楊麗娟，丁學(xué)鋒，付昌友，劉劍飛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

澳大利亞某礦區(qū)鐵路位于澳大利亞昆士蘭州，為煤炭專用運(yùn)輸鐵路，線路全長(zhǎng)約455 km，預(yù)測(cè)貨運(yùn)量為近期 4 000×104t、遠(yuǎn)期 6 000×104t，全部為起點(diǎn)裝車站運(yùn)至終點(diǎn)卸車站的煤炭。

根據(jù)澳大利亞的鐵路運(yùn)營(yíng)情況，大宗貨物的運(yùn)輸線路大量開(kāi)行重載列車，牽引質(zhì)量較大，且普遍采用較大軸重。如BHP紐曼山鐵路軸重為40 t，編組方案為2臺(tái)機(jī)車+110輛+2臺(tái)機(jī)車+110輛，牽引質(zhì)量約為35 000 t，采用DP技術(shù);FMG鐵路軸重40 t，編組輛數(shù)為240輛，采用雙機(jī)牽引，牽引質(zhì)量約39 000 t，使用ECP技術(shù)。

澳大利亞某礦區(qū)配套鐵路項(xiàng)目擬定的牽引質(zhì)量為25 000 t，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，對(duì)解決萬(wàn)噸級(jí)列車中部車輛車鉤受力過(guò)大這一核心問(wèn)題的兩種技術(shù)DP與ECP系統(tǒng)進(jìn)行比選，選擇出適宜的系統(tǒng)。此外，結(jié)合重載列車的發(fā)展趨勢(shì)，以及澳大利亞重載鐵路軸重情況，對(duì)25、30、37、40 t四個(gè)軸重方案進(jìn)行分析，給出適用于該項(xiàng)目的軸重的選擇過(guò)程與最終方案。

2 DP與ECP的比選

到20世紀(jì)末重載列車存在的兩大隱患:一是由于空氣制動(dòng)波速無(wú)法超過(guò)300 m/s，重載列車在常用、緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生前后制動(dòng)不一致，由于列車中巨大的縱向力而造成嚴(yán)重的斷鉤、脫軌事故;二是重載列車在長(zhǎng)大下坡道上、由于沒(méi)有階段緩解作用，再充氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易造成列車失控，威脅列車安全。目前，解決以上問(wèn)題有兩種技術(shù)，一是通過(guò)無(wú)線傳輸指令的機(jī)車無(wú)線同步操縱技術(shù)(DP)，二是通過(guò)有線傳輸指令的電控空氣制動(dòng)技術(shù)(ECP)。

DP系統(tǒng)是重載列車采用組合列車的形式、多臺(tái)機(jī)車分散在列車的前中后部，前部機(jī)車通過(guò)GSM－R系統(tǒng)向中、后部機(jī)車發(fā)布同步牽引和制動(dòng)命令，實(shí)現(xiàn)前、中、后部機(jī)車的牽引、動(dòng)力制動(dòng)同步操縱及空氣制動(dòng)系統(tǒng)同步制動(dòng)與緩解。DP系統(tǒng)能有效減輕重載列車的牽引車鉤力;在彎道上減少列車阻力，減輕輪軌磨耗，降低燃油成本;中、后部機(jī)車同步參與了全列車的列車管排風(fēng)與充風(fēng)，加快了列車的充排風(fēng)速度，提高制動(dòng)波傳播速度，有利于減輕列車制動(dòng)縱向力作用，減少斷鉤的危險(xiǎn)。我國(guó)大秦線采用的是該技術(shù)，大秦線的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明開(kāi)行20 000 t列車需要采用機(jī)車無(wú)線同步操縱技術(shù)(DP系統(tǒng))+可控列尾的條件下(編組方式為 HXD1×1+105×C80+HXD1×1+105×C80+可控列尾)，組合列車中部的車鉤力大于1 000 kN，為解決車鉤疲勞破壞的問(wèn)題，同一卸車單元(即3輛車一組)內(nèi)車輛間改用牽引桿連接。

ECP系統(tǒng)是主控機(jī)車通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接控制列車中各輛車的副風(fēng)缸向制動(dòng)缸充風(fēng)制動(dòng)或制動(dòng)缸排風(fēng)緩解，空氣是制動(dòng)力產(chǎn)生來(lái)源，但空氣不再作為控制指令傳遞的介質(zhì)，達(dá)到整列車的車輛同時(shí)響應(yīng)制動(dòng)、緩解信息，具有嚴(yán)格的同步性。同時(shí)還具有階段制動(dòng)和階段緩解性能，利用貫通全列車的電纜可同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)車動(dòng)力分散牽引控制。各國(guó)采用ECP系統(tǒng)后，取得良好的效果:平均車鉤力降低25%，斷鉤事故基本消滅，消除制動(dòng)工況下脫軌的危險(xiǎn);制動(dòng)距離可縮短50% ～70%;消除意外緊急制動(dòng)現(xiàn)象;車輛平均周轉(zhuǎn)時(shí)間至少縮短9%;壓力空氣消耗降低，節(jié)能23%;車輛維修費(fèi)用降低，車輪磨耗減少7%，閘瓦磨耗減少27%;車輪踏面剝離大大減輕;車體疲勞載荷降低。2009年美國(guó)交通部正式要求重載列車上全部裝用ECP裝置。

本文對(duì)DP和ECP系統(tǒng)進(jìn)行了停車制動(dòng)仿真，并針對(duì)項(xiàng)目的運(yùn)量特征和運(yùn)輸組織特點(diǎn)，選擇出能夠保證運(yùn)輸安全，并有利于提高該項(xiàng)目運(yùn)輸組織效率的系統(tǒng)。

2.1 DP與ECP系統(tǒng)的停車制動(dòng)仿真

分別針對(duì)DP、ECP系統(tǒng)進(jìn)行了不同軸重列車的緊急制動(dòng)和常用制動(dòng)仿真。考慮到澳大利亞某礦區(qū)配套鐵路項(xiàng)目擬定的牽引質(zhì)量為25 000 t，編組按8 400 t+8 300 t+8 300 t計(jì)算。車輛制動(dòng)能力按照AAR標(biāo)準(zhǔn)(S－461－76貨車制動(dòng)機(jī)性能規(guī)范和 M－926－720閘瓦性能規(guī)范)計(jì)算，比較不同軸重列車的制動(dòng)距離、最大縱向力和縱向減速度分布。仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

如表1所示，使用不同軸重車輛的編組，在既有的重載線路條件下，應(yīng)用DP或ECP控制方式均能滿足牽引、制動(dòng)能力和坡道運(yùn)行的基本要求，但其縱向動(dòng)力學(xué)性能主要受到編組方式、控制方式不同的影響而有重大差異。仿真研究結(jié)果總結(jié)如下所述。

表1 采用DP和ECP系統(tǒng)不同軸重列車停車制動(dòng)仿真

(1)ECP對(duì)改善列車縱向動(dòng)力學(xué)的性能有重大影響，無(wú)論軸重、空重車編組列車均可明顯縮短制動(dòng)距離和時(shí)間，例如25 000 t重車編組列車緊急制動(dòng)距離至少減少30%以上，常用制動(dòng)距離減少近50%?？v向力的減少更為明顯，緊急制動(dòng)減少70%以上，常用制動(dòng)減少近50%，縱向沖動(dòng)及其分布也有重大改善。

(2)ECP對(duì)不同軸重的效果相差不大，重車列車緊急制動(dòng)時(shí)40 t軸重最大壓鉤力較小、常用制動(dòng)時(shí)37 t軸重最大壓鉤力較小。在DP方式下，由于隨著軸重增加，列車編組輛數(shù)減少，制動(dòng)距離、時(shí)間有所減少，縱向力也有所改變。

(3)空車編組列車具有大坡道起動(dòng)能力，可提高運(yùn)行速度;另一方面縱向力也較重車列車有所減輕，但縱向沖動(dòng)明顯增加。

(4)在常用制動(dòng)情況下，空車編組列車在DP控制下的最大縱向力均在1 000 kN以下，30 t軸重編組的縱向力最低在700 kN以下。ECP方式可使縱向力減少到300 kN以下，并基本上不受軸重的影響，縱向沖動(dòng)也有類似的規(guī)律性。

綜合以上分析，從列車控制方式方面ECP較優(yōu)，能夠使列車縱向動(dòng)力學(xué)的性能有重大改善。

2.2 DP與ECP系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸組織的影響

采用DP技術(shù)的重載鐵路須開(kāi)行組合列車，組合列車一般需分部裝車與卸車，運(yùn)輸作業(yè)環(huán)節(jié)較多，我國(guó)大秦線開(kāi)行的20 000 t列車就是如此;而采用ECP技術(shù)的重載鐵路則沒(méi)有此要求，其運(yùn)輸組織的適應(yīng)性較強(qiáng)。大秦線采用DP系統(tǒng)的主要原因是其重載列車需路網(wǎng)相關(guān)線路進(jìn)行集疏運(yùn)，如采用ECP車輛，則車輛購(gòu)置費(fèi)較大，且沿線人口稠密、車輛維護(hù)較困難;牽引質(zhì)量?jī)H20 000 t，相對(duì)較小，DP系統(tǒng)能夠適應(yīng)。

澳大利亞某礦區(qū)配套鐵路運(yùn)量全部為起點(diǎn)運(yùn)至終點(diǎn)的煤炭，該線為獨(dú)立運(yùn)輸系統(tǒng)，組織開(kāi)行固定車底循環(huán)直達(dá)列車，車輛無(wú)解編作業(yè)，ECP系統(tǒng)貫通全列車的電纜并不影響運(yùn)輸組織，故項(xiàng)目能夠采用 ECP系統(tǒng)。

綜上所述，列車控制方式以ECP為優(yōu)，且能夠適應(yīng)項(xiàng)目的運(yùn)輸組織特點(diǎn)。因此，澳大利亞某礦區(qū)配套鐵路項(xiàng)目宜采用ECP系統(tǒng)。

3 項(xiàng)目的軸重比選分析

軸重選擇需在保證運(yùn)輸安全的前提下完成運(yùn)輸任務(wù)，減少工程建設(shè)成本，并降低建成后的運(yùn)營(yíng)成本，盡量使鐵路的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。影響軸重選擇的因素主要有:運(yùn)輸安全、對(duì)預(yù)測(cè)運(yùn)量的適應(yīng)性、對(duì)工程的影響，以及鐵路運(yùn)營(yíng)成本等。

(1)運(yùn)輸安全

由于列車縱向力與其長(zhǎng)度成正比，軸重越大編組輛數(shù)越少，車輛長(zhǎng)度越短，可減少斷鉤等事故，有利于列車安全。

(2)對(duì)運(yùn)輸能力的影響

軸重選擇需滿足預(yù)測(cè)運(yùn)量對(duì)鐵路運(yùn)輸能力的要求，軸重提高后可在一定程度上提高線路的運(yùn)輸能力，在列車編組輛數(shù)相同時(shí)，軸重越大列車的牽引質(zhì)量越大，列車的年輸送能力也隨之增加。

(3)對(duì)工程的影響

軸重的增大對(duì)于線路、橋梁等固定設(shè)備的要求也相應(yīng)提高。但另一方面，在同樣的牽引質(zhì)量下，可縮短編組列車長(zhǎng)度和站線有效長(zhǎng)度;在同樣站線有效長(zhǎng)度下，采用同樣的編組輛數(shù)，能提高牽引質(zhì)量，減少行車量，并減少會(huì)讓站的分布數(shù)量。

(4)鐵路運(yùn)營(yíng)成本

軸重增加能夠減少完成運(yùn)量所需的車輛總數(shù)，不僅減輕了車輛維修管理工作，也減少了調(diào)度、裝車、計(jì)量、質(zhì)驗(yàn)、卸車、運(yùn)費(fèi)核算等工作量，降低運(yùn)營(yíng)成本。

根據(jù)上述軸重選擇的影響因素，重點(diǎn)對(duì)不同軸重車輛的停車制動(dòng)、運(yùn)輸能力、工程影響、運(yùn)營(yíng)成本4個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 不同軸重的停車制動(dòng)計(jì)算

不同軸重主要影響列車編組輛數(shù)和長(zhǎng)度，由于不同軸重列車的每百噸列車重力換算閘瓦壓力基本相同，因此在同樣機(jī)車和列車重力條件下的牽引能力和制動(dòng)能力差別不大，反映為隨軸重增加，列車牽引能力、制動(dòng)距離和時(shí)間的變化不大;縱向力則有不太大的下降趨向。

根據(jù)以上采用DP和ECP系統(tǒng)時(shí)不同軸重列車的停車制動(dòng)仿真結(jié)果，在采用ECP系統(tǒng)時(shí)，不同軸重的停車制動(dòng)均能夠滿足要求，且效果相差不大;但重車列車緊急制動(dòng)時(shí)40 t軸重最大壓鉤力較小、常用制動(dòng)時(shí)37 t軸重最大壓鉤力較小，故軸重增加對(duì)列車停車制動(dòng)性能有一定改善。

3.2 軸重對(duì)運(yùn)輸能力的影響

在車站到發(fā)線有效長(zhǎng)保持不變的情況下，軸重的提高能夠增加列車的輸送能力。目前，我國(guó)20 000 t列車常用的到發(fā)線有效長(zhǎng)為2 800 m，若用足到發(fā)線，25、30、37、40 t軸重列車的輸送能力見(jiàn)表2。

表2 不同軸重列車的年輸送能力

如表2所示，采用40 t軸重車輛較25 t軸重車輛的年輸送能力提高約50%、37 t軸重較25 t提高40%。項(xiàng)目的預(yù)測(cè)運(yùn)量為近期4 000×104t、遠(yuǎn)期6 000×104t，遠(yuǎn)期40 t軸重車輛較25 t軸重行車量減少4對(duì)，估算的車站數(shù)量減少6個(gè);37 t軸重的遠(yuǎn)期行車量為9對(duì)、估算車站數(shù)量為13個(gè)，較40 t軸重方案相差不大。因此，從提高能力角度，宜選擇37 t或40 t軸重。

3.3 軸重對(duì)工程的影響

制約軸重增加的主要因素有橋梁、鋼軌、道砟、路基、焊接接頭等，大軸重對(duì)線路、橋梁等固定設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用要求較高。但軸重提高以后，可提高牽引質(zhì)量并減少車站的分布，或在牽引質(zhì)量相同的條件下縮短站線有效長(zhǎng)。

車站到發(fā)線有效長(zhǎng)度須滿足列車長(zhǎng)度的要求，并考慮停車安全附加距離，根據(jù)相關(guān)研究及大秦線的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重載線路可采用列車長(zhǎng)度的10%作為停車安全附加距離。不同軸重對(duì)應(yīng)的到發(fā)線有效長(zhǎng)見(jiàn)表3。

表3 不同軸重的到發(fā)線有效長(zhǎng)

在相同牽引質(zhì)量的前提下，車輛軸重增大能減少編組輛數(shù)，相應(yīng)的縮短到發(fā)線有效長(zhǎng)。牽引質(zhì)量為25 000 t時(shí)，采用40 t軸重，到發(fā)線有效長(zhǎng)較25 t短1 050 m、37 t軸重較25 t短850 m。從縮短到發(fā)線有效長(zhǎng)方面，37、40 t軸重較優(yōu)。

3.4 軸重對(duì)運(yùn)營(yíng)成本的影響

結(jié)合澳大利亞某礦區(qū)配套鐵路項(xiàng)目的特點(diǎn)，將運(yùn)營(yíng)成本分為4個(gè)部分:軌面以上、軌面以下、綜合行政管理和維護(hù)支持4個(gè)部分;分別從燃料和能源支出、薪水與報(bào)酬、合同與服務(wù)費(fèi)用、維護(hù)材料與服務(wù)費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)消耗支出、管理費(fèi)用共6個(gè)方面進(jìn)行分析。項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)成本組成內(nèi)容見(jiàn)表4。

根據(jù)以上各項(xiàng)內(nèi)容，測(cè)算不同軸重的可變成本和固定成本?？勺兂杀局富陧?xiàng)目運(yùn)量的有關(guān)開(kāi)支，主要包括列車油耗、機(jī)車車輛維護(hù)成本、司機(jī)等乘務(wù)人員工資等;固定成本指在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的固定開(kāi)支，包括線路和建筑物類等軌面以下設(shè)施的維護(hù)成本、鐵路公司人員和車站人員的工資等。

通過(guò)測(cè)算，不同軸重的單位運(yùn)營(yíng)成本見(jiàn)表5。

表4 運(yùn)營(yíng)成本組成內(nèi)容

表5 不同軸重的鐵路運(yùn)營(yíng)成本

4個(gè)不同軸重方案的年運(yùn)營(yíng)成本關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 不同軸重方案的年運(yùn)營(yíng)成本趨勢(shì)

如圖1所示，從運(yùn)營(yíng)成本方面，軸重越大運(yùn)營(yíng)成本越低，比較而言，37、40 t軸重較為節(jié)省成本。

4 結(jié)論

以澳大利亞某礦區(qū)擬建的煤炭運(yùn)輸重載鐵路為研究對(duì)象，對(duì)項(xiàng)目擬采用的重載技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析比選了DP和ECP系統(tǒng)。盡管DP或ECP控制方式均能滿足牽引、制動(dòng)能力和坡道運(yùn)行的基本要求，但ECP系統(tǒng)不僅在列車控制方式方面較優(yōu)，能夠使列車縱向動(dòng)力學(xué)的性能有重大改善，且適用于項(xiàng)目的運(yùn)輸組織特點(diǎn)。故經(jīng)研究認(rèn)為項(xiàng)目宜采用ECP系統(tǒng)。

此外，對(duì) 25、30、37、40 t四種軸重進(jìn)行了對(duì)比選擇研究。從停車制動(dòng)方面，使用不同軸重車輛的編組在既有的重載線路條件下，不同軸重的停車制動(dòng)均能夠滿足要求，且效果相差不大;但軸重增加對(duì)列車的停車制動(dòng)性能有一定改善。從提高能力、縮短站線長(zhǎng)度、建設(shè)車站分布、節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本等方面37、40 t軸重均優(yōu)于25、30 t軸重。因此，認(rèn)為澳大利某礦區(qū)配套鐵路項(xiàng)目宜采用37 t及以上軸重。

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