【矿业澳洲点评】澳大利亚某矿区配套铁路为煤炭专用运输线，对该铁路采用DP、ECP两种重载技术的情况进行系统研究比选。且对不同轴重的运输方案从列车的停车制动、运输能力适应性、工程影响及运营成本等方面进行比选分析，并给出合理方案。所选的重载技术方案在保证运输安全的同时有利于提高运输效率及铁路经济效益，并符合澳大利亚铁路发展要求。
《澳大利亚某矿区配套铁路重载技术选型研究》
【1 概述】
澳大利亚某矿区铁路位于澳大利亚昆士兰州，为煤炭专用运输铁路，线路全长约455km，预测货运量为近期4,000×10四次方吨、远期6,000×10四次方吨，全部为起点装车站运至终点卸车站的煤炭。
根据澳大利亚的铁路运营情况，大宗货物的运输线路大量开行重载列车，牵引质量较大，且普遍采用较大轴重。如BHP纽曼山铁路轴重为40吨，编组方案为2台机车+110辆+2台机车+110辆，牵引质量约为35000吨，采用DP技术；FMG铁路轴重40吨，编组辆数为240辆，采用双机牵引，牵引质量约39,000吨，使用ECP技术。
澳大利亚某矿区配套铁路项目拟定的牵引质量为25,000吨，结合项目特点，对解决万吨级列车中部车辆车钩受力过大这一核心问题的两种技术DP与ECP系统进行比选，选择出适宜的系统。此外，结合重载列车的发展趋势，以及澳大利亚重载铁路轴重情况，对25、30、37、40吨四个轴重方案进行分析，给出适用于该项目的轴重的选择过程与最终方案。
【2 DP与ECP的比选】
到20世纪末重载列车存在的两大隐患:一是由于空气制动波速无法超过300m/s，重载列车在常用、紧急制动时发生前后制动不一致，由于列车中巨大的纵向力而造成严重的断钩、脱轨事故；二是重载列车在长大下坡道上、由于没有阶段缓解作用，再充气时间过长，容易造成列车失控，威胁列车安全。目前，解决以上问题有两种技术，一是通过无线传输指令的机车无线同步操纵技术(DP)，二是通过有线传输指令的电控空气制动技术(ECP)。
DP系统是重载列车采用组合列车的形式、多台机车分散在列车的前中后部，前部机车通过GSM－R系统向中、后部机车发布同步牵引和制动命令，实现前、中、后部机车的牵引、动力制动同步操纵及空气制动系统同步制动与缓解。DP系统能有效减轻重载列车的牵引车钩力；在弯道上减少列车阻力，减轻轮轨磨耗，降低燃油成本；中、后部机车同步参与了全列车的列车管排风与充风，加快了列车的充排风速度，提高制动波传播速度，有利于减轻列车制动纵向力作用，减少断钩的危险。中国大秦线采用的是该技术，大秦线的运营经验表明开行20,000吨列车需要采用机车无线同步操纵技术(DP系统)+可控列尾的条件下(编组方式为HXD1×1+105×C80+HXD1×1+105×C80+可控列尾)，组合列车中部的车钩力大于1,000kN，为解决车钩疲劳破坏的问题，同一卸车单元(即3辆车一组)内车辆间改用牵引杆连接。
ECP系统是主控机车通过网络直接控制列车中各辆车的副风缸向制动缸充风制动或制动缸排风缓解，空气是制动力产生来源，但空气不再作为控制指令传递的介质，达到整列车的车辆同时响应制动、缓解信息，具有严格的同步性。同时还具有阶段制动和阶段缓解性能，利用贯通全列车的电缆可同时实现机车动力分散牵引控制。各国采用ECP系统后，取得良好的效果:平均车钩力降低25%，断钩事故基本消灭，消除制动工况下脱轨的危险；制动距离可缩短50%～70%；消除意外紧急制动现象；车辆平均周转时间至少缩短9%；压力空气消耗降低，节能23%；车辆维修费用降低，车轮磨耗减少7%，闸瓦磨耗减少27%；车轮踏面剥离大大减轻；车体疲劳载荷降低。2009年美国交通部正式要求重载列车上全部装用ECP装置。
本文对DP和ECP系统进行了停车制动仿真，并针对项目的运量特征和运输组织特点，选择出能够保证运输安全，并有利于提高该项目运输组织效率的系统。
【2.1 DP与ECP系统的停车制动仿真】
分别针对DP、ECP系统进行了不同轴重列车的紧急制动和常用制动仿真。考虑到澳大利亚某矿区配套铁路项目拟定的牵引质量为25,000吨，编组按8,400吨+8,300吨+8,300吨计算。车辆制动能力按照AAＲ标准(S－461－76货车制动机性能规范和M－926－720闸瓦性能规范)计算，比较不同轴重列车的制动距离、最大纵向力和纵向减速度分布。仿真结果见表1。
如表1所示，使用不同轴重车辆的编组，在既有的重载线路条件下，应用DP或ECP控制方式均能满足牵引、制动能力和坡道运行的基本要求，但其纵向动力学性能主要受到编组方式、控制方式不同的影响而有重大差异。仿真研究结果总结如下所述。
(1)ECP对改善列车纵向动力学的性能有重大影响，无论轴重、空重车编组列车均可明显缩短制动距离和时间，例如25,000吨重车编组列车紧急制动距离至少减少30%以上，常用制动距离减少近50%。纵向力的减少更为明显，紧急制动减少70%以上，常用制动减少近50%，纵向冲动及其分布也有重大改善。
(2)ECP对不同轴重的效果相差不大，重车列车紧急制动时40吨轴重最大压钩力较小、常用制动时37吨轴重最大压钩力较小。在DP方式下，由于随着轴重增加，列车编组辆数减少，制动距离、时间有所减少，纵向力也有所改变。
(3)空车编组列车具有大坡道起动能力，可提高运行速度；另一方面纵向力也较重车列车有所减轻，但纵向冲动明显增加。
(4)在常用制动情况下，空车编组列车在DP控制下的最大纵向力均在1,000kN以下，30吨轴重编组的纵向力最低在700kN以下。ECP方式可使纵向力减少到300kN以下，并基本上不受轴重的影响，纵向冲动也有类似的规律性。综合以上分析，从列车控制方式方面ECP较优，能够使列车纵向动力学的性能有重大改善。
【2.2 DP与ECP系统对运输组织的影响】
采用DP技术的重载铁路须开行组合列车，组合列车一般需分部装车与卸车，运输作业环节较多，中国大秦线开行的20,000吨列车就是如此；而采用ECP技术的重载铁路则没有此要求，其运输组织的适应性较强。大秦线采用DP系统的主要原因是其重载列车需路网相关线路进行集疏运，如采用ECP车辆，则车辆购置费较大，且沿线人口稠密、车辆维护较困难；牵引质量仅20,000吨，相对较小，DP系统能够适应。
澳大利亚某矿区配套铁路运量全部为起点运至终点的煤炭，该线为独立运输系统，组织开行固定车底循环直达列车，车辆无解编作业，ECP系统贯通全列车的电缆并不影响运输组织，故项目能够采用ECP系统。综上所述，列车控制方式以ECP为优，且能够适应项目的运输组织特点。因此，澳大利亚某矿区配套铁路项目宜采用ECP系统。
【3 项目的轴重比选分析】
轴重选择需在保证运输安全的前提下完成运输任务，减少工程建设成本，并降低建成后的运营成本，尽量使铁路的经济效益最优。影响轴重选择的因素主要有:运输安全、对预测运量的适应性、对工程的影响，以及铁路运营成本等。
(1)运输安全
由于列车纵向力与其长度成正比，轴重越大编组辆数越少，车辆长度越短，可减少断钩等事故，有利于列车安全。
(2)对运输能力的影响
轴重选择需满足预测运量对铁路运输能力的要求，轴重提高后可在一定程度上提高线路的运输能力，在列车编组辆数相同时，轴重越大列车的牵引质量越大，列车的年输送能力也随之增加。
(3)对工程的影响
轴重的增大对于线路、桥梁等固定设备的要求也相应提高。但另一方面，在同样的牵引质量下，可缩短编组列车长度和站线有效长度；在同样站线有效长度下，采用同样的编组辆数，能提高牵引质量，减少行车量，并减少会让站的分布数量。
(4)铁路运营成本
轴重增加能够减少完成运量所需的车辆总数，不仅减轻了车辆维修管理工作，也减少了调度、装车、计量、质验、卸车、运费核算等工作量，降低运营成本。根据上述轴重选择的影响因素，重点对不同轴重车辆的停车制动、运输能力、工程影响、运营成本4个方面进行详细分析。
【3.1 不同轴重的停车制动计算】
不同轴重主要影响列车编组辆数和长度，由于不同轴重列车的每百吨列车重力换算闸瓦压力基本相同，因此在同样机车和列车重力条件下的牵引能力和制动能力差别不大，反映为随轴重增加，列车牵引能力、制动距离和时间的变化不大；纵向力则有不太大的下降趋向。
根据以上采用DP和ECP系统时不同轴重列车的停车制动仿真结果，在采用ECP系统时，不同轴重的停车制动均能够满足要求，且效果相差不大；但重车列车紧急制动时40吨轴重最大压钩力较小、常用制动时37吨轴重最大压钩力较小，故轴重增加对列车停车制动性能有一定改善。
【3.2 轴重对运输能力的影响】
在车站到发线有效长保持不变的情况下，轴重的提高能够增加列车的输送能力。目前，中国20,000吨列车常用的到发线有效长为2,800m，若用足到发线，25、30、37、40吨轴重列车的输送能力见表2。
如表2所示，采用40吨轴重车辆较25吨轴重车辆的年输送能力提高约50%、37吨轴重较25吨提高40%。项目的预测运量为近期4,000×10 4吨、远期6,000×10 4吨，
远期40吨轴重车辆较25吨轴重行车量减少4对，估算的车站数量减少6个；37吨轴重的远期行车量为9对、估算车站数量为13个，较40吨轴重方案相差不大。因此，从提高能力角度，宜选择37吨或40吨轴重。
【3.3 轴重对工程的影响】
制约轴重增加的主要因素有桥梁、钢轨、道砟、路基、焊接接头等，大轴重对线路、桥梁等固定设备的设计和使用要求较高。但轴重提高以后，可提高牵引质量并减少车站的分布，或在牵引质量相同的条件下缩短站线有效长。
车站到发线有效长度须满足列车长度的要求，并考虑停车安全附加距离，根据相关研究及大秦线的运营实践经验，重载线路可采用列车长度的10%作为停车安全附加距离。不同轴重对应的到发线有效长见表3。
在相同牵引质量的前提下，车辆轴重增大能减少编组辆数，相应的缩短到发线有效长。牵引质量为25,000吨时，采用40吨轴重，到发线有效长较25吨短1,050m、37吨轴重较25吨短850m。从缩短到发线有效长方面，37、40吨轴重较优。
【3.4 轴重对运营成本的影响】
结合澳大利亚某矿区配套铁路项目的特点，将运营成本分为4个部分:轨面以上、轨面以下、综合行政管理和维护支持4个部分；分别从燃料和能源支出、薪水与报酬、合同与服务费用、维护材料与服务费用、运营消耗支出、管理费用共6个方面进行分析。项目的运营成本组成内容见表4。
根据以上各项内容，测算不同轴重的可变成本和固定成本。可变成本指基于项目运量的有关开支，主要包括列车油耗、机车车辆维护成本、司机等乘务人员工资等；固定成本指在运营过程中产生的固定开支，包括线路和建筑物类等轨面以下设施的维护成本、铁路公司人员和车站人员的工资等。
通过测算，不同轴重的单位运营成本见表5。
4个不同轴重方案的年运营成本关系见图1。如图1所示，从运营成本方面，轴重越大运营成本越低，比较而言，37、40吨轴重较为节省成本。
【4 结论】
以澳大利亚某矿区拟建的煤炭运输重载铁路为研究对象，对项目拟采用的重载技术进行研究，重点分析比选了DP和ECP系统。尽管DP或ECP控制方式均能满足牵引、制动能力和坡道运行的基本要求，但ECP系统不仅在列车控制方式方面较优，能够使列车纵向动力学的性能有重大改善，且适用于项目的运输组织特点。故经研究认为项目宜采用ECP系统。
此外，对25、30、37、40吨四种轴重进行了对比选择研究。从停车制动方面，使用不同轴重车辆的编组在既有的重载线路条件下，不同轴重的停车制动均能够满足要求，且效果相差不大；但轴重增加对列车的停车制动性能有一定改善。从提高能力、缩短站线长度、建设车站分布、节省运营成本等方面37、40吨轴重均优于25、30吨轴重。因此，认为澳大利某矿区配套铁路项目宜采用37吨及以上轴重。
——杨丽娟，丁学锋，付昌友，刘剑飞
——(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)
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