新朔鐵路既有線路條件開行2萬噸重載列車試驗研究

摘要：開行兩萬噸長編組組合列車是重載鐵路提升貨運量的有效方法。為研究新朔鐵路既有線路條件開行2萬噸重載列車的可行性，選取典型線路區段開展了現場試驗，試驗區段主要包含直線和曲線部分。通過在軌道處安裝傳感器測量鋼軌和軌枕的振動加速度、鋼軌位移和輪軌力等數據，最終評估列車通過該區段時的安全性。試驗結果表明，試驗列車各項指標均處于安全限值之內，該既有線路條件滿足2萬噸重載列車安全行車要求。其中，列車運行通過試驗區段時，鋼軌和軌枕垂向加速度分別為48.98g和9.19g；鋼軌垂向位移和橫向位移最大分別為0.46 mm和0.63 mm；輪軌垂向力和橫向力最大分別為178.14 kN和47.08 kN；機車和貨車的脫軌系數最大分別為0.37和0.35，輪重減載率最大值為0.25。

關鍵詞：重載鐵路；2萬噸重載列車；列車運行安全；脫軌系數；輪重減載率

中圖分類號：U213.2 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.12.006

文章編號：1006-0316 （2024） 12-0043-08

Experimental Research on Operating 20，000-Tonne Heavy-Haul Trains under the Existing Line Conditions"of Xinshuo Railway

ZHANG Xiaoqiang

（"CHN Energy Xinshuo Railway Co.， Ltd.， Hohhot 010000， China"）

Abstract：Operating 20，000-tonne heavy-haul trains is an effective method for increasing freight volume and"an inevitable trend for development. To study the feasibility of operating a 20，000-tonne heavy-haul train on the existing line conditions of the Xinshuo heavy-haul railway， field tests are conducted on typical line sections， including straight lines and curves. Finally， by installing sensors at the track to measure the vibration acceleration of the steel rails and sleepers， steel rail displacement， and wheel-rail interaction forces， the safety evaluation of the train passing through test sections is performed. The test results show that all indicators of the test are within the safety limits， confirming that the existing line conditions of the Xinshuo Railway meet the requirements for the safe operation of 20，000-tonne heavy-haul trains. When the train passes through the test section， the vertical accelerations of the steel rails and sleepers are 48.98g"and 9.19g， the maximum vertical and lateral displacements of the steel rails are 0.46 mm and 0.63 mm， the maximum values of the wheel-rail vertical and lateral forces are 178.14 kN and 47.08 kN， the maximum derailment coefficients of locomotives and freight cars are 0.37 and 0.35，"and the maximum wheel load reduction rate is 0.25.

Key words：heavy-haul railway；20，000-tonne heavy-haul train；safe operation；derailment coefficients；wheel load reduction rate

新朔鐵路是我國西煤東運的重要通道，隨著貨物運輸需求的日益上升，其運量逐年攀升。為緩解貨物運輸能力與運輸需求的矛盾，最有效方法之一是提高列車牽引重量，即開行2萬噸重載列車^[1-2]。但新朔鐵路目前主要開行萬噸列車，其既有線路條件是否滿足2萬噸重載列車開行要求尚未可知。為保障新朔鐵路2萬噸列車順利、安全開行，開展相關現場試驗及研究具有重要意義。

關于重載鐵路、列車相關的實地線路試驗研究已有一些成果。重載鐵路主要有大秦線、朔黃線以及新朔線。大秦線的線路測試開展較早，1993年，蔡英等^[3]首次對大秦線進行了當時規模最大、涵蓋多個領域、最具系統性的重載鐵路動力學測試，并通過研究輪載變化、軌道振動、基床動應力、路基振動特征等特性，最終發現重載鐵路存在著鋼軌塑化、側磨、軌道變形、道床和基床的累計沉降等問題。而后為開行2萬噸重載組合列車，大秦線在其實際線路情況的基礎上，再次進行了一次大規模的試驗，通過大量考察調研、理論分析、仿真計算，對不同設備、不同編組方式下的2萬噸組合列車進行了8次綜合試驗，最終形成一套符合大秦線線路特點與設備狀態的重載組合列車牽引試驗技術，這也標志著我國重載鐵路技術邁上一個新臺階^[4]。此外，為更好掌握列車行駛時的車鉤力變化規律，王鼎等^[5]針對大秦線2萬噸重載列車的車鉤受力情況開展了相關試驗。朔黃鐵路是國內第二條開行2萬噸重載列車的貨運鐵路^[6]。在國內外重載鐵路運輸已有技術的基礎上，丁茂廷^[7]從朔黃鐵路的實際線路特點與未來展望出發，圍繞朔黃鐵路的安全運行、提高線路容量、增強綜合運輸效力、提升創新驅動能力等問題，進行了一系列研究工作。根據朔黃鐵路列車特性，王蒙等^[8]對4種編組方式下的3萬噸列車的車鉤力水平進行分析，并根據正常行駛前提下最大車鉤力產生時列車所處工況，確定出最優的編組方案。唐永康等^[9]通過現場試驗研究2萬噸重載列車制動與起動條件下的輪軌動力特性，初步掌握了大軸重重載列車制動與起動條件下輪軌作用力、軌道結構位移和振動加速度的響應特征和變化規律，揭示了重載列車制動與起動狀態對輪軌性能影響的差異。新朔鐵路以開行萬噸為主，針對列車提速的安全性，開展了系統的現場試驗，并對列車提速、列車通過曲線的穩定性及其輪軌動態相互作用的影響進行了研究^[10-11]。

此外，張斌等^[12]和王宏宇^[13]基于仿真計算分析了重載車輛過曲線時的縱向沖動所引起的壓鉤載荷對鋼軌磨耗的影響，與不同編組方式下的萬噸重載列車在循環制動過程中的縱向沖動特征，進一步掌握了列車縱向沖動規律，提升了列車運行品質。代宏元等^[14]以C₈₀為研究對象，揭示了重載車輛在壓鉤載荷作用下過彎道時的輪軌接觸特性，分析了曲線關鍵參數對車輛運行安全性的影響，為重載列車的操控和線路維護提供了參考依據，并提高了曲線段列車行車安全性。

上述研究促進了重載鐵路的快速發展，使得重載鐵路軸重逐步增大、編組逐漸增長。2萬噸重載列車編組較長，對運行線路有較高的要求。本文針對新朔鐵路既有線路條件，選取典型線路條件開展現場動力學測試，對各項數據是否超標進行分析和評估，并給出相應意見。

1 線路測試方法

1.1 試驗區段選取及列車編組

新朔鐵路里程約631 km，主要包含新準線、大準線、準池線。基于新朔鐵路線路條件分析，選取兩處典型區段作為試驗測點：①準池線K167＋331附近直線軌道為直線測點；②準池線K167＋581至K168＋111的R800"m半徑曲線的圓曲線處為曲線測點。試驗段的軌道結構為75"kg/m的鋼軌，主要開行重車。

試驗列車采用神華號十二軸機車＋108輛C₈₀（重車）＋國能號八軸機車＋108輛C₈₀（重車）＋可控列尾的編組形式。所用試驗機車車輛及其參數如圖1和表1所示。

1.2 傳感器布置

采用軌道測力法測量列車通過直線和曲線時的輪軌垂向力、橫向力，采用加速度傳感器測量軌枕和鋼軌的振動加速度，采用位移傳感器測量鋼軌位移，評價列車通過時線路結構的動態響應。傳感器的布置情況如圖2所示。基于所測數據，計算脫軌系數和輪重減載率，評估列車運行安全性。

根據剪力法原理，在鋼軌適當位置布置相應的應變片（可采用成90°正交的應變花）的辦法，可以測量輪軌垂向力和輪軌橫向力。測量輪軌垂向力時，應變花貼于軌腰兩側的中和軸上，在離兩個軌枕跨中各110 mm的兩個斷面上分別貼片，應變片的方向與鋼軌縱向成45°角。測量輪軌橫向力時，應變花用膠水貼于軌底上表面離軌底邊緣20 mm處，在離兩個軌枕跨中各110 mm的兩個斷面上分別貼片，應變片的方向與鋼軌縱向成45°角。分別在左、右側鋼軌的兩側通過膠水粘貼應變花，應變花安裝完成后，采用液壓裝置對鋼軌進行加載，進行現場標定。對于有砟軌道結構，鋼軌振動加速度傳感器位于軌腰中心處，軌枕振動加速度傳感器位于線路外側軌枕上表面距鋼軌中心線250 mm處。振動傳感器均通過AB膠與軌道結構固定。對于軌道結構位移，在軌道上安裝定制工裝，位移傳感器固定于定制工裝上，測量重載列車通過時鋼軌的垂向和橫向動態位移。

1.3 安全性評定標準

基于GB/T 5599－2019^[15]和TB 10461－2019^[16]等標準對重載列車運行安全性及重載有砟線路軌道結構的安全進行評定，各限值如表2所示。

2 直線試驗結果分析

直線線路測試位置為K167＋331處，測試主要內容包括鋼軌垂向振動加速度、軌枕垂向振動加速度、輪軌力、鋼軌位移等。試驗列車總計兩趟，第1趟和第2趟試驗列車通過直線測點的速度分別為59～65 km/h、63～70 km/h。

2.1 軌道結構振動安全性評估

2萬噸試驗列車通過直線測點時，鋼軌和軌枕的垂向振動加速度時域結果和統計如圖3、表3所示?？梢钥闯觯熊囃ㄟ^時，鋼軌振動響應強于軌枕，但整體處于較低水平。兩趟試驗車通過該直線區段時的測試結果較為接近，最大鋼軌垂向加速度為13.87g，最大軌枕垂向加速度為8.83g，均遠小于安全限值。

直線區段鋼軌位移的時域結果和統計如圖4、表4所示?？梢钥闯?，當2萬噸重載列車通過直線區段時，鋼軌垂向和橫向的位移均較小，外軌垂向和橫向位移最大分別為0.15 mm和0.19 mm，內軌最大分別為0.23 mm和0.13 mm，均遠小于安全限值。

2.2 車輛運行安全性評估

直線區段輪軌力的時域結果和統計如圖5、表5所示。可以看出，輪軌力變化均勻；最大輪軌垂向力為178.14 kN，最大輪軌橫向力為39.56 kN，均遠小于安全限值。

由輪軌力計算2萬噸重載列車通過此區段的脫軌系數和輪重減載率，如表6所示?？梢钥闯觯瑱C車脫軌系數小于貨車，機車脫軌系數最大值為0.06，貨車為0.22，兩者均小于安全限值。整列車的最大輪重減載率為0.25，遠小于限值0.65。

3 曲線試驗結果分析

曲線線路測試位置為K168＋200處，測試的主要內容和直線區段測試基本一致，包括鋼軌垂向振動加速度、輪軌力、鋼軌位移等。試驗列車總計兩趟，通過曲線測點的速度分別為60～65 km/h、61～70 km/h。

3.1 軌道結構振動安全性評估

2萬噸試驗列車通過曲線測點時，鋼軌和軌枕的垂向振動加速度時域結果和統計如圖6、表7所示。

可以看出，列車通過時，鋼軌和軌枕的振動整體處于較低水平；鋼軌垂向加速度最大值為48.98g、軌枕垂向加速度最大值為9.19g，均遠小于安全限值。

列車通過曲線區段的鋼軌位移的時域結果和統計如圖7、表8所示。

可以看出，當2萬噸重載列車通過曲線區段時，鋼軌垂向和橫向產生較為輕微的位移；外軌垂向和橫向位移最大分別為0.30"mm和0.58 mm，內軌最大分別為0.46 mm和0.63 mm，均遠小于安全限值。

3.2 車輛運行安全性評估

曲線區段輪軌力的時域結果和統計如圖8、表9所示?？梢钥闯?，輪軌垂向力變化均勻，橫向力存在小波動，但整體幅值處于安全限值內；最大輪軌垂向力為165.83 kN，最大輪軌橫向力為47.08 kN，均遠小于安全限值。

由輪軌力計算2萬噸重載列車通過此區段的脫軌系數和輪重減載率，如表10所示?？梢钥闯?，機車脫軌系數最大值為0.31，貨車為0.37，兩者均小于安全限值；整列車的最大輪重減載率為0.22，遠小于限值0.65。

4 結論

針對新朔鐵路既有線路條件開行2萬噸重載組合列車的可行性進行了線路運行動態測試，測試區段選取典型的直線和曲線線路條件，總計運行兩趟2萬噸重載試驗列車。測試結果如下：列車通過測試區段時，鋼軌垂向加速度最大值48.98g，軌枕垂向加速度最大值9.19g，鋼軌垂向和橫向位移最大值分別為0.46 mm和0.63 mm，輪軌垂向力和橫向力最大值分別為178.14 kN和47.08 kN、機車和貨車脫軌系數最大值分別為0.37和0.35，列車輪重減載率最大值為0.25。依據現行相關標準^[15-16]，本次2萬噸重載組合列車動力學試驗結果均遠低于安全限值，表明新朔鐵路既有線路條件滿足2萬噸試驗列車在對應運行條件下的安全行車要求。

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