鄧捷航，朱子童，李和壁，張 武

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；3.大秦鐵路股份有限公司 大同工務(wù)段，山西 大同 037005)

0 引言

近年來，我國鐵路貨運量逐年增長，2019—2021年3年年均增長5.47%，2021年達到47.20億t，鐵路貨運品類主要是大宗重質(zhì)貨物，其中煤炭運量占總運量的1/2 以上。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和對環(huán)境保護的重視，鐵路貨運量將會進一步提升，發(fā)展重載運輸是鐵路高效運輸重質(zhì)貨物、提升運輸效率的有效途徑。

大秦鐵路(韓家?guī)X—柳村南)是我國重載鐵路運輸?shù)拇韀1]，從2010 年開始(2016 年除外)，每年運量都在4億t以上，2014年、2018年均達到4.5億t，2021年達到4.2億t，日均開行2萬噸重載列車57.8列，其中最高日開行71列。朔黃鐵路(朔州—黃驊港)是我國西煤東運的第二大通道[2]，2021 年完成運量3.64 億t。浩吉鐵路(浩勒報吉—吉安)[3]、瓦日鐵路(瓦塘—日照南)、呼唐鐵路(唐山—呼和浩特)也都是我國鐵路重載運輸通道，在煤炭運輸方面發(fā)揮著重要作用。

國外重載鐵路技術(shù)水平較高，貨車軸重和牽引質(zhì)量較大[4-5]。南非有東西2條重載鐵路線，東線鐵路為煤炭運輸線，其中COALlink 重載線路列車采用軸重26 t的車輛，編組200輛(長度2.2 km)，牽引質(zhì)量2.08萬t；西線鐵路為礦石運輸線，其中賽申—薩爾達尼亞港的Orex鐵礦石重載單線鐵路，列車采用軸重30 t的車輛，編組342輛(長度4 km)，牽引質(zhì)量4.104 萬t。北美鐵路重載貨車軸重多為29.8～32.43 t，編組一般為135～150輛，牽引質(zhì)量1.75萬～2萬t，由多臺內(nèi)燃機車分布在列車不同位置牽引運行。澳大利亞東部重載鐵路以軸重30 t 貨車為主，主要用于煤炭運輸；西部重載鐵路以鐵礦石運輸為主，貨車軸重主要為37.5 t，部分為40 t，牽引質(zhì)量2.4 萬～3.8 萬t。巴西卡拉齊斯鐵礦石重載鐵路貨車最大軸重32.5 t，列車編組330輛，采用3臺或4臺機車牽引，牽引質(zhì)量4.3萬t；米納斯重載鐵路貨車最大軸重27.5 t，列車編組為2臺機車牽引168輛貨車，3臺機車牽引252輛貨車，最大牽引質(zhì)量2.5萬t。

為進一步發(fā)展我國鐵路重載運輸，《交通強國建設(shè)綱要》提出要加強新型載運工具研發(fā)，實現(xiàn)3萬噸級重載列車的重大突破[6]；《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》(鐵發(fā)改〔2020〕129 號)提出要研發(fā)3 萬噸級重載列車，提高運輸能力[7]。開行3萬噸重載列車，不僅可以提高重載鐵路運輸效率，還可以緩解施工維修后運輸壓力緊張狀況和需求波動需要密集放行列車的實際需要[8-9]。2014 年，我國在大秦鐵路通道開展3 萬噸重載列車驗證試驗，從線路、列車、機車、司機操作等方面驗證了我國初步具備部分開行3萬噸重載列車的基本條件。

研究結(jié)合運輸作業(yè)過程和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備條件，以大秦鐵路為例，在盡量不進行基礎(chǔ)設(shè)施改造的前提下，分析開行3 萬噸重載列車運輸組織方案，分析我國重載鐵路開行3 萬噸重載列車的可行性，為保障3萬噸重載列車的開行提供技術(shù)支撐。

1 3萬噸重載列車技術(shù)作業(yè)方案

借鑒大秦線2 萬噸重載列車的開行經(jīng)驗[10]，3 萬噸重載列車應(yīng)采用始發(fā)站(組合站)直達卸車站(分解站)、空車返回的循環(huán)運輸組織模式。

1.1 3萬噸重載列車編組形式

目前，大秦鐵路2 萬噸重載列車編組方式為單元萬噸+單元萬噸組合編組，尾部采用可控列尾裝置[9，11]。借鑒2 萬噸重載列車編組方式和3 萬噸重載列車試驗結(jié)果，3 萬噸重載列車采用3 列單元萬噸重載列車組合編組的方式，具體形式可以為HXD1/2 機 車+105 輛C80+HXD1 機 車+105 輛C80+HXD1 機車+105 輛C80+SS4機車，全長3.961 4 km。因此，作為3 萬噸重載列車的始發(fā)站，到發(fā)線有效長需要4 km以上。3萬噸重載列車尾部采用機車替代列尾裝置，可以同步增加牽引能力，加快減壓制動，減少列車緩解時間。

1.2 列車始發(fā)作業(yè)站

目前，2 萬噸重載列車主要在湖東站進行組合始發(fā)作業(yè)，但其到發(fā)線有效長不足4 km。3 萬噸重載列車長度超過3.9 km，其組合始發(fā)作業(yè)應(yīng)該在具有相應(yīng)有效長的到發(fā)線上進行。目前，大秦鐵路始發(fā)端車站到發(fā)線有效長滿足條件的只有北同蒲線(大同站—太原)的袁樹林車站。袁樹林車站示意圖如圖1 所示。該站除2 條正線外，正線兩側(cè)各有2 條到發(fā)線，正線及到發(fā)線有效長均超過6 km，適合3 萬噸重載列車的到發(fā)組合，滿足辦理始發(fā)作業(yè)條件。因此，在不進行站場更新改造的情況下，3 萬噸重載列車的始發(fā)作業(yè)站選擇在袁樹林站，并不停車通過湖東站。

圖1 袁樹林車站示意圖Fig.1 Diagram of Yuanshulin Station

1.3 列車組合作業(yè)

3 萬噸重載列車采用3 列萬噸重載列車組合完成，組合方法采用直接組合法或轉(zhuǎn)線組合法[12]。袁樹林站到發(fā)線被3 組腰岔和進路信號機分割成4 個軌道區(qū)段，每個軌道區(qū)段有效長均可停放1 列萬噸重載列車，這樣組合作業(yè)相對較為簡單。進行3 萬噸重載列車組合作業(yè)時，先將第一列萬噸重載列車接入到發(fā)線出站信號機前停車；接入第二列萬噸重載列車前，車站用列車無線調(diào)度通信設(shè)備通知司機，接入該線路最前方進路信號機前停車；依此相同方法，將第三列萬噸重載列車接入線路前方第二架進路信號機前停車。組合時，車站使用列車無線調(diào)度通信設(shè)備將有關(guān)作業(yè)事宜通知司機，開放第二架進路信號機的調(diào)車信號，在車站調(diào)車人員指揮下組織第三列萬噸重載列車與第二列萬噸重載列車連掛，并連結(jié)軟管；再開放第一架進路信號機的調(diào)車信號，組織連掛好的第三列、第二列列車與第一列萬噸重載列車連掛，再次連結(jié)軟管；最后在列車尾部加掛1臺尾部機車。

列車組合后，列車運行方向的頭部機車為主控機車，2 處中部機車和尾部機車均為從控機車。列車始發(fā)前，車站值班員、主控機車司機和從控機車司機互通機車號；主控機車與從控機車需要建立分布式制動控制(DP)關(guān)系后，進行試風(fēng)(BP)測試及列車管漏泄測試，確認列車管貫通。這些作業(yè)過程及要求與開行2萬噸重載列車基本相同。

1.4 列檢作業(yè)

目前，大秦鐵路重車方向列車的列檢工作均在湖東站進行，但湖東站到發(fā)線有效長不足，不能停放3 萬噸重載列車，袁樹林站也不具備列檢條件。依據(jù)鐵路貨車運用維修規(guī)程[13]，列檢作業(yè)安全保證距離原則上應(yīng)為1 000 km左右，為盡可能減少基礎(chǔ)設(shè)施的更新改造，3 萬噸重載列車的列檢工作安排在卸車端，即在3 萬噸重載列車卸空后，在柳村南進行列檢，之后空車返回始發(fā)端相關(guān)車站。

1.5 司機換班

正常情況下，大秦鐵路2 萬噸重載列車司機在湖東站、茶塢站換班，但這2 個車站均不具備3 萬噸重載列車停車條件。因此，司機可按雙班配備，備班司機在機車上休息。司機換班需要停車重新輸入列車運行監(jiān)控裝置(LKJ)數(shù)據(jù)，停車換班地點應(yīng)選擇途中具備3 萬噸重載列車?？康牡桨l(fā)線進行。目前大秦線北辛堡站、玉田北站均有到發(fā)線有效長滿足3 萬噸重載列車?？恳螅宜幬恢煤线m，滿足司機有效駕駛時間要求，因此司機換班可選擇在北辛堡站或玉田北站進行。

1.6 終到站列車分解作業(yè)

在大秦鐵路疏運端，沒有車站到發(fā)線能滿足3 萬噸重載列車整列停放的長度要求，列車停放和分解必須占用區(qū)間。因此，選擇港前站作為3 萬噸重載列車的終到站(分界站)，分解方案如下。在分解站出站信號機后2.66 km(第一、第二列萬噸重載列車長度+30 m 安全距離)左右的位置設(shè)置“組合3萬噸重載列車分解標(biāo)”，該標(biāo)保證分解后的第3列萬噸重載列車停在到發(fā)線內(nèi)，3 萬噸重載列車接近分解站時，車站值班員開放出站信號機，通知司機在本站辦理分解作業(yè)，列車憑出站信號機顯示的允許運行信號在“組合3 萬噸重載列車分解標(biāo)”前停車。初期，3 萬噸重載列車終到站可選擇柳村南站Ⅰ場，列車停站后，由車站負責(zé)分解作業(yè)，前后2列車需要拉開不少于30 m距離，3組列車都分開且具備發(fā)車條件后，按規(guī)定發(fā)車，逐列牽引至翻車機卸車。3 萬噸重載列車柳村南站Ⅰ場停車分解標(biāo)示意圖如圖2所示。

圖2 3萬噸重載列車柳村南站Ⅰ場停車分解標(biāo)示意圖Fig.2 Signs of parking and disassembly of 30 000-ton heavy-haul train at Yard I of Liucunnan Station

1.7 列車回空運行

鑒于大秦鐵路車站到發(fā)線有效長實際情況，3 萬噸重載列車回空時，不必追求整列回空，可采取2 萬噸或萬噸空列車返回湖東站，再按車流需求分配到各裝車點[10]。返回前空列車在柳村南站Ⅱ場的空車場進行列檢作業(yè)。

2 3萬噸重載列車運輸能力提升

限制重載列車開行和制約重載鐵路運輸能力提升的因素很多，相較2 萬噸重載列車，限制3 萬噸重載列車的主要因素是始發(fā)站的到發(fā)線作業(yè)能力、重車方向運輸能力和牽引供電能力。

2.1 始發(fā)站編發(fā)能力

3萬噸重載列車始發(fā)站為袁樹林站。目前圖定通過旅客列車5對/d(該站不辦理客運業(yè)務(wù))，大同方向通過小列23列/d、通過的單元萬噸重載列車44列/d、始發(fā)的2 萬噸重載列車12 列/d，合計大同方向開行列車數(shù)量84 列/d。由于通過列車都經(jīng)由正線辦理，上行方向12 列2 萬噸重載列車技術(shù)作業(yè)均在4 道、6道辦理。

袁樹林站到發(fā)線均在6 km 以上，通過腰岔和軌道電路分成4 個軌道區(qū)段，并配備進路信號機，每個軌道區(qū)段都具備接納萬噸重載列車的條件，這樣每條到發(fā)線具備接納2 列2 萬噸重載列車條件，并具備直接辦理出發(fā)作業(yè)條件，這對開行2 萬噸重載列車是比較方便的，也就是說2 條到發(fā)線基本可以近似作為4條到發(fā)線使用。

袁樹林站以辦理2 萬噸重載列車為主，充分考慮各項作業(yè)時間冗余，在滿足12列2萬噸重載列車始發(fā)作業(yè)的前提下，粗略檢算2 條到發(fā)線還能辦理多少列3萬噸重載列車的始發(fā)作業(yè)。

根據(jù)列車運行圖技術(shù)資料和袁樹林站《車站行車工作細則》規(guī)定，2 萬噸重載列車由2 列萬噸重載列車組成，先后進入股道約需要45 min，辦理組合和出發(fā)作業(yè)約需要35 min，合計需要80 min[14]。天窗時間180 min，每股道利用系數(shù)取0.8。3 萬噸重載列車考慮由3 列萬噸重載列車組合而成，推算其先后進入股道時間、辦理組合和出發(fā)作業(yè)時間都相應(yīng)延長，假設(shè)3 列萬噸重載列車先后進入股道時間70 min，辦理組合和出發(fā)作業(yè)時間40 min，合計需要110 min。

2萬噸重載列車需要占用1條到發(fā)線的2個軌道區(qū)段，3萬噸重載列車需要占用1條到發(fā)線的3個軌道區(qū)段，因此可以將2 萬噸重載列車安排在4 道作業(yè)，3萬噸重載列車安排在6道作業(yè)。

假設(shè)2 萬噸重載列車占用4 道的第一、二軌道區(qū)段，一晝夜的接發(fā)能力為[(1 440 -180) × 0.8]/80=12.6 ≈12列。同時，4道的第三、四軌道區(qū)段已不具備接發(fā)3 萬噸重載列車的條件，但可以辦理2 萬噸重載列車。第三、四軌道區(qū)段接發(fā)2 萬噸重載列車時，其作業(yè)的有效時間需要減去第一、二軌道區(qū)段每列車通過時占用的時間45 min，則4 道的第三、四軌道區(qū)段一晝夜的接發(fā)能力為[(1 440 -180) ×0.8 -12 × 45]/80=5.85 ≈5 列。因此，4 道接發(fā)2 萬噸重載列車的能力為12+5=17 列，完全滿足現(xiàn)有2萬噸重載列車的開行需求。

6 道接車與4 道接車在相同咽喉區(qū)存在相互干擾，假設(shè)4 道接入列車對6 道的影響時間按每列8 min，6 道一晝夜接發(fā)3 萬噸重載列車的能力為[(1 440 -180) × 0.8 -8 × 2 × 17]/110=6.7 ≈6列。

可見，袁樹林站到發(fā)線具備接發(fā)17列2萬噸重載列車和6列3萬噸重載列車的能力，滿足大同方向辦理6列3萬噸重載列車和12列2萬噸重載列車的需求?？紤]通過的旅客列車、通過的貨物列車，袁樹林站大同方向行車量達到90列，對雙線自動閉塞區(qū)段，區(qū)間通過能力能夠滿足行車列數(shù)的要求。

2.2 牽引供電能力

根據(jù)牽引供電專業(yè)分析，受牽引供電能力限制，開行3 萬噸重載列車，1 個供電臂內(nèi)只能放行1 列3 萬噸和1 列1.5 萬噸或萬噸重載列車，這將限制3 萬噸重載列車前后追蹤運行的列車，即3 萬噸重載列車的前后不應(yīng)該開行2 萬噸重載列車，3 萬噸重載列車也不能緊密追蹤運行。

針對該問題，在牽引供電能力不改造加強的情況下，可在運輸組織上采取措施，即在編制列車運行圖和制定日(班)計劃時，3 萬噸重載列車的前后都只允許開行萬噸重載列車或1.5 萬噸重載列車。在3 萬噸重載列車數(shù)量開行較少的情況下，對區(qū)間通過能力幾乎沒有影響，只是增加運輸組織工作的難度。如果3 萬噸重載列車開行數(shù)量較多，或者區(qū)間通過能力緊張的情況下，需要3 萬噸重載列車與2 萬噸重載列車緊密追蹤運行時，就限制了列車編發(fā)組織的靈活性。特別是設(shè)施設(shè)備施工天窗結(jié)束后，需要組織3萬噸或2萬噸重載列車密集出發(fā)時，就會受到限制，影響線路的運輸能力。

2.3 重車方向運輸能力

在始發(fā)站具備編發(fā)3 萬噸重載列車后，需要檢算重車方向運輸能力。檢算的原則是滿足現(xiàn)有行車量條件下還能開行6列3萬噸重載列車的運輸能力，或者用3 萬噸重載列車替換2 萬噸重載列車后運輸能力能提升多少。

根據(jù)大秦線列車運行圖規(guī)定，2 萬噸重載列車追蹤間隔時間14 min，1.5 萬噸重載列車追蹤間隔時間13 min，萬噸重載列車追蹤間隔時間12 min。由于牽引供電的限制，3 萬噸重載列車追蹤間隔時間取決于3 萬噸與1.5 萬噸重載列車間的發(fā)通間隔時間I發(fā)通，列車發(fā)通間隔示意圖如圖3所示，I發(fā)通計算公式如公式⑴所示。

圖3 列車發(fā)通間隔示意圖Fig.3 Diagram of departure and passing interval of trains

式中：L標(biāo)為1.5 萬噸重載列車停車點(標(biāo))至出站信號機的距離，m；L閉1，L閉2，L閉3，L閉4為閉塞分區(qū)長度，m；L列為1.5萬噸重載列車長度，m；L進站為車站進站信號機至1.5 萬噸重載列車停車點(標(biāo))間的距離，m；v出發(fā)為1.5萬噸重載列車從車站出發(fā)的運行速度，km/h；v通過為3 萬噸重載列車從車站通過的運行速度，km/h；t通過為辦理列車通過作業(yè)時間，min。

根據(jù)湖東站《車站行車工作細則》和3 萬噸與1.5萬噸重載列車間的I發(fā)通列車牽引計算結(jié)果[15]，結(jié)合其他列車的追蹤間隔時間，考慮一定的冗余時間，3萬噸重載列車追蹤間隔時間取14min。

大秦線1 年內(nèi)計劃非施工期有285 d，120 min日常維修天窗期有30 d，180 min 集中修施工天窗期有50 d[7]。貨車載重系數(shù)取0.75。

圖定能力利用率計算如公式⑵所示，運輸能力計算如公式⑶所示。

式中：k為圖定利用率；N為不同類型列車列數(shù)，列；t追蹤為不同類型列車追蹤間隔時間，min。

式中：S為運輸能力，t；G為不同類型列車對應(yīng)的列車牽引質(zhì)量，t；γ為貨車載重系數(shù)，取0.75；T為運輸天數(shù)，d。

大秦鐵路運輸能力檢算結(jié)果如表1 所示。檢算結(jié)果表明，在現(xiàn)行列車運行圖基礎(chǔ)上，開行6列3萬噸重載列車，通過能力偏緊張，這主要是由于湖東站列車出發(fā)追蹤間隔時間較大造成的；同時輸送能力可提高0.49 億t；如果3 萬噸重載列車1∶1 替換2萬噸重載列車，輸送能力可提高0.17億t。

表1 大秦鐵路運輸能力檢算結(jié)果Tab.1 Datong-Qinhuangdao Railway transportation capacity

3 結(jié)束語

研究以大秦鐵路為例，通過適當(dāng)調(diào)整行車組織方案，說明我國重載鐵路具備開行少量3萬噸重載列車的運輸條件。結(jié)合目前的設(shè)施設(shè)備條件，在大秦線集運端選擇到發(fā)線有效長大于4 km的車站作為始發(fā)站，將3 列萬噸重載列車組合成3 萬噸重載列車，配備雙班司機，直達港口分解卸車，卸空后回空列車始發(fā)前進行列檢，采取2萬噸或1萬噸的空列車返回。通過研究，建議重新檢算湖東站重車出發(fā)方向列車間隔時間，提出壓縮出發(fā)間隔時間的措施；采取措施以提高牽引供電能力，滿足重載列車前后任意組合追蹤運行需求；確保上線運營的移動裝備和系統(tǒng)運用狀態(tài)良好，做好故障后的應(yīng)急預(yù)案，避免途中適于?？康能囌旧俣斐奢^大范圍的影響。