山區(qū)鐵路散裝水泥裝車方式及能力研究

李 東

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 線站院，上海 200000)

梅州蕉嶺鐵路專用線位于廣東省梅州市境內(nèi)，沿線經(jīng)過主要地貌有剝蝕丘陵、丘間谷地及沖洪積平原等地貌單元。地形起伏標(biāo)高在45 ~ 440 m 之間，車站選址多位于丘陵山區(qū)地帶，車站整體布局及貨運(yùn)設(shè)備布置需充分結(jié)合山區(qū)地形條件，針對線路最大運(yùn)量貨物品類——散裝水泥，需在滿足貨運(yùn)裝車功能的前提下，做到因地制宜，節(jié)約占地，進(jìn)行適應(yīng)性布置。

1 散裝水泥市場需求及車站布局

1.1 梅州蕉嶺鐵路專用線水泥市場需求分析

梅州蕉嶺鐵路專用線是一條承擔(dān)蕉嶺地區(qū)水泥外運(yùn)為主的貨運(yùn)鐵路專用線，起于既有漳龍線丙村站到文福站，經(jīng)梅縣區(qū)丙村鎮(zhèn)、城東鎮(zhèn)、石扇鎮(zhèn)至蕉嶺縣，經(jīng)新鋪鎮(zhèn)、蕉華工業(yè)園區(qū)、蕉城鎮(zhèn)終至文福鎮(zhèn)，新建正線長度56.065 km，另預(yù)留新鋪支線3.06 km。沿線新設(shè)石扇站、新鋪站、蕉華站、文福站4 個(gè)車站。線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Main technical standards of the line

蕉嶺縣境內(nèi)主要有塔牌、皇馬、油坑三大集團(tuán)共計(jì)5 家大型水泥廠，主要分布在文福鎮(zhèn)、華僑農(nóng)場、新鋪鎮(zhèn)。2021 年蕉嶺縣水泥廠熟料生產(chǎn)情況[1]如表2 所示。

表2 2021 年蕉嶺縣水泥廠熟料生產(chǎn)情況 萬tTab.2 Production of clinker in Jiaoling County cement plantin 2021

1.2 車站布局及貨物到發(fā)量分析

1.2.1 文福站建設(shè)及貨物到發(fā)量分析

文福站位于廣東省梅州市蕉嶺縣文福鎮(zhèn)境內(nèi)，主要服務(wù)于廣東塔牌集團(tuán)股份有限公司。水泥廠鐵路發(fā)送作業(yè)量以成品散裝和袋裝水泥為主。預(yù)測文福站2035 年，2045 年水泥發(fā)送量為340 萬t，390 萬t，其中，散裝水泥發(fā)送量分別為204 萬t，234 萬t；袋裝水泥發(fā)送量分別為136 萬t，156 萬t。

文福站為橫列式直線車站，站坪長度1.965 km。到發(fā)場設(shè)1 條正線3 條到發(fā)線，有效長650 m。裝卸場設(shè)有散裝水泥裝車區(qū)、袋裝水泥裝車區(qū)。散裝水泥裝車區(qū)設(shè)1 條裝車線，遠(yuǎn)期預(yù)留1 條，有效長900 m；袋裝水泥裝車區(qū)設(shè)1 條裝車線，遠(yuǎn)期預(yù)留1 條，有效長650 m，設(shè)550×20 m 裝車站臺1 座。散裝水泥裝車筒倉兩座及配套輸送管廊。文福站示意圖如圖1 所示。

圖1 文福站示意圖Fig.1 Schematic of Wenfu Station

1.2.2 石扇站建設(shè)及貨物到發(fā)量分析

石扇站位于廣東省梅州市梅縣區(qū)石扇鎮(zhèn)境內(nèi)，服務(wù)于梅州皇馬水泥有限公司。水泥廠鐵路發(fā)送作業(yè)量以成品散裝水泥為主，預(yù)測石扇站2035 年，2045年散裝水泥發(fā)送量分別為120 萬t，160 萬t。

石扇站地勢起伏較大，相對高差120 ~ 500 m，車站為直線車站，站坪長度1.75 km。設(shè)1 條正線2條到發(fā)線(兼裝卸線)，1 條牽出線，遠(yuǎn)期預(yù)留1 條到發(fā)線，有效長650 m。散裝水泥裝車筒倉一座及配套輸送管廊。石扇站示意圖如圖2 所示。

圖2 石扇站示意圖Fig.2 Schematic of Shishan Station

1.2.3 新鋪站建設(shè)及貨物到發(fā)量分析

新鋪站位于廣東省梅州市蕉嶺縣新鋪鎮(zhèn)境內(nèi)，服務(wù)于蕉嶺縣油坑企業(yè)集團(tuán)龍騰旋窯水泥有限公司。水泥廠鐵路發(fā)送作業(yè)量以成品散裝和袋裝水泥為主。預(yù)測新鋪站2035 年、2045 年水泥發(fā)送量分別為200 萬t、235 萬t，其中，散裝水泥發(fā)送量分別為120 萬t、141 萬t；袋裝水泥發(fā)送量分別為80 萬t、94 萬t。

新鋪站為盡端式直線車站，呈縱列式布置，站坪長度1.95 km。設(shè)正線1 正2 到，有效長650 m，另設(shè)1 條機(jī)待線，3 條貨物線。貨場內(nèi)設(shè)550 m×20 m×1.1 m 袋裝水泥裝車站臺1 座、散裝水泥裝車筒倉1 座及配套輸送管廊。新鋪站示意圖如圖3 所示。

圖3 新鋪站示意圖Fig.3 Schematic of Xinpu Station

2 散裝水泥運(yùn)輸裝卸方式

梅州蕉嶺鐵路專用線始發(fā)貨物主要為水泥，袋裝水泥采用皮帶運(yùn)輸機(jī)、叉車、托盤及倉庫進(jìn)行站內(nèi)運(yùn)輸裝卸，因此，重點(diǎn)研究散裝水泥運(yùn)輸裝卸方式和車站布置形式。

2.1 車輛選型

目前鐵路運(yùn)輸散裝水泥的主要方式為U 型罐車和罐式集裝箱2 種方式，鐵路U 型散裝水泥罐車作為鐵路罐車中的運(yùn)輸水泥專用車型，為水泥鐵路貨運(yùn)業(yè)務(wù)提供了有力支撐。但是隨著我國水泥產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，水泥運(yùn)量的大幅度提升，既有車型、運(yùn)輸裝卸方式存在一定局限，限制了水泥運(yùn)輸效率。由中鐵集裝箱運(yùn)輸中心和有關(guān)罐箱生產(chǎn)單位設(shè)計(jì)的水泥罐式集裝箱經(jīng)過不斷改進(jìn)，在水泥運(yùn)輸中發(fā)揮著越來越重要作用。車輛選型比較[2]如表3 所示。水泥罐式集裝箱構(gòu)造示意圖如圖4 所示。

圖4 水泥罐式集裝箱構(gòu)造示意圖Fig.4 Schematic of tank container structure

表3 車輛選型比較Tab.3 Vehicle selection comparison

2.2 散裝水泥裝車方式

為減少散裝水泥站內(nèi)裝卸中的損耗、污染，滿足環(huán)保要求，散裝水泥罐式集裝箱擬采用全封閉式跨線裝車筒倉，配備封閉式皮帶運(yùn)輸機(jī)、氣力管道輸送機(jī)等輸送設(shè)備[4]，實(shí)現(xiàn)散裝水泥從儲存庫到火車、站內(nèi)裝卸與鐵路專用線運(yùn)輸?shù)臒o縫高效銜接。系統(tǒng)配置自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)、收塵系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等配套設(shè)備。散裝水泥裝車筒倉示意圖如圖5所示。主要特點(diǎn)為：工藝流程機(jī)械自動(dòng)化程度高、操作便捷、裝車效率高、一次裝車量大、出廠成本低、實(shí)現(xiàn)全過程無塵裝車等。

圖5 散裝水泥裝車筒倉示意圖Fig.5 Schematic of bulk cement loading silo

水泥由水泥粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)為水泥成品，儲存在水泥庫中，經(jīng)密閉式螺旋閘門、流量控制閥(或回轉(zhuǎn)開關(guān)閥)進(jìn)入輸送斜槽(或螺旋輸送機(jī))，再經(jīng)斜槽送到散裝水泥裝車機(jī)，由散裝水泥裝車機(jī)裝入散裝水泥罐式集裝箱，通過散裝水泥罐式集裝箱運(yùn)送出廠，經(jīng)鐵路專用線、國家鐵路干線網(wǎng)絡(luò)輸送至鐵路貨場后發(fā)往水泥使用單位。

2.3 散裝水泥裝車布置形式

根據(jù)山區(qū)鐵路建設(shè)特點(diǎn)，線路敷設(shè)和場站建設(shè)受地形條件限制較大，特別是大規(guī)模的鐵路貨場的建設(shè)對地形地貌、地質(zhì)條件、地勢標(biāo)高的要求較高，鐵路車站的布置形式應(yīng)當(dāng)遵循功能齊全、緊湊布置、因地制宜的原則，同時(shí)，新建貨場應(yīng)盡量深入既有廠區(qū)，避免場內(nèi)中轉(zhuǎn)倒運(yùn)，縮短運(yùn)輸徑路，充分利用山區(qū)土地資源，實(shí)現(xiàn)集約化發(fā)展建設(shè)[5]。針對項(xiàng)目工程特點(diǎn)，新建貨運(yùn)站均采用橫列式緊湊布置形式，合理配置貨線規(guī)模和設(shè)備數(shù)量，且水泥裝車線深入廠區(qū)，通過輸送管廊銜接，包含以下2 種方式。

（1）皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送。封閉式皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送能力大，造價(jià)低，適用于車站運(yùn)量較大，輸送距離較長，地形條件相對較好的廠區(qū)。皮帶運(yùn)輸機(jī)裝運(yùn)模式如圖6 所示。

圖6 皮帶運(yùn)輸機(jī)裝運(yùn)模式Fig.6 Shipping mode of belt conveyor

（2）氣力管道運(yùn)輸機(jī)輸送。氣力管道輸送機(jī)輸送動(dòng)力強(qiáng)，爬坡能力足，適用于山區(qū)車站與廠區(qū)標(biāo)高差距較大，輸送距離較近，地形條件相對受限的廠區(qū)。氣力管道運(yùn)輸機(jī)裝運(yùn)模式如圖7 所示。

圖7 氣力管道運(yùn)輸機(jī)裝運(yùn)模式Fig.7 Shipping mode of pneumatic pipeline conveyor

3 裝車線能力及裝車機(jī)械設(shè)備配置

石扇站、新鋪站、文福站均有散裝水泥外運(yùn)需求，考慮運(yùn)輸需求，當(dāng)采用全封閉式跨線裝車筒倉時(shí)，結(jié)合裝車設(shè)備，合理布置裝車站。裝車線的能力影響因素包括車站布置形式、裝車線規(guī)模、裝車設(shè)備數(shù)量和機(jī)車數(shù)量等，研究旨在確定裝車線規(guī)模和裝車設(shè)備數(shù)量，忽略機(jī)車臺數(shù)的影響，只對裝車線所能達(dá)到的正常能力進(jìn)行研究[6]。全封閉式跨線裝車筒倉在調(diào)車作業(yè)的空檔時(shí)間內(nèi)完成向緩沖倉和定量斗備料作業(yè)，不影響車列裝車作業(yè)占用裝車線的時(shí)分。

3.1 裝車能力計(jì)算

以列數(shù)為單位的日裝車能力N裝計(jì)算如下。

式中：α空為貨物線空費(fèi)系數(shù)，一般取0.02 ~ 0.04；t固為班組人員固定作業(yè)時(shí)間，包括交接、吃飯時(shí)間，min；t裝占為裝滿1 列車需要占用貨物線的平均時(shí)間，min。

式中：t交接為車站作業(yè)人員交接班時(shí)間，min；t吃飯為車站作業(yè)人員吃飯時(shí)間，min。

式中：t空車為空車調(diào)車時(shí)間，即盡端式裝車線為調(diào)機(jī)自到發(fā)線推送車列時(shí)起至列車頭部到達(dá)裝車樓前停車位置時(shí)止的時(shí)間，min；t裝載為裝車作業(yè)時(shí)間，即車列自裝車樓前停車位置啟動(dòng)時(shí)起至列車尾部越過貨位為止的時(shí)間，min；t重車為重車調(diào)車時(shí)間，即自車列裝載完成調(diào)車開始至尾部越過警沖標(biāo)進(jìn)入到發(fā)線的時(shí)間，min。

式中：Q凈為車列凈載重，t；Q裝為裝車系統(tǒng)裝載效率，t/h；l機(jī)為列車長度，m；l為機(jī)車停車位置至裝車樓間的距離，m；l列為機(jī)車長度， m；n筒為裝車筒倉設(shè)備數(shù)量。

其中機(jī)車停車位置一般在裝車樓前20 m，DF 調(diào)機(jī)為20 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，集運(yùn)站和貨場每年生產(chǎn)天數(shù)為365 d，散裝水泥裝車線裝車能力計(jì)算方法如下。

式中：γ為貨物月間到發(fā)不平衡系數(shù)，取值在1.05 ~1.2 間。

3.2 技術(shù)作業(yè)參考時(shí)間

（1）交接班、吃飯時(shí)間：每日班組固定作業(yè)時(shí)間主要包括交接班時(shí)間、吃飯時(shí)間。一般按照3 班倒工作制度，交接次數(shù)2 次/d，每次時(shí)間20 ~ 25 min，全天交接班占用時(shí)間為40 ~ 50 min。班組吃飯次數(shù)2 次/d，每次時(shí)間30 min，全天班組人員吃飯占用時(shí)間為60 min。

（2）車列裝車作業(yè)占用裝車線時(shí)間。空車調(diào)車時(shí)間t空車：盡端式裝車線用時(shí)約6 ~ 7 min。清空裝車線時(shí)間t重車：車列移動(dòng)600 ~ 700 m 用時(shí)7 ~ 8 min。裝車時(shí)間t裝載：裝車樓長度12 m，機(jī)車停車位置設(shè)在裝車樓前20 m。散裝水泥裝車均為整列裝車，牽引質(zhì)量3 000 t，凈載重Q凈為1 900 t，車列長度550 m。筒倉流速為250 m3/h，散裝水泥密度為1 450 kg/m3，則一臺筒倉設(shè)備裝車效率為362.5 t/h。

3.3 裝載時(shí)間計(jì)算

若采用多臺筒倉設(shè)備同時(shí)裝車，則根據(jù)筒倉布置形式又可分為連續(xù)布置形式、等分布置形式和混合布置形式[7]。

連續(xù)布置形式：多臺筒倉設(shè)備連續(xù)布置于裝車線側(cè)，空車到達(dá)之后，頭車對孔第1 臺筒倉設(shè)備，機(jī)車牽引列車一次性裝車，裝滿車需走行長度為一列車長距離。連續(xù)布置形式如圖8 所示。

圖8 連續(xù)布置形式Fig.8 Continuous layout arrangement

等分布置形式：多臺筒倉設(shè)備按照編組車數(shù)n等分分開布置于裝車線側(cè)，空車到達(dá)之后，頭車對孔第1 臺筒倉設(shè)備，機(jī)車牽引列車一次性裝車，裝滿車需走行長度為一列車長長度的1/n。等分布置形式如圖9 所示。

圖9 等分布置形式Fig.9 Equal layout arrangement

混合布置形式：多臺筒倉設(shè)備連續(xù)成組后n等分分開布置于裝車線側(cè)，空車到達(dá)之后，頭車對孔第1 臺筒倉設(shè)備，機(jī)車牽引列車一次性裝車，裝滿車需走行長度為一列車長長度的1/n減去(成組個(gè)數(shù)×車長)?；旌鲜讲贾眯问饺鐖D10 所示。

圖10 混合布置形式Fig.10 Mixed layout arrangement

連續(xù)布置形式列車裝載時(shí)間計(jì)算公式如下。

等分、混合布置形式列車裝載時(shí)間計(jì)算公式如下。

式中：d為等分個(gè)數(shù)。

根據(jù)公式，計(jì)算不同布置形式、筒倉個(gè)數(shù)條件下裝車線對應(yīng)裝車能力、所需裝車線長度。裝車能力對照[8]如表4 所示。

由表4 可知，連續(xù)布置形式：①缺點(diǎn)為所需裝車線長度最長、裝車時(shí)間最長、裝車能力最小，適用于運(yùn)量較小或者用地條件較優(yōu)的廠區(qū)；②優(yōu)點(diǎn)為筒倉設(shè)備統(tǒng)一并排布置，裝料管道徑路短，占用車站空間小，人員操作、維修更加便捷。等分布置形式：①缺點(diǎn)為筒倉設(shè)備分散，裝料管道徑路長，占用空間大，操作維修不便；②優(yōu)點(diǎn)為所需裝車線長度最短、裝車時(shí)間最短、裝車能力最大，適用于運(yùn)量較大且地形條件相對受限的水泥廠區(qū)，對于大幅提高裝車效率具有較高價(jià)值?；旌喜贾眯问浇橛谇岸咧g，適用于運(yùn)量大、筒倉設(shè)備多且對一列車裝車時(shí)間要求較高的廠區(qū)。

表4 裝車能力對照Tab.4 Loading capacity comparison

根據(jù)研究年度沿線各站水泥運(yùn)量，對照裝車能力表，則可以推斷車站所需裝車筒倉設(shè)備個(gè)數(shù)和裝車線所需最小長度。建議石扇、新鋪站近遠(yuǎn)期均設(shè)散裝水泥裝車線1 條，設(shè)筒倉設(shè)備1 臺，裝卸線有效長不小于1 086 m；文福站近遠(yuǎn)期均設(shè)散裝水泥裝車線1 條，設(shè)筒倉設(shè)備2 臺，受地形條件限制，采用等分布置形式，裝卸線有效長不小于820 m。同時(shí)預(yù)留遠(yuǎn)期年度發(fā)展條件。若企業(yè)對裝載時(shí)間有要求，可以適當(dāng)增加筒倉個(gè)數(shù)，有效縮短列車裝載時(shí)間。

4 結(jié)束語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水泥產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和支撐作用越來越明顯，而水泥廠一般設(shè)置在靠近原材料的山區(qū)，山區(qū)鐵路車站的布置形式和裝車方式對水泥外運(yùn)效率的提升具有重大意義，以本項(xiàng)目工程車站設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，分析研究了山區(qū)鐵路大運(yùn)量水泥運(yùn)輸裝車方式及場站布置方案，提出了水泥裝車筒倉數(shù)量、布置形式與鐵路裝車線長度合理配置方案，優(yōu)化裝卸效率的同時(shí)節(jié)約車站建設(shè)用地，對今后類似建設(shè)項(xiàng)目具有一定參考意義。