我國重載鐵路速度目標(biāo)值探討

趙　斗

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300142)

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我國重載鐵路速度目標(biāo)值探討

趙斗

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300142)

摘要：重載鐵路運輸品類為大宗貨物，其牽引質(zhì)量大、軸重大，重載鐵路速度目標(biāo)值的確定有別于普通貨運鐵路，需要深入探討。從行車組織、路基、橋梁、軌道、供電等方面，對重載鐵路速度目標(biāo)值為80、100、120 km/h時分別進(jìn)行計算和對比，并結(jié)合國內(nèi)外運營實際進(jìn)行分析。對比分析表明，不同速度目標(biāo)值對軌道、路基、橋梁、供電等影響不大，但當(dāng)速度目標(biāo)值大于100 km/h時，機車牽引和制動難以實現(xiàn)，重載貨物列車設(shè)計行車速度等于或小于100 km/h是適宜的。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；速度目標(biāo)值；牽引質(zhì)量；軸重

2005年國際重載運輸協(xié)會(IHHA)對重載鐵路的定義為：重載列車牽引質(zhì)量至少達(dá)到8 000 t，軸重(或計劃軸重)為270 kN及以上，在至少150 km線路區(qū)段上年運量超過40 Mt，3項條件滿足其中2項稱為重載鐵路。重載鐵路運輸品類為大宗貨物，其牽引質(zhì)量高、軸重大，重載鐵路速度目標(biāo)值的確定有別于普通貨運鐵路，需要深入研究探討。下面從行車組織、路基、橋梁、軌道、供電等方面進(jìn)行計算分析，并結(jié)合運營實踐，對重載鐵路速度目標(biāo)值進(jìn)行探討[1]。

1國內(nèi)外運營經(jīng)驗

1.1國外重載鐵路速度目標(biāo)值

據(jù)統(tǒng)計，國外重載鐵路速度目標(biāo)值均在80 km/h以內(nèi)，詳見表1。僅南非于1999年在電氣化鐵路COALink線上進(jìn)行了由6臺機車牽引2.2萬t的重載列車試驗，列車最高速度為88 km/h[2-5]。

1.2國內(nèi)重載鐵路

目前我國既有線HX機車最高速度120 km/h，SS機車最高速度不超過100 km/h。C80系列車輛商業(yè)運營速度100 km/h。大秦線重車最高速度80 km/h，空車90 km/h[6]。

2不同速度目標(biāo)值對工程和運營影響分析

下面考慮重載鐵路速度目標(biāo)值取值分別為80、100、120 km/h時，對行車、路基、橋梁、軌道、供電等方面的影響進(jìn)行計算分析。

2.1行車2.1.1不同速度目標(biāo)值對牽引的影響

采用HXD2型機車牽引10 000 t(108輛C70型車輛，加可控列尾)為例進(jìn)行分析，單機牽引10 000 t時僅能在不大于2.2‰的坡道上達(dá)到80 km/h的速度目標(biāo)值，不大于0.25‰的坡道上達(dá)到100 km/h的速度目標(biāo)值，在平坡上不能達(dá)到120 km/h的速度目標(biāo)值；雙機牽引時可以在不大于6.3‰的坡道上達(dá)到80 km/h的速度目標(biāo)值，不大于3.6‰的坡道上達(dá)到100 km/h的速度目標(biāo)值，在不大于1.8‰的坡道上可達(dá)到120 km/h的速度目標(biāo)值[7]。

表1　國外重載鐵路統(tǒng)計

2.1.2不同速度目標(biāo)值對列車制動的影響

列車的制動距離與機車車輛的性能、列車的編組構(gòu)成、線路的平縱斷面條件及列車的制動初速度等多種因素有關(guān)，本次采用HXD2型機車單機牽引10 000 t(108輛C70型車輛，加可控列尾)為例計算得出在4‰～12‰的坡道上制動初速分別為80、100、120 km/h的制動距離，詳見表2。

表2　HXD2-108輛C70列車緊急制動距離計算　m

根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》263條規(guī)定，貨物列車(貨車軸重≥250 kN)緊急制動距離限值為1 400 m。通過上述計算，重載貨物列車速度120 km/h，各種限制坡度均不能滿足緊急制動距離要求；列車速度100 km/h，限制坡度6‰及以下時，能夠滿足緊急制動距離的要求；列車速度80 km/h，均能夠滿足緊急制動距離的要求[8]。

2.1.3不同速度目標(biāo)值對線路能力的影響

線路的通過能力受線路的正線數(shù)目、平縱斷面條件、閉塞方式、天窗時間、車站咽喉區(qū)的長度、列車的運行速度、信號系統(tǒng)的制式、閉塞分區(qū)的長度、車站的作業(yè)時間等多種因素影響。

(1)單線

單線線路的能力主要受線路閉塞方式、車站距離、列車運行速度、車站的間隔時間、列車的起停附加時分影響。本次分析HXD2牽引108輛C70型車為例，分析站間距分別為10、15和20 km時，計算得出線路坡度在-4‰～4‰采用半自動閉塞類型時不同速度目標(biāo)值對能力的影響值，詳見表3。

表3　單線半自動閉塞不同速度目標(biāo)值能力計算

(2)雙線

雙線線路的通過能力主要與列車的追蹤間隔及線路的天窗時間有關(guān)，而列車的追蹤間隔與信號的閉塞方式、閉塞分區(qū)的長度、列車的長度、列車的運行速度有關(guān)。閉塞分區(qū)的長度則和列車的編組方式、線路具體的平縱斷面情況、信號的閉塞方式、線路要求的通過能力、列車的運行速度有關(guān)。這些因素相互影響，相互作用，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行具體的分析計算才能計算出線路的通過能力。

2.2路基

路基面動應(yīng)力是與列車速度、軸重、機車車輛動態(tài)特性、軌道結(jié)構(gòu)、軌道不平順、距軌底深度及路基狀態(tài)有關(guān)的一個隨機函數(shù)。由理論計算可知，路基面動應(yīng)力隨著列車速度和軸重的提高而增加，但是動應(yīng)力增幅不大，速度提高20 km/h動應(yīng)力增加約6%。動應(yīng)力與軸重關(guān)系較為明顯，隨著軸重的增加動應(yīng)力增幅較大，軸重由250 kN增加到300 kN，動應(yīng)力增加約20%。詳見表4[9]。

表4　動應(yīng)力計算

因此，路基面動變形隨著行車速度和軸重的提高而增長，速度的提高(80、100、120 km/h)對路基的影響不大，軸重為主要的影響因素。

2.3橋梁

選取某線大橋，建立模型，采用空間有限元程序Midas計算，計算不同時速下離心力值、墩頂位移與墩身應(yīng)力檢算結(jié)果見表5、表6、表7。

表5　不同時速下離心力值計算

從計算結(jié)果可以看出，時速由80 km變?yōu)?20 km時離心力值變化較大，但墩頂位移與墩身受力特性均相差不大，故在荷載加載圖式不變的前提下，可以忽略不同速度對結(jié)構(gòu)的影響[10]。

表6　中間墩墩頂位移計算

表7　中間墩基底應(yīng)力計算

2.4軌道

重載列車速度越高，傳遞給軌道結(jié)構(gòu)的橫向力提高越明顯，以致造成軌道幾何狀態(tài)的惡化，軌道部件的失效，以及養(yǎng)護(hù)維修費用的增加等，曲線地段尤其明顯。目前，重載規(guī)范送審稿中動力系數(shù)按3.0取值，沒有考慮速度的影響。而根據(jù)《鐵路軌道強度檢算法》(TB2034—88)有關(guān)速度系數(shù)取值原則，設(shè)計速度80、100、120 km/h對應(yīng)的速度系數(shù)對于電力機車分別為1.48、1.60、1.72；對于內(nèi)燃機車對應(yīng)的速度系數(shù)則分別為1.24、1.32、1.48，均遠(yuǎn)小于3。據(jù)此對軌道強度進(jìn)行檢算，均在容許限值范圍內(nèi)[11]。

2.5牽引供電2.5.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以大秦線為例，列出了萬噸級列車不同速度下的綜合能耗和電流值。詳見表8、表9。

表9　各種速度目標(biāo)值牽引電流及平均電流計算

2.5.2分析

從表8、表9看出，速度從80 km/h增大到120 km/h時，牽引電流變化幅度較小，總能耗的增加較少；但平均電流增幅較大，速度增長使得區(qū)間的機車帶電概率相應(yīng)增加，機車帶電(牽引)電流與平均電流非常接近。由于牽引電流和速度變化影響較小，區(qū)間內(nèi)機車牽引時間不變，因此在機車連續(xù)上坡的區(qū)段，可能會存在著滿功率取電情況，并且大于區(qū)間內(nèi)機車牽引平均電流[12]。

3結(jié)論

通過國內(nèi)外重載鐵路現(xiàn)狀分析，重載列車速度目標(biāo)值100 km/h已經(jīng)能夠滿足需要。計算分析表明，速度的提高(80、100、120 km/h)引起路基面動應(yīng)力增長，速度提高20 km/h動應(yīng)力增加6%左右，影響不大；速度提高對橋梁離心力值變化較大，但墩頂位移與墩身受力特性均相差不大，故在荷載加載圖式不變的前提下，可以忽略不同速度對結(jié)構(gòu)的影響；軌道強度按照不同速度進(jìn)行檢算，均在容許限值范圍內(nèi)；速度提高牽引電流變化幅度較小，總能耗的增加較少，但平均電流增幅較大，區(qū)間的機車帶電概率相應(yīng)增加，在連續(xù)上坡區(qū)段，可能會存在滿功率取電情況。牽引計算表明，單機牽引10 000 t時在平坡上也不能達(dá)到120 km/h的速度目標(biāo)值，雙機牽引在不大于1.8‰的坡道上可達(dá)到120 km/h的速度目標(biāo)值；重載貨物列車速度120 km/h，各種限制坡度均不能滿足緊急制動距離要求，不能滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》的有關(guān)規(guī)定。

因此，重載列車速度目標(biāo)值大于100 km/h牽引制動難以實現(xiàn)，同時也對軌道、路基、橋梁、供電等提出了更高的要求，因此，重載貨物列車設(shè)計行車速度等于或小于100 km/h是適宜的。

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Study on China Heavy-haul Railway Target Speed

ZHAO Dou

(The Third Railway Survey and Design Institute Corporation， Tianjin 300142, China)

Abstract：Heavy-haul railway with large tractive tonnage and big axle load serves to carry bulk cargo and its target speed differs that of conventional freight railway. This paper conducts the calculation and comparison of 80， 100 and 120 km/h target speed respectively in terms of traffic organization， subgrade， bridge， track and power supply， and analysis is made based on operation practices at home and abroad. The results show that different target speeds pose little impact on the track， subgrade， bridge and power supply， but locomotive traction and braking can be hardly fulfilled when speed exceeds 100 km/h. Thus， the running speed of heavy haul train is expected to be 100 km/h and less.

Key words：Heavy-haul railway; Target speed; Tractive tonnage; Axle load

中圖分類號：U239.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.001

文章編號：1004-2954(2016)04-0001-03

作者簡介：趙斗(1971—)，男，教授級高級工程師，工程碩士，E-mail:zhaodou@126.com。

收稿日期：2015-12-07； 修回日期：2015-12-17