環行鐵道試驗基地重載試驗線主要技術標準研究

閆曉春，趙長石，張格明，馬戰國，鄭 力

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 國家鐵道試驗中心，北京 100015；2.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081;4.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081;5.京沈鐵路客運專線京冀有限公司，北京 100039)

重載鐵路是指滿足列車牽引質量 8 000 t 及以上、軸重27 t及以上、在至少150 km線路區段上年運量大于40 Mt 3項條件中2項的鐵路[1]。根據國外鐵路貨運發展經驗，提高貨車軸重(30～40 t)、開行重載單元列車(萬t及以上)已成為世界各國擴大貨運能力所采取的主要技術途徑。按照我國中長期鐵路網發展規劃，在客運專線網絡基本建成后，既有路網實現客貨分流運輸模式，在既有線上發展重載運輸并修建新的重載煤運通道，以解決我國能源戰略高增長態勢所帶來的既有路網運能不足的問題。由于重載技術的復雜性，僅靠設計與理論計算難以滿足可靠、安全、耐久等系統關鍵性指標的要求，必須依靠大量的實車實線試驗，對可靠性、安全性、耐久性、節能環保特性等進行試驗評估。因此，依托中國鐵道科學研究院集團有限公司環行鐵道試驗基地建設重載試驗線，用于新技術、新裝備的綜合系統試驗、檢測和調試，具有重要意義[2]。

利用京沈客運專線星火動車運用所和環行鐵道試驗基地既有試驗線的夾心地建設重載試驗線，線路全長約8.6 km。按照TB 10625—2017《重載鐵路設計規范》的規定，需要根據需求作用、沿線地形等條件確定重載試驗線的主要技術標準。因此，本文在參考國內外主要重載鐵路技術標準的基礎上，結合重載試驗線建設需求和環行鐵道試驗基地地形條件，研究并確定重載試驗線設計軸重、正線數目、最高速度、最小平面曲線半徑、限制坡度等主要技術標準。

1 國內外主要重載鐵路技術標準

通過調研分析得到國內外主要重載鐵路的技術標準見表1和表2，為研究重載試驗線的主要技術標準提供參考依據。

2 重載試驗線主要技術標準研究方案

2.1 設計軸重

目前美國、加拿大、澳大利亞、巴西等國家的貨物列車普遍采用32.4 t軸重，美國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與海德蘭港鐵路的軸重已達40 t[3]。

我國重載鐵路正逐漸向軸重30 t發展。以C80貨車為代表的軸重25 t運煤專用敞車已在大秦、朔黃、北同蒲等重載鐵路上普遍運用，并已逐漸開展軸重27 t C80E貨車的推廣應用工作。瓦日鐵路設計軸重30 t，且完成了軸重30 t重載鐵路綜合試驗，形成了我國軸重30 t重載鐵路成套技術。

2013年1月9日，原中華人民共和國鐵道部令第34號發布的《鐵路主要技術政策》規定：“新建重載鐵路設計軸重不小于30 t” 。

結合我國重載鐵路主要運輸煤炭的實際情況，綜合考慮國內外重載鐵路的發展現狀與趨勢，以及重載試驗線的試驗需求，建議重載試驗線貨物列車車輛軸重按35 t考慮。

表1 國外主要重載鐵路統計

表2 國內主要重載鐵路統計

2.2 正線數目

結合京沈客運專線星火動車所和試驗基地的建設用地情況，中國鐵道科學研究院集團有限公司聯合京沈鐵路客運專線京冀有限公司和中國鐵路設計集團有限公司提出了建設重載試驗線的建議。經中國鐵路總公司研究批準，同意“利用動車所和既有環線間既有用地及夾心地”研究實施重載試驗線。

受建設用地限制，考慮到試驗基地既有試驗線和國外絕大多數試驗線均為單線，建議重載試驗線按照單線設計。

2.3 最高速度

1)國內外重載鐵路最高速度。由表1可知，國外重載鐵路最高運行速度均在80 km/h以內。國內既有重載鐵路最高運行速度重車不超過80 km/h，空車不超過90 km/h。表2中我國重載鐵路設計速度大部分為120 km/h，主要是考慮運行旅客列車的需求[4]。

2)機車、車輛的構造速度。目前我國重載鐵路使用的交流傳動大功率機車主要技術參數見表3,大秦鐵路運用的運煤敞車主要技術參數見表4[5]。由表3、表4可知，機車最高速度為100～120 km/h，敞車最高速度為100 km/h。

表3 交流傳動機車主要技術參數

表4 C80，C80B型運煤敞車主要技術參數

3)《鐵路主要技術政策》規定：“新建重載鐵路設計速度不大于100 km/h”。

綜上分析，重載列車速度目標值大于100 km/h難以實現，故確定重載試驗線最高速度不大于100 km/h。重載試驗線主要模擬重車工況并開展相關試驗，考慮到國內外重載列車實際運行速度的現狀，建議重載試驗線最高速度為80 km/h。

2.4 最小平面曲線半徑

滿足最高行車速度要求的最小平面曲線半徑應滿足下式

(1)

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

滿足內外軌均勻磨耗要求的最小曲線半徑應滿足下式

(2)

式中：Rj為滿足內外軌均勻磨耗條件的曲線半徑，m；Vmin為列車通過曲線的最低速度，取50 km/h[4]；hgy為過超高容許值，取50 mm[6]。

按照式(1)、式(2)計算最高速度80 km/h的最小曲線半徑，見表5。

表5 最小曲線半徑 m

由于重載鐵路軸重大，年通過總量大，鋼軌磨耗較常規的客貨混運鐵路嚴重。隨著曲線半徑的增大，尤其當曲線半徑>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]。重載試驗線建成后主要用于重載移動裝備、工務設備的安全性和耐久性試驗、重載技術系統試驗，以及高速綜合檢測動車組、軌道檢查車、鋼軌探傷車等檢測車輛的動態標定。因此，重載試驗線應盡可能接近運營線路的實際工況。

綜上所述，考慮試驗需求、使用經濟、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，建議重載試驗線的最小平面曲線半徑為500 m。

2.5 限制坡度

限制坡度最大值計算公式如下

(3)

本次研究以HXD2型電力機車作為牽引機車，牽引力取554 kN，機車計算質量200 t。牽引車輛采用C80，車輛自重20 t，車長12 m[9]。在80 km/h計算速度下，HXD2型機車單位基本阻力和重貨車單位基本阻力如表6所示[10]。

表6 重貨車和HXD2機車單位基本阻力 N/t

按照式(3)計算80 km/h速度下不同牽引機車數量牽引10 000 t和20 000 t的限制坡度最大值，見表7。

表7 限制坡度 ‰

環行鐵道試驗基地站場到發線有效長度為650 m，通過借用站場與試驗正線之間的聯絡線，可以滿足編組 10 000 t重載列車的要求；20 000 t重載列車編組需要約 2 800 m，目前試驗基地站場不具備條件。因此，研究重載試驗線限制坡度時僅考慮萬t重載列車需求。

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

綜上所述，重載試驗線作為我國重載運輸方面的科技創新平臺，主要模擬重車工況并開展相關試驗，應最大限度地模擬運營干線的最不利工況，滿足設計最高速度范圍內以各速度級運行的試驗需求。因此，結合科研試驗需要，建議重載試驗線限制坡度為13‰，在三機牽引萬t條件下，滿足最高速度運行的需求。

3 結論

本文在調研分析國內外主要重載鐵路的技術標準的基礎上，結合重載試驗線建設需求和環行鐵道試驗基地地形條件，確定重載試驗線的主要技術標準為設計軸重35 t，單線鐵路，最高速度80 km/h，最小曲線半徑500 m，限制坡度13‰。