王宇嘉，徐利民，賈永剛，花 偉，魏 然

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

山西中南部通道重載列車運(yùn)輸試驗(yàn)及對(duì)線路設(shè)計(jì)的啟示

王宇嘉，徐利民，賈永剛，花 偉，魏 然

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

利用山西中南部鐵路通道重載運(yùn)輸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析各牽引質(zhì)量下重載列車的進(jìn)站速度、停車位置及重載列車區(qū)間運(yùn)行情況，確定30t軸重重載列車各工況下適宜的牽引質(zhì)量；分析并判斷重載列車在長(zhǎng)大坡道的牽引制動(dòng)性能。通過(guò)分析，提出30t軸重重載線路縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，最大限制坡度不宜大于9‰；在開(kāi)行萬(wàn)噸組合重載列車時(shí)，可以通過(guò)在到發(fā)線增設(shè)腰岔的方式，減少機(jī)車轉(zhuǎn)線作業(yè)時(shí)間。

30t軸重；重載鐵路；牽引質(zhì)量；坡道起動(dòng)；運(yùn)輸試驗(yàn)

1 山西中南部通道重載列車牽引質(zhì)量試驗(yàn)

山西中南部鐵路 (興縣—日照港) 是一條新建的萬(wàn)噸級(jí)重載煤炭運(yùn)輸通道，是我國(guó)首條運(yùn)行 30 t 大軸重萬(wàn)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(yùn)輸能力有很大提高。線路全長(zhǎng)約 1 267.3 km，按Ⅰ級(jí)重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，為雙線電氣化、自動(dòng)閉塞客貨混行線路。為使線路輸送能力達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證 30 t 軸重重載列車運(yùn)輸能力，為 30 t 軸重重載列車運(yùn)行及車站作業(yè)組織提供運(yùn)營(yíng)前的技術(shù)支持及參考。試驗(yàn)區(qū)段為長(zhǎng)子南站—平順站，正線長(zhǎng)度 91.8 km，區(qū)段內(nèi)包含長(zhǎng)子南、壺關(guān)、平順 3 個(gè)車站，有長(zhǎng)度 33.3 km 的連續(xù)上坡道 (下行方向)，最大坡度 6‰，其中包含一段長(zhǎng) 400 m 的11‰下坡道和長(zhǎng) 1 300 m 的 13‰ 下坡道[1]。

1.1 重載列車牽引質(zhì)量理論值

重載列車牽引質(zhì)量主要由機(jī)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(guó) 30 t 軸重電力機(jī)車 HXD1F、HXD2F裝機(jī)功率均為 9 600 kW。

牽引運(yùn)行時(shí)，在長(zhǎng)大上坡區(qū)段重載列車運(yùn)行速度可能會(huì)逐步下降，通常要求重載列車最低運(yùn)行速度應(yīng)不低于機(jī)車的持續(xù)速度，或者不能長(zhǎng)時(shí)間低于機(jī)車持續(xù)速度 (HXD1F/HXD2F持續(xù)速度為 50 km/h)；在長(zhǎng)大下坡道上，重載列車運(yùn)行速度應(yīng)控制在制動(dòng)能力能夠滿足重載列車安全運(yùn)行的范圍內(nèi)，并滿足空氣制動(dòng)與電制動(dòng)交互運(yùn)用時(shí)為制動(dòng)機(jī)充風(fēng)的要求。

設(shè)機(jī)車牽引質(zhì)量為 G，其計(jì)算公式為[2]

式中：Fj為機(jī)車計(jì)算牽引力，kN；r 為機(jī)車牽引力利用系數(shù)，一般取 0.9～1.0，此處取 0.9；p 為機(jī)車計(jì)算質(zhì)量，t；為機(jī)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(yàn)機(jī)車持續(xù)速度條件下?tīng)恳剌d列車質(zhì)量理論計(jì)算值如表 1 所示。

1.2 重載列車牽引質(zhì)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（1）重載列車牽引運(yùn)行。通過(guò)重載列車牽引運(yùn)行試驗(yàn)，得出重載列車在不同工況下的運(yùn)行速度，30 t軸重重載列車運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 2 所示。

表 1 試驗(yàn)機(jī)車持續(xù)速度條件下?tīng)恳剌d列車質(zhì)量理論計(jì)算值

實(shí)際試驗(yàn)的機(jī)車牽引能力略大于理論計(jì)算值，如利用 HXD2F機(jī)車單機(jī)牽引 5 000 t (42 輛) 重載列車在11‰～13‰ 的上坡道運(yùn)行，運(yùn)行速度持續(xù)下降，最低為 45.5 km/h；而在 6‰ 的上坡道運(yùn)行，運(yùn)行速度能夠緩慢上升，理論分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

（2）重載列車進(jìn)站停車。不同重載列車牽引質(zhì)量及限速條件下，平順站重載列車進(jìn)站速度與停車位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 3 所示。

車站到發(fā)線連接道岔一般采用18號(hào)單開(kāi)道岔，側(cè)向通過(guò)允許速度不大于 80 km/h[3]，平順站重載列車進(jìn)站 (過(guò)岔)速度最高 52 km/h，實(shí)測(cè)過(guò)岔速度在安全范圍之內(nèi)。

1.3 重載列車牽引質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)中，不同區(qū)間限速條件下的重載列車停車位置均在到發(fā)線有效長(zhǎng)范圍之內(nèi)，重載列車進(jìn)站停車控制有效，在進(jìn)站前線路存在長(zhǎng)大上坡道的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)安全停車。通過(guò)試驗(yàn)可得出以下結(jié)論。

限制坡度6‰的線路上，30 t軸重機(jī)車(HXD1F/ HXD2F)單機(jī)牽引8 000 t/雙機(jī)牽引12 000 t時(shí)，重載列車運(yùn)行速度、進(jìn)站速度均在安全范圍內(nèi)，運(yùn)行良好，能夠?qū)崿F(xiàn)安全進(jìn)站停車；限制坡度13‰的線路上，30 t軸重機(jī)車(HXD1F/HXD2F)單機(jī)牽引5 000 t時(shí)重載列車運(yùn)行速度較低(平均57.7 km/h)，能實(shí)現(xiàn)安全進(jìn)站停車；雙機(jī)牽引 10 000 t 時(shí)運(yùn)行良好，能夠?qū)崿F(xiàn)安全進(jìn)站停車；雙機(jī)牽引 12 000 t 時(shí)能實(shí)現(xiàn)安全進(jìn)站停車，但重載列車運(yùn)行速度偏低 (平均 49.4 km/h)。

表 2 30 t 軸重重載列車運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表 3 平順站重載列車進(jìn)站速度與停車位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)

山西中南部鐵路通道限制坡度較大，最大達(dá)到13‰，對(duì)機(jī)車牽引制動(dòng)性能要求較高。采用功率為9 600 kW 的新型 30 t 軸重機(jī)車牽引時(shí)，在限制坡度較大且不超過(guò) 13‰ 的重載線路上運(yùn)行，單機(jī)牽引質(zhì)量不宜大于 5 000 t，雙機(jī)牽引質(zhì)量不宜大于 10 000 t；在限制坡度不超過(guò) 6‰ 的重載鐵路上，單機(jī)牽引質(zhì)量不宜大于 8 000 t，雙機(jī)牽引質(zhì)量不宜大于 12 000 t。在實(shí)際操縱中，可以充分利用重載列車動(dòng)能闖坡[4]方式，實(shí)現(xiàn)較高運(yùn)行速度。

2 重載列車坡道起動(dòng)試驗(yàn)

2.1 重載列車坡道起動(dòng)的理論分析

有坡度時(shí)，機(jī)車的起動(dòng)牽引力應(yīng)該大于機(jī)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(jù)以上公式得到的坡度與單機(jī)最大起動(dòng)質(zhì)量、最大起動(dòng)車輛數(shù)關(guān)系表如表 4 所示。

表 4 坡度與單機(jī)最大起動(dòng)質(zhì)量、車輛數(shù)關(guān)系表

按照計(jì)算結(jié)果，取機(jī)車牽引力利用系數(shù) r ＝ 0.9時(shí)，在 6‰ 的坡道上，30 t 軸重機(jī)車單機(jī)最大起動(dòng)車輛數(shù)為 71 輛，最大起動(dòng)質(zhì)量為 8 565.41 t；當(dāng)坡度達(dá)到 13‰ 時(shí)，30 t 軸重機(jī)車單機(jī)最大起動(dòng)車輛數(shù)為 40輛，最大起動(dòng)質(zhì)量為 4 846.75 t。

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

2.2 重載列車坡道起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

坡道起動(dòng)試驗(yàn)的機(jī)車型號(hào)包括 HXD1F、HXD2F。采用不同的機(jī)車在 6‰、11‰、13‰ 的坡道上分別進(jìn)行坡道起動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試不同機(jī)車、不同牽引質(zhì)量及不同坡度的重載列車起動(dòng)情況。30 t 軸重重載列車坡道起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 5 所示。

表 5 30 t 軸重重載列車坡道起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與表 4 中理論計(jì)算值比較可見(jiàn)，理論分析結(jié)論與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到坡道起動(dòng)的基本結(jié)論。

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

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

2.3 重載列車坡道起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)論

山西中南部鐵路通道重車方向?yàn)閰瘟褐寥照?，空車方向?yàn)槿照罩羺瘟?。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?yàn)樯掀拢蚨髾C(jī)車具有較大的起動(dòng)牽引力。在空重車方向均有重車流的重載鐵路縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮限制坡度對(duì) 2個(gè)方向行車的影響。采用新型 30 t 軸重機(jī)車單機(jī)或雙機(jī)牽引時(shí)，最大限制坡度不宜大于 9‰，以便為日常運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造良好條件。此外，重載列車運(yùn)行過(guò)程中，在6‰ 及其以上坡度的上坡區(qū)段應(yīng)盡量避免坡道停車，以防止重載列車停留在長(zhǎng)大坡道上無(wú)法起動(dòng)。

3 重載鐵路試驗(yàn)對(duì)技術(shù)站到發(fā)線設(shè)計(jì)的啟示

3.1 到發(fā)線有效長(zhǎng)的確定

技術(shù)作業(yè)站的到發(fā)線有效長(zhǎng)應(yīng)滿足其接發(fā)的集結(jié)重載列車長(zhǎng)度的要求。

（1）12 000 t 重載列車。滿足接發(fā) 12 000 t 重載列車需要的到發(fā)線有效長(zhǎng)應(yīng)包括重載列車長(zhǎng)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(yùn)煤專用敞車 (長(zhǎng) 13.6 m)，編組 100 輛；機(jī)車采用 2 臺(tái) 30 t 軸重機(jī)車 (長(zhǎng) 35.24 m)，重載列車全長(zhǎng)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(duì)于重載鐵路過(guò)小，安全難以保證，因而安全距離取重載列車車長(zhǎng)的 10% 計(jì)算[6]，即 1 430 × 10% = 143 m。故滿足接發(fā) 12 000 t 重載列車需要的到發(fā)線有效長(zhǎng)應(yīng)為 1 573 m。

（2）10 000 t 重載列車。10 000 t 重載列車編組84 輛，機(jī)車 2 臺(tái)，安全距離取車長(zhǎng)的 10%，則到發(fā)線有效長(zhǎng)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(jī)車 2 臺(tái)，安全距離取車長(zhǎng)的 10%，則到發(fā)線有效長(zhǎng)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(jī)車 1 臺(tái)，安全距離取 30 m，則到發(fā)線有效長(zhǎng)為(13.6 × 42 + 35.24)＋ 30 = 636 m。

試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)各車站到發(fā)線有效長(zhǎng)為 1 700 m，滿足接發(fā) 12 000 t 重載列車的條件。

3.2 到發(fā)線腰岔設(shè)置

開(kāi)行組合式重載列車時(shí)，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(jìn)行組合，運(yùn)行至終到站或前方技術(shù)站再進(jìn)行分解作業(yè)。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(dá)，摘走本務(wù)機(jī)車，進(jìn)行車列技術(shù)檢查作業(yè)；該到發(fā)線接入第 2 列 5 000 t 重載列車，停于腰岔和信號(hào)機(jī)前，并由腰岔處摘走本務(wù)機(jī)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(yè)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(yè)效率，可以在到發(fā)線中部設(shè)置腰岔。腰岔主要是為了滿足機(jī)車換掛作業(yè)時(shí)出入到發(fā)線而設(shè)置，采用 9 號(hào)道岔[8]，其警沖標(biāo)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(shè)置信號(hào)機(jī)，距道岔始端距離按 5 m 計(jì)算[8]，則警沖標(biāo)至信號(hào)機(jī)距離總計(jì) 57.84 m。腰岔的設(shè)置數(shù)量應(yīng)由組合 (或分解) 重載列車的牽引質(zhì)量、牽引方式及重載列車長(zhǎng)度等因素決定。5 000 t 重載列車組合成 10 000 t 重載列車應(yīng)在到發(fā)線中部設(shè)置1 處腰岔；如需組合成 20 000 t 重載列車時(shí)，還可以增加腰岔數(shù)量，而且咽喉區(qū)道岔至腰岔及腰岔與腰岔之間的距離應(yīng)滿足接發(fā)單元重載列車的需要。

3.3 到發(fā)線設(shè)計(jì)的原則

重載鐵路到發(fā)線設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)考慮其有效長(zhǎng)是否滿足集結(jié)重載列車長(zhǎng)度的要求；但到發(fā)線設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，如未設(shè)置腰岔，則機(jī)車需在車站咽喉區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)線作業(yè)，走行距離過(guò)長(zhǎng)，影響重載列車在車站的各項(xiàng)技術(shù)作業(yè)效率。同時(shí)到發(fā)線長(zhǎng)度決定車站站坪長(zhǎng)度，到發(fā)線過(guò)長(zhǎng)，在坡度較大地段會(huì)導(dǎo)致線路展長(zhǎng)，在坡度較緩地段會(huì)增加土石方數(shù)量[9]，增大建設(shè)成本。在站場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，有必要根據(jù)重載列車的牽引方式、牽引質(zhì)量、列車長(zhǎng)度來(lái)設(shè)置腰岔。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)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(yùn)營(yíng)，重載車輛的每延米載重量增加，同樣牽引質(zhì)量的重載列車長(zhǎng)度更??；重載機(jī)車的牽引和制動(dòng)性能也更出色，可以有效緩解長(zhǎng)大重載列車受既有站線長(zhǎng)度、機(jī)車性能制約等問(wèn)題，從而大幅度提高運(yùn)輸能力。山西中南部鐵路通道重載運(yùn)輸試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著我國(guó) 30 t 軸重重載技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，顯示我國(guó)鐵路重載列車技術(shù)達(dá)到質(zhì)的飛越，是我國(guó)鐵路重載技術(shù)創(chuàng)新的重大突破。在今后的重載運(yùn)輸試驗(yàn)中，還可以對(duì)重載列車追蹤間隔時(shí)間、站內(nèi)流線疏解、重載列車應(yīng)急救援等內(nèi)容做進(jìn)一步研究，完善重載鐵路運(yùn)輸試驗(yàn)體系。

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責(zé)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(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(Z2014-033)