付昌友,丁學鋒

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京　100055)

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山西中南部鐵路壺關(guān)至紅旗渠段長大坡道緩坡設(shè)置研究

付昌友,丁學鋒

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京100055)

摘要：山西中南部鐵路是一條新建的萬噸重載煤炭運輸通道,是國內(nèi)首條研究30t大軸重萬噸列車運行安全的鐵路,鐵路線路平縱斷面、車站分布等的設(shè)計,需滿足萬噸級列車的循環(huán)制動與縱向沖動等要求。運用列車縱向動力學仿真軟件指導重載鐵路的設(shè)計,通過對不同機車牽引萬噸單編列車的縱向動力學仿真研究,特別是萬噸列車在不同坡度坡道上的制動限速、制動距離,以及長大下坡道困難區(qū)間操縱運行的安全性和縱向沖動,研究山西中南部鐵路壺關(guān)至紅旗渠段長大坡道緩坡設(shè)置問題,以滿足萬噸重載列車在非正常情況下的運行、養(yǎng)護維修及救援要求。研究結(jié)論為：壺關(guān)至紅旗渠間居中位置應(yīng)增設(shè)緩坡1處,并配備救援設(shè)備。研究結(jié)論已應(yīng)用于項目設(shè)計,在壺關(guān)至紅旗渠間增設(shè)了平順站,并設(shè)機待線,配備雙機重聯(lián)救援機車。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；長大坡道；緩坡；設(shè)計

1概述

山西中南部鐵路是一條新建的萬噸重載煤炭運輸通道，京廣線以西段的限制坡度為6/13‰，其中壺關(guān)—水冶南段基本上為連續(xù)的長大下坡道，長度約為110 km，最大坡度為-13‰，平均坡度為-8.6‰，其中壺關(guān)—紅旗渠段(約70 km)的山勢更為陡峭，自然坡度大，區(qū)間設(shè)站困難。相類似的大秦線的限制坡度為4/12‰，有2段長大下坡道：一段線路長度為47 km，平均坡度-8.2‰；另一段線路長度為50 km，平均坡度-9.1‰。萬噸級列車在長大下坡道上的循環(huán)制動再充氣時間、車鉤力是影響大秦線行車安全的兩大因素[1]。壺關(guān)—水冶南間長大下坡道的最大坡度更大、線路更長，因此，對該段的最大坡度及車站(緩坡)的設(shè)置研究更有其必要性。

主要結(jié)合國內(nèi)外收集的有關(guān)技術(shù)資料，分析研究萬噸列車的特點及其運行性能，計算萬噸列車在大坡道上的制動限速、常用制動距離與緊急制動距離，對在長大下坡道上的循環(huán)制動、車鉤力、停車制動的安全性進行檢算，對長大坡道各種工況進行仿真研究，以確定壺關(guān)—紅旗渠段在區(qū)間是否考慮設(shè)置緩坡(車站)。

2大秦線長大坡道的緩坡設(shè)置及萬噸列車運行情況

2.1大秦線長大坡道情況

大秦線是我國第一條雙線重載電氣化運煤專線，現(xiàn)狀主要開行10 000 t單編列車、10 000 t組合列車和20 000 t組合列車。大秦線的限制坡度為4/12‰，其中K286～K307(鐵爐村—下莊)平均-10.5‰以上，該段為大秦線重載運輸?shù)淖罾щy區(qū)間(圖1)。

圖1　大秦線K275～K325區(qū)間的坡道示意

2.2制動熱負荷

重載列車的重要特點之一是使用大軸重的貨車車輛。貨車提高軸重不僅能增加牽引質(zhì)量，還能減少列車編組輛數(shù)，從而有利于司機操縱和縮短站線有效長度，對運輸生產(chǎn)有重大的經(jīng)濟效益。因此，提高軸重和增加列車編組輛數(shù)是國際重載列車的兩個重要發(fā)展方向。

軸重增加必然會同時導致車輪載荷條件的惡化，進而影響車輪和鋼軌的使用壽命。制動熱負荷可能導致3種類型的車輪問題，即車輪踏面的裂紋、熱失效和熱機剝離[1]。國內(nèi)外對重載車輪制動熱負荷問題的大量試驗研究結(jié)果表明，坡道制動產(chǎn)生的熱應(yīng)力最為嚴重，是影響閘瓦更換和車輪維修的主要原因。因此，在大秦線現(xiàn)有技術(shù)裝備條件下，將重視制動熱負荷問題作為改善輪瓦磨耗、延長重載車輛車輪使用壽命的重要研究方向[2]。

2.3列車再充氣時間

大秦線重載列車主要采用高摩合成閘瓦和φ254 mm制動缸，較之舊型車輛制動機(鑄鐵閘瓦和大制動缸)的耗風量明顯減少。20世紀90年代在長大列車制動試驗臺上對循環(huán)制動進行試驗的結(jié)果表明，在空氣制動少量減壓(60 kPa)的條件下，單編萬噸列車需要的再充氣時間在2 min以上[3]。根據(jù)2005年靜置試驗的結(jié)果，采用LOCOTROL技術(shù)的4×5 000 t或1+2+1編組2萬t列車在小減壓(50 kPa)條件下的再充氣時間則僅需1 min左右[4]，比單編萬噸列車再充氣時間減少50%以上。因此，采用高摩合成閘瓦和φ254 mm制動缸對改善長大下坡道循環(huán)制動的再充氣極為有利[5]。

2.4列車縱向力

10 000 t單編列車的最大車鉤力均在1 500 kN以內(nèi)，可滿足安全運行的需要(表1)。但在12‰的下坡道緊急制動時，可能出現(xiàn)最大縱向沖動大于9.8 m/s2的情況[6]。

表1　10 000 t單編列車(C80、SS4)

人工組合10 000 t列車在操縱的同步性方面存在不確定因素，但是前后機車操縱延遲時間在3 s以內(nèi)的情況下，其最大車鉤力及最大縱向沖動均在安全范圍以內(nèi)，可安全運行(表2)。

表2　人工組合10 000 t列車(C80、SS4)

2.5安全暢通預(yù)案

大秦線配備HXD1/2型機車后，2萬t列車采用“1+1”的牽引模式，而萬噸列車采用單機牽引的模式。在長大下坡道地段，1萬t列車循環(huán)制動的再充氣時間安全余量很小，因此，為確保運輸安全暢通，制定了新牽引模式安全暢通預(yù)案。在陽原、北辛堡、遷西、金沙灘四站各設(shè)置備用重聯(lián)機車1組，用于擔當區(qū)間救援任務(wù)，救援點平均距離約100 km[7]。

3長大坡道設(shè)計和單編萬噸列車運行安全性

對于壺關(guān)—紅旗渠間，是否采用緩坡對線路平縱斷面設(shè)計有較大影響，在不超過限坡13‰的前提下，設(shè)置緩坡將引起線路繞行；當線位確定時，不設(shè)緩坡則可適當降低最大坡度(圖2)。

圖2　長大下坡道坡度設(shè)計方案

3.1列車編組及線路條件

(1)列車編組

按SS4G×2、HXD1×2和HXD2×1不同牽引動力配置牽引的1萬t重載列車進行比較，以C70編組作為研究對象。列車編組如表3所示。

(2)線路條件

如圖3所示，山西中南部鐵路設(shè)計重車方向最大下坡道坡度為-13‰。根據(jù)設(shè)計線路斷面，坡道情況可分為3部分：(1)西部坡道變化最大，洪洞北—長治南間多為5‰～6‰上坡道，壺關(guān)—水治南間為不大于13‰的長大下坡道[8]；(2)中部坡道變化不大；(3)東部有比較長的上坡道，但坡度較小，不超過6‰。主要困難區(qū)段為壺關(guān)—水治南間100 km以上的長大下坡道區(qū)段。

圖3　山西中南部鐵路設(shè)計線路斷面縮圖(部分)

該線的線路條件類似于大秦線，具有長大下坡道，但有自己的特點：一方面，該線路使用SS4G或HXD型機車牽引，SS4G或HXD型機車均具有較強的動力制動能力和車輛用新型高摩合成閘瓦，這是有利條件；但另一方面，該線路上的列車無LOCOTROL裝置或其他同步操縱條件，單編萬噸不如大秦線組合列車的裝備條件，需特別注意機車動力制動不良條件下的列車縱向動力問題和安全性。

3.2下坡道停車制動的安全性

重載列車因意外情況在下坡道上停車時為保證安全，防止下滑的必要條件是制動力>坡道下滑力[9]，即1 000θφo+w≥i，根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》，列車的靜摩擦阻力為w=3.5 N/kN，靜止時的高摩合成閘瓦換算摩擦系數(shù)φo=0.322，即322θ≥i-3.5，由此計算得到：

(1)在-13‰下坡道上對列車空氣制動率的要求為θ≥2.95%，在空氣制動最小減壓量條件下的θ即能滿足該制動率的要求，當空氣制動使用0.8常用制動時制動缸壓力為330 kPa，再按制動缸保壓漏氣10 kPa/min值計算，則應(yīng)能保壓25 min以上。在使用緊急制動或常用全制動停車時則應(yīng)能保壓35 min以上[10]；

(2)下坡道為-18‰時對列車制動率的要求為θ≥4.5%，不同空氣制動停車防止下滑的保壓時間均在30 min以內(nèi)，故安全性不如-13‰下坡道。

3.3-13‰連續(xù)下坡道循環(huán)制動比較

圖4　A：SS4G×2+C70×108列車循環(huán)制動

通過對不同編組列車在-13‰坡道上的計算(圖4～圖6、表4)可見，HXD雙機牽引的動力制動能力最強，每次可用于再充氣的時間在360 s以上，SS4雙機牽引亦有較強的動力制動能力，每次再充氣時間在180 s以上，而HXD單機牽引或雙機牽引但動力制動減半時的再充氣時間每次不足150 s。

圖5　B：HXD1×2+C70×108列車循環(huán)制動

根據(jù)單編1萬t列車實際試驗的結(jié)果，在減壓50 kPa時列車尾部副風缸的再充氣時間要求為160 s左右[11]，使用HXD雙機牽引循環(huán)制動能充分滿足此要求；SS4雙機牽引時尚有裕量；HXD單機或雙機使用50%動力制動不滿足列車尾部副風缸的再充氣要求，但有在-13‰下坡道上停車制動的能力。問題在于50%動力制動條件下的每次制動時間均在9 min以上，由此產(chǎn)生的制動熱負荷過大，也不利于車輪熱損傷和閘瓦的磨耗，因此，對于長達70 km左右的-13‰連續(xù)最大下坡道應(yīng)考慮中間設(shè)置緩坡，從而將循環(huán)制動次數(shù)從6～7次減少到3～4次，當可滿足HXD雙機在50%動力制動能力時的運行要求。

圖6　C：HXD1×1+C70×108列車循環(huán)制動

表4　-13‰連續(xù)下坡道萬噸列車循環(huán)制動計算結(jié)果

3.4設(shè)計線路仿真計算

(1)長大下坡道循環(huán)制動

根據(jù)線路條件，以壸關(guān)—水治南長大下坡道區(qū)段，分別按不同機車牽引進行仿真，計算結(jié)果如圖7、圖8和表5所示。

圖7　C.HXD2單機牽引C70編組萬噸列車下坡V-S曲線

圖8　B.HXD1雙機牽引C70編組萬噸列車下坡V-S曲線

由圖7、圖8和表5可知，HXD1單機牽引的動力制動能力較低，循環(huán)制動次數(shù)遠多于雙機牽引，其平均速度也較低，但二者的制動保壓時間均在8 min以內(nèi)，再充氣時間均在3 min以上，因此，可以滿足單編萬噸列車減壓50 kPa的再充氣要求，但HXD1雙機牽引喪失一半動力制動力或HXD1單機牽引的安全裕量較小。

表5　壸關(guān)—水治南下坡道萬噸列車循環(huán)制動計算結(jié)果

(2)縱向力和縱向沖動

在空氣和動力復(fù)合制動條件下對壸關(guān)—水治南長大下坡道循環(huán)制動仿真計算的縱向力如圖9所示；最大縱向力如表6所示。

圖9　壸關(guān)—水治南長大下坡道循環(huán)制動縱向力

列車編組最大壓鉤力/(kN/車位)最大拉鉤力/(kN/車位)最大減速度/(g/車位)最大加速度/(g/車位)C936/38720/800.95/260.77/84B1140/571042/991.24/581.13/100

計算結(jié)果表明萬噸單編列車編組的最大縱向力和縱向沖動分別為1140 kN和1.24g左右，基本接近于大秦線單編萬噸列車或1+2+1方式2萬t組合列車的結(jié)果。因此，在正常操縱下無斷鉤之虞，均能滿足該長大坡道區(qū)間安全運行的要求。

(3)循環(huán)制動再充氣時間與對緩坡設(shè)置的要求

根據(jù)單編萬噸列車實際試驗結(jié)果顯示，在減壓50 kPa時列車尾部副風缸的再充氣時間要求在3 min以上，按HXD1雙機牽引能充分滿足此要求。在其中一臺機車動力制動失效時，不能滿足再充氣的要求，雖然仍具備制動能力，但每次制動時間均在9 min以上，由此產(chǎn)生的制動熱負荷過大，不利于車輪熱損傷和閘瓦的磨耗，而當存在緩坡時，列車可獲得較長再充氣時間，也可減少制動熱負荷的影響。因此，對于壺關(guān)—紅旗渠段長達74 km左右的-13‰連續(xù)最大下坡道應(yīng)考慮中間設(shè)置緩坡(增設(shè)平順站)，從而將循環(huán)制動次數(shù)從6～7次減少到3～4次。

4安全暢通預(yù)案

長子南為山西中南部鐵路的區(qū)段站，湯陰東為輕車方向重車的補機加掛點，長子南—湯陰東段長190 km，對于壺關(guān)—水冶南段為長110 km的長大下坡道，一旦煤運列車在長大下坡道上發(fā)生故障，若從長子南或湯陰東站調(diào)機車進行救援，則最大的救援區(qū)段長95 km(圖10)。

圖10　長子南—湯陰東救援點設(shè)置示意(單位：km)

即使按HXD型救援機車以120 km/h的速度運行，其純運行時間也需近50 min，如考慮辦理救援的各種手續(xù)、救援機車進入封鎖區(qū)間的限速等，則時間將更長；根據(jù)前述研究，按制動缸保壓漏氣10 kPa/min計算，在使用緊急制動或常用全制動停車時，最不利的情況下，只能保壓35 min，因此，故障列車可能因為救援時間太長，制動失效，造成放飏。若在較為居中的位置設(shè)置車站并增設(shè)救援機車，則救援距離將縮短一半，救援時間可基本控制在35 min，有效地防止故障列車放飏。因此，從這一方面考慮，也宜增設(shè)平順站。

5結(jié)論

最大下坡道的設(shè)計必須考慮下坡道列車循環(huán)制動的運行安全性以及制動限速、停車制動安全性等問題。研究表明：雙機牽引1萬t重載列車在設(shè)計線路壺關(guān)至紅旗渠地段的循環(huán)制動在合理操縱條件下均能滿足長大下坡道運行安全性對充氣和車鉤力的要求；正常情況下可以適應(yīng)-13‰連續(xù)下坡道條件下的循環(huán)制動，但在動力制動不夠時可能發(fā)生充氣和制動熱負荷問題?？紤]單機牽引或動力制動不足(供電故障等)的不良條件下，74 km連續(xù)長大下坡道萬噸列車使用循環(huán)制動的次數(shù)可能達到10次之多，制動保壓時間合計在50 min以上，占該區(qū)段運行時間50%左右，故在壺關(guān)與紅旗渠間居中位置增設(shè)平順站，并根據(jù)救援需要，配備機待線等相應(yīng)的設(shè)施設(shè)備。

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Research on Setting of Slight Gradient between Huguan and Hongqiqu on Central and Southern Shanxi RailwayFU Chang-you, DING Xue-feng

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：The Central and Southern Shanxi Railway is a new line for 10 000-ton trains, and the first domestic line on which trains of 30t axle load 10 000-ton are tested. The design of vertical section and stations distribution of this railway has to satisfy the cycle braking and longitudinal impulse of 10 000-ton trains. This paper uses train longitudinal dynamics simulation software to guide the design of heavy haul railway. With simulations of 10 000-ton trains hauled by different locomotives, limited braking speed, braking length, operation safety and longitudinal impulse are analyzed when 10 000-ton trains run on the long downhill slope. Slight gradient of the long downhill slope between Huguan and Hongqiqu is studied so as to meet the requirements of operation, maintenance and rescue under abnormal conditions. Research suggests that one slight gradient shall be added between Huguan and Hongqiqu and rescue equipment provided. The research results have been applied in project design, an additional station is provided between Huguan and Hongqiqu with locomotive waiting track and equipped with double machine reconnection rescue locomotive.

Key words：Heavy haul railway; Long downhill slope; Slight gradient; Design

中圖分類號：U212.3

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.003

文章編號：1004-2954(2015)01-0011-05

作者簡介：付昌友(1982—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于同濟大學交通運輸工程學院交通運輸專業(yè)，工學學士。

基金項目：中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司科研項目(研2011-1)

收稿日期：2014-05-09； 修回日期：2014-06-11