环行铁道试验基地重载试验线平纵断面设计关键参数研究

闫晓春

（中国铁道科学研究院 国家铁道试验中心，北京 100015）

环行铁道试验基地重载试验线平纵断面设计关键参数研究

闫晓春

（中国铁道科学研究院 国家铁道试验中心，北京 100015）

依托中国铁道科学研究院环行铁道试验基地建设重载试验线，对我国重载铁路的科技创新具有重大意义，但现行的《铁路线路设计规范》并不能完全适应重载试验线的设计需求。结合我国重载铁路运营实践情况和建设需求，在参考相关研究的基础上，对重载试验线平纵断面设计的关键参数进行研究分析，提出最小曲线半径、圆曲线和夹直线最小长度、限制坡度、坡度代数差、坡段长度等参数的合理取值与原则，为重载试验线平纵断面设计提供参考。

重载试验线；平纵断面；设计参数；曲线半径；限制坡度；坡度代数差

0 引言

重载运输已被国际公认为铁路货运发展方向，成为世界铁路重要的发展趋势。我国铁路自20世纪80年代起就把运量大、效率高、能耗低的重载运输作为铁路货物运输的发展方向，逐步开始针对重载运输技术开展研究与建设。近年来，我国相继建设的山西中南部、蒙西至华中地区铁路运煤通道，设计初期即开行轴重30 t的万吨重载列车[1]。随着我国铁路重载运输的快速发展，采用新技术、新装备实现低成本、高效率的重载运输已成为铁路科技行业的重点研究方向。如何缩短新技术、新装备从研发到应用的周期已成为制约重载运输发展的瓶颈。因此，依托中国铁道科学研究院环行试验基地建设重载试验线，用于新技术、新装备的综合系统试验、检测和调试，具有重要意义[2]。

1 研究目的

根据试验需要，重载试验线设计货物列车车辆最大轴重为350 kN，最高速度为80 km/h。为最大限度模拟我国实际运营线路工况，开展重载车辆导向性能、曲线轮轨相互作用、钢轨磨耗及轨道部件伤损等科学研究，重载试验线平面需设置不同半径的曲线、反向曲线和一定长度的直线段；纵断面需设置多种线路坡度。目前，我国重载铁路设计标准正在制定中，现行的《铁路线路设计规范》主要针对客货共线列车[3]，不能完全适应重载试验线的设计需求。为此，结合我国既有重载线路运营情况、重载试验线建设需求和环行铁道试验基地地形条件，参考《铁路线路设计规范》，重点针对重载试验线最小曲线半径、圆曲线和夹直线最小长度、限制坡度、坡度代数差和坡段长度等对工程技术经济指标和试验功能影响较大的平纵断面关键参数进行研究，提出合理取值原则，为重载试验线平纵断面设计提供参考依据。

2 线路平面参数

2.1 最小曲线半径

根据重载试验线试验功能需求，尽可能设置小半径曲线以开展重载车辆导向性能、曲线轮轨相互作用、钢轨磨耗及轨道部件伤损研究。为此，参照《铁路线路设计规范》，根据分析满足最高行车速度、内外轨均磨和列车抗倾覆安全系数3个要求来确定重载试验线最小曲线半径[4]。

2.1.1 满足行车速度要求

假定曲线设置最大超高，且列车以设计最高行车速度通过曲线时所产生的欠超高不大于允许值。满足最高行车速度要求的最小曲线半径应满足：

式中：Rh为满足最高行车速度要求的曲线半径，m；vmax为最高行车速度，km/h；hmax为曲线最大超高，mm；hqy为曲线欠超高允许值，mm。

按照相关规范规定，曲线外轨最大超高取150 mm，曲线欠超高容许值取70 mm（一般）和90 mm（困难）[5]。由式（1）计算得出满足最高行车速度要求的最小曲线半径为344 m（一般）和315 m（困难）。

2.1.2 满足内外轨均磨要求

满足内外轨均磨要求的曲线半径应满足：

式中：Rj为满足内外轨均磨条件的曲线半径，m；vj为均方根速度，参考《铁路线路设计规范》，取50 km/h[3]；hgy为过超高容许值，mm。

过超高容许值取30 mm（一般）和50 mm（困难），由式（2）计算得到满足内外轨均磨条件的最小曲线半径为460 m（一般）和329 m（困难）。

研究表明，随着货运密度和轴重的不断提高，小半径曲线外股钢轨侧磨速率明显加快，曲线内轨压溃严重[6]。在设计轴重350 kN和最高速度80 km/h条件下，采用动力学方法进行分析，研究表明磨耗指数随曲线半径增大而减小（见图1）。因此，结合养护维修和运营成本等因素，设计货物列车车辆轴重为350 kN的重载试验线不宜采用较小半径曲线。

图1 磨耗指数与曲线半径的关系

2.1.3 满足列车抗倾覆安全系数要求

我国对列车在曲线上运行时的抗倾覆安全系数没有明确规定，参考相关研究资料[7]，取为3。保证运行在曲线上的列车具有一定抗倾覆安全系数的最小曲线半径应满足：

式中：Ra为满足抗倾覆安全系数要求的最小曲线半径，m；n为抗倾覆安全系数；v为设计行车速度，km/h；h为曲线超高，mm；S为内外股钢轨中心线距离，取1 500 mm；a为车辆重心高度，mm；hf为风力当量超高，mm；hz为车辆横向振动当量超高，mm。

参照中国铁道科学研究院《时速160 km铁路曲线最大允许超高的研究》和《车辆静态临界倾覆超高试验报告》中的试验数据限值，由式（3）计算得到满足列车抗倾覆安全系数要求的最小曲线半径为340 m。

2.1.4 小结

综合上述3个方面计算分析，充分考虑重载试验线拟建于京沈客专动车运用所和环行铁道试验基地既有环线的夹心地内（最大可用宽度约为140 m、最小可用宽度约为35 m），受地形条件的限制，建议重载试验线最小曲线半径不小于500 m。

2.2 圆曲线和夹直线最小长度

确定圆曲线和夹直线长度的分析理论和计算方法在力学上并无太大差别，通常将二者合并统一确定[3]。根据我国既有重载线路设计情况和运营维护情况，考虑从满足行车安全和线路养护维修两方面来确定圆曲线和夹直线最小长度。

2.2.1 行车安全

（1）列车运行安全要求。

为减少车辆摇晃，保持列车运行的平稳性和安全性，圆曲线和夹直线长度不应小于2~3节车辆长度[3]。目前，我国铁路主要的货运车辆为C70、C80型货车，车辆长度分别为13.976 m、12.000 m，齐齐哈尔轨道装备公司研制的30 t轴重C96型货车长度为13.600 m。相关研究表明：在远期到发线长度和编组能力满足开行万吨重载单元式列车的条件下，通用敞车长度不应大于14 m[8]。因此，圆曲线和夹直线长度应为28~42 m。

（2）列车振动要求。

车辆通过圆曲线或夹直线两端的缓和曲线时（见图2），为避免车辆后轴在缓和曲线终点（即缓直点或缓圆点）产生的振动与车辆前轴在另一缓和曲线起点（即直缓点或圆缓点）产生的振动相叠加，圆曲线或夹直线长度Lj应满足：

式中：Lj为圆曲线或夹直线长度，m；n为振动消失所经历的振动周期数，次；T为车辆振动周期，s；vmax为线路设计最高速度，km/h；Lq为车辆全轴距，m。

图2 车辆通过圆曲线或夹直线两端缓和曲线的示意图

考虑到车辆并非刚体，可不考虑车辆全轴距的影响，即取Lq=0。n、T值与车辆构造及弹簧装置性能有关，通常将n、T及系数3.6一并考虑[3]，取一个具有时间量纲的量τ，τ=nT/3.6，则式（4）可改写为Lj≥τvmax。参考《铁路线路设计规范》，τ取0.6，因此计算圆曲线或夹直线最小长度为48 m。

2.2.2 线路养护维修

我国重载铁路大部分区段位于山区，线路长时间承受列车荷载作用，且外界条件比较复杂，导致铁路线路的轨道几何尺寸、轨道部件状态等出现各种不同程度的磨耗、伤损、变形甚至破坏。为减少因线路线型导致的线路病害，在铁路线路设计时，应最大限度保持线型的连续性，减少线型变化。

为满足线路养护要求，保持曲线圆顺和线路几何尺寸的稳定性，减小养护维修工作量，圆曲线上至少应有2个正矢点，以便绳正曲线，因此圆曲线不应小于20 m。目前，干线铁路大都采用25 m标准长度钢轨，为正确保持线路直线段的方向和线路的稳定性，夹直线长度不宜短于2~3节钢轨，因此夹直线长度不宜短于50~75 m。

综上所述，考虑试验线路布局、现场地形条件，建议重载试验线圆曲线和夹直线最小长度为50 m。

3 线路纵断面参数

3.1 限制坡度

参照《铁路线路设计规范》，重载试验线限制坡度拟根据试验需求、牵引种类和牵引机车等因素确定。

我国大轴重重载铁路，例如大秦铁路、朔黄铁路、山西中南部煤运铁路、蒙西至华中地区煤运铁路等，大部分位于山区。重载试验线作为我国重载运输方面的科技创新平台，应最大限度模拟运营干线的最不利工况。我国大秦铁路重车方向限制坡度为4‰，空车方向限制坡度为12‰，部分铁路采用6‰/13‰的组合[4]。

重载试验线采用电力牵引方式，以机车的计算速度做等速运行为前提，确定限制坡度。单机牵引的限制坡度应满足：

式中：Fj为机车计算牵引力，N；λy为机车牵引力使用系数，取1.0；P为机车计算质量，t；ω0'为计算速度下的机车单位基本阻力，N/t；ω0"为计算速度下的重货车单位基本阻力，N/t；g为重力加速度，9.8 m/s2；G为牵引质量，t。

重载试验线拟用HXD2B型电力机车，最大牵引力为584 kN，机车计算质量150 t；牵引车辆拟用C80型货车，车辆自质量20 t。试验基地站场到发线有效长为650 m，牵引质量选取5 000 t。不同计算速度下的机车、重货车单位基本阻力见表1。不同计算速度条件下，HXD2B单机牵引5 000 t限制坡度见表2。

表1 不同计算速度下的机车、重货车单位基本阻力[8]kg/t

表2 HXD2B单机牵引5 000 t限制坡度 ‰

为能最大限度模拟实际运营工况，建议重载试验线纵断面限制坡度重车方向为6‰，空车方向为13‰。

一般来说，大轴重万吨列车采用双机牵引[4]，两台机车类型一般相同[9]。双机牵引的限制坡度应满足：

式中：λ为第二台机车牵引力使用系数，取0.98[9]。

不同计算速度下，HXD2B双机牵引10 000 t限制坡度见表3。从表中数据可以分析得出，重载试验线重车方向限制坡度为6‰，空车方向限制坡度为13‰，可满足远期万吨试验列车以最高设计速度运行的试验需要。

表3 HXD2B双机牵引10 000 t限制坡度 ‰

3.2 坡度代数差

相邻坡段的坡度代数差，是以保证列车车钩不断为标准进行研究和制定的。常用制动转缓解时的最不利断面为上凸断面，紧急制动时最不利断面为下凹断面[10]。根据列车通过变坡点时产生的纵向力不大于车钩强度，即保证列车不断钩这一要求，计算常用制动转缓解和紧急制动所引起的纵向冲击力和车钩力。

相关研究表明，基于大秦线2万t列车重车车钩荷载谱，17号车钩能够满足《关于印发C80型系列敞车大修技术条件（暂行）的通知》中规定“车钩钩体120万km、钩舌100万km”的疲劳强度要求[11]。因此，在研究相邻坡度代数差和坡段长度时，只以车钩的容许强度作为标准限值，不再考虑车钩疲劳强度影响。

纵向力计算条件：列车编组为HXD2B单机牵引50辆C80型货车，牵引总质量为5 000 t；HXD2B双机牵引100辆C80型货车，牵引总质量为10 000 t。进行纵向动力学计算分析的设置条件为：列车紧急制动初始速度为80 km/h，常用制动转缓解的初始速度为40 km/h。计算中采用的车钩为17号连锁式固定车钩、MT-2型缓冲器，该型车钩容许强度可达2 250 kN[12]。

重载试验线重车方向限制坡度为6‰，因此最不利坡度代数差为12‰。为分析列车通过变坡点时纵向受力的安全性，采用列车离散质量系数模型，针对单机牵引5 000 t编组列车和双机牵引10 000 t编组列车在图3所示的上下坡道均为6‰、坡度代数差为12‰的最不利坡段组合上运行，进行纵向动力学仿真计算分析。在常用制动转缓解和紧急制动2种工况下，5 000 t编组和10 000 t编组的列车车钩力计算结果见图4、图5。

图3 最不利坡段组合示意图

计算结果表明：5 000 t列车最大车钩拉力为1 183 kN，最大车钩压力为1 214 kN；10 000 t列车最大车钩拉力为1 611 kN，最大车钩压力为1 747 kN。在最大坡度代数差为12‰的条件下，仿真计算的车钩力远小于车钩的容许强度。此外，结合大秦重载试验测试结果，最大坡度代数差为12‰时，2万t组合列车最大车钩力为1 774 kN[13]。

综上所述，建议重载试验线坡度代数差不大于12‰。

图4 5 000 t编组列车车钩力计算结果

图5 10 000 t编组列车车钩力计算结果

3.3 坡段长度

最小坡段长度主要取决于车钩强度所允许的列车纵向力，即满足不断钩的安全要求[3]。同样，选取坡度为6‰、坡度代数差为12‰的最不利条件，设置不同长度的分坡平段，通过仿真计算不同坡段长度对列车车钩力的影响，计算结果见表4。

计算结果表明，在最大坡度代数差12‰的条件下，车钩力满足车钩容许强度限值的要求，设置分坡平段可以缓解列车的纵向作用。

综上分析，重载试验线坡段长度建议采用《铁路线路设计规范》的规定：纵断面宜设计为较长的坡段，最小坡段长度一般不应小于400 m；凸形纵断面顶部为缓和坡度差而设置的坡段长度不应小于200 m；困难条件下，因坡度减缓或折减而形成的坡段、长路堑内为排水而设置的人字坡坡段长度均可减至200 m。

表4 不同工况下设置不同分坡平段的最大车钩力

4 结论

结合我国既有重载线路运营维护情况和重载试验线建设需求，对重载试验线平纵断面设计关键参数进行分析，提出最小曲线半径、圆曲线和夹直线最小长度、限制坡度、坡度代数差和坡段长度等参数的合理取值原则与建议值，即最小曲线半径为500 m，圆曲线和夹直线最小长度为50 m，重车方向限制坡度为6‰，空车方向限制坡度为13‰，坡度代数差不大于12‰，坡段长度宜采用《铁路线路设计规范》中的相关规定。

[1] 边立虎. 蒙西至华中地区铁路煤运通道选线思路探析[J]. 铁道标准设计，2014(9)：23-27.

[2] 闫晓春，张金月，晋杰. 环行试验基地重载试验线建设的研究[J]. 铁道建筑，2008(12)：93-95.

[3] GB 50090—2006 铁路线路设计规范[S].

[4] 龙许友，时瑾，王英杰. 重载铁路线路平纵断面关键参数研究[J]. 铁道工程学报，2016(1)：30-35.

[5] TB 10082—2005 铁路轨道设计规范[S].

[6] 李伟，马战国，司道林. 重载铁路曲线几何参数对钢轨磨耗影响的研究[J]. 铁道建筑，2013(6)：130-134.

[7] 肖彦军，李琴. 200 km/h电动旅客列车组环行线及广深线试验研究报告[R]. 北京：中国铁道科学研究院，2000.

[8] 张进德. 我国铁路货车技术发展趋势[J]. 铁道车辆，2003(4)：1-6.

[9] 孟宪洪. 重载铁路小半径曲线钢轨减磨措施试验研究[J]. 中国铁路，2013(5)：37-41.

[10] 钟晓军. 大功率货运电力机车牵引重载列车方案计算分析[J]. 铁道机车车辆，2013(12)：61-68.

[11] 于兆华. 17号车钩、钩尾框疲劳寿命及可靠性分析[D]. 北京：北京交通大学，2009.

[12] 牛国新，王自力. 货运列车通过变坡点时纵向性能研究[J]. 铁道机车车辆，2010(5)：47-48.

[13] 王磊. 大秦线3万t重载组合列车仿真及试验验证[D].北京：中国铁道科学研究院，2015.

责任编辑 李葳

On Key Design Parameters of Horizontal and Longitudinal Prof les for Heavy Haul Test Line at Loop Test Base of CARS

YAN Xiaochun
（National Railway Track Test Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100015，China）

Construction of a heavy haul test line at the Loop Test Base of China Academy of Railway Sciences is of great signif cance to the scientif c and technological innovation of China's heavy haul railway. The existing Railway Track Design Specifications cannot fully meet the design requirements of the heavy haul test line. This paper analyses key parameters of of horizontal and longitudinal profiles for the test line based on the current situation of operation of and construction requirements on heavy haul railways in China and the relevant studies. It presents reasonable values and principles of setting parameters such as the minimum radius of curve, the minimum length of circular curve and intermediate straight line, the ruling limiting gradient, the algebraic difference between adjacent gradients, the length of gradient, etc. for the reference during design of horizontal and longitudinal prof les of the heavy haul test line.

heavy haul test line；horizontal and longitudinal prof les；design parameters；radius of curve；limiting gradient；algebraic difference between adjacent gradients

U212.34

A

1001-683X（2017）03-0082-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.082

2016-11-05

中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2015YJ136）

闫晓春（1984—），男，工程师，本科。E-mail：yxchmail@163.com