摘要：大準(zhǔn)鐵路由于初期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，既有運(yùn)輸能力已經(jīng)難以滿足蒙西地區(qū)不斷增長煤炭外運(yùn)需要，為此，通過開展重載運(yùn)輸研究，實(shí)施了一系列技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首開單線萬噸列車，逐步將大準(zhǔn)鐵路打造成蒙西煤炭外運(yùn)的重要通道。

關(guān)鍵詞：大準(zhǔn)鐵路；重載運(yùn)輸能力；煤炭外運(yùn)；能源需求；貨運(yùn)通道 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U291 文章編號：1009-2374（2016）27-0092-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.043

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求不斷增大，準(zhǔn)格爾地區(qū)煤炭開發(fā)熱度不斷增加，推動了煤炭外運(yùn)需求不斷加大，大準(zhǔn)鐵路作為“西煤東運(yùn)”大通道的重要組成部分，尤其是準(zhǔn)東鐵路于2000年接軌后運(yùn)量快速增長，至2002年完成運(yùn)量1546萬噸。

大秦鐵路作為大準(zhǔn)鐵路的下游貨源通道，自2004年起實(shí)施2萬噸擴(kuò)能改造，大幅度提升了運(yùn)輸能力，使大準(zhǔn)鐵路獲取了5000萬噸/年的煤炭外運(yùn)資源；而大準(zhǔn)管內(nèi)先后接軌建設(shè)了托克托電廠線、岱海電廠線及新豐電廠線三條鐵路專用線，加上早期接軌的國華電廠、豐鎮(zhèn)電廠等，電廠煤炭需求超過2000萬噸/年。而大準(zhǔn)鐵路由于初期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，到發(fā)線有效長850m，線路荷載為21噸，運(yùn)輸能力僅有1500萬噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤炭外運(yùn)需求，擴(kuò)能改造勢在必行。

在不改變單線運(yùn)輸模式的情況下，比較切實(shí)的方法是開展重載運(yùn)輸。考慮大準(zhǔn)鐵路以煤炭運(yùn)輸為主，具有貨物品種單一、運(yùn)輸徑路固定、發(fā)運(yùn)量大且裝車站比較集中，具備組織開展單元萬噸列車的優(yōu)勢。

2 技術(shù)創(chuàng)新總體思路

大準(zhǔn)鐵路作為大秦鐵路后方通道，開行萬噸重載列車能夠有效實(shí)現(xiàn)與大秦鐵路的車流對接，具有運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低等優(yōu)勢，為此，大準(zhǔn)鐵路開展了一系列技術(shù)創(chuàng)新工作，保障萬噸列車安全開行。

第一，線、橋動載試驗(yàn)。對線、橋設(shè)備進(jìn)行C80貨車動載試驗(yàn)，提出線路強(qiáng)化技術(shù)措施和橋梁加固處理意見。

第二，萬噸列車動力學(xué)研究。通過計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，掌握萬噸列車在各種工況下的縱向沖動情況，為正式開行萬噸列車提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

第三，創(chuàng)新使用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，有效提升了供電質(zhì)量，滿足了萬噸列車開行的需要。

第四，研究開發(fā)了新式列尾傳輸技術(shù)，解決既有列尾在山區(qū)、隧道傳播距離短的問題，滿足萬噸列車安全運(yùn)行的需要。

第五，既有線橋墩加固技術(shù)研究。

第六，優(yōu)化行車組織方式，適應(yīng)萬噸列車開行

要求。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 線橋動載試驗(yàn)

由于大準(zhǔn)鐵路原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，離重載鐵路對線路的要求有較大的差距，試驗(yàn)以25噸軸重車輛（C80）編組貨車進(jìn)行動載測試：

3.1.1 通過小半徑曲線時(shí)的動力性能試驗(yàn)，分析試驗(yàn)列車通過時(shí)的運(yùn)行安全性、對線路橫向穩(wěn)定性的動力影響以及對線路設(shè)備的動力作用。

3.1.2 側(cè)向、直向通過道岔區(qū)段時(shí)，對道岔結(jié)構(gòu)的動力作用，分析試驗(yàn)列車通過道岔時(shí)的安全性、對道岔穩(wěn)定性及道岔部件強(qiáng)度的影響。

3.1.3 測試橋梁的動力響應(yīng)，分析開行萬噸長大重載列車下橋梁的強(qiáng)度及豎向和橫向剛度能否滿足要求。

3.1.4 測試萬噸列車在長大橋上制動時(shí)的安全性以及對橋梁的影響。

根據(jù)動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，將大準(zhǔn)線鋼軌由50kg/m軌更換成60kg/m軌，軌枕由Ⅱ型枕更換成Ⅲ型枕，并對85座橋梁進(jìn)行了加固，滿足了C80型萬噸列車的運(yùn)行需要。

3.2 萬噸列車動力學(xué)研究

大準(zhǔn)鐵路線橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，且線路條件、環(huán)境等因素與大秦鐵路差異較大，大秦鐵路開行的萬噸列車能否在大準(zhǔn)線安全運(yùn)行需要進(jìn)行科學(xué)論證。

3.2.1 建立縱向動力學(xué)仿真模型。

列車縱向動力學(xué)模型以每節(jié)機(jī)車車輛作為一個(gè)分離體，整列車的自由度等于全列機(jī)車車輛的總數(shù)（圖1）。它以整個(gè)列車系統(tǒng)中的每一輛車為研究對象，考慮了每輛車的車鉤間隙、緩沖器的非線性特性，機(jī)車的牽引及動力制動特性，列車的空氣制動特性等。

列車縱向動力學(xué)模型取每節(jié)車為一個(gè)分離體，整列車的自由度等于組成列車的機(jī)車車輛總輛數(shù)。圖2給出了列車中某一節(jié)車輛的縱向受力圖，根據(jù)動力學(xué)原理，第i節(jié)車輛的縱向動力學(xué)運(yùn)動方程為：

mix"i=Fci-1-Fci-Fwi+FTEi-FDBi-FBi（i=1～N）

式中：i=1～N；mi為第i節(jié)車的質(zhì)量；x"i為第i節(jié)車的加速度；Fci-1為第i節(jié)車的前車鉤力，當(dāng)i=0時(shí)，F(xiàn)ci-1=0；Fci為第i節(jié)車的后車鉤力，當(dāng)i=N時(shí)，F(xiàn)ci=0；Fwi為第i節(jié)車的運(yùn)行阻力，包括基本運(yùn)行阻力、坡道阻力、曲線阻力、啟動阻力等；FTEi為機(jī)車牽引力，僅作用于機(jī)車；FDBi為機(jī)車的動力制動力，僅作用于機(jī)車；FBi為第i車的空氣制動力；di為第i節(jié)車所處線路斷面的

坡度。

對于組成列車的N節(jié)車輛，可列出N個(gè)微分運(yùn)動方程，組成一個(gè)二階微分方程組，進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2.2 仿真計(jì)算。萬噸列車在運(yùn)營中較為突出的問題是機(jī)車牽引能力的發(fā)揮、列車在牽引及制動過程中引起的縱向沖動。分析重載列車在不同操縱狀態(tài)下的縱向動力學(xué)特性，并設(shè)置計(jì)算工況：平直道啟動工況、4‰上坡道啟動工況；平直道常用全制動（制動初速80km/h）、9‰下坡道常用全制動（制動初速80km/h）工況；平直道緊急制動（制動初速80km/h、30km/h）工況；長大坡道的循環(huán)制動工況（單獨(dú)制動工況、單獨(dú)緩解工況、聯(lián)合制動工況），通過各種工況的仿真計(jì)算，得出大準(zhǔn)線具備開行C70、C80型萬噸條件。

3.2.3 牽引試驗(yàn)。對由C70、C80車輛分別編組的萬噸重載列車，進(jìn)行相應(yīng)的制動系統(tǒng)的地面靜止試驗(yàn)和線路運(yùn)行試驗(yàn)，通過列車動力學(xué)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，充分掌握重載列車各種工況下的沖動情況，保證萬噸重載列車的安全運(yùn)行，提供了必要的基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算基本一致，在此基礎(chǔ)上編制了大準(zhǔn)鐵路開行萬噸列車的運(yùn)行圖，于2006年正式開行萬噸列車，開創(chuàng)了國內(nèi)單線鐵路開行C80萬噸列車的先河，并在不斷總結(jié)萬噸列車開行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，逐漸增加萬噸列車開行對數(shù)，大幅度提升了大準(zhǔn)線運(yùn)輸能力。

3.2.4 C60噸級、70噸級萬噸列車研究。為進(jìn)一步優(yōu)化車流結(jié)構(gòu)，大準(zhǔn)鐵路在成功開行C80萬噸列車的基礎(chǔ)上，對C62AK、C64、KM70車型編組萬噸列車進(jìn)行研究，經(jīng)仿真計(jì)算和上線運(yùn)行試驗(yàn)，成功開行丹洲營地區(qū)電廠、岱海電廠C62AK、C64、KM70萬噸列車，開創(chuàng)了國內(nèi)開行C62AK、C64、KM70型萬噸列車的先河，從而在區(qū)間通過列車對數(shù)不變的情況下，有效地實(shí)現(xiàn)了大同口增運(yùn)工作。

3.3 供電能力加強(qiáng)

為滿足萬噸列車開行需要，對全線6個(gè)牽引變電所進(jìn)行增容改造，增設(shè)了點(diǎn)岱牽引變電所。同時(shí)結(jié)合大準(zhǔn)鐵路采用SS3、SS4型號電力機(jī)車的實(shí)際，創(chuàng)新使用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，有效解決牽引變電所功率因數(shù)低、諧波含量高的難題，將牽引變電所功率因數(shù)由原有的不足0.85提升至0.95以上，有效地提高了接觸網(wǎng)的網(wǎng)壓和電源質(zhì)量。

3.4 列尾通信傳輸技術(shù)

大準(zhǔn)線既有列尾裝置通信采用400M傳輸，受山體的阻隔，形成許多弱電場區(qū)，通信距離受到限制，不滿足萬噸列車開行需要。若采取在列車中加掛中繼器，會增加摘掛勞動強(qiáng)度，也不利于卸車時(shí)通過翻車機(jī)房。

大準(zhǔn)鐵路公司經(jīng)過大量現(xiàn)場研究試驗(yàn)，利用原鐵道部400kHz技術(shù)，將既有列尾裝置改造為雙向雙信道（400kHz+400M）列尾裝置，在400M的基礎(chǔ)上，利用400kHz信號經(jīng)接觸網(wǎng)傳輸，不受山區(qū)、隧道的影響特性，實(shí)現(xiàn)400MHz+400kHz雙信道互補(bǔ)，場強(qiáng)覆蓋率達(dá)到99%以上。在不增加設(shè)備、不改變列尾作業(yè)程序和增加摘掛中繼器作業(yè)的情況下，解決了萬噸列車在山區(qū)列尾信息傳輸不暢的問題，確保了萬噸列車運(yùn)行安全。

3.5 橋墩加固技術(shù)

開行重載列車對橋墩的沖擊力將極大增加，針對部分橋梁出現(xiàn)的橫向振幅超限問題，在檢測結(jié)果和評估報(bào)告的基礎(chǔ)上，有針對性地對橋墩進(jìn)行加固。常規(guī)對既有線橋墩橫向剛度加固最有效的辦法就是增大截面法，但增大截面法又會增大橋墩自身重量、增大基礎(chǔ)負(fù)載。故在橋墩增大截面法加固實(shí)踐中，需考慮既要盡量減少基礎(chǔ)負(fù)載，又要滿足橋墩剛度增大要求，以一圓形橋墩為例比選各種加固方式。設(shè)原有橋墩截面為D=2.5m、

H=8.0m，擴(kuò)大基礎(chǔ)。

墩身增大截面法加固比選方案，使用全高度同尺寸增大截面法，增大截面尺寸至D=3.5m；使用全高度漸變尺寸增大截面法，底部增大尺寸至D=3.5m，頂部尺寸D=2.5m；使用全高度階梯變尺寸增大截面法，第一階：D1=3.5m，H1=3.0m；第二階：D2=3.0m，H2=3.0m；第三階：D3=2.5m，H3=2.0m。

通過理論測算，三種增大截面方案中橋墩橫向剛度及基礎(chǔ)負(fù)載增加值如表1：

通過測算可得，全高度同尺寸增大截面法中基礎(chǔ)負(fù)荷提升了17.21%，若大于10%，需要做基礎(chǔ)加固，加固成本會變大，加固工期會延長；而全高度漸變尺寸增大截面法橫向剛度提升較小，且漸變截面施工工藝較為復(fù)雜，立模較困難，因此采用全高度階梯變尺寸增大截面法進(jìn)行加固較為經(jīng)濟(jì)、合理、有效，可操作性強(qiáng)。大準(zhǔn)線下腦亥東溝大橋橋墩加固過程中，采用了全高度階梯變尺寸增大截面法，加固前后1#～4#號橋墩頻率對比：

加固后，下腦亥東溝大橋各橋墩橫向振動頻率滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》要求，加固效果良好，能夠滿足25t軸重重載萬噸的開行。

3.6 大準(zhǔn)鐵路運(yùn)輸能力查定

為準(zhǔn)確測算大準(zhǔn)鐵路運(yùn)輸能力，聯(lián)合北京交通大學(xué)開發(fā)了“車站與區(qū)間能力查定人工寫實(shí)數(shù)據(jù)管理計(jì)算軟件V1.0”“基于電務(wù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的鐵路車站作業(yè)信息與能力分析軟件V1.0”等三套軟件系統(tǒng)。

在查定通過能力過程中，系統(tǒng)能夠充分利用列車行車監(jiān)控、電務(wù)的有關(guān)設(shè)備，自動提取有關(guān)時(shí)刻信息，替代傳統(tǒng)的人工采點(diǎn)寫實(shí)。同時(shí)可以將原始數(shù)據(jù)通過這些系統(tǒng)接口自動傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使大部分原始信息實(shí)現(xiàn)自動采集和傳輸，從根本上改變傳統(tǒng)的查標(biāo)方法。

該軟件在采集大量原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，自動完成信息接收，并進(jìn)行匯總、整理、分析、計(jì)算，得出車站咽喉通過能力和到發(fā)線通過能力。

通過該軟件的應(yīng)用，有效尋找運(yùn)輸能力瓶頸區(qū)，從而通過針對性改造打破運(yùn)輸瓶頸，提升列車會讓能力，快速釋放運(yùn)能，公司先后開展了“五站”應(yīng)急、龍-點(diǎn)-唐三角線改造、最大裝車站點(diǎn)岱溝改造、丹洲營至燕莊單線雙向自閉等工程以及推動了增二線改造，將大準(zhǔn)鐵路成功打造成年運(yùn)量達(dá)2.3億噸的蒙西煤炭重載通道。

3.7 創(chuàng)新運(yùn)輸組織方式

3.7.1 針對大同口車流集中到達(dá)，利用裝車節(jié)奏，組織鐘擺式行車。既為大準(zhǔn)線萬噸站不足增開萬噸列車創(chuàng)造了行車條件，又緩解了大同口車流不均衡對大準(zhǔn)線的運(yùn)輸影響。

3.7.2 對丹洲營至燕莊單線區(qū)段，逐段進(jìn)行單線雙向自閉改造，實(shí)現(xiàn)了列車同方向追蹤運(yùn)行，為鐘擺式運(yùn)輸組織進(jìn)一步創(chuàng)造了條件，將大同口運(yùn)輸能力從8000萬噸提升至8800萬噸。

3.7.3 利用TFDS動態(tài)檢車系統(tǒng)，優(yōu)化既有人機(jī)互檢模式，取消點(diǎn)岱溝、南坪萬噸列車始發(fā)作業(yè)，在保障安全的前提下，實(shí)現(xiàn)減員26人、職工勞動強(qiáng)度降低30%、始發(fā)列車停時(shí)壓約30分鐘；投用CTC和供電遠(yuǎn)動系統(tǒng)后，將逐步減少中間站、變配電所值守人員等。

4 與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)比較

4.1 萬噸列車開行技術(shù)

國內(nèi)外雙線鐵路開行萬噸列車較為普遍，因單線鐵路運(yùn)輸組織較雙線鐵路更加復(fù)雜和困難，未有單線鐵路開行萬噸列車的先例。大準(zhǔn)鐵路聯(lián)合西南交通大學(xué)對單線電氣化鐵路開行萬噸列車技術(shù)進(jìn)行研究，創(chuàng)造了單線鐵路開行萬噸列車的先河。

國內(nèi)外開行萬噸列車都是C70、C80型車體。大準(zhǔn)鐵路在開行C80型萬噸重載列車的基礎(chǔ)上，對C62AK、C64、KM70型編組萬噸列車進(jìn)行研究，成功首次開行了C62AK、C64、KM70型萬噸列車，創(chuàng)新了萬噸列車編組方式。

4.2 列尾通信傳輸技術(shù)

大準(zhǔn)鐵路創(chuàng)新使用400M+400K雙信道雙向數(shù)傳列車尾部裝置，利用原鐵道部400kHz傳輸技術(shù)，在幾乎不增加投資、不改變列尾作業(yè)程序和增加中繼器摘掛作業(yè)的情況下，解決了萬噸列車在山區(qū)列尾信息傳輸不暢的問題。

4.3 車站能力查定自動化系統(tǒng)

車站能力查定自動化系統(tǒng)從電務(wù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理、匯總、分析、計(jì)算，得出車站咽喉道岔、到發(fā)線能力，最終確定車站能力，具有人力財(cái)力投入小、插標(biāo)準(zhǔn)確率高、過程簡單、計(jì)算快捷等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)論及展望

5.1 結(jié)論

通過開展線橋動載試驗(yàn)、萬噸列車動力學(xué)研究、供電能力加強(qiáng)、列尾通信傳輸技術(shù)改進(jìn)等技術(shù)創(chuàng)新研究，大準(zhǔn)鐵路于2006年實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首開單線萬噸列車，依托重載運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)了鐵路運(yùn)輸量快速增長，長期保持和刷新了我國單線鐵路年、月、日貨物運(yùn)量最高記錄，至2015年貨物發(fā)運(yùn)量突破億噸大關(guān)，全年運(yùn)量達(dá)11161.5萬噸，在蒙西煤炭外運(yùn)及打造神華重載通道過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。

5.2 今后發(fā)展方向

隨著神華路網(wǎng)建設(shè)，形成了以大準(zhǔn)鐵路為后方主干線的新準(zhǔn)-大準(zhǔn)-準(zhǔn)池-朔黃煤炭外運(yùn)新通道，扭轉(zhuǎn)了蒙西地區(qū)運(yùn)輸能力緊張的局面。今后大準(zhǔn)鐵路要從神華路網(wǎng)通道建設(shè)著手，通過統(tǒng)一設(shè)備管理、優(yōu)化資源配置、開展機(jī)車長交路建設(shè)等措施，加強(qiáng)數(shù)字化鐵路建設(shè)，研究開行2萬噸組合列車，著力打造為國內(nèi)第一條輕資產(chǎn)、高效率的重載通道。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：路文尚（1963-），男，內(nèi)蒙古人，神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司總經(jīng)理，工程師，研究方向：鐵路運(yùn)輸組織。

（責(zé)任編輯：小 燕）