我国重载铁路速度目标值探讨

赵　斗

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)



我国重载铁路速度目标值探讨

赵斗

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

摘要：重载铁路运输品类为大宗货物，其牵引质量大、轴重大，重载铁路速度目标值的确定有别于普通货运铁路，需要深入探讨。从行车组织、路基、桥梁、轨道、供电等方面，对重载铁路速度目标值为80、100、120 km/h时分别进行计算和对比，并结合国内外运营实际进行分析。对比分析表明，不同速度目标值对轨道、路基、桥梁、供电等影响不大，但当速度目标值大于100 km/h时，机车牵引和制动难以实现，重载货物列车设计行车速度等于或小于100 km/h是适宜的。

关键词：重载铁路；速度目标值；牵引质量；轴重

2005年国际重载运输协会(IHHA)对重载铁路的定义为：重载列车牵引质量至少达到8 000 t，轴重(或计划轴重)为270 kN及以上，在至少150 km线路区段上年运量超过40 Mt，3项条件满足其中2项称为重载铁路。重载铁路运输品类为大宗货物，其牵引质量高、轴重大，重载铁路速度目标值的确定有别于普通货运铁路，需要深入研究探讨。下面从行车组织、路基、桥梁、轨道、供电等方面进行计算分析，并结合运营实践，对重载铁路速度目标值进行探讨[1]。

1国内外运营经验

1.1国外重载铁路速度目标值

据统计，国外重载铁路速度目标值均在80 km/h以内，详见表1。仅南非于1999年在电气化铁路COALink线上进行了由6台机车牵引2.2万t的重载列车试验，列车最高速度为88 km/h[2-5]。

1.2国内重载铁路

目前我国既有线HX机车最高速度120 km/h，SS机车最高速度不超过100 km/h。C80系列车辆商业运营速度100 km/h。大秦线重车最高速度80 km/h，空车90 km/h[6]。

2不同速度目标值对工程和运营影响分析

下面考虑重载铁路速度目标值取值分别为80、100、120 km/h时，对行车、路基、桥梁、轨道、供电等方面的影响进行计算分析。

2.1行车2.1.1不同速度目标值对牵引的影响

采用HXD2型机车牵引10 000 t(108辆C70型车辆，加可控列尾)为例进行分析，单机牵引10 000 t时仅能在不大于2.2‰的坡道上达到80 km/h的速度目标值，不大于0.25‰的坡道上达到100 km/h的速度目标值，在平坡上不能达到120 km/h的速度目标值；双机牵引时可以在不大于6.3‰的坡道上达到80 km/h的速度目标值，不大于3.6‰的坡道上达到100 km/h的速度目标值，在不大于1.8‰的坡道上可达到120 km/h的速度目标值[7]。

表1　国外重载铁路统计

2.1.2不同速度目标值对列车制动的影响

列车的制动距离与机车车辆的性能、列车的编组构成、线路的平纵断面条件及列车的制动初速度等多种因素有关，本次采用HXD2型机车单机牵引10 000 t(108辆C70型车辆，加可控列尾)为例计算得出在4‰～12‰的坡道上制动初速分别为80、100、120 km/h的制动距离，详见表2。

表2　HXD2-108辆C70列车紧急制动距离计算　m

根据《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》263条规定，货物列车(货车轴重≥250 kN)紧急制动距离限值为1 400 m。通过上述计算，重载货物列车速度120 km/h，各种限制坡度均不能满足紧急制动距离要求；列车速度100 km/h，限制坡度6‰及以下时，能够满足紧急制动距离的要求；列车速度80 km/h，均能够满足紧急制动距离的要求[8]。

2.1.3不同速度目标值对线路能力的影响

线路的通过能力受线路的正线数目、平纵断面条件、闭塞方式、天窗时间、车站咽喉区的长度、列车的运行速度、信号系统的制式、闭塞分区的长度、车站的作业时间等多种因素影响。

(1)单线

单线线路的能力主要受线路闭塞方式、车站距离、列车运行速度、车站的间隔时间、列车的起停附加时分影响。本次分析HXD2牵引108辆C70型车为例，分析站间距分别为10、15和20 km时，计算得出线路坡度在-4‰～4‰采用半自动闭塞类型时不同速度目标值对能力的影响值，详见表3。

表3　单线半自动闭塞不同速度目标值能力计算

(2)双线

双线线路的通过能力主要与列车的追踪间隔及线路的天窗时间有关，而列车的追踪间隔与信号的闭塞方式、闭塞分区的长度、列车的长度、列车的运行速度有关。闭塞分区的长度则和列车的编组方式、线路具体的平纵断面情况、信号的闭塞方式、线路要求的通过能力、列车的运行速度有关。这些因素相互影响，相互作用，需要根据实际情况进行具体的分析计算才能计算出线路的通过能力。

2.2路基

路基面动应力是与列车速度、轴重、机车车辆动态特性、轨道结构、轨道不平顺、距轨底深度及路基状态有关的一个随机函数。由理论计算可知，路基面动应力随着列车速度和轴重的提高而增加，但是动应力增幅不大，速度提高20 km/h动应力增加约6%。动应力与轴重关系较为明显，随着轴重的增加动应力增幅较大，轴重由250 kN增加到300 kN，动应力增加约20%。详见表4[9]。

表4　动应力计算

因此，路基面动变形随着行车速度和轴重的提高而增长，速度的提高(80、100、120 km/h)对路基的影响不大，轴重为主要的影响因素。

2.3桥梁

选取某线大桥，建立模型，采用空间有限元程序Midas计算，计算不同时速下离心力值、墩顶位移与墩身应力检算结果见表5、表6、表7。

表5　不同时速下离心力值计算

从计算结果可以看出，时速由80 km变为120 km时离心力值变化较大，但墩顶位移与墩身受力特性均相差不大，故在荷载加载图式不变的前提下，可以忽略不同速度对结构的影响[10]。

表6　中间墩墩顶位移计算

表7　中间墩基底应力计算

2.4轨道

重载列车速度越高，传递给轨道结构的横向力提高越明显，以致造成轨道几何状态的恶化，轨道部件的失效，以及养护维修费用的增加等，曲线地段尤其明显。目前，重载规范送审稿中动力系数按3.0取值，没有考虑速度的影响。而根据《铁路轨道强度检算法》(TB2034—88)有关速度系数取值原则，设计速度80、100、120 km/h对应的速度系数对于电力机车分别为1.48、1.60、1.72；对于内燃机车对应的速度系数则分别为1.24、1.32、1.48，均远小于3。据此对轨道强度进行检算，均在容许限值范围内[11]。

2.5牵引供电2.5.1基础数据

以大秦线为例，列出了万吨级列车不同速度下的综合能耗和电流值。详见表8、表9。

表9　各种速度目标值牵引电流及平均电流计算

2.5.2分析

从表8、表9看出，速度从80 km/h增大到120 km/h时，牵引电流变化幅度较小，总能耗的增加较少；但平均电流增幅较大，速度增长使得区间的机车带电概率相应增加，机车带电(牵引)电流与平均电流非常接近。由于牵引电流和速度变化影响较小，区间内机车牵引时间不变，因此在机车连续上坡的区段，可能会存在着满功率取电情况，并且大于区间内机车牵引平均电流[12]。

3结论

通过国内外重载铁路现状分析，重载列车速度目标值100 km/h已经能够满足需要。计算分析表明，速度的提高(80、100、120 km/h)引起路基面动应力增长，速度提高20 km/h动应力增加6%左右，影响不大；速度提高对桥梁离心力值变化较大，但墩顶位移与墩身受力特性均相差不大，故在荷载加载图式不变的前提下，可以忽略不同速度对结构的影响；轨道强度按照不同速度进行检算，均在容许限值范围内；速度提高牵引电流变化幅度较小，总能耗的增加较少，但平均电流增幅较大，区间的机车带电概率相应增加，在连续上坡区段，可能会存在满功率取电情况。牵引计算表明，单机牵引10 000 t时在平坡上也不能达到120 km/h的速度目标值，双机牵引在不大于1.8‰的坡道上可达到120 km/h的速度目标值；重载货物列车速度120 km/h，各种限制坡度均不能满足紧急制动距离要求，不能满足《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》的有关规定。

因此，重载列车速度目标值大于100 km/h牵引制动难以实现，同时也对轨道、路基、桥梁、供电等提出了更高的要求，因此，重载货物列车设计行车速度等于或小于100 km/h是适宜的。

参考文献：

[1]钱立新.世界铁路重载运输技术的最新进展[J].机车电传动，2010(1)：3-5.

[2]钱立新.世界铁路重载运输技术[J].中国铁路，2007(6)：23-25.

[3]钱立新.国际重载机车车辆的最新进展[J].机车电传动，2002(1)：1-5.

[4]阚叔愚，陈岳源，周锡九.重载铁路工程[M].北京：中国铁道出版社，1994.

[5]李宏.国外重载铁路综述[J].铁道工程学报，2000(4)：32-35.

[6]耿志修.大秦铁路重载运输技术[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[7]中华人民共和国铁道部.TB1407—1998列车牵引计算规程[S].北京：中国铁道出版社，1998.

[8]中华人民共和国铁道部.TG01—2014铁路技术管理规程(普速铁路部分)[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[9]中华人民共和国铁道部.TB10001—2005铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[10]中华人民共和国铁道部.TB10002D1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[11]中华人民共和国铁道部.TB2034—88铁路轨道强度检算法[S].北京：中国铁道出版社，1988.

[12]中华人民共和国铁道部.TB10009—2005铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

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

中图分类号：U239.4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.001

文章编号：1004-2954(2016)04-0001-03

作者简介：赵斗(1971—)，男，教授级高级工程师，工程硕士，E-mail:zhaodou@126.com。

收稿日期：2015-12-07； 修回日期：2015-12-17