車 燕

(中國鐵路設計集團有限公司 交通運輸規(guī)劃研究院，天津 300308)

為貫徹落實藍天保衛(wèi)戰(zhàn)、污染防治攻堅戰(zhàn)行動，唐山地區(qū)擬實現(xiàn)疏港礦石運輸由公路向鐵路轉移。張?zhí)畦F路(孔家莊—曹妃甸北)為唐山港曹妃甸港區(qū)集疏運通道之一，利用其煤炭運輸輕車方向曹妃甸北站至團瓢莊站段線路疏運唐山港區(qū)疏港礦石，與新建張?zhí)畦F路團瓢莊站至唐遵鐵路遵化南站聯(lián)絡線(以下簡稱“團瓢莊至遵化南聯(lián)絡線”)[1-2]、遵小線(遵化南—小寺溝)成為連接鐵路貨運線路與礦石需求企業(yè)的橋梁，形成鋼鐵企業(yè)與港口之間的礦石運輸通路，實現(xiàn)唐山港疏港礦石至唐山遵化、遷西地區(qū)鋼廠企業(yè)的全部運輸需求，以保障唐山地區(qū)“公轉鐵”[3-4]的推進，實現(xiàn)綠色、環(huán)保、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

1 張?zhí)畦F路疏港礦石運輸現(xiàn)狀

1.1 張?zhí)畦F路概況

張?zhí)畦F路起自我國北方交通要塞張家口市的孔家莊，向東至承德西部后折向南經(jīng)唐山西部至我國北方重要的煤炭運輸港口曹妃甸港區(qū)，是一條連接蒙西、蒙東煤炭基地與曹妃甸港區(qū)的路網(wǎng)干線，形成蒙西和蒙東煤炭下海新通道，線路全長約530 km。張?zhí)畦F路為國家鐵路I 級雙線電氣化鐵路，牽引質量為10 000 t，5 000 t，限制坡度沙嶺子西至豐潤西段6‰/12‰ (重車方向/輕車方向)、豐潤西至曹妃甸北6‰。

張?zhí)畦F路建成后，與張集線(孔家莊—集寧南)、集包線(古營盤—包頭西)呼包段構成唐呼鐵路通道[5]，形成我國第4 條能源大通道，主要運輸內蒙古自治區(qū)、陜西省往曹妃甸下水煤炭。張?zhí)畦F路運輸組織現(xiàn)狀為裝車地至曹妃甸港下水煤炭[6]組織萬噸重載列車運輸，去往沿線企業(yè)煤炭組織5 000 t 煤炭直達列車運輸，卸后空車均原路返回。

1.2 張?zhí)畦F路規(guī)劃年度貨運量分析

基于污染防治攻堅戰(zhàn)及《鐵路貨運增量行動方案(2018—2020)》等相關配套政策[7-8]，張?zhí)畦F路規(guī)劃年度貨運量構成主要為煤炭、礦石等大宗貨物，其中煤炭主要是至曹妃甸港下水以及沿線企業(yè)消耗，下水煤炭運量約1.3 億t，至沿線企業(yè)煤炭約2 600 萬t (其中團瓢莊—曹妃甸北段企業(yè)煤炭運量約1 800 萬t)。

張?zhí)畦F路疏運的唐山港區(qū)疏港礦石主要服務遵化、遷西地區(qū)的2 家鋼鐵企業(yè)，分別為唐山港陸鋼鐵有限公司和河北津西鋼鐵集團股份有限公司。根據(jù)調研和企業(yè)規(guī)劃，設計年度2 家企業(yè)的礦石全部由鐵路運輸，其中唐山港陸鋼鐵有限公司礦石需求為850 萬t，河北津西鋼鐵集團股份有限公司礦石需求為1 460 萬t，合計礦石運量為2 310 萬t。

1.3 張?zhí)畦F路現(xiàn)狀線路工程條件分析

張?zhí)畦F路曹妃甸北至團瓢莊段線路長度約137.4 km，其中團瓢莊至豐潤西段線路長度約26.7 km，共有6 處超6‰的大坡段，有2 處12‰的坡段長度分別為900 m，1 100 m；豐潤西至唐山西段線路長度為31.9 km，共有2 處超6‰的大坡段，有 1 處12‰的坡段長度為900 m；唐山西至曹妃甸北段線路長度約78.8 km，無超過6‰坡度。因此，張?zhí)畦F路礦石運輸徑路中超6‰的段坡共有8 處，其中3處12‰的坡段，集中在唐山西至團瓢莊段線路區(qū)間。

2 張?zhí)畦F路疏港礦石牽引質量方案研究

結合張?zhí)畦F路限制坡度、地區(qū)內機務車輛類型，對疏港礦石牽引質量方案進行理論研究及校驗。

2.1 礦石列車牽引質量方案

唐山機務段機車類型為六軸干線貨運機車HXD2B 與DF8B，張?zhí)畦F路運行的列車機車類型為八軸重載貨運電力機車HXD1 與HXD2?？紤]到張?zhí)畦F路及地區(qū)內津山鐵路(天津—山海關)、京哈鐵路(北京—哈爾濱)、灤港鐵路(灤縣—京唐港)、遷曹鐵路(遷安北—曹妃甸北)、曹妃甸港鐵路(曹妃甸北—曹妃甸南)現(xiàn)狀均為電氣化鐵路，新建的團瓢莊至遵化南聯(lián)絡線及改建的遵小線建成后也為電氣化鐵路。在唐山地區(qū)電氣化鐵路成網(wǎng)的趨勢下，采用電力牽引利于實現(xiàn)機車長交路，充分發(fā)揮鐵路網(wǎng)絡的綜合效益。因此，從國家能源政策、利于環(huán)保、改善運營條件等角度考慮，張?zhí)畦F路運行的礦石列車采用現(xiàn)有的電力機型牽引。根據(jù)國家鐵路局2018年發(fā)布的《列車牽引計算第1 部分：機車牽引式列車》(以下簡稱“《列車牽引計算》”)[9]，各型電力機車主要技術參數(shù)如表1 所示。

表1 各型電力機車主要技術參數(shù)表Tab.1 Main technical parameters of various electric locomotives

《列車牽引計算》中，列車在限制坡道上以持續(xù)速度運行時機車牽引質量Mg按公式 ⑴ 計算。

式中：Fc為機車持續(xù)牽引力，kN；λy為機車牽引力使用系數(shù)，取值0.9；Mp為機車計算質量，t；ix為限制坡道千分數(shù)；w0′為機車單位運行基本阻力，N/kN；g 為重力加速度，取值9.8 m/s2；w0′′為車輛單位運行基本阻力，N/kN。

本次研究機車采用HXD 型車，貨車按照重車計算。w0′與w0′′分別按公式 ⑵、公式 ⑶ 計算。

式中：v為運行速度，km/h。

根據(jù)牽引質量計算公式及機車車輛基礎參數(shù)，12‰ 的限制坡度條件下，理論計算單機HXD1，HXD2，HXD2B 對應的牽引質量分別是3 330 t，3 490 t，2 810 t。

綜合分析不同機型在12‰限制坡度時受牽引力限制的牽引質量，以及張?zhí)凭€路概況，考慮動能闖坡特點(列車能夠利用在坡前積蓄的動能，以不低于機車計算速度闖過坡度)，充分利用機車牽引力，礦石列車初步牽引質量方案為單機HXD1 或HXD2 牽引4 000 t，單機 HXD1 或HXD2 牽引4 500 t；雙機HXD2B 牽引6 000 t。

2.2 礦石列車牽引質量方案校驗

本次機車牽引質量取值校驗方法主要從3 個方面進行校驗，分別為起動坡校驗、既有車站到發(fā)線有效長校驗、列車牽引計算模擬校驗。

（1）起動坡校驗。根據(jù)《列車牽引計算》，起動條件限制可按公式 ⑷ 計算。

式中：iq為列車起動地段加算坡度千分數(shù)；Fq為機車最大起動牽引力，kN；wq′為機車單位起動基本阻力，N/kN；為貨車單位起動基本阻力，N/kN。

礦石列車不同牽引質量方案起動坡度檢算如表2所示。

表2 不同牽引質量方案起動坡度檢算表 ‰Tab.2 Starting slope check and calculation of different traction tonnage schemes

非正常情況下，列車全部位于12‰限制坡段停車時，單機HXD1 或HXD2 牽引4 000 t，雙機HXD2B 牽引6 000 t 方案均滿足起動需求；單機HXD1 或HXD2 牽引4 500 t 方案不滿足起動需求。

（2）既有線車站到發(fā)線有效長校驗。張?zhí)畦F路承擔的疏運礦石運量，主要裝車站曹妃甸南站及企業(yè)卸車站到發(fā)線有效長均為1 050 m，運輸通路張?zhí)畦F路既有車站到發(fā)線有效長1 700 m；礦石列車牽引質量受裝車站及卸車站到發(fā)線有效長限制。

參照唐山港區(qū)疏港礦石鐵路運輸現(xiàn)狀，礦石列車主要采用普通敞車裝運，車輛類型主要有C60系列、C70等普通通用敞車[10]。本次針對雙機牽引6 000 t的牽引質量方案進行校驗。受到發(fā)線有效長1 050 m限制的牽引質量表(雙機)如表3 所示。

表3 受到發(fā)線有效長1 050 m 限制的牽引質量表(雙機)Tab.3 Traction tonnage limited by 1050-meter effective lengths of receiving-departure track (dual-locomotive traction)

從表3 可以看出，既有車站到發(fā)線有效長為1 050 m 時，除C62外，其他C60系列、C70車輛能滿足雙機牽引6 000 t 需求。

（3）列車牽引計算模擬校驗。通過對張?zhí)畦F路曹妃甸—團瓢莊段線路進行列車牽引計算模擬計算，正常運行情況下，疏港礦石列車按最高速度80 km/h運行時，張?zhí)畦F路唐山西—豐潤西間大坡道模擬計算結果分析如表4 所示。

表4 張?zhí)畦F路唐山西—豐潤西間大坡道模擬計算結果分析Tab.4 Long ramp simulation results of Tangshanxi-Fengrunxi section of Zhangjiakou-Tangshan Railway

通過模擬牽引計算理論分析，除單機HXD1 牽引4 500 t 方案在12‰限坡上運行的最低速度低于機車最低計算速度外，其他牽引質量方案正常運行通過大坡道時最低運行速度均高于機車最低計算速度。

通過上述起動坡度校驗、既有車站到發(fā)線有效長校驗、列車在限制坡道上模擬牽引計算校驗等方面分析，初步推薦礦石列車牽引質量方案可采用單機HXD1 或HXD2 牽引4 000 t、雙機HXD2B 牽引6 000 t 的2 種方案。

3 不同牽引質量方案綜合比較分析

通過上述理論計算與校驗，張?zhí)畦F路運行的疏港礦石列車采用單機HXD1 或HXD2 牽引4 000 t 以及雙機HXD2B 牽引6 000 t 方案理論上均可行。具體采用哪種方案，應根據(jù)張?zhí)畦F路承擔的疏港礦石的運量特點以及對既有線的能力影響等方面來確定?？赏ㄟ^從張?zhí)仆ǖ纼冗\行時分及單位能耗指標、對通路線路能力適應性、機車車輛購置數(shù)量及費用等方面分析確定礦石車流經(jīng)濟合理的方案。

3.1 列車牽引計算模擬運行指標分析

張?zhí)畦F路曹妃甸—團瓢莊段線路運輸距離長約137.4 km，通過列車牽引計算模擬，采用單機HXD1或HXD2 牽引4 000 t 方案，該段線路不停車通過運行時分約110 min，單位能耗指標約為118 kW·h/(萬t·km)；采用雙機HXD2B 牽引6 000 t 運輸方案，在該段線路上不停車通過運行時分約108 min，單位能耗指標約為115 kW·h/(萬t·km)。

采用單機HXD1 或HXD2 牽引4 000 t、雙機HXD2B 牽引6 000 t 方案，列車區(qū)間不停站通過運行時分、單位能耗指標相差不大，采用雙機HXD2B牽引6 000 t 方案運行時分及單位能耗指標相對較小。

3.2 通路能力適應性分析

礦石運輸通路中，張?zhí)畦F路為雙線自動閉塞鐵路，規(guī)劃年度萬噸列車追蹤間隔11 min，5 000 t 列車追蹤間隔7 min，綜合維修天窗時間180 min。以5 000 t 列車為基準，計算線路通過能力為180 對/d。新建團瓢莊至遵化南聯(lián)絡線、遵小線為單線自動站間閉塞鐵路，通過能力主要計算參數(shù)取值為：車站間隔時分τ不= 4 min，τ會= 2 min；起停車附加時分t起=3 min，t停= 2 min；綜合維修天窗時間為180 min；計算線路通過能力為34 對/d；能力儲備系數(shù)為雙線取0.15，單線取0.2。

規(guī)劃年度張?zhí)畦F路的煤炭運輸組織方案參考現(xiàn)狀，至曹妃甸港下水煤炭組織萬噸直達列車運輸，至企業(yè)煤炭組織5 000 t 直達列車運輸，煤炭卸后空車原路返回。礦石不同牽引質量方案對通路線路能力適應性分析如表5 所示。

表5 礦石不同牽引質量方案對通路線路能力適應性分析 對/ dTab.5 Adaptability analysis of line capacity for different traction tonnage schemes

通過計算分析，礦石列車采用單機牽引4000 t方案，運輸通路中團瓢莊至遵化南聯(lián)絡線、遵小線線路能力不滿足預測運量需求；礦石采用雙機牽引6 000 t 方案，通路各線能力均滿足需求，并有一定富余能力。

3.3 機車車輛購置費分析

礦石列車采用4 000 t 方案，需采用八軸大功率機車HXD1 或HXD2 牽引，車輛暫按C70計算，編組43 輛；計算礦石列車數(shù)為24 列，機車購置臺數(shù)為14 臺，車輛購置輛數(shù)約903 輛，機車車輛購置費合計約8.1 億元。

礦石列車采用6 000 t 方案，需采用六軸機車HXD2B 雙機牽引，車輛暫按C70計算，編組64 輛；計算礦石列車數(shù)為16 列，機車購置臺數(shù)為18 臺，車輛購置輛數(shù)約896 輛，機車車輛購置費合計約7.8 億元。

礦石列車采用4 000 t 方案相較于6 000 t 方案，機車購置臺數(shù)相對較少，車輛購置數(shù)量相差不大，但由于4 000 t 編組方案采用的八軸大功率機車HXD1 或HXD2 機車購置費較六軸電力機車HXD2B高，導致機輛費用總體偏高。

綜上運行指標、通路能力適應性、機車車輛購置費等方面分析結果，在張?zhí)畦F路現(xiàn)狀線路工程條件下，綜合考慮中國鐵路北京局集團有限公司管內的機車檢修條件，推薦張?zhí)畦F路礦石列車采用雙機HXD2B 牽引6 000 t 方案，不僅能充分利用通道線路能力，減少對線路能力的占用，滿足預測運量需求，同時機車車輛購置費也相對較低。

張?zhí)畦F路煤炭集港實行空重車雙線循環(huán)運輸，作業(yè)模式為“萬噸列車重車到達港區(qū)、卸后空車原路返回”；輕車方向承擔的疏港礦石運量為大宗運量，到發(fā)地明確，為保障礦石列車裝運空車來源，提高運輸效率，建議疏港礦石車流采用固定車底循環(huán)運輸[11]。

4 結束語

張?zhí)畦F路輕車方向疏運的唐山港區(qū)疏港礦石，經(jīng)綜合比較分析推薦采用雙機HXD2B 牽引6 000 t 的固定車底循環(huán)運輸方案，不僅較好地適應其既有工程條件，機輛費用相對較低，也充分利用張?zhí)畦F路通道運輸能力，滿足唐山港區(qū)至唐山市遷西、遵化地區(qū)鋼鐵企業(yè)的疏港礦石“公轉鐵”運輸需求。該方案對落實運輸結構調整戰(zhàn)略部署，助力打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，助推港口提升疏運能力，提高鐵路貨物運量具有積極的促進和推動作用。