山西中南部通道重载列车运输试验及对线路设计的启示

王宇嘉，徐利民，贾永刚，花 伟，魏 然

（中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081）

山西中南部通道重载列车运输试验及对线路设计的启示

王宇嘉，徐利民，贾永刚，花 伟，魏 然

（中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081）

利用山西中南部铁路通道重载运输试验数据，分析各牵引质量下重载列车的进站速度、停车位置及重载列车区间运行情况，确定30t轴重重载列车各工况下适宜的牵引质量；分析并判断重载列车在长大坡道的牵引制动性能。通过分析，提出30t轴重重载线路纵断面设计时，最大限制坡度不宜大于9‰；在开行万吨组合重载列车时，可以通过在到发线增设腰岔的方式，减少机车转线作业时间。

30t轴重；重载铁路；牵引质量；坡道起动；运输试验

1 山西中南部通道重载列车牵引质量试验

山西中南部铁路 (兴县—日照港) 是一条新建的万吨级重载煤炭运输通道，是我国首条运行 30 t 大轴重万吨重载列车的铁路，较目前广泛使用的 27 t 轴重重载列车运输能力有很大提高。线路全长约 1 267.3 km，按Ⅰ级重载铁路标准建设，为双线电气化、自动闭塞客货混行线路。为使线路输送能力达到设计目标，需要通过试验验证 30 t 轴重重载列车运输能力，为 30 t 轴重重载列车运行及车站作业组织提供运营前的技术支持及参考。试验区段为长子南站—平顺站，正线长度 91.8 km，区段内包含长子南、壶关、平顺 3 个车站，有长度 33.3 km 的连续上坡道 (下行方向)，最大坡度 6‰，其中包含一段长 400 m 的11‰下坡道和长 1 300 m 的 13‰ 下坡道[1]。

1.1 重载列车牵引质量理论值

重载列车牵引质量主要由机车的类型、功率、牵引特性及线路的限制坡度等决定。目前我国 30 t 轴重电力机车 HXD1F、HXD2F装机功率均为 9 600 kW。

牵引运行时，在长大上坡区段重载列车运行速度可能会逐步下降，通常要求重载列车最低运行速度应不低于机车的持续速度，或者不能长时间低于机车持续速度 (HXD1F/HXD2F持续速度为 50 km/h)；在长大下坡道上，重载列车运行速度应控制在制动能力能够满足重载列车安全运行的范围内，并满足空气制动与电制动交互运用时为制动机充风的要求。

设机车牵引质量为 G，其计算公式为[2]

式中：Fj为机车计算牵引力，kN；r 为机车牵引力利用系数，一般取 0.9～1.0，此处取 0.9；p 为机车计算质量，t；为机车单位基本阻力，N/kN；为车辆单位基本阻力，N/kN；i限为限制坡度，‰；g 为重力加速度，取 9.8 N/kg。

试验机车持续速度条件下牵引重载列车质量理论计算值如表 1 所示。

1.2 重载列车牵引质量试验数据分析

（1）重载列车牵引运行。通过重载列车牵引运行试验，得出重载列车在不同工况下的运行速度，30 t轴重重载列车运行试验数据如表 2 所示。

表 1 试验机车持续速度条件下牵引重载列车质量理论计算值

实际试验的机车牵引能力略大于理论计算值，如利用 HXD2F机车单机牵引 5 000 t (42 辆) 重载列车在11‰～13‰ 的上坡道运行，运行速度持续下降，最低为 45.5 km/h；而在 6‰ 的上坡道运行，运行速度能够缓慢上升，理论分析数据与试验数据基本吻合。

（2）重载列车进站停车。不同重载列车牵引质量及限速条件下，平顺站重载列车进站速度与停车位置试验数据如表 3 所示。

车站到发线连接道岔一般采用18号单开道岔，侧向通过允许速度不大于 80 km/h[3]，平顺站重载列车进站 (过岔)速度最高 52 km/h，实测过岔速度在安全范围之内。

1.3 重载列车牵引质量试验结论

试验中，不同区间限速条件下的重载列车停车位置均在到发线有效长范围之内，重载列车进站停车控制有效，在进站前线路存在长大上坡道的条件下，能够实现安全停车。通过试验可得出以下结论。

限制坡度6‰的线路上，30 t轴重机车(HXD1F/ HXD2F)单机牵引8 000 t/双机牵引12 000 t时，重载列车运行速度、进站速度均在安全范围内，运行良好，能够实现安全进站停车；限制坡度13‰的线路上，30 t轴重机车(HXD1F/HXD2F)单机牵引5 000 t时重载列车运行速度较低(平均57.7 km/h)，能实现安全进站停车；双机牵引 10 000 t 时运行良好，能够实现安全进站停车；双机牵引 12 000 t 时能实现安全进站停车，但重载列车运行速度偏低 (平均 49.4 km/h)。

表 2 30 t 轴重重载列车运行试验数据

表 3 平顺站重载列车进站速度与停车位置试验数据

山西中南部铁路通道限制坡度较大，最大达到13‰，对机车牵引制动性能要求较高。采用功率为9 600 kW 的新型 30 t 轴重机车牵引时，在限制坡度较大且不超过 13‰ 的重载线路上运行，单机牵引质量不宜大于 5 000 t，双机牵引质量不宜大于 10 000 t；在限制坡度不超过 6‰ 的重载铁路上，单机牵引质量不宜大于 8 000 t，双机牵引质量不宜大于 12 000 t。在实际操纵中，可以充分利用重载列车动能闯坡[4]方式，实现较高运行速度。

2 重载列车坡道起动试验

2.1 重载列车坡道起动的理论分析

有坡度时，机车的起动牵引力应该大于机车和车辆所受的阻力与整列车所受的坡道阻力之和[2]，即

取 r ＝ 0.9，根据以上公式得到的坡度与单机最大起动质量、最大起动车辆数关系表如表 4 所示。

表 4 坡度与单机最大起动质量、车辆数关系表

按照计算结果，取机车牵引力利用系数 r ＝ 0.9时，在 6‰ 的坡道上，30 t 轴重机车单机最大起动车辆数为 71 辆，最大起动质量为 8 565.41 t；当坡度达到 13‰ 时，30 t 轴重机车单机最大起动车辆数为 40辆，最大起动质量为 4 846.75 t。

如果采用 30 t 轴重机车单机牵引的方式，按照重载列车在坡道停车后应能起动的原则进行判定， 在限制坡度 6‰ 的线路上具有起动和牵引 8 500 t 重载列车质量的能力；在限制坡度 13‰ 的线路上具有起动和牵引 4 800 t 重载列车质量的能力。

2.2 重载列车坡道起动试验数据分析

坡道起动试验的机车型号包括 HXD1F、HXD2F。采用不同的机车在 6‰、11‰、13‰ 的坡道上分别进行坡道起动试验，测试不同机车、不同牵引质量及不同坡度的重载列车起动情况。30 t 轴重重载列车坡道起动试验数据如表 5 所示。

表 5 30 t 轴重重载列车坡道起动试验数据

将试验数据与表 4 中理论计算值比较可见，理论分析结论与试验数据基本吻合。综合实验数据，可以得到坡道起动的基本结论。

（1）30 t 轴重机车 (HXD1F/HXD2F) 单机牵引 5 000 t，可在 11‰～13‰ 坡道上起动；

（2）30 t 轴重机车 (HXD1F/HXD2F) 双机牵引12 000 t，可在 6‰ 坡道上起动。

2.3 重载列车坡道起动试验结论

山西中南部铁路通道重车方向为吕梁至日照，空车方向为日照至吕梁。与同为重载铁路的大秦铁路 (大同—秦皇岛) 不同，其空车方向也有一定的重车流。13‰ 的限制坡度在空车方向为上坡，因而要求机车具有较大的起动牵引力。在空重车方向均有重车流的重载铁路纵断面设计时，应充分考虑限制坡度对 2个方向行车的影响。采用新型 30 t 轴重机车单机或双机牵引时，最大限制坡度不宜大于 9‰，以便为日常运营创造良好条件。此外，重载列车运行过程中，在6‰ 及其以上坡度的上坡区段应尽量避免坡道停车，以防止重载列车停留在长大坡道上无法起动。

3 重载铁路试验对技术站到发线设计的启示

3.1 到发线有效长的确定

技术作业站的到发线有效长应满足其接发的集结重载列车长度的要求。

（1）12 000 t 重载列车。满足接发 12 000 t 重载列车需要的到发线有效长应包括重载列车长和安全距离 2 部分。12 000 t 重载列车的车辆采用 30 t 轴重运煤专用敞车 (长 13.6 m)，编组 100 辆；机车采用 2 台 30 t 轴重机车 (长 35.24 m)，重载列车全长为13.6 × 100 + 35.24 × 2 = 1 430 m。普通铁路附加 30 m的安全距离[5]对于重载铁路过小，安全难以保证，因而安全距离取重载列车车长的 10% 计算[6]，即 1 430 × 10% = 143 m。故满足接发 12 000 t 重载列车需要的到发线有效长应为 1 573 m。

（2）10 000 t 重载列车。10 000 t 重载列车编组84 辆，机车 2 台，安全距离取车长的 10%，则到发线有效长为 (13.6 × 84 + 35.24 × 2) × 1.1 = 1 334 m。

（3）8 000 t重载列车。8 000 t 重载列车编组 67辆，机车 2 台，安全距离取车长的 10%，则到发线有效长为 (13.6 × 67 + 35.24 × 2) × 1.1 = 1 080 m。

（4）5 000 t 重载列车。5 000 t 重载列车编组 42辆，机车 1 台，安全距离取 30 m，则到发线有效长为(13.6 × 42 + 35.24)＋ 30 = 636 m。

试验区段内各车站到发线有效长为 1 700 m，满足接发 12 000 t 重载列车的条件。

3.2 到发线腰岔设置

开行组合式重载列车时，需要将 2 列或 2 列以上普通重载列车或单元式重载列车首尾相接，进行组合，运行至终到站或前方技术站再进行分解作业。以 2 列 5 000 t 重载列车组合为 10 000 t 重载列车为例：第 1 列 5 000 t 重载列车到达，摘走本务机车，进行车列技术检查作业；该到发线接入第 2 列 5 000 t 重载列车，停于腰岔和信号机前，并由腰岔处摘走本务机车；连接 2 组车列，组成 10 000 t 重载列车。12 000 t重载列车的作业程序与此相似[7]。

为了提高重载列车在车站的组合分解作业效率，可以在到发线中部设置腰岔。腰岔主要是为了满足机车换挂作业时出入到发线而设置，采用 9 号道岔[8]，其警冲标至岔心距离 39 m，岔心至道岔始端距离13.84 m，道岔始端前设置信号机，距道岔始端距离按 5 m 计算[8]，则警冲标至信号机距离总计 57.84 m。腰岔的设置数量应由组合 (或分解) 重载列车的牵引质量、牵引方式及重载列车长度等因素决定。5 000 t 重载列车组合成 10 000 t 重载列车应在到发线中部设置1 处腰岔；如需组合成 20 000 t 重载列车时，还可以增加腰岔数量，而且咽喉区道岔至腰岔及腰岔与腰岔之间的距离应满足接发单元重载列车的需要。

3.3 到发线设计的原则

重载铁路到发线设计时，首先应考虑其有效长是否满足集结重载列车长度的要求；但到发线设置过长，如未设置腰岔，则机车需在车站咽喉区进行转线作业，走行距离过长，影响重载列车在车站的各项技术作业效率。同时到发线长度决定车站站坪长度，到发线过长，在坡度较大地段会导致线路展长，在坡度较缓地段会增加土石方数量[9]，增大建设成本。在站场设计时，有必要根据重载列车的牵引方式、牵引质量、列车长度来设置腰岔。

4 结束语

我国目前普遍采用 27 t 及以下轴重的重载列车，随着 30 t 轴重重载列车投入运营，重载车辆的每延米载重量增加，同样牵引质量的重载列车长度更小；重载机车的牵引和制动性能也更出色，可以有效缓解长大重载列车受既有站线长度、机车性能制约等问题，从而大幅度提高运输能力。山西中南部铁路通道重载运输试验的成功，标志着我国 30 t 轴重重载技术已经发展成熟，显示我国铁路重载列车技术达到质的飞越，是我国铁路重载技术创新的重大突破。在今后的重载运输试验中，还可以对重载列车追踪间隔时间、站内流线疏解、重载列车应急救援等内容做进一步研究，完善重载铁路运输试验体系。

[1]中国铁道科学研究院.山西中南部铁路通道重载综合试验大纲[R].北京：中国铁道科学研究院，2013.

[2]张中央.列车牵引计算[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[3]张超，李海鹰.铁路站场及枢纽[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[4]付昌友，丁学峰.山西中南部铁路壶关至红旗渠段长大坡道缓坡设置研究[J].铁道标准设计，2015，59(1)：11-15.

[5]中国铁路总公司.TG/01—2014中华人民共和国铁路技术管理规程[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[6]铁道第三勘察设计院.关于重载铁路的技术标准编制及其重要技术参数确定的研究[R].天津：铁道第三勘察设计院，1998.

[7]胡显永.重载铁路组合分解技术作业站设计探讨[J].铁道货运，2013，31(9)：13-18.

[8]张东风.山西中南部铁路30t轴重75kg/m钢轨重载道岔设计研究[J].铁道标准设计，2014，58(6)：17-22.

[9]余君领.重载铁路到发线有效长的确定[J].中国水运，2007，5(8)：103-105.

责任编辑：刘 新

1004-2024(2015)10-0027-05

：U296；U239.4

：B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2015.10.07

2015-09-22

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(Z2014-033)