大準鐵路重載運輸能力提升研究與應用

摘要：大準鐵路由于初期設計標準較低，既有運輸能力已經(jīng)難以滿足蒙西地區(qū)不斷增長煤炭外運需要，為此，通過開展重載運輸研究，實施了一系列技術改造，實現(xiàn)國內首開單線萬噸列車，逐步將大準鐵路打造成蒙西煤炭外運的重要通道。

關鍵詞：大準鐵路；重載運輸能力；煤炭外運；能源需求；貨運通道 文獻標識碼：A

中圖分類號：U291 文章編號：1009-2374（2016）27-0092-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.043

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源需求不斷增大，準格爾地區(qū)煤炭開發(fā)熱度不斷增加，推動了煤炭外運需求不斷加大，大準鐵路作為“西煤東運”大通道的重要組成部分，尤其是準東鐵路于2000年接軌后運量快速增長，至2002年完成運量1546萬噸。

大秦鐵路作為大準鐵路的下游貨源通道，自2004年起實施2萬噸擴能改造，大幅度提升了運輸能力，使大準鐵路獲取了5000萬噸/年的煤炭外運資源；而大準管內先后接軌建設了托克托電廠線、岱海電廠線及新豐電廠線三條鐵路專用線，加上早期接軌的國華電廠、豐鎮(zhèn)電廠等，電廠煤炭需求超過2000萬噸/年。而大準鐵路由于初期設計標準低，到發(fā)線有效長850m，線路荷載為21噸，運輸能力僅有1500萬噸，遠遠小于煤炭外運需求，擴能改造勢在必行。

在不改變單線運輸模式的情況下，比較切實的方法是開展重載運輸。考慮大準鐵路以煤炭運輸為主，具有貨物品種單一、運輸徑路固定、發(fā)運量大且裝車站比較集中，具備組織開展單元萬噸列車的優(yōu)勢。

2 技術創(chuàng)新總體思路

大準鐵路作為大秦鐵路后方通道，開行萬噸重載列車能夠有效實現(xiàn)與大秦鐵路的車流對接，具有運能大、效率高、運輸成本低等優(yōu)勢，為此，大準鐵路開展了一系列技術創(chuàng)新工作，保障萬噸列車安全開行。

第一，線、橋動載試驗。對線、橋設備進行C80貨車動載試驗，提出線路強化技術措施和橋梁加固處理意見。

第二，萬噸列車動力學研究。通過計算和試驗驗證，掌握萬噸列車在各種工況下的縱向沖動情況，為正式開行萬噸列車提供理論基礎和試驗數(shù)據(jù)。

第三，創(chuàng)新使用動態(tài)無功補償裝置，有效提升了供電質量，滿足了萬噸列車開行的需要。

第四，研究開發(fā)了新式列尾傳輸技術，解決既有列尾在山區(qū)、隧道傳播距離短的問題，滿足萬噸列車安全運行的需要。

第五，既有線橋墩加固技術研究。

第六，優(yōu)化行車組織方式，適應萬噸列車開行

要求。

3 關鍵技術研究

3.1 線橋動載試驗

由于大準鐵路原設計標準低，離重載鐵路對線路的要求有較大的差距，試驗以25噸軸重車輛（C80）編組貨車進行動載測試：

3.1.1 通過小半徑曲線時的動力性能試驗，分析試驗列車通過時的運行安全性、對線路橫向穩(wěn)定性的動力影響以及對線路設備的動力作用。

3.1.2 側向、直向通過道岔區(qū)段時，對道岔結構的動力作用，分析試驗列車通過道岔時的安全性、對道岔穩(wěn)定性及道岔部件強度的影響。

3.1.3 測試橋梁的動力響應，分析開行萬噸長大重載列車下橋梁的強度及豎向和橫向剛度能否滿足要求。

3.1.4 測試萬噸列車在長大橋上制動時的安全性以及對橋梁的影響。

根據(jù)動態(tài)試驗結果，將大準線鋼軌由50kg/m軌更換成60kg/m軌，軌枕由Ⅱ型枕更換成Ⅲ型枕，并對85座橋梁進行了加固，滿足了C80型萬噸列車的運行需要。

3.2 萬噸列車動力學研究

大準鐵路線橋設計標準低，且線路條件、環(huán)境等因素與大秦鐵路差異較大，大秦鐵路開行的萬噸列車能否在大準線安全運行需要進行科學論證。

3.2.1 建立縱向動力學仿真模型。

列車縱向動力學模型以每節(jié)機車車輛作為一個分離體，整列車的自由度等于全列機車車輛的總數(shù)（圖1）。它以整個列車系統(tǒng)中的每一輛車為研究對象，考慮了每輛車的車鉤間隙、緩沖器的非線性特性，機車的牽引及動力制動特性，列車的空氣制動特性等。

列車縱向動力學模型取每節(jié)車為一個分離體，整列車的自由度等于組成列車的機車車輛總輛數(shù)。圖2給出了列車中某一節(jié)車輛的縱向受力圖，根據(jù)動力學原理，第i節(jié)車輛的縱向動力學運動方程為：

mix"i=Fci-1-Fci-Fwi+FTEi-FDBi-FBi（i=1～N）

式中：i=1～N；mi為第i節(jié)車的質量；x"i為第i節(jié)車的加速度；Fci-1為第i節(jié)車的前車鉤力，當i=0時，F(xiàn)ci-1=0；Fci為第i節(jié)車的后車鉤力，當i=N時，F(xiàn)ci=0；Fwi為第i節(jié)車的運行阻力，包括基本運行阻力、坡道阻力、曲線阻力、啟動阻力等；FTEi為機車牽引力，僅作用于機車；FDBi為機車的動力制動力，僅作用于機車；FBi為第i車的空氣制動力；di為第i節(jié)車所處線路斷面的

坡度。

對于組成列車的N節(jié)車輛，可列出N個微分運動方程，組成一個二階微分方程組，進行仿真計算。

3.2.2 仿真計算。萬噸列車在運營中較為突出的問題是機車牽引能力的發(fā)揮、列車在牽引及制動過程中引起的縱向沖動。分析重載列車在不同操縱狀態(tài)下的縱向動力學特性，并設置計算工況：平直道啟動工況、4‰上坡道啟動工況；平直道常用全制動（制動初速80km/h）、9‰下坡道常用全制動（制動初速80km/h）工況；平直道緊急制動（制動初速80km/h、30km/h）工況；長大坡道的循環(huán)制動工況（單獨制動工況、單獨緩解工況、聯(lián)合制動工況），通過各種工況的仿真計算，得出大準線具備開行C70、C80型萬噸條件。

3.2.3 牽引試驗。對由C70、C80車輛分別編組的萬噸重載列車，進行相應的制動系統(tǒng)的地面靜止試驗和線路運行試驗，通過列車動力學計算和試驗驗證，充分掌握重載列車各種工況下的沖動情況，保證萬噸重載列車的安全運行，提供了必要的基礎理論和試驗數(shù)據(jù)。試驗結果與仿真計算基本一致，在此基礎上編制了大準鐵路開行萬噸列車的運行圖，于2006年正式開行萬噸列車，開創(chuàng)了國內單線鐵路開行C80萬噸列車的先河，并在不斷總結萬噸列車開行經(jīng)驗的基礎上，逐漸增加萬噸列車開行對數(shù)，大幅度提升了大準線運輸能力。

3.2.4 C60噸級、70噸級萬噸列車研究。為進一步優(yōu)化車流結構，大準鐵路在成功開行C80萬噸列車的基礎上，對C62AK、C64、KM70車型編組萬噸列車進行研究，經(jīng)仿真計算和上線運行試驗，成功開行丹洲營地區(qū)電廠、岱海電廠C62AK、C64、KM70萬噸列車，開創(chuàng)了國內開行C62AK、C64、KM70型萬噸列車的先河，從而在區(qū)間通過列車對數(shù)不變的情況下，有效地實現(xiàn)了大同口增運工作。

3.3 供電能力加強

為滿足萬噸列車開行需要，對全線6個牽引變電所進行增容改造，增設了點岱牽引變電所。同時結合大準鐵路采用SS3、SS4型號電力機車的實際，創(chuàng)新使用動態(tài)無功補償裝置，有效解決牽引變電所功率因數(shù)低、諧波含量高的難題，將牽引變電所功率因數(shù)由原有的不足0.85提升至0.95以上，有效地提高了接觸網(wǎng)的網(wǎng)壓和電源質量。

3.4 列尾通信傳輸技術

大準線既有列尾裝置通信采用400M傳輸，受山體的阻隔，形成許多弱電場區(qū)，通信距離受到限制，不滿足萬噸列車開行需要。若采取在列車中加掛中繼器，會增加摘掛勞動強度，也不利于卸車時通過翻車機房。

大準鐵路公司經(jīng)過大量現(xiàn)場研究試驗，利用原鐵道部400kHz技術，將既有列尾裝置改造為雙向雙信道（400kHz+400M）列尾裝置，在400M的基礎上，利用400kHz信號經(jīng)接觸網(wǎng)傳輸，不受山區(qū)、隧道的影響特性，實現(xiàn)400MHz+400kHz雙信道互補，場強覆蓋率達到99%以上。在不增加設備、不改變列尾作業(yè)程序和增加摘掛中繼器作業(yè)的情況下，解決了萬噸列車在山區(qū)列尾信息傳輸不暢的問題，確保了萬噸列車運行安全。

3.5 橋墩加固技術

開行重載列車對橋墩的沖擊力將極大增加，針對部分橋梁出現(xiàn)的橫向振幅超限問題，在檢測結果和評估報告的基礎上，有針對性地對橋墩進行加固。常規(guī)對既有線橋墩橫向剛度加固最有效的辦法就是增大截面法，但增大截面法又會增大橋墩自身重量、增大基礎負載。故在橋墩增大截面法加固實踐中，需考慮既要盡量減少基礎負載，又要滿足橋墩剛度增大要求，以一圓形橋墩為例比選各種加固方式。設原有橋墩截面為D=2.5m、

H=8.0m，擴大基礎。

墩身增大截面法加固比選方案，使用全高度同尺寸增大截面法，增大截面尺寸至D=3.5m；使用全高度漸變尺寸增大截面法，底部增大尺寸至D=3.5m，頂部尺寸D=2.5m；使用全高度階梯變尺寸增大截面法，第一階：D1=3.5m，H1=3.0m；第二階：D2=3.0m，H2=3.0m；第三階：D3=2.5m，H3=2.0m。

通過理論測算，三種增大截面方案中橋墩橫向剛度及基礎負載增加值如表1：

通過測算可得，全高度同尺寸增大截面法中基礎負荷提升了17.21%，若大于10%，需要做基礎加固，加固成本會變大，加固工期會延長；而全高度漸變尺寸增大截面法橫向剛度提升較小，且漸變截面施工工藝較為復雜，立模較困難，因此采用全高度階梯變尺寸增大截面法進行加固較為經(jīng)濟、合理、有效，可操作性強。大準線下腦亥東溝大橋橋墩加固過程中，采用了全高度階梯變尺寸增大截面法，加固前后1#～4#號橋墩頻率對比：

加固后，下腦亥東溝大橋各橋墩橫向振動頻率滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求，加固效果良好，能夠滿足25t軸重重載萬噸的開行。

3.6 大準鐵路運輸能力查定

為準確測算大準鐵路運輸能力，聯(lián)合北京交通大學開發(fā)了“車站與區(qū)間能力查定人工寫實數(shù)據(jù)管理計算軟件V1.0”“基于電務監(jiān)測數(shù)據(jù)的鐵路車站作業(yè)信息與能力分析軟件V1.0”等三套軟件系統(tǒng)。

在查定通過能力過程中，系統(tǒng)能夠充分利用列車行車監(jiān)控、電務的有關設備，自動提取有關時刻信息，替代傳統(tǒng)的人工采點寫實。同時可以將原始數(shù)據(jù)通過這些系統(tǒng)接口自動傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使大部分原始信息實現(xiàn)自動采集和傳輸，從根本上改變傳統(tǒng)的查標方法。

該軟件在采集大量原始數(shù)據(jù)的基礎上，通過建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，自動完成信息接收，并進行匯總、整理、分析、計算，得出車站咽喉通過能力和到發(fā)線通過能力。

通過該軟件的應用，有效尋找運輸能力瓶頸區(qū)，從而通過針對性改造打破運輸瓶頸，提升列車會讓能力，快速釋放運能，公司先后開展了“五站”應急、龍-點-唐三角線改造、最大裝車站點岱溝改造、丹洲營至燕莊單線雙向自閉等工程以及推動了增二線改造，將大準鐵路成功打造成年運量達2.3億噸的蒙西煤炭重載通道。

3.7 創(chuàng)新運輸組織方式

3.7.1 針對大同口車流集中到達，利用裝車節(jié)奏，組織鐘擺式行車。既為大準線萬噸站不足增開萬噸列車創(chuàng)造了行車條件，又緩解了大同口車流不均衡對大準線的運輸影響。

3.7.2 對丹洲營至燕莊單線區(qū)段，逐段進行單線雙向自閉改造，實現(xiàn)了列車同方向追蹤運行，為鐘擺式運輸組織進一步創(chuàng)造了條件，將大同口運輸能力從8000萬噸提升至8800萬噸。

3.7.3 利用TFDS動態(tài)檢車系統(tǒng)，優(yōu)化既有人機互檢模式，取消點岱溝、南坪萬噸列車始發(fā)作業(yè)，在保障安全的前提下，實現(xiàn)減員26人、職工勞動強度降低30%、始發(fā)列車停時壓約30分鐘；投用CTC和供電遠動系統(tǒng)后，將逐步減少中間站、變配電所值守人員等。

4 與當前國內外同類技術比較

4.1 萬噸列車開行技術

國內外雙線鐵路開行萬噸列車較為普遍，因單線鐵路運輸組織較雙線鐵路更加復雜和困難，未有單線鐵路開行萬噸列車的先例。大準鐵路聯(lián)合西南交通大學對單線電氣化鐵路開行萬噸列車技術進行研究，創(chuàng)造了單線鐵路開行萬噸列車的先河。

國內外開行萬噸列車都是C70、C80型車體。大準鐵路在開行C80型萬噸重載列車的基礎上，對C62AK、C64、KM70型編組萬噸列車進行研究，成功首次開行了C62AK、C64、KM70型萬噸列車，創(chuàng)新了萬噸列車編組方式。

4.2 列尾通信傳輸技術

大準鐵路創(chuàng)新使用400M+400K雙信道雙向數(shù)傳列車尾部裝置，利用原鐵道部400kHz傳輸技術，在幾乎不增加投資、不改變列尾作業(yè)程序和增加中繼器摘掛作業(yè)的情況下，解決了萬噸列車在山區(qū)列尾信息傳輸不暢的問題。

4.3 車站能力查定自動化系統(tǒng)

車站能力查定自動化系統(tǒng)從電務系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理、匯總、分析、計算，得出車站咽喉道岔、到發(fā)線能力，最終確定車站能力，具有人力財力投入小、插標準確率高、過程簡單、計算快捷等優(yōu)點。

5 結論及展望

5.1 結論

通過開展線橋動載試驗、萬噸列車動力學研究、供電能力加強、列尾通信傳輸技術改進等技術創(chuàng)新研究，大準鐵路于2006年實現(xiàn)了國內首開單線萬噸列車，依托重載運輸實現(xiàn)了鐵路運輸量快速增長，長期保持和刷新了我國單線鐵路年、月、日貨物運量最高記錄，至2015年貨物發(fā)運量突破億噸大關，全年運量達11161.5萬噸，在蒙西煤炭外運及打造神華重載通道過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。

5.2 今后發(fā)展方向

隨著神華路網(wǎng)建設，形成了以大準鐵路為后方主干線的新準-大準-準池-朔黃煤炭外運新通道，扭轉了蒙西地區(qū)運輸能力緊張的局面。今后大準鐵路要從神華路網(wǎng)通道建設著手，通過統(tǒng)一設備管理、優(yōu)化資源配置、開展機車長交路建設等措施，加強數(shù)字化鐵路建設，研究開行2萬噸組合列車，著力打造為國內第一條輕資產(chǎn)、高效率的重載通道。

參考文獻

[1] 胡思繼.鐵路行車組織學[M].北京：中國鐵道出版 社，1998.

[2] 佟立本.鐵道概論（第六版）[M].北京：中國鐵道 出版社，2012.

[3] 耿志修.大秦鐵路重載運輸技術[M].北京：中國鐵 道出版社，2009.

作者簡介：路文尚（1963-），男，內蒙古人，神華準能大準鐵路公司總經(jīng)理，工程師，研究方向：鐵路運輸組織。

（責任編輯：小 燕）