環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地重載試驗(yàn)線(xiàn)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

閆曉春，趙長(zhǎng)石，張格明，馬戰(zhàn)國(guó)，鄭 力

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心，北京 100015；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081;4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081;5.京沈鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)京冀有限公司，北京 100039)

重載鐵路是指滿(mǎn)足列車(chē)牽引質(zhì)量 8 000 t 及以上、軸重27 t及以上、在至少150 km線(xiàn)路區(qū)段上年運(yùn)量大于40 Mt 3項(xiàng)條件中2項(xiàng)的鐵路[1]。根據(jù)國(guó)外鐵路貨運(yùn)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，提高貨車(chē)軸重(30～40 t)、開(kāi)行重載單元列車(chē)(萬(wàn)t及以上)已成為世界各國(guó)擴(kuò)大貨運(yùn)能力所采取的主要技術(shù)途徑。按照我國(guó)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，在客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基本建成后，既有路網(wǎng)實(shí)現(xiàn)客貨分流運(yùn)輸模式，在既有線(xiàn)上發(fā)展重載運(yùn)輸并修建新的重載煤運(yùn)通道，以解決我國(guó)能源戰(zhàn)略高增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)所帶來(lái)的既有路網(wǎng)運(yùn)能不足的問(wèn)題。由于重載技術(shù)的復(fù)雜性，僅靠設(shè)計(jì)與理論計(jì)算難以滿(mǎn)足可靠、安全、耐久等系統(tǒng)關(guān)鍵性指標(biāo)的要求，必須依靠大量的實(shí)車(chē)實(shí)線(xiàn)試驗(yàn)，對(duì)可靠性、安全性、耐久性、節(jié)能環(huán)保特性等進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估。因此，依托中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地建設(shè)重載試驗(yàn)線(xiàn)，用于新技術(shù)、新裝備的綜合系統(tǒng)試驗(yàn)、檢測(cè)和調(diào)試，具有重要意義[2]。

利用京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)星火動(dòng)車(chē)運(yùn)用所和環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地既有試驗(yàn)線(xiàn)的夾心地建設(shè)重載試驗(yàn)線(xiàn)，線(xiàn)路全長(zhǎng)約8.6 km。按照TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，需要根據(jù)需求作用、沿線(xiàn)地形等條件確定重載試驗(yàn)線(xiàn)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文在參考國(guó)內(nèi)外主要重載鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合重載試驗(yàn)線(xiàn)建設(shè)需求和環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地地形條件，研究并確定重載試驗(yàn)線(xiàn)設(shè)計(jì)軸重、正線(xiàn)數(shù)目、最高速度、最小平面曲線(xiàn)半徑、限制坡度等主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1 國(guó)內(nèi)外主要重載鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)調(diào)研分析得到國(guó)內(nèi)外主要重載鐵路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1和表2，為研究重載試驗(yàn)線(xiàn)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)。

2 重載試驗(yàn)線(xiàn)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究方案

2.1 設(shè)計(jì)軸重

目前美國(guó)、加拿大、澳大利亞、巴西等國(guó)家的貨物列車(chē)普遍采用32.4 t軸重，美國(guó)部分重載鐵路最大軸重為35.7 t，澳大利亞FMG鐵路公司管理的礦區(qū)與海德蘭港鐵路的軸重已達(dá)40 t[3]。

我國(guó)重載鐵路正逐漸向軸重30 t發(fā)展。以C80貨車(chē)為代表的軸重25 t運(yùn)煤專(zhuān)用敞車(chē)已在大秦、朔黃、北同蒲等重載鐵路上普遍運(yùn)用，并已逐漸開(kāi)展軸重27 t C80E貨車(chē)的推廣應(yīng)用工作。瓦日鐵路設(shè)計(jì)軸重30 t，且完成了軸重30 t重載鐵路綜合試驗(yàn)，形成了我國(guó)軸重30 t重載鐵路成套技術(shù)。

2013年1月9日，原中華人民共和國(guó)鐵道部令第34號(hào)發(fā)布的《鐵路主要技術(shù)政策》規(guī)定：“新建重載鐵路設(shè)計(jì)軸重不小于30 t” 。

結(jié)合我國(guó)重載鐵路主要運(yùn)輸煤炭的實(shí)際情況，綜合考慮國(guó)內(nèi)外重載鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，以及重載試驗(yàn)線(xiàn)的試驗(yàn)需求，建議重載試驗(yàn)線(xiàn)貨物列車(chē)車(chē)輛軸重按35 t考慮。

表1 國(guó)外主要重載鐵路統(tǒng)計(jì)

表2 國(guó)內(nèi)主要重載鐵路統(tǒng)計(jì)

2.2 正線(xiàn)數(shù)目

結(jié)合京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)星火動(dòng)車(chē)所和試驗(yàn)基地的建設(shè)用地情況，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司聯(lián)合京沈鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)京冀有限公司和中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司提出了建設(shè)重載試驗(yàn)線(xiàn)的建議。經(jīng)中國(guó)鐵路總公司研究批準(zhǔn)，同意“利用動(dòng)車(chē)所和既有環(huán)線(xiàn)間既有用地及夾心地”研究實(shí)施重載試驗(yàn)線(xiàn)。

受建設(shè)用地限制，考慮到試驗(yàn)基地既有試驗(yàn)線(xiàn)和國(guó)外絕大多數(shù)試驗(yàn)線(xiàn)均為單線(xiàn)，建議重載試驗(yàn)線(xiàn)按照單線(xiàn)設(shè)計(jì)。

2.3 最高速度

1)國(guó)內(nèi)外重載鐵路最高速度。由表1可知，國(guó)外重載鐵路最高運(yùn)行速度均在80 km/h以?xún)?nèi)。國(guó)內(nèi)既有重載鐵路最高運(yùn)行速度重車(chē)不超過(guò)80 km/h，空車(chē)不超過(guò)90 km/h。表2中我國(guó)重載鐵路設(shè)計(jì)速度大部分為120 km/h，主要是考慮運(yùn)行旅客列車(chē)的需求[4]。

2)機(jī)車(chē)、車(chē)輛的構(gòu)造速度。目前我國(guó)重載鐵路使用的交流傳動(dòng)大功率機(jī)車(chē)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3,大秦鐵路運(yùn)用的運(yùn)煤敞車(chē)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4[5]。由表3、表4可知，機(jī)車(chē)最高速度為100～120 km/h，敞車(chē)最高速度為100 km/h。

表3 交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

表4 C80，C80B型運(yùn)煤敞車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

3)《鐵路主要技術(shù)政策》規(guī)定：“新建重載鐵路設(shè)計(jì)速度不大于100 km/h”。

綜上分析，重載列車(chē)速度目標(biāo)值大于100 km/h難以實(shí)現(xiàn)，故確定重載試驗(yàn)線(xiàn)最高速度不大于100 km/h。重載試驗(yàn)線(xiàn)主要模擬重車(chē)工況并開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，考慮到國(guó)內(nèi)外重載列車(chē)實(shí)際運(yùn)行速度的現(xiàn)狀，建議重載試驗(yàn)線(xiàn)最高速度為80 km/h。

2.4 最小平面曲線(xiàn)半徑

滿(mǎn)足最高行車(chē)速度要求的最小平面曲線(xiàn)半徑應(yīng)滿(mǎn)足下式

(1)

式中：Rh為滿(mǎn)足最高行車(chē)速度要求的曲線(xiàn)半徑，m；Vmax為最高行車(chē)速度，取80 km/h；hmax為最大超高，取150 mm；hqy為允許欠超高，取90 mm[6]。

滿(mǎn)足內(nèi)外軌均勻磨耗要求的最小曲線(xiàn)半徑應(yīng)滿(mǎn)足下式

(2)

式中：Rj為滿(mǎn)足內(nèi)外軌均勻磨耗條件的曲線(xiàn)半徑，m；Vmin為列車(chē)通過(guò)曲線(xiàn)的最低速度，取50 km/h[4]；hgy為過(guò)超高容許值，取50 mm[6]。

按照式(1)、式(2)計(jì)算最高速度80 km/h的最小曲線(xiàn)半徑，見(jiàn)表5。

表5 最小曲線(xiàn)半徑 m

由于重載鐵路軸重大，年通過(guò)總量大，鋼軌磨耗較常規(guī)的客貨混運(yùn)鐵路嚴(yán)重。隨著曲線(xiàn)半徑的增大，尤其當(dāng)曲線(xiàn)半徑>800 m后，鋼軌磨耗速率明顯下降[7]。半徑為500～600 m的小半徑曲線(xiàn)段鋼軌磨耗量約為半徑 1 200 m 的6倍，約為半徑800 m的1.5倍[8]。重載試驗(yàn)線(xiàn)建成后主要用于重載移動(dòng)裝備、工務(wù)設(shè)備的安全性和耐久性試驗(yàn)、重載技術(shù)系統(tǒng)試驗(yàn)，以及高速綜合檢測(cè)動(dòng)車(chē)組、軌道檢查車(chē)、鋼軌探傷車(chē)等檢測(cè)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。因此，重載試驗(yàn)線(xiàn)應(yīng)盡可能接近運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的實(shí)際工況。

綜上所述，考慮試驗(yàn)需求、使用經(jīng)濟(jì)、地形條件(最大可用寬度約為140 m、最小可用寬度約為35 m)等因素，建議重載試驗(yàn)線(xiàn)的最小平面曲線(xiàn)半徑為500 m。

2.5 限制坡度

限制坡度最大值計(jì)算公式如下

(3)

本次研究以HXD2型電力機(jī)車(chē)作為牽引機(jī)車(chē)，牽引力取554 kN，機(jī)車(chē)計(jì)算質(zhì)量200 t。牽引車(chē)輛采用C80，車(chē)輛自重20 t，車(chē)長(zhǎng)12 m[9]。在80 km/h計(jì)算速度下，HXD2型機(jī)車(chē)單位基本阻力和重貨車(chē)單位基本阻力如表6所示[10]。

表6 重貨車(chē)和HXD2機(jī)車(chē)單位基本阻力 N/t

按照式(3)計(jì)算80 km/h速度下不同牽引機(jī)車(chē)數(shù)量牽引10 000 t和20 000 t的限制坡度最大值，見(jiàn)表7。

表7 限制坡度 ‰

環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地站場(chǎng)到發(fā)線(xiàn)有效長(zhǎng)度為650 m，通過(guò)借用站場(chǎng)與試驗(yàn)正線(xiàn)之間的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)，可以滿(mǎn)足編組 10 000 t重載列車(chē)的要求；20 000 t重載列車(chē)編組需要約 2 800 m，目前試驗(yàn)基地站場(chǎng)不具備條件。因此，研究重載試驗(yàn)線(xiàn)限制坡度時(shí)僅考慮萬(wàn)t重載列車(chē)需求。

目前，我國(guó)的大軸重重載鐵路，如大秦鐵路、朔黃鐵路、山西中南部煤運(yùn)鐵路、蒙西至華中地區(qū)煤運(yùn)鐵路等，大部分地段位于山區(qū)。大秦鐵路重車(chē)方向限制坡度為4‰，空車(chē)方向限制坡度為12‰，山西中南部通道鐵路采用重車(chē)6‰、空車(chē)13‰的限制坡度組合。

綜上所述，重載試驗(yàn)線(xiàn)作為我國(guó)重載運(yùn)輸方面的科技創(chuàng)新平臺(tái)，主要模擬重車(chē)工況并開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，應(yīng)最大限度地模擬運(yùn)營(yíng)干線(xiàn)的最不利工況，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)最高速度范圍內(nèi)以各速度級(jí)運(yùn)行的試驗(yàn)需求。因此，結(jié)合科研試驗(yàn)需要，建議重載試驗(yàn)線(xiàn)限制坡度為13‰，在三機(jī)牽引萬(wàn)t條件下，滿(mǎn)足最高速度運(yùn)行的需求。

3 結(jié)論

本文在調(diào)研分析國(guó)內(nèi)外主要重載鐵路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合重載試驗(yàn)線(xiàn)建設(shè)需求和環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地地形條件，確定重載試驗(yàn)線(xiàn)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)軸重35 t，單線(xiàn)鐵路，最高速度80 km/h，最小曲線(xiàn)半徑500 m，限制坡度13‰。