山西中南部铁路壶关至红旗渠段长大坡道缓坡设置研究

付昌友,丁学锋

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京　100055)



山西中南部铁路壶关至红旗渠段长大坡道缓坡设置研究

付昌友,丁学锋

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京100055)

摘要：山西中南部铁路是一条新建的万吨重载煤炭运输通道,是国内首条研究30t大轴重万吨列车运行安全的铁路,铁路线路平纵断面、车站分布等的设计,需满足万吨级列车的循环制动与纵向冲动等要求。运用列车纵向动力学仿真软件指导重载铁路的设计,通过对不同机车牵引万吨单编列车的纵向动力学仿真研究,特别是万吨列车在不同坡度坡道上的制动限速、制动距离,以及长大下坡道困难区间操纵运行的安全性和纵向冲动,研究山西中南部铁路壶关至红旗渠段长大坡道缓坡设置问题,以满足万吨重载列车在非正常情况下的运行、养护维修及救援要求。研究结论为：壶关至红旗渠间居中位置应增设缓坡1处,并配备救援设备。研究结论已应用于项目设计,在壶关至红旗渠间增设了平顺站,并设机待线,配备双机重联救援机车。

关键词：重载铁路；长大坡道；缓坡；设计

1概述

山西中南部铁路是一条新建的万吨重载煤炭运输通道，京广线以西段的限制坡度为6/13‰，其中壶关—水冶南段基本上为连续的长大下坡道，长度约为110 km，最大坡度为-13‰，平均坡度为-8.6‰，其中壶关—红旗渠段(约70 km)的山势更为陡峭，自然坡度大，区间设站困难。相类似的大秦线的限制坡度为4/12‰，有2段长大下坡道：一段线路长度为47 km，平均坡度-8.2‰；另一段线路长度为50 km，平均坡度-9.1‰。万吨级列车在长大下坡道上的循环制动再充气时间、车钩力是影响大秦线行车安全的两大因素[1]。壶关—水冶南间长大下坡道的最大坡度更大、线路更长，因此，对该段的最大坡度及车站(缓坡)的设置研究更有其必要性。

主要结合国内外收集的有关技术资料，分析研究万吨列车的特点及其运行性能，计算万吨列车在大坡道上的制动限速、常用制动距离与紧急制动距离，对在长大下坡道上的循环制动、车钩力、停车制动的安全性进行检算，对长大坡道各种工况进行仿真研究，以确定壶关—红旗渠段在区间是否考虑设置缓坡(车站)。

2大秦线长大坡道的缓坡设置及万吨列车运行情况

2.1大秦线长大坡道情况

大秦线是我国第一条双线重载电气化运煤专线，现状主要开行10 000 t单编列车、10 000 t组合列车和20 000 t组合列车。大秦线的限制坡度为4/12‰，其中K286～K307(铁炉村—下庄)平均-10.5‰以上，该段为大秦线重载运输的最困难区间(图1)。

图1　大秦线K275～K325区间的坡道示意

2.2制动热负荷

重载列车的重要特点之一是使用大轴重的货车车辆。货车提高轴重不仅能增加牵引质量，还能减少列车编组辆数，从而有利于司机操纵和缩短站线有效长度，对运输生产有重大的经济效益。因此，提高轴重和增加列车编组辆数是国际重载列车的两个重要发展方向。

轴重增加必然会同时导致车轮载荷条件的恶化，进而影响车轮和钢轨的使用寿命。制动热负荷可能导致3种类型的车轮问题，即车轮踏面的裂纹、热失效和热机剥离[1]。国内外对重载车轮制动热负荷问题的大量试验研究结果表明，坡道制动产生的热应力最为严重，是影响闸瓦更换和车轮维修的主要原因。因此，在大秦线现有技术装备条件下，将重视制动热负荷问题作为改善轮瓦磨耗、延长重载车辆车轮使用寿命的重要研究方向[2]。

2.3列车再充气时间

大秦线重载列车主要采用高摩合成闸瓦和φ254 mm制动缸，较之旧型车辆制动机(铸铁闸瓦和大制动缸)的耗风量明显减少。20世纪90年代在长大列车制动试验台上对循环制动进行试验的结果表明，在空气制动少量减压(60 kPa)的条件下，单编万吨列车需要的再充气时间在2 min以上[3]。根据2005年静置试验的结果，采用LOCOTROL技术的4×5 000 t或1+2+1编组2万t列车在小减压(50 kPa)条件下的再充气时间则仅需1 min左右[4]，比单编万吨列车再充气时间减少50%以上。因此，采用高摩合成闸瓦和φ254 mm制动缸对改善长大下坡道循环制动的再充气极为有利[5]。

2.4列车纵向力

10 000 t单编列车的最大车钩力均在1 500 kN以内，可满足安全运行的需要(表1)。但在12‰的下坡道紧急制动时，可能出现最大纵向冲动大于9.8 m/s2的情况[6]。

表1　10 000 t单编列车(C80、SS4)

人工组合10 000 t列车在操纵的同步性方面存在不确定因素，但是前后机车操纵延迟时间在3 s以内的情况下，其最大车钩力及最大纵向冲动均在安全范围以内，可安全运行(表2)。

表2　人工组合10 000 t列车(C80、SS4)

2.5安全畅通预案

大秦线配备HXD1/2型机车后，2万t列车采用“1+1”的牵引模式，而万吨列车采用单机牵引的模式。在长大下坡道地段，1万t列车循环制动的再充气时间安全余量很小，因此，为确保运输安全畅通，制定了新牵引模式安全畅通预案。在阳原、北辛堡、迁西、金沙滩四站各设置备用重联机车1组，用于担当区间救援任务，救援点平均距离约100 km[7]。

3长大坡道设计和单编万吨列车运行安全性

对于壶关—红旗渠间，是否采用缓坡对线路平纵断面设计有较大影响，在不超过限坡13‰的前提下，设置缓坡将引起线路绕行；当线位确定时，不设缓坡则可适当降低最大坡度(图2)。

图2　长大下坡道坡度设计方案

3.1列车编组及线路条件

(1)列车编组

按SS4G×2、HXD1×2和HXD2×1不同牵引动力配置牵引的1万t重载列车进行比较，以C70编组作为研究对象。列车编组如表3所示。

(2)线路条件

如图3所示，山西中南部铁路设计重车方向最大下坡道坡度为-13‰。根据设计线路断面，坡道情况可分为3部分：(1)西部坡道变化最大，洪洞北—长治南间多为5‰～6‰上坡道，壶关—水治南间为不大于13‰的长大下坡道[8]；(2)中部坡道变化不大；(3)东部有比较长的上坡道，但坡度较小，不超过6‰。主要困难区段为壶关—水治南间100 km以上的长大下坡道区段。

图3　山西中南部铁路设计线路断面缩图(部分)

该线的线路条件类似于大秦线，具有长大下坡道，但有自己的特点：一方面，该线路使用SS4G或HXD型机车牵引，SS4G或HXD型机车均具有较强的动力制动能力和车辆用新型高摩合成闸瓦，这是有利条件；但另一方面，该线路上的列车无LOCOTROL装置或其他同步操纵条件，单编万吨不如大秦线组合列车的装备条件，需特别注意机车动力制动不良条件下的列车纵向动力问题和安全性。

3.2下坡道停车制动的安全性

重载列车因意外情况在下坡道上停车时为保证安全，防止下滑的必要条件是制动力>坡道下滑力[9]，即1 000θφo+w≥i，根据《列车牵引计算规程》，列车的静摩擦阻力为w=3.5 N/kN，静止时的高摩合成闸瓦换算摩擦系数φo=0.322，即322θ≥i-3.5，由此计算得到：

(1)在-13‰下坡道上对列车空气制动率的要求为θ≥2.95%，在空气制动最小减压量条件下的θ即能满足该制动率的要求，当空气制动使用0.8常用制动时制动缸压力为330 kPa，再按制动缸保压漏气10 kPa/min值计算，则应能保压25 min以上。在使用紧急制动或常用全制动停车时则应能保压35 min以上[10]；

(2)下坡道为-18‰时对列车制动率的要求为θ≥4.5%，不同空气制动停车防止下滑的保压时间均在30 min以内，故安全性不如-13‰下坡道。

3.3-13‰连续下坡道循环制动比较

图4　A：SS4G×2+C70×108列车循环制动

通过对不同编组列车在-13‰坡道上的计算(图4～图6、表4)可见，HXD双机牵引的动力制动能力最强，每次可用于再充气的时间在360 s以上，SS4双机牵引亦有较强的动力制动能力，每次再充气时间在180 s以上，而HXD单机牵引或双机牵引但动力制动减半时的再充气时间每次不足150 s。

图5　B：HXD1×2+C70×108列车循环制动

根据单编1万t列车实际试验的结果，在减压50 kPa时列车尾部副风缸的再充气时间要求为160 s左右[11]，使用HXD双机牵引循环制动能充分满足此要求；SS4双机牵引时尚有裕量；HXD单机或双机使用50%动力制动不满足列车尾部副风缸的再充气要求，但有在-13‰下坡道上停车制动的能力。问题在于50%动力制动条件下的每次制动时间均在9 min以上，由此产生的制动热负荷过大，也不利于车轮热损伤和闸瓦的磨耗，因此，对于长达70 km左右的-13‰连续最大下坡道应考虑中间设置缓坡，从而将循环制动次数从6～7次减少到3～4次，当可满足HXD双机在50%动力制动能力时的运行要求。

图6　C：HXD1×1+C70×108列车循环制动

表4　-13‰连续下坡道万吨列车循环制动计算结果

3.4设计线路仿真计算

(1)长大下坡道循环制动

根据线路条件，以壸关—水治南长大下坡道区段，分别按不同机车牵引进行仿真，计算结果如图7、图8和表5所示。

图7　C.HXD2单机牵引C70编组万吨列车下坡V-S曲线

图8　B.HXD1双机牵引C70编组万吨列车下坡V-S曲线

由图7、图8和表5可知，HXD1单机牵引的动力制动能力较低，循环制动次数远多于双机牵引，其平均速度也较低，但二者的制动保压时间均在8 min以内，再充气时间均在3 min以上，因此，可以满足单编万吨列车减压50 kPa的再充气要求，但HXD1双机牵引丧失一半动力制动力或HXD1单机牵引的安全裕量较小。

表5　壸关—水治南下坡道万吨列车循环制动计算结果

(2)纵向力和纵向冲动

在空气和动力复合制动条件下对壸关—水治南长大下坡道循环制动仿真计算的纵向力如图9所示；最大纵向力如表6所示。

图9　壸关—水治南长大下坡道循环制动纵向力

列车编组最大压钩力/(kN/车位)最大拉钩力/(kN/车位)最大减速度/(g/车位)最大加速度/(g/车位)C936/38720/800.95/260.77/84B1140/571042/991.24/581.13/100

计算结果表明万吨单编列车编组的最大纵向力和纵向冲动分别为1140 kN和1.24g左右，基本接近于大秦线单编万吨列车或1+2+1方式2万t组合列车的结果。因此，在正常操纵下无断钩之虞，均能满足该长大坡道区间安全运行的要求。

(3)循环制动再充气时间与对缓坡设置的要求

根据单编万吨列车实际试验结果显示，在减压50 kPa时列车尾部副风缸的再充气时间要求在3 min以上，按HXD1双机牵引能充分满足此要求。在其中一台机车动力制动失效时，不能满足再充气的要求，虽然仍具备制动能力，但每次制动时间均在9 min以上，由此产生的制动热负荷过大，不利于车轮热损伤和闸瓦的磨耗，而当存在缓坡时，列车可获得较长再充气时间，也可减少制动热负荷的影响。因此，对于壶关—红旗渠段长达74 km左右的-13‰连续最大下坡道应考虑中间设置缓坡(增设平顺站)，从而将循环制动次数从6～7次减少到3～4次。

4安全畅通预案

长子南为山西中南部铁路的区段站，汤阴东为轻车方向重车的补机加挂点，长子南—汤阴东段长190 km，对于壶关—水冶南段为长110 km的长大下坡道，一旦煤运列车在长大下坡道上发生故障，若从长子南或汤阴东站调机车进行救援，则最大的救援区段长95 km(图10)。

图10　长子南—汤阴东救援点设置示意(单位：km)

即使按HXD型救援机车以120 km/h的速度运行，其纯运行时间也需近50 min，如考虑办理救援的各种手续、救援机车进入封锁区间的限速等，则时间将更长；根据前述研究，按制动缸保压漏气10 kPa/min计算，在使用紧急制动或常用全制动停车时，最不利的情况下，只能保压35 min，因此，故障列车可能因为救援时间太长，制动失效，造成放飏。若在较为居中的位置设置车站并增设救援机车，则救援距离将缩短一半，救援时间可基本控制在35 min，有效地防止故障列车放飏。因此，从这一方面考虑，也宜增设平顺站。

5结论

最大下坡道的设计必须考虑下坡道列车循环制动的运行安全性以及制动限速、停车制动安全性等问题。研究表明：双机牵引1万t重载列车在设计线路壶关至红旗渠地段的循环制动在合理操纵条件下均能满足长大下坡道运行安全性对充气和车钩力的要求；正常情况下可以适应-13‰连续下坡道条件下的循环制动，但在动力制动不够时可能发生充气和制动热负荷问题。考虑单机牵引或动力制动不足(供电故障等)的不良条件下，74 km连续长大下坡道万吨列车使用循环制动的次数可能达到10次之多，制动保压时间合计在50 min以上，占该区段运行时间50%左右，故在壶关与红旗渠间居中位置增设平顺站，并根据救援需要，配备机待线等相应的设施设备。

参考文献：

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Research on Setting of Slight Gradient between Huguan and Hongqiqu on Central and Southern Shanxi RailwayFU Chang-you, DING Xue-feng

(China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：The Central and Southern Shanxi Railway is a new line for 10 000-ton trains, and the first domestic line on which trains of 30t axle load 10 000-ton are tested. The design of vertical section and stations distribution of this railway has to satisfy the cycle braking and longitudinal impulse of 10 000-ton trains. This paper uses train longitudinal dynamics simulation software to guide the design of heavy haul railway. With simulations of 10 000-ton trains hauled by different locomotives, limited braking speed, braking length, operation safety and longitudinal impulse are analyzed when 10 000-ton trains run on the long downhill slope. Slight gradient of the long downhill slope between Huguan and Hongqiqu is studied so as to meet the requirements of operation, maintenance and rescue under abnormal conditions. Research suggests that one slight gradient shall be added between Huguan and Hongqiqu and rescue equipment provided. The research results have been applied in project design, an additional station is provided between Huguan and Hongqiqu with locomotive waiting track and equipped with double machine reconnection rescue locomotive.

Key words：Heavy haul railway; Long downhill slope; Slight gradient; Design

中图分类号：U212.3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.003

文章编号：1004-2954(2015)01-0011-05

作者简介：付昌友(1982—)，男，工程师，2005年毕业于同济大学交通运输工程学院交通运输专业，工学学士。

基金项目：中铁工程设计咨询集团有限公司科研项目(研2011-1)

收稿日期：2014-05-09； 修回日期：2014-06-11