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摘要：大准铁路由于初期设计标准较低，既有运输能力已经难以满足蒙西地区不断增长煤炭外运需要，为此，通过开展重载运输研究，实施了一系列技术改造，实现国内首开单线万吨列车，逐步将大准铁路打造成蒙西煤炭外运的重要通道。
关键词：大准铁路；重载运输能力；煤炭外运；能源需求；货运通道 文献标识码：A
中图分类号：U291 文章编号：1009-2374（2016）27-0092-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.043
1 概述
随着我国经济的快速发展，能源需求不断增大，准格尔地区煤炭开发热度不断增加，推动了煤炭外运需求不断加大，大准铁路作为“西煤东运”大通道的重要组成部分，尤其是准东铁路于2000年接轨后运量快速增长，至2002年完成运量1546万吨。
大秦铁路作为大准铁路的下游货源通道，自2004年起实施2万吨扩能改造，大幅度提升了运输能力，使大准铁路获取了5000万吨/年的煤炭外运资源；而大准管内先后接轨建设了托克托电厂线、岱海电厂线及新丰电厂线三条铁路专用线，加上早期接轨的国华电厂、丰镇电厂等，电厂煤炭需求超过2000万吨/年。而大准铁路由于初期设计标准低，到发线有效长850m，线路荷载为21吨，运输能力仅有1500万吨，远远小于煤炭外运需求，扩能改造势在必行。
在不改变单线运输模式的情况下，比较切实的方法是开展重载运输。考虑大准铁路以煤炭运输为主，具有货物品种单一、运输径路固定、发运量大且装车站比较集中，具备组织开展单元万吨列车的优势。
2 技术创新总体思路
大准铁路作为大秦铁路后方通道，开行万吨重载列车能够有效实现与大秦铁路的车流对接，具有运能大、效率高、运输成本低等优势，为此，大准铁路开展了一系列技术创新工作，保障万吨列车安全开行。
第一，线、桥动载试验。对线、桥设备进行C80货车动载试验，提出线路强化技术措施和桥梁加固处理意见。
第二，万吨列车动力学研究。通过计算和试验验证，掌握万吨列车在各种工况下的纵向冲动情况，为正式开行万吨列车提供理论基础和试验数据。
第三，创新使用动态无功补偿装置，有效提升了供电质量，满足了万吨列车开行的需要。
第四，研究开发了新式列尾传输技术，解决既有列尾在山区、隧道传播距离短的问题，满足万吨列车安全运行的需要。
第五，既有线桥墩加固技术研究。
第六，优化行车组织方式，适应万吨列车开行
要求。
3 关键技术研究
3.1 线桥动载试验
由于大准铁路原设计标准低，离重载铁路对线路的要求有较大的差距，试验以25吨轴重车辆（C80）编组货车进行动载测试：
3.1.1 通过小半径曲线时的动力性能试验，分析试验列车通过时的运行安全性、对线路横向稳定性的动力影响以及对线路设备的动力作用。
3.1.2 侧向、直向通过道岔区段时，对道岔结构的动力作用，分析试验列车通过道岔时的安全性、对道岔稳定性及道岔部件强度的影响。
3.1.3 测试桥梁的动力响应，分析开行万吨长大重载列车下桥梁的强度及竖向和横向刚度能否满足要求。
3.1.4 测试万吨列车在长大桥上制动时的安全性以及对桥梁的影响。
根据动态试验结果，将大准线钢轨由50kg/m轨更换成60kg/m轨，轨枕由Ⅱ型枕更换成Ⅲ型枕，并对85座桥梁进行了加固，满足了C80型万吨列车的运行需要。
3.2 万吨列车动力学研究
大准铁路线桥设计标准低，且线路条件、环境等因素与大秦铁路差异较大，大秦铁路开行的万吨列车能否在大准线安全运行需要进行科学论证。
3.2.1 建立纵向动力学仿真模型。
列车纵向动力学模型以每节机车车辆作为一个分离体，整列车的自由度等于全列机车车辆的总数（图1）。它以整个列车系统中的每一辆车为研究对象，考虑了每辆车的车钩间隙、缓冲器的非线性特性，机车的牵引及动力制动特性，列车的空气制动特性等。
列车纵向动力学模型取每节车为一个分离体，整列车的自由度等于组成列车的机车车辆总辆数。图2给出了列车中某一节车辆的纵向受力图，根据动力学原理，第i节车辆的纵向动力学运动方程为：
mix"i=Fci-1-Fci-Fwi+FTEi-FDBi-FBi（i=1～N）
式中：i=1～N；mi为第i节车的质量；x"i为第i节车的加速度；Fci-1为第i节车的前车钩力，当i=0时，Fci-1=0；Fci为第i节车的后车钩力，当i=N时，Fci=0；Fwi为第i节车的运行阻力，包括基本运行阻力、坡道阻力、曲线阻力、启动阻力等；FTEi为机车牵引力，仅作用于机车；FDBi为机车的动力制动力，仅作用于机车；FBi为第i车的空气制动力；di为第i节车所处线路断面的
坡度。
对于组成列车的N节车辆，可列出N个微分运动方程，组成一个二阶微分方程组，进行仿真计算。
3.2.2 仿真计算。万吨列车在运营中较为突出的问题是机车牵引能力的发挥、列车在牵引及制动过程中引起的纵向冲动。分析重载列车在不同操纵状态下的纵向动力学特性，并设置计算工况：平直道启动工况、4‰上坡道启动工况；平直道常用全制动（制动初速80km/h）、9‰下坡道常用全制动（制动初速80km/h）工况；平直道紧急制动（制动初速80km/h、30km/h）工况；长大坡道的循环制动工况（单独制动工况、单独缓解工况、联合制动工况），通过各种工况的仿真计算，得出大准线具备开行C70、C80型万吨条件。
3.2.3 牵引试验。对由C70、C80车辆分别编组的万吨重载列车，进行相应的制动系统的地面静止试验和线路运行试验，通过列车动力学计算和试验验证，充分掌握重载列车各种工况下的冲动情况，保证万吨重载列车的安全运行，提供了必要的基础理论和试验数据。试验结果与仿真计算基本一致，在此基础上编制了大准铁路开行万吨列车的运行图，于2006年正式开行万吨列车，开创了国内单线铁路开行C80万吨列车的先河，并在不断总结万吨列车开行经验的基础上，逐渐增加万吨列车开行对数，大幅度提升了大准线运输能力。
3.2.4 C60吨级、70吨级万吨列车研究。为进一步优化车流结构，大准铁路在成功开行C80万吨列车的基础上，对C62AK、C64、KM70车型编组万吨列车进行研究，经仿真计算和上线运行试验，成功开行丹洲营地区电厂、岱海电厂C62AK、C64、KM70万吨列车，开创了国内开行C62AK、C64、KM70型万吨列车的先河，从而在区间通过列车对数不变的情况下，有效地实现了大同口增运工作。
3.3 供电能力加强
为满足万吨列车开行需要，对全线6个牵引变电所进行增容改造，增设了点岱牵引变电所。同时结合大准铁路采用SS3、SS4型号电力机车的实际，创新使用动态无功补偿装置，有效解决牵引变电所功率因数低、谐波含量高的难题，将牵引变电所功率因数由原有的不足0.85提升至0.95以上，有效地提高了接触网的网压和电源质量。
3.4 列尾通信传输技术
大准线既有列尾装置通信采用400M传输，受山体的阻隔，形成许多弱电场区，通信距离受到限制，不满足万吨列车开行需要。若采取在列车中加挂中继器，会增加摘挂劳动强度，也不利于卸车时通过翻车机房。
大准铁路公司经过大量现场研究试验，利用原铁道部400kHz技术，将既有列尾装置改造为双向双信道（400kHz+400M）列尾装置，在400M的基础上，利用400kHz信号经接触网传输，不受山区、隧道的影响特性，实现400MHz+400kHz双信道互补，场强覆盖率达到99%以上。在不增加设备、不改变列尾作业程序和增加摘挂中继器作业的情况下，解决了万吨列车在山区列尾信息传输不畅的问题，确保了万吨列车运行安全。
3.5 桥墩加固技术
开行重载列车对桥墩的冲击力将极大增加，针对部分桥梁出现的横向振幅超限问题，在检测结果和评估报告的基础上，有针对性地对桥墩进行加固。常规对既有线桥墩横向刚度加固最有效的办法就是增大截面法，但增大截面法又会增大桥墩自身重量、增大基础负载。故在桥墩增大截面法加固实践中，需考虑既要尽量减少基础负载，又要满足桥墩刚度增大要求，以一圆形桥墩为例比选各种加固方式。设原有桥墩截面为D=2.5m、
H=8.0m，扩大基础。
墩身增大截面法加固比选方案，使用全高度同尺寸增大截面法，增大截面尺寸至D=3.5m；使用全高度渐变尺寸增大截面法，底部增大尺寸至D=3.5m，顶部尺寸D=2.5m；使用全高度阶梯变尺寸增大截面法，第一阶：D1=3.5m，H1=3.0m；第二阶：D2=3.0m，H2=3.0m；第三阶：D3=2.5m，H3=2.0m。
通过理论测算，三种增大截面方案中桥墩横向刚度及基础负载增加值如表1：
通过测算可得，全高度同尺寸增大截面法中基础负荷提升了17.21%，若大于10%，需要做基础加固，加固成本会变大，加固工期会延长；而全高度渐变尺寸增大截面法横向刚度提升较小，且渐变截面施工工艺较为复杂，立模较困难，因此采用全高度阶梯变尺寸增大截面法进行加固较为经济、合理、有效，可操作性强。大准线下脑亥东沟大桥桥墩加固过程中，采用了全高度阶梯变尺寸增大截面法，加固前后1#～4#号桥墩频率对比：
加固后，下脑亥东沟大桥各桥墩横向振动频率满足《铁路桥梁检定规范》要求，加固效果良好，能够满足25t轴重重载万吨的开行。
3.6 大准铁路运输能力查定
为准确测算大准铁路运输能力，联合北京交通大学开发了“车站与区间能力查定人工写实数据管理计算软件V1.0”“基于电务监测数据的铁路车站作业信息与能力分析软件V1.0”等三套软件系统。
在查定通过能力过程中，系统能够充分利用列车行车监控、电务的有关设备，自动提取有关时刻信息，替代传统的人工采点写实。同时可以将原始数据通过这些系统接口自动传输到数据处理系统，使大部分原始信息实现自动采集和传输，从根本上改变传统的查标方法。
该软件在采集大量原始数据的基础上，通过建立数据库管理系统，自动完成信息接收，并进行汇总、整理、分析、计算，得出车站咽喉通过能力和到发线通过能力。
通过该软件的应用，有效寻找运输能力瓶颈区，从而通过针对性改造打破运输瓶颈，提升列车会让能力，快速释放运能，公司先后开展了“五站”应急、龙-点-唐三角线改造、最大装车站点岱沟改造、丹洲营至燕庄单线双向自闭等工程以及推动了增二线改造，将大准铁路成功打造成年运量达2.3亿吨的蒙西煤炭重载通道。
3.7 创新运输组织方式
3.7.1 针对大同口车流集中到达，利用装车节奏，组织钟摆式行车。既为大准线万吨站不足增开万吨列车创造了行车条件，又缓解了大同口车流不均衡对大准线的运输影响。
3.7.2 对丹洲营至燕庄单线区段，逐段进行单线双向自闭改造，实现了列车同方向追踪运行，为钟摆式运输组织进一步创造了条件，将大同口运输能力从8000万吨提升至8800万吨。
3.7.3 利用TFDS动态检车系统，优化既有人机互检模式，取消点岱沟、南坪万吨列车始发作业，在保障安全的前提下，实现减员26人、职工劳动强度降低30%、始发列车停时压约30分钟；投用CTC和供电远动系统后，将逐步减少中间站、变配电所值守人员等。
4 与当前国内外同类技术比较
4.1 万吨列车开行技术
国内外双线铁路开行万吨列车较为普遍，因单线铁路运输组织较双线铁路更加复杂和困难，未有单线铁路开行万吨列车的先例。大准铁路联合西南交通大学对单线电气化铁路开行万吨列车技术进行研究，创造了单线铁路开行万吨列车的先河。
国内外开行万吨列车都是C70、C80型车体。大准铁路在开行C80型万吨重载列车的基础上，对C62AK、C64、KM70型编组万吨列车进行研究，成功首次开行了C62AK、C64、KM70型万吨列车，创新了万吨列车编组方式。
4.2 列尾通信传输技术
大准铁路创新使用400M+400K双信道双向数传列车尾部装置，利用原铁道部400kHz传输技术，在几乎不增加投资、不改变列尾作业程序和增加中继器摘挂作业的情况下，解决了万吨列车在山区列尾信息传输不畅的问题。
4.3 车站能力查定自动化系统
车站能力查定自动化系统从电务系统采集数据，通过数据处理、汇总、分析、计算，得出车站咽喉道岔、到发线能力，最终确定车站能力，具有人力财力投入小、插标准确率高、过程简单、计算快捷等优点。
5 结论及展望
5.1 结论
通过开展线桥动载试验、万吨列车动力学研究、供电能力加强、列尾通信传输技术改进等技术创新研究，大准铁路于2006年实现了国内首开单线万吨列车，依托重载运输实现了铁路运输量快速增长，长期保持和刷新了我国单线铁路年、月、日货物运量最高记录，至2015年货物发运量突破亿吨大关，全年运量达11161.5万吨，在蒙西煤炭外运及打造神华重载通道过程中发挥着越来越重要的作用。
5.2 今后发展方向
随着神华路网建设，形成了以大准铁路为后方主干线的新准-大准-准池-朔黄煤炭外运新通道，扭转了蒙西地区运输能力紧张的局面。今后大准铁路要从神华路网通道建设着手，通过统一设备管理、优化资源配置、开展机车长交路建设等措施，加强数字化铁路建设，研究开行2万吨组合列车，着力打造为国内第一条轻资产、高效率的重载通道。
参考文献
[1] 胡思继.铁路行车组织学[M].北京：中国铁道出版 社，1998.
[2] 佟立本.铁道概论（第六版）[M].北京：中国铁道 出版社，2012.
[3] 耿志修.大秦铁路重载运输技术[M].北京：中国铁 道出版社，2009.
作者简介：路文尚（1963-），男，内蒙古人，神华准能大准铁路公司总经理，工程师，研究方向：铁路运输组织。
（责任编辑：小 燕）