據(jù)可見，開行 8 000 t 重載列車，到發(fā)線有效長應(yīng)為 1 126～1 542 m，與 1 050 m 有效長相差 76～492 m；開行 10 000 t 重載列車，到發(fā)線有效長應(yīng)為 1 371～1 888 m，與 1 050 m 有效長相差321～838 m。在某些鄰近礦山的線路上，如果貨物發(fā)到地點(diǎn)集中，開行由 C80、C70型車輛組成的專列可行，到發(fā)線可以采用較短的有效長；在通常條件下，路網(wǎng)線路上運(yùn)營的車輛主要是組合類型，為滿足重載列車各種作業(yè)需要，延長到發(fā)線是必須的，延長的長度約為321～616 m。
8 研究結(jié)論與建議
（1）既有線重載列車的貨車軸重應(yīng)不超過 25 t。既有線基礎(chǔ)設(shè)施基本滿足開行 25 t 軸重重載列車的要求，部分不能滿足重載列車運(yùn)行要求的橋涵、隧道、路基等應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化改造；不滿足開行重載列車運(yùn)行要求的軌道、軌枕、扣件、道岔應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行更換?；A(chǔ)設(shè)施在大中修時(shí)，應(yīng)按照遠(yuǎn)期貨車軸重發(fā)展目標(biāo)，提高設(shè)計(jì)活載。
（2）既有線重載列車的牽引質(zhì)量宜為 8 000～10 000 t。既有線目前的牽引質(zhì)量基本是 3 000～3 500 t 系列、4 000～4 500 t 系列、5 000～5 500 t 系列。在路網(wǎng)大通道上，可以選擇開行 8 000～10 000 t列車，并按該列車牽引質(zhì)量配置站場線路、牽引動(dòng)力和技術(shù)設(shè)備，既可以在本線編發(fā)長大列車，又可以將次要干線到達(dá)的 4 000～5 000 t 列車組合為 8 000～10 000 t 列車，大幅提高路網(wǎng)主要干線的輸送能力。
（3）開行重載列車應(yīng)與站場線路及設(shè)施改造相結(jié)合。從運(yùn)營安全及技術(shù)作業(yè)需求考慮，開行重載列車必須與站場線路及設(shè)施改造相結(jié)合，特別是編組站的線路應(yīng)滿足重載列車各項(xiàng)技術(shù)作業(yè)的需要，盡可能減少編組站作業(yè)過程和作業(yè)人員現(xiàn)場作業(yè)。
表 8 牽引 8 000 t / 10 000 t 重載列車的到發(fā)線有效長
（4）適應(yīng)重載列車作業(yè)需求的編組站改造方案可以采用站內(nèi)和站外多種形式。編組站技術(shù)作業(yè)包含列車改編、無改編列車通過、機(jī)車整備，司乘人員換班、車輛檢修等內(nèi)容，重載列車在編組站進(jìn)行作業(yè)會(huì)有很多方便，因此，適應(yīng)開行重載列車需求的改造工程應(yīng)優(yōu)先考慮在編組站進(jìn)行。如果編組站不具備技術(shù)改造條件，可以在編組站附近或樞紐內(nèi)增建重載列車輔助站，完成重載列車的組合、分解等，輔助站與編組站之間應(yīng)有通暢的聯(lián)絡(luò)線，輔助站具備列車到發(fā)線路和技術(shù)作業(yè)設(shè)施，配備作業(yè)人員。
[1]中國鐵道科學(xué)研究院. 客貨分線后線橋隧適應(yīng)貨運(yùn)重載關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)運(yùn)輸模式研究報(bào)告[R]. 北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2011.
[2]中國鐵道科學(xué)研究院. 重載鐵路發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)深化研究[R]. 北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2011.
[3]耿志修. 大秦鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2009.
[4]張曉東. 大包線開行萬噸列車方案研究[J]. 貨物運(yùn)輸，2010(5)：21-22.
[5]劉 軍，曹云明. 京包線大包段開行萬噸列車運(yùn)輸組織方式探討[J]. 科技創(chuàng)業(yè)，2007(10)：196-197.
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杜旭升
（中國鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）
1 概述
鐵路開展重載運(yùn)輸是世界鐵路發(fā)展趨勢之一。鐵路重載運(yùn)輸因具有運(yùn)能大、效率高和成本低等優(yōu)勢而受到世界各國的廣泛重視。根據(jù)北美鐵道協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[1]，1994—2009年，美國鐵路直線和曲線上鋼軌的使用壽命分別延長了 12%、24%～69%，商業(yè)運(yùn)營的每噸公里燃油消耗量降低了 25%，同時(shí)列車安全性也得到了大幅度提高。在相同運(yùn)量條件下，重載運(yùn)輸主要通過減少司機(jī)數(shù)量、裝卸費(fèi)用、車輛采購費(fèi)用、輪軌磨耗、燃油消耗等途徑提高運(yùn)輸效益，有些費(fèi)用降低十分顯著。因此，鐵路貨運(yùn)采用重載運(yùn)輸能夠帶來良好的預(yù)期效益。
國際重載運(yùn)輸協(xié)會(huì) 2005年對重載運(yùn)輸?shù)亩x進(jìn)行了新的修訂，在以下 3 個(gè)條件中至少滿足 2 條才能稱為重載鐵路：重載列車牽引質(zhì)量至少達(dá)到 8 000 t；軸重達(dá)到或超過 27 t；在長度至少為 150 km 的線路區(qū)段上運(yùn)量至少達(dá)到 4 000 萬 t。我國鐵路目前只有大秦線、大包線等少數(shù)線路可以滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。
我國大秦線大量開行 2 萬 t 列車、大包線大量開行 1 萬 t 列車，在大幅提高運(yùn)能的同時(shí)也創(chuàng)造了非常好的經(jīng)濟(jì)效益，為我國既有線發(fā)展重載運(yùn)輸起到示范作用，特別在重載運(yùn)輸線路改造與維護(hù)、集疏運(yùn)一體化運(yùn)輸組織和運(yùn)輸效益拓展方面，積累了大量經(jīng)驗(yàn)。但是，鐵路既有線開行重載運(yùn)輸依然存在諸多問題，針對既有線軸重種類和牽引總重的合理匹配，符合運(yùn)輸需求需要選擇組合列車、單元列車和普通整列式重載列車的類型，在確定列車總重后需要確定到發(fā)線有效長、牽引機(jī)車類型與功率、重載車站間距、技術(shù)作業(yè)站改造方案等方面，仍然需要進(jìn)一步研究和探討。
2 既有線基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)性分析
2.1 既有線橋涵結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的適應(yīng)性
據(jù)統(tǒng)計(jì)，既有線橋梁基本類型中鋼筋混凝土梁比重最大，占全部孔數(shù)的 50.5%；預(yù)應(yīng)力混凝土梁占全部孔數(shù)的 41.9%；鋼梁占全部孔數(shù)的 5.1%；其他梁占全部孔數(shù)的 2.6%。既有橋涵中，7.7%、55.4% 和20.9%的鋼筋混凝土梁分別采用中-活載圖式、中-22活載圖式和中-22 以上活載圖式設(shè)計(jì)；53.3%和46.2%的預(yù)應(yīng)力混凝土梁分別采用中-活載和中 -22活載設(shè)計(jì)；35.1% 的鋼梁采用中 -22 活載圖式設(shè)計(jì)，53.3% 的鋼橋采用其他活載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[1]。
為了確定既有線橋涵對重載車輛軸重的適應(yīng)性，需要從列車運(yùn)行時(shí)線路的豎向、縱向、橫向 3 個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)分析。從大秦線的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)看，20 世紀(jì)90年代修建的預(yù)應(yīng)力混凝土梁僅可以滿足軸重 25 t 的C80列車的運(yùn)行要求；如果進(jìn)一步提高軸重，將出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗裂安全系數(shù)不足等問題，影響結(jié)構(gòu)的正常、安全使用。因此，對于中等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁，在開行重載貨物列車前，應(yīng)確?；钶d作用下結(jié)構(gòu)的抗裂安全系數(shù)滿足要求。
根據(jù)我國既有線橋涵結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，通過強(qiáng)化小跨度鋼筋混凝土橋涵結(jié)構(gòu)和對部分特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，既有線橋涵結(jié)構(gòu)可以適應(yīng) 25 t 軸重專用貨車 ( 每延米8.33 t ) 和通用貨車。在此基礎(chǔ)上，通過開展系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和長期監(jiān)測工作，進(jìn)一步完善輪軌管理和養(yǎng)護(hù)維修體制，降低輪軌動(dòng)力作用，可以進(jìn)一步將通用貨車軸重提高到 27 t ( 每延米 7.94 t )。
2.2 既有線隧道結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的適應(yīng)性
鐵路既有線隧道存在的問題主要是病害。病害類型包括：Ⅱ類、Ⅲ類圍巖 ( 舊圍巖分類 ) 情況，病害發(fā)生之處設(shè)計(jì)均采用直墻結(jié)構(gòu)和較薄的基底，對于大跨度軟巖隧道設(shè)計(jì)沒有采用曲墻和仰拱。重載鐵路實(shí)踐表明，隧道基底設(shè)計(jì)過薄，基底病害往往發(fā)生于運(yùn)營后的一段時(shí)期并不斷惡化；運(yùn)營通風(fēng)效果差和運(yùn)煤煤粉污染嚴(yán)重，雙線隧道難以利用列車的“活塞作用”來發(fā)揮隧道的自然通風(fēng)作用，雙線隧道內(nèi)列車相向而行，氣流紊亂，大量粉塵滯留洞內(nèi)；隧道防排水沒有很好解決，因而帶來隧道的一系列病害。既有線隧道基底經(jīng)過一定時(shí)間運(yùn)營后，在隧道底部出現(xiàn)基底開裂、破損、下陷，向兩側(cè)外擠及翻漿、冒泥等現(xiàn)象。
對于隧道結(jié)構(gòu)來說，其安全性主要由仰拱與拱腳控制，表現(xiàn)為仰拱動(dòng)壓應(yīng)力和拱腳動(dòng)拉應(yīng)力。在貨車動(dòng)荷載作用下，軸重、軸距、定距、車速及鋼軌類型等因素對既有雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)的受力具有一定的影響，但軸重的影響最大，定距、軸距及車速等因素的影響次之。對目前通用貨車通過隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明[1]，既有線開行重載貨物列車軸重從 23 t 提高到 27 t 后，既有隧道基底結(jié)構(gòu)所受荷載值小于材料強(qiáng)度允許值，基本滿足通用貨物列車的安全運(yùn)輸要求。
2.3 既有線路基工程的適應(yīng)性
既有線路基狀況與道床厚度有很大關(guān)系。路基存在的問題是道床污染較重，含水率較高，路基填料大量采用性質(zhì)較差的細(xì)粒土，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏低，有些線路存在冒泥、凍害、暗洞、邊坡沖刷失穩(wěn)等現(xiàn)象。
根據(jù)測試，路基動(dòng)荷載的幅值受車速的影響相對較小，95% 范圍內(nèi)的速度影響系數(shù)在 0.004 以內(nèi)。不同軸重列車的路基動(dòng)荷載范圍幅值受車輛軸重的影響十分顯著，與軸重基本成正比。對于 27 t 和 30 t 軸重下的路基動(dòng)應(yīng)力最大值將分別達(dá)到 108 kPa 和 120 kPa，30 t 軸重相較于 25 t 軸重下的路基面動(dòng)應(yīng)力將增大 20%。
隨著軸重的增加，穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低。列車軸重由 22 t 提高至 25 t，路基穩(wěn)定安全系數(shù)降低至1.15 左右，基本滿足原設(shè)計(jì)規(guī)范要求。而軸重提高至27 t 時(shí)，路基穩(wěn)定安全系數(shù)降低至 1.13，低于原設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，更低于新規(guī)范的要求。
綜合分析既有路基填料動(dòng)力性能和列車動(dòng)荷載，既有線路基基本滿足開行 25 t 軸重列車的條件，但需要對細(xì)粒土基床上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測評估；開行 27 t 軸重列車需要對既有路基進(jìn)行系統(tǒng)性檢測和評估。
2.4 既有線軌道結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性
經(jīng) 6 次提速，我國鐵路旅客列車速度達(dá)到120 km/h及以上的線路里程已達(dá) 2.2 萬 km 以上；正線 60 kg/m及其以上鋼軌占正線鋼軌的 80% 以上；正線無縫線路營業(yè)里程 6 萬 km 以上。既有線主要軌道結(jié)構(gòu)如下。
（1）鋼軌。60 kg/m 鋼軌，既有線客貨共線鐵路鋼軌主要采用 12.5 m、25 m 定尺鋼軌，鋼軌主要為U71Mn、U75V、U76NbRE 鋼軌。在小半徑曲線采用熱處理鋼軌。鋼軌的強(qiáng)度等級不高，鋼軌疲勞性能對重載鐵路的適應(yīng)性不強(qiáng)。
（2）軌枕。既有客貨共線鐵路主要采用 Ⅲ 型或Ⅱ 型軌枕。Ⅱ 型軌枕在大秦、大包線上使用時(shí)，出現(xiàn)了明顯的傷損，不適應(yīng)25 t 重載運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>
（3）扣件。扣件主要為 Ⅱ 型或 Ⅲ 型扣件。Ⅰ 型彈條扣件已經(jīng)逐步更換為 Ⅱ 型彈條扣件。
（4）道床。道床采用單層或雙層結(jié)構(gòu)。允許速度大于 120 km/h 的線路，無墊層時(shí)一般路基區(qū)段碎石道床厚度不小于 450 mm，碎石路基、橋上及隧道內(nèi)道床厚度一般要求不小于 350 mm。
（5）道岔。既有線道岔為可動(dòng)心軌道岔或固定式道岔，60 kg/m 固定型主要為 12 號道岔，轍叉有高錳鋼鑄造、奧貝體合金鋼、貝氏體合金鋼轍叉，速度超過 160 km/h 的區(qū)段采用可動(dòng)心軌轍叉。在京滬、京廣等主要干線，道岔采用無縫道岔結(jié)構(gòu)，可動(dòng)心軌道岔除絕緣接頭采用膠接絕緣接頭外，其余接頭全部焊接；固定型道岔轍叉前后接頭及曲股接頭一般采用凍結(jié)接頭，其余接頭全部焊接。
通過既有線開行 25 t 軸重 ( C80型 ) 貨物列車的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，對于曲線半徑為 600 m 的線路，脫軌系數(shù)、鋼軌垂移、軌枕垂移、軌頭橫移、軌距擴(kuò)大明顯增加，外軌橫向力顯著增大。由于 C80型萬噸大列對半徑為 600 m 的曲線線路動(dòng)力作用較大，對軌道的破壞較為嚴(yán)重，軌道部件傷損嚴(yán)重，軌道幾何狀態(tài)不易保持，造成軌距、水平等靜態(tài)幾何尺寸偏差易超限，加劇了輪軌動(dòng)力作用，增大了輪軌動(dòng)力沖擊，對安全運(yùn)營帶來一定的隱患。
25 t 軸重貨物列車側(cè)向通過 12 號道岔時(shí)，脫軌系數(shù)、外軌橫向力、軌頭橫移、軌距擴(kuò)大明顯增加，運(yùn)營安全儲(chǔ)備量已經(jīng)很小，對運(yùn)營安全造成較大的隱患。軸重增加使軌道結(jié)構(gòu)的受力明顯增加。貨車軸重由 23 t 增加到 27 t 時(shí)，鋼軌應(yīng)力、枕上壓力、道床應(yīng)力、基床表層壓應(yīng)力均增大約 18%。在特殊區(qū)段 ( 如道床硬化、道床臟污嚴(yán)重等軌道剛度較大的區(qū)段 )，貨車 27 t 軸重下，采用 Ⅱ 型混凝土軌枕時(shí)，軌枕彎矩、道床應(yīng)力、基床表層壓應(yīng)力已經(jīng)無法滿足要求，Ⅱ 型混凝土軌枕無法適應(yīng) 27 t 軸重貨車的運(yùn)營要求。
根據(jù)分析，既有線鋼軌基本適應(yīng)開行軸重不大于25 t 貨物列車的要求，軌枕和扣件應(yīng)采用 Ⅲ 型混凝土枕及配套扣件；道床應(yīng)采用一級碎石道砟，雙層道床結(jié)構(gòu)，墊層厚度 20 cm，枕下道床厚度 30 cm；正線道岔應(yīng)采用 18 號及以上固定轍叉或可動(dòng)心軌道岔。
3 牽引機(jī)車的適應(yīng)性分析
3.1 主型貨運(yùn)機(jī)車的起動(dòng)牽引質(zhì)量
機(jī)車的起動(dòng)牽引力必須大于全列車各種阻力之和才能滿足起動(dòng)需要，并且能夠在所有列車可能停車的坡道上均能起動(dòng)。一般機(jī)車的起動(dòng)牽引力遠(yuǎn)大于持續(xù)牽引力，起動(dòng)時(shí)主要受車輪粘著牽引力限制，功率不可能得到全部利用。在實(shí)際起動(dòng)操縱時(shí)，可以采用首先壓縮車鉤空隙，然后逐輛牽引起動(dòng)的方式，起動(dòng)阻力并不是特別大，但在較大的坡道上，逐輛起動(dòng)受到一定限制。主型貨運(yùn)機(jī)車在不同坡度上的起動(dòng)牽引質(zhì)量如表 1 所示。
3.2 主型貨運(yùn)機(jī)車在限制坡度的牽引質(zhì)量
列車運(yùn)行時(shí)，機(jī)車牽引力應(yīng)滿足區(qū)段限制坡段上以不低于機(jī)車最低計(jì)算速度順利運(yùn)行，并考慮牽引力有一定富裕量。機(jī)車牽引力一般采用計(jì)算牽引力，功率利用系數(shù)取 0.9。主型貨運(yùn)機(jī)車在不同坡度上的牽引質(zhì)量如表 2 所示。
將同一機(jī)車在相同坡度上的起動(dòng)牽引列車質(zhì)量與牽引列車質(zhì)量相比，一般前者大于后者。但這一般坡度與限制坡度不是同一坡段，通常運(yùn)營中盡可能要求列車在限制坡道上不停車。如果機(jī)車在一般坡度與限制坡度上牽引質(zhì)量有較大差別時(shí)，應(yīng)采用增加補(bǔ)機(jī)的方式提高區(qū)段列車牽引定數(shù)。
3.3 列車長大下坡道牽引質(zhì)量與限速計(jì)算
3.3.1 列車在坡道上常用制動(dòng)實(shí)現(xiàn)減速
重載列車在線路上運(yùn)行，特別是在長大下坡道上運(yùn)行需要滿足列車制動(dòng) 3 個(gè)方面的要求：一是在坡道上實(shí)行常用制動(dòng)時(shí)，列車可以正常減速；二是在坡道上實(shí)行緊急制動(dòng)時(shí)，列車可以在規(guī)定的距離內(nèi)停車；三是長大下坡道列車可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)制動(dòng)而不失控。
貨運(yùn)機(jī)車的起動(dòng)牽引力在 400～620 kN 之間，通常列車的制動(dòng)力大約是機(jī)車起動(dòng)牽引力的 3～5 倍。同樣在 6‰ 的坡道上運(yùn)行，機(jī)車制動(dòng)產(chǎn)生的加速度比牽引力產(chǎn)生的加速度大 3～5 倍。因此，在列車正常制動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)減速是確定的。
大秦線 2 萬 t 列車常用全制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，3 臺機(jī)車或 4 臺機(jī)車牽引。在平道上，列車運(yùn)行初速 78.9～80.5 km/h，實(shí)際全制動(dòng)距離在 901～1 180 m；在12‰的長大下坡道上，列車運(yùn)行初速 76.0～80.9 km/h，實(shí)際全制動(dòng)距離在 1 286～1 697 m。
其他類型機(jī)車常用制動(dòng)距離如表 3 所示。
根據(jù)計(jì)算，在常用制動(dòng)情況下，2 臺機(jī)車牽引8 000 t及以上列車，各種坡道情況下全制動(dòng)距離在429.9～1 061 m 之間，能夠滿足制動(dòng)距離不大于1 200 m 的要求。列車緊急制動(dòng)力大約是起動(dòng)牽引力的 10～16倍。萬噸列車以 80 km/h 運(yùn)行時(shí)，按 2 臺HXD1機(jī)車牽引計(jì)算，具有動(dòng)能為 2.57 × 106kN · m；制動(dòng)到完全停車需要走行 559 m，另外，制動(dòng)前空走距離約 60 m，合計(jì)制動(dòng)走行 619 m。在長大下坡道上進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)距離會(huì)顯著增加。
大秦線 2 萬 t 列車緊急制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，2 臺機(jī)車或 4 臺機(jī)車牽引。在平道上，列車運(yùn)行初速 75.5～78.1 km/h，實(shí)際緊急制動(dòng)距離在 537～671 m；在12‰的長大下坡道上，列車運(yùn)行初速 74.9～81.1 km/h，實(shí)際緊急制動(dòng)距離在 680～956 m。
3.3.2 列車在長大下坡道上重復(fù)制動(dòng)
實(shí)際的運(yùn)營線路經(jīng)常會(huì)有長大下坡道，特別是山區(qū)，下坡超過 6‰，坡長有幾公里甚至幾十公里。列車在長大下坡道上運(yùn)行時(shí)，為了不使運(yùn)行速度超過規(guī)定速度，沒有動(dòng)力制動(dòng)裝置的老式機(jī)車 ( 如 DF 和 DF4型內(nèi)燃機(jī)車 )，需要采用周期性的空氣制動(dòng)，反復(fù)進(jìn)行制動(dòng)、緩解操作，直至駛出長大坡道。當(dāng)機(jī)車具有動(dòng)力制動(dòng)裝置時(shí) ( 如電阻制動(dòng) )，在長大下坡道上常用制動(dòng)主要靠空氣制動(dòng)，在副風(fēng)缸充風(fēng)時(shí)，采用動(dòng)力制動(dòng)，充風(fēng)完成再采用空氣制動(dòng)，因而不需要進(jìn)行重復(fù)制動(dòng)的檢驗(yàn)。
4 鐵路貨運(yùn)車輛的適應(yīng)性分析
4.1 鐵路貨車類型與軸重
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，鐵路敞車占全部車輛比重的 67.3%，主要運(yùn)輸散堆裝貨物，是我國鐵路貨車的主體；棚車占全部車輛的 16.3%，主要運(yùn)輸高附加值貨物，二者合計(jì)占鐵路車輛總數(shù)的 84.6%。其次，鐵路載重70 t 及以上的車輛僅占全部車輛的 26.1% ( 2010年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))，C80型等重載車輛主要用于重載專線，C70型等通用重載車輛還沒有成為既有線的核心車型。從2006年開始，國鐵已經(jīng)不再購置 21 t 軸重貨車，現(xiàn)在平均每年新投入載重 70 t 及以上貨車約 3.37 萬輛，全部更換軸重 21 t 以下貨車仍然需要 15年以上。
表 1 主型貨運(yùn)機(jī)車在不同坡度上的起動(dòng)牽引質(zhì)量 t
表 2 主型貨運(yùn)機(jī)車在不同坡度上的牽引質(zhì)量 t
表 3 其他貨運(yùn)機(jī)車 ( 2 臺 ) 牽引 8 000 t 以上列車的常用制動(dòng)距離
我國鐵路貨車軸重與美國、加拿大、澳大利亞等國家相比，還存在較大差距。我國最大軸重的貨車是C80型敞車，裝運(yùn)貨物后車輛總重 100 t，美國及北美國家最大貨車總重 142.4 t，相差 42.4 t。因此，我國鐵路貨車向大型化、重載化發(fā)展仍有很大空間。大軸重貨車運(yùn)用受鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的限制，貨車換型也需要較長的周期，采用軸重 21～23 t 貨車開展重載運(yùn)輸，或者開行重載列車依然是鐵路既有線的可靠選擇。
4.2 貨車車鉤受力適應(yīng)性分析
4.2.1 既有線車輛類型及車鉤允許受力情況
列車運(yùn)行過程中，車鉤承擔(dān)著列車縱向力的傳遞。為保證列車運(yùn)行的安全，應(yīng)使列車在各種工況下運(yùn)行時(shí)，車鉤及附件的受力低于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，并留有一定安全余量。主要運(yùn)營車輛及車鉤類型如表 4 所示。
根據(jù)鐵路各類車鉤制造標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)資料，車鉤最小允許拉荷載情況如表 5 所示，車鉤緩沖器的容量如表 6 所示。
由表可知，對于鉤體來說縱向拉力不應(yīng)大于2 800 kN，對于車鉤緩沖器來說壓縮力不應(yīng)大于2 200 kN。超過這個(gè)范圍，車輛運(yùn)行將存在安全隱患。
4.2.2 重載列車牽引時(shí)車鉤受力情況
重載列車牽引制動(dòng)試驗(yàn)主要在大秦線進(jìn)行。萬噸列車組合試驗(yàn)分別采用了 8K、SS3、SS1等電力機(jī)車，8K 和 SS3采用單機(jī)牽引 123 輛 C63型貨車 ( 平均每輛車總重 81.5 t )；SS1型機(jī)車采用 2 臺機(jī)車牽引，其中 1 臺機(jī)車位于中部，牽引 123 輛 C61型貨車；分別進(jìn)行了起動(dòng)、緊急制動(dòng)、調(diào)速運(yùn)行等試驗(yàn)，積累了大量測試數(shù)據(jù)。這些試驗(yàn)與既有線開行萬噸列車情況基本類似，測試數(shù)據(jù)可以為既有線開行重載列車參考。
列車起動(dòng)時(shí)牽引力逐步上升，隨著時(shí)間延續(xù)，機(jī)車車鉤力越來越大，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。這與列車起動(dòng)司機(jī)操縱方式有關(guān)，司機(jī)在起動(dòng)時(shí)，會(huì)逐步將牽引控制手柄提高到最大，然后穩(wěn)定運(yùn)行。8K 機(jī)車最大牽引力達(dá)到 800 kN，SS3機(jī)車達(dá)到 631 kN，SS1機(jī)車達(dá)到 338 kN。將機(jī)車最大起動(dòng)牽引力與各種車鉤允許受力比較，起動(dòng)牽引力小于車鉤允許拉力值。因此，可以認(rèn)為起動(dòng)階段各類車鉤在安全范圍之內(nèi)。
當(dāng)運(yùn)行列車緊急制動(dòng)時(shí)，縱向力沿車長分布是中間較大、兩端較小，制動(dòng)壓縮力與制動(dòng)初速度、操縱方式及機(jī)車類型有關(guān)。對 8K 機(jī)車牽引萬噸列車，緊急制動(dòng)初速度 32.7 km/h，最大壓縮力 1 360 kN，出現(xiàn)于第 93 位車輛；SS 機(jī)車牽引萬噸列車，緊急制動(dòng)初速度 63.7 km/h，最大壓縮力1 050 kN，出現(xiàn)于第75 位車輛；SS1機(jī)車牽引萬噸列車，緊急制動(dòng)初速度67.4 km/h，最大壓縮力1 848 kN，出現(xiàn)于第 60 位車輛。
表 4 主要運(yùn)營車輛及車鉤類型
表 5 車鉤最小允許拉載荷 kN
表 6 車鉤緩沖器容量
列車進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，車輛由前向后迅速制動(dòng)，在列車中首先出現(xiàn)較大壓縮力，該力由前向后傳遞，當(dāng)列車全部處于壓縮后迅速反彈，形成較大的拉伸力，由列車后部向前傳遞。8K 機(jī)車緊急制動(dòng)的初速較低，制動(dòng)后未出現(xiàn)拉伸即停車，因而沒有拉伸力；SS3機(jī)車緊急制動(dòng)時(shí)，最大拉伸力 690 kN，發(fā)生在第 30 輛車位置；SS1機(jī)車緊急制動(dòng)時(shí)，最大拉伸力1 200 kN，發(fā)生在第 62 輛車位置。
拉伸力大小受車鉤類型影響較大，專用 C63、C70、C76、C80型車等采用新型車鉤，車鉤間隙小，列車制動(dòng)時(shí)沖動(dòng)小，停車平穩(wěn)。C61型貨車是老型貨車，車鉤間隙大，制動(dòng)時(shí)間隙效應(yīng)明顯，列車制動(dòng)時(shí)沖動(dòng)大。C61型貨車裝備 13 號車鉤，破壞強(qiáng)度不大于2 820 kN，與其配套的 2 號緩沖器的容量為 18 kJ，試驗(yàn)中的最大壓縮力 1 848 kN，最大拉伸力 1 200 kJ，在安全范圍內(nèi)，但安全余量偏小。
重載列車在運(yùn)行過程中受坡度、環(huán)境因素等影響，經(jīng)常需要進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)。8K 機(jī)車牽引萬噸列車進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)的最大車鉤壓縮力為560 kN，緩解時(shí)最大車鉤拉伸力為 380 kN，緩解拉伸后最大反彈壓縮力為 618 kN；SS 牽引萬噸列車進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)的最大車鉤壓縮力為 916 kN，最大車鉤拉伸力為 400 kN；SS1牽引萬噸列車進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)的最大車鉤壓縮力為 1 596 kN，壓縮后反彈最大壓縮力為 1 078 kN。列車運(yùn)行調(diào)速制動(dòng)中，車鉤最大壓縮力和拉伸力均小于緊急制動(dòng)工況，因而鉤車受力均處于安全范圍。
5 既有線貨物品類的適應(yīng)性分析
從運(yùn)輸?shù)呢浳锟?，我國主要貨物品類除焦炭、集裝箱等輕浮貨物外，都適合采用重載車輛和重載運(yùn)輸方式，集裝箱列車采用雙層裝載方式，也可以編組重載列車。各種主要貨物品類所占比重如表 7所示。
6 閉塞區(qū)間距離的適應(yīng)性分析
目前，我國鐵路既有線主要采用的閉塞方式有4種：站間半自動(dòng)閉塞、三顯示自動(dòng)閉塞、四顯示自動(dòng)閉塞、CTCS-2 列控方式。站間半自動(dòng)閉塞主要用于單線鐵路，開行重載列車在國內(nèi)通霍線、南昆線，以及南非、巴西鐵路等均有實(shí)例。三顯示自動(dòng)閉塞的分區(qū)距離一般為 800～1 200 m，適應(yīng)列車運(yùn)行速度小于 120 km/h、牽引列車質(zhì)量小于 4 000 t、緊急制動(dòng)距離不超過 800 m 等情況。開行 8 000 t 及以上重載列車后，列車速度一般在 80 km/h 以內(nèi)，但在較大下坡道緊急制動(dòng)距離可能超過 800 m，增加了列車冒進(jìn)信號的危險(xiǎn)，因此要求列車采用更低的運(yùn)行速度。如果經(jīng)試驗(yàn)或牽引計(jì)算證明閉塞分區(qū)距離不滿足重載列車制動(dòng)距離要求時(shí)，應(yīng)對閉塞分區(qū)進(jìn)行重新劃分。四顯示自動(dòng)閉塞的分區(qū)距離一般為 800～1 200 m，適應(yīng)既有線提速線路，列車運(yùn)行速度小于 160 km/h、牽引列車質(zhì)量小于 6 000 t、緊急制動(dòng)距離不超過 1 200 m 等情況。開行 8 000 t 及以上重載列車后，列車速度一般在 80 km/h 以內(nèi)，在較大下坡道緊急制動(dòng)距離可能超過 1 200 m，增加了列車冒進(jìn)信號的危險(xiǎn)，因此要求列車采用更低的運(yùn)行速度。如果經(jīng)試驗(yàn)或牽引計(jì)算證明閉塞分區(qū)距離不滿足重載列車制動(dòng)距離要求時(shí)，應(yīng)對閉塞分區(qū)進(jìn)行重新劃分。
表 7 鐵路運(yùn)輸主要貨物品類占比重 ( 2010年)
既有線提速 160～200 km/h 線路，客運(yùn)列車控制采用 CTCS-2 列控系統(tǒng)，但貨運(yùn)列車仍采用四顯示自動(dòng)閉塞系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)下重載運(yùn)輸?shù)倪m應(yīng)性判定應(yīng)按四顯示自動(dòng)閉塞方式進(jìn)行。
7 既有線站場設(shè)施及相關(guān)設(shè)備的適應(yīng)性分析
目前，既有線到發(fā)線有效長主要有 850 m和1 050 m 2 個(gè)系列。開行 8 000 t、10 000 t 重載列車時(shí)，到發(fā)線有效長如表 8 所示。
由表 8 數(shù)據(jù)可見，開行 8 000 t 重載列車，到發(fā)線有效長應(yīng)為 1 126～1 542 m，與 1 050 m 有效長相差 76～492 m；開行 10 000 t 重載列車，到發(fā)線有效長應(yīng)為 1 371～1 888 m，與 1 050 m 有效長相差321～838 m。在某些鄰近礦山的線路上，如果貨物發(fā)到地點(diǎn)集中，開行由 C80、C70型車輛組成的專列可行，到發(fā)線可以采用較短的有效長；在通常條件下，路網(wǎng)線路上運(yùn)營的車輛主要是組合類型，為滿足重載列車各種作業(yè)需要，延長到發(fā)線是必須的，延長的長度約為321～616 m。
8 研究結(jié)論與建議
（1）既有線重載列車的貨車軸重應(yīng)不超過 25 t。既有線基礎(chǔ)設(shè)施基本滿足開行 25 t 軸重重載列車的要求，部分不能滿足重載列車運(yùn)行要求的橋涵、隧道、路基等應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化改造；不滿足開行重載列車運(yùn)行要求的軌道、軌枕、扣件、道岔應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行更換?；A(chǔ)設(shè)施在大中修時(shí)，應(yīng)按照遠(yuǎn)期貨車軸重發(fā)展目標(biāo)，提高設(shè)計(jì)活載。
（2）既有線重載列車的牽引質(zhì)量宜為 8 000～10 000 t。既有線目前的牽引質(zhì)量基本是 3 000～3 500 t 系列、4 000～4 500 t 系列、5 000～5 500 t 系列。在路網(wǎng)大通道上，可以選擇開行 8 000～10 000 t列車，并按該列車牽引質(zhì)量配置站場線路、牽引動(dòng)力和技術(shù)設(shè)備，既可以在本線編發(fā)長大列車，又可以將次要干線到達(dá)的 4 000～5 000 t 列車組合為 8 000～10 000 t 列車，大幅提高路網(wǎng)主要干線的輸送能力。
（3）開行重載列車應(yīng)與站場線路及設(shè)施改造相結(jié)合。從運(yùn)營安全及技術(shù)作業(yè)需求考慮，開行重載列車必須與站場線路及設(shè)施改造相結(jié)合，特別是編組站的線路應(yīng)滿足重載列車各項(xiàng)技術(shù)作業(yè)的需要，盡可能減少編組站作業(yè)過程和作業(yè)人員現(xiàn)場作業(yè)。
表 8 牽引 8 000 t / 10 000 t 重載列車的到發(fā)線有效長
（4）適應(yīng)重載列車作業(yè)需求的編組站改造方案可以采用站內(nèi)和站外多種形式。編組站技術(shù)作業(yè)包含列車改編、無改編列車通過、機(jī)車整備，司乘人員換班、車輛檢修等內(nèi)容，重載列車在編組站進(jìn)行作業(yè)會(huì)有很多方便，因此，適應(yīng)開行重載列車需求的改造工程應(yīng)優(yōu)先考慮在編組站進(jìn)行。如果編組站不具備技術(shù)改造條件，可以在編組站附近或樞紐內(nèi)增建重載列車輔助站，完成重載列車的組合、分解等，輔助站與編組站之間應(yīng)有通暢的聯(lián)絡(luò)線，輔助站具備列車到發(fā)線路和技術(shù)作業(yè)設(shè)施，配備作業(yè)人員。
[1]中國鐵道科學(xué)研究院. 客貨分線后線橋隧適應(yīng)貨運(yùn)重載關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)運(yùn)輸模式研究報(bào)告[R]. 北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2011.
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