城际铁路最大坡度研究

２０１１年２月　高速铁路技术　Ｎｏ．１，Ｖｏ１．２　Ｆｅｂ．２０１１　第２卷第１期　ＨＩＧＨ　ＳＰＥＥＤ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　文章编号：１６７４—８２４７（２０１　１）０１—０Ｏ０８—０４　城际铁路最大坡度研究　张志勤　宋元胜　（中铁二院工程集团有限责任公司，　成都６１００３１）　摘要：通过我国城际铁路运行的动车组在不同最大坡度牵引、制动工况模拟仿真，从动车组的各项性能和　在不同坡度上的牵引能耗；从最大坡度对运营时间、运行速度以及对区间通过能力的影响等方面进行综合分　析研究，提出我国城际铁路建议采用的最大坡度，供城际铁路设计时参考。　关键词：城际铁路；最大坡度；研究　中图分类号：Ｕ２１２．３４　文献标识码：Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ　Ｒａｉｌｗａｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｉ－ｑｉｎ　ＳＯＮＧ　Ｙｕａｎ－ｓｈｅｎｇ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｒｙｕａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｏｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｏｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｆｏｒ　ＥＭＵ　ｔｏ　ａｄａｐｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎ．　ｔｅｒｃｉｔｙ　ｒａｉｌｗａｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ＥＭＵ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｇｒａｄｉｅｎｔｓ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ，ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｃａｐａｃｉ—　ｔｙ　ｏｆ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ｂｙ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｇｒａｄｉｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ａｓ　ａ　ｒｅｆｅｒ—　ｅｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ　ｒａｉｌｗａｙ　ｆｏｒ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙｇ　ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ　ｒａｉｌｗａｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｃｉｔｙ　ｒａｉｌｗａｙ；ｍａｘｉｍｕｍ　ｇｒａｄｉｅｎｔ；ｓｔｕｄｙ　１　引言　《铁路主要技术政策》明确指出：“运输紧张的繁　２　国内外高速铁路最大坡度概况　国内外高速铁路（客运专线）最大设计坡度如表１　所示。　表１　国内外客运专线最大坡度表　国外高速铁路　线路名称　法国巴黎东南线　（巴黎里昂）　忙干线修建四线或多线，实行客货分线运输。在大中　城市间发展客运专线，在人口稠密地区发展城际铁路　加快形成覆盖我国主要城市的快速客运网。”而城际　铁路的最大坡度是总体设计决定的线路主要技术标准　之一，对线路的走向、长度、工程投资、运营费用、牵引　质量及输送能力都有较大的影响。因此，本文通过总　国内客运专线及城际铁路　线路名称　京沪客运专线　设计最大　坡度（‰）　ｌ２，设计最大　坡度（‰）　３５　最大２０　结和借鉴国外城际铁路线路最大坡度使用情况，对我　国适应城际铁路运行动车组的各项性能和在不同坡度　上的牵引能耗，从最大坡度对运营时间、运行速度以及　法国大西洋线　（巴黎勒芒图尔）　法国地中海线　（瓦朗斯马赛）　ｌ５　３５　沪宁城际铁路　京广客运专线　１２，最大２０　最大２Ｏ　１２，对区间通过能力的影响等方面进行综合分析研究，旨　在解决城际铁路线路最大坡度的决策问题，以指导我　国城际铁路设计工作。　Ｈ本新干线　（科隆１６—２０　４０　京津城际铁路　成绵乐城际铁路　成贵、成西、长　昆客运专线　１２，最大２０　１２，德国　莱茵一美茵）　最大２Ｏ　最大２５　收稿日期：２０１０．１２－０２　作者简介：张志勤（１９６４一），女，高级工程师。　法国东南线和地中海线的最大坡度均为３５％。，采　用２动８拖动力集中型动车组。德国法兰克福一科隆　第１期　张志勤，等：城际铁路最大坡度研究　２０１１年２月　客运专线最大坡度４０％０，专门研发了４动４拖动力分　散型ＩＣＥ３动车组，采用动力制动、辅助涡流制动，列车　在４０％０的下坡道上保持速度３００　ｋｍ／ｈ运行。从国外　高速铁路运营实践看，采用３０％０及以上的最大坡度运　营是可能的。　３动车组在不同最大坡度牵引、制动工　况模拟仿真　３．１　动车组与坡度、速度的适应性　为保持城际列车较高的旅行速度，城际列车在最　大坡度上的运行速度应保持在１６０　ｋｍ／ｈ以上。根据　ＣＲＨ各型动车组技术参数进行牵引计算，列车保持不　同速度匀速运行的均衡坡度。如表２所示。　由表２可见，要满足动车组２００　ｋｍ／ｈ及以上的速　牵引力　（Ｎ／ｋＮ）　１６．９９　２１．２９　２３．６６　２６，６７　目前我国建成和在建客运专线均采用了一般　１２％ｏ，局部２０％０的坡度系列，由于线路主要集中在平　原、丘陵地区，最大坡度２０％０应用较少。地处山区的　成贵、成西、长昆客运专线拟采用的最大坡度为２５％０。　动车组类型　单位质量牵引　功率（ｋＷ／ｔ）　速度值　（ｋｍ／ｈ）　２５０　２００　ＣＲＨｌ　ｌ１．１８　１８０　１６０　表２动车组与坡度、速度的适应性表　基本阻力　（Ｎ／ｋＮ）　１１．５７　８　Ｏ３　６．８１　５，７１　剩余牵引力　（Ｎ／ｋＮ）　５．４２　１３．２６　１６．８５　２０．９６　半坡上廷仃剩尔加　侏竹匀还还仃的　速度（ｍ／ｓ　）　坡度值（‰）　０．０４９４　０．１２１　０．１５４　０．１９ｌ　５．４２　１３．２６　１６．８５　２０　９６　２５０　ＣＲＨ２　２００　９．８７　６．９３　１６　３７　２０．４７　２２．７４　２５．５９　６．５０　ｌ３．５４　ｌ６．８２　２Ｏ．６０　０．０５９　Ｏ．１２４　０．１５４　Ｏ．１８８　６．５Ｏ　１３．５４　ｌ６．８２　２０．６Ｏ　（四动四拖）　１１．７５　ｌ８０　ｉ６０　５．９２　４．９９　２５０　ＣＲＨ５　１１　１２．８３　８．８３　７　４７　６．２５　１６．１５　２０．１８　２２．４３　２５．２３　３．３０　１１．４０　１５．００　１９．００　０．０３０　０．１０４　Ｏ．１３７　Ｏ．１７３　３．３Ｏ　１１．４０　ｌ５．Ｏ０　１９．Ｏ０　２００　１８Ｏ　ｌ６Ｏ　度匀速运行，对ＣＲＨ１型和ＣＲＨ２型（４动４拖）动车　组来说，最大坡度在１３％ｏ左右；对ＣＲＨ５型动车组来　说，最大坡度在１１％。左右。　动车组功率合理发挥条件下城际铁路对应的坡度　值如表３所示。　表３　动车组功率合理发挥时对应坡度值表　功率发挥８０％　功率发挥６０％　（ｋｍ／ｈ）　１６Ｏ　３．２　电动车组不同坡度动能闯坡性能　动车组列车具有较强的牵引性能，对大坡度具有　较强的适应性，同时具有较强的闯坡能力。按照动车　组列车牵引功率的合理发挥，城际铁路最大坡度一般　可采用１２％ｏ，困难２０％０，极限不应超过２８％０。但是从　动车组动能闯坡条件看，对于最大坡度３０％０，动车组　列车仍然具有较强的闯坡性能，因此在利用动能闯坡　条件下，城际铁路最大坡度可以采用３０％。，但连续最　大坡度坡段长度宜控制在３　ｋｍ以内。　３．３动车组起动对应的最大坡度　２８％。。　＿　动车组类型　速度值　保持匀速运　保持匀速运　行的坡度值　速度值　行的坡度值　（ｋｍ／ｈ）　（％Ｄ）　ｌ３．２６　（％。）　２Ｏ９６　．ＣＲＨ１　２００　ＣＲＨ２（４动４拖）　ＣＲＨ５　２００　２００　ｌ３．５４　１１４０　．１６Ｏ　１６０　２０．６０　１９．００　动车组列车起动牵引动力强大，动能损失１／４的　从表３可见，正常条件下发挥动车组功率８０％，　保持列车牵引力不变条件下，保持列车匀速运行的坡　度值为１　１．４％０～１３．５４％０，可以取整为１２％ｏ；困难条件　下发挥动车组功率６０％，保持列车牵引力不变条件　下，列车匀速运行的坡度值为１９％０～２０．９６％０，可以取　整为２０％０。在极限条件下（动车组恒功区的临界点），　动车组功率发挥到５０％，仍然保持牵引力不变，列车　速度按照１２５　ｋｍ／ｈ，３种车型保持列车匀速运行的坡　情况下线路最大坡度可设置到３０％０，因此正常情况　下，最大坡度可达到３０％０。　３．４动车组匀速运行下坡最大坡度　在施加全电制动力条件下，即使城际铁路最大坡　度采用３０％０，动车组也具有足够制动力保证列车在大　下坡条件下匀速、安全运行。若只施加７５％电制动力　或一半电阻制动力，最大坡度保持在２０％。～２５％ｏ动车　组具有足够制动力保证列车在大下坡条件下匀速、安　全运行。如表４所示。　度值为２７．８３％０～２９．９１％　。　因此从动车组与坡度、速度的适应性分析，城际铁　路最大坡度一般采用１２％０，困难２０％０，极限不应超　３．５　动车组满足安全制动的最大坡度　从长大下坡紧急制动距离看，城际铁路长大下坡　第１期　张志勤，等：城际铁路最大坡度研究　２０１１年２月　最大坡度不宜超过２０％ｅ。若城际铁路最大坡度用到　３０‰，连续最大坡度坡段长度宜控制在１　ｋｍ以内。　综上分析，从我国适应城际铁路运行的动车组牵　起动性能、长大下坡道的电制动力、紧急制动距离等因　素分析，城际铁路最大坡度一般采用ｌ２‰，最大２５‰。　但在利用动能闯坡条件下，城际铁路最大坡度可用到　引性能、动能闯坡性能、动车组功率发挥、大上坡道上　动车组　类型　ＣＲＨｌ　３０％。，但不宜设置长大上坡道。　下坡时　施加７５％电制动力　制动力　最大坡度　（ｋＮ）　７４　表４下坡均衡速度运行参数表　下坡均衡　速度　（ｋｒｎ／ｈ）　２ｏｏ　下坡时无制　动力最大坡度　（％。）　下坡时　施加全电制动力　制动力　最大坡度　（ｋＮ）　９９　（％下坡时　施加５０％电制动力　制动力　最大坡度　（ｋＮ）　３７　。　（％。）　２４．１　（％　）　１６．１　８．１　２９　２００　６．９　ｌ３４　４０　ｌ０ｏ　３１．９　５０　１９．４　ＣＲＩ｛２　２５０　２００　９．９　８．８　１２．９　１４４　１０６　８８　４６　３０　３１　１０８　８０　６６　３６．８　２５．Ｏ　２６．３　５４　４０　３３　２３．３　ｌ６．９　ｌ９．６　ＣＲＨ５　２５０　４不同坡度对动车组能耗的影响研究　４．１　不同最大坡度条件下动车组能耗分析　通过对不同最大坡度条件下各型动车组进行牵引　计算（最高限速２００　ｋｉｎ／ｈ），得出坡度与能耗关系。如　图１所示。　重　贳　４ｍ＝　●　≥　图２各型动车组以不同坡度克服相同高程能耗示意图　耀　４．３动车组动能闯坡克服相同高程的能耗分析　根据ＣＲＨ１（５　３００　ｋＷ）动车组技术参数，对列车　动能闯坡克服２００　ｍ高程进行牵引计算，得到的能耗　如表５所示。　图１　各型动车组不同坡度１００　ｋｍ范围能耗增长趋势图　表５　列车动能闯坡克服２００　Ｉｎ高程的牵引能耗　克服高程　（Ｉｎ）　２０Ｈ０　２００　各型动车组每百公里能耗与坡度值大小变量近似　坡度　（％。）　１０　ｌ２　坡段长度　ＣＲＨ１牵引能耗　出口速度　ｆｍ　２Ｏ　Ｏｏｏ　１６　６６７　（ｋＷ・ｈ）　６９４　６００　（ｋｍ／ｈ）　２２６．８　２ｌ３．５　呈线性关系增长，当最大坡度值从２５％ｅ增加至３０％ｏ　时，能耗增幅变大，尤其以ＣＲＨ２型动车组较明显。因　此，从能耗角度来说，最大坡度值宜取较小值，工程困　难时也不宜超过２５％。。　４．２各型动车组在５０　ｋｍ距离内克服１００　ｍ高程的　能耗分析　２０ｏ　２０ｏ　２ｏｏ　２ｏｏ　２ｏｏ　ｌ５　１８　２０　２５　３０　ｌ３　３３３　１１　１１１　１Ｏ　Ｏ０ｏ　８　０００　６　６６７　５０３　４３６　４０３　３３８　２９３　１９７．４　１８４．２　ｌ７６．７　１６０．９　１４８．５　以区段距离５Ｏ　ｋｍ为例，克服１００　ｍ的高程差，采　用不同最大坡度值，其余地段假定为平坡，各型动车组　的能耗如图２所示。　从图２可以看出，在相同距离区段内，动车组以不　牵引能耗及速度变化趋势如图３所示。　从动车组动能闯坡能耗和速度变化情况看，城际　铁路线路设计中，为了克服相同的高程，可利用动车组　列车动能闯坡性能，在满足速度目标值的要求下，可选　择较大的坡度值。　同坡度克服相同高程的能耗基本相当，即在克服相同　高程的前提下，动车组能耗与线路高程差直接相关，与　采用的最大坡度值关系不大。因此，在城际铁路线路　设计过程中，宜因地制宜选择大坡度。　第１期　张志勤，等：城际铁路最大坡度研究　２０１１年２月　坡度（％。１　图３　ＣＲＨ１型动车组克服２００　ｎｌ高程的牵引能耗及速度变　化趋势图　综上分析，从动车组列车利用动能闯坡和动车组　列车在不同坡度上牵引能耗分析，城际铁路在克服相　同高程条件下，宜选择大坡度，但最大坡度不宜大　于２５％。。　５不同坡度对运行时分影响研究　根据ＣＲＨ１（５　３００　ｋＷ）、ＣＲＨ２（４动４拖４　８００　ｋＷ）、ＣＲＨ５型（５　５００　ｋＷ）动车组在不同最大坡度条　件下运行１０　ｋｍ的运行时分绘制曲线如图４所示。　图４不同坡度运行时分示意图　在相同的区段距离内，运行时问随着最大坡度的　增加呈线性增加，同时坡度大于２５‰时增加较快，尤　其是ＣＲＨ２型动车组。因此从运行时间看，长达坡段　最大坡度不宜超过２５％ｏ。　以成都至西安客运专线西安至汉中段为例，　ＣＲＨＩ、ＣＲＨ２、ＣＲＨ５型动车组在秦岭北坡地段（下行　方向）运行的牵引工况数据中，秦岭北足坡地段坡顶　运行速度如图５所示。　从图５中的数据看，３０％。坡度条件下，列车出口速　度均远低于各型动车组保持恒功区临界速度１２５　ｋｍ／ｈ。　１８Ｏ　ｌ５０　１２０　—重　９０　６０　３０　Ｏ　２５　坡度（％。）　图５　秦岭北段足坡地段坡顶运行速度示意图　为保证动车组列车在恒功区内的工作条件，采用３０％一　坡度对现有城际动车组都是不合理的。２５％，７坡度条件　下，列车出口速度均大于各型动车组保持恒功区临界　速度１２５　ｋｍ／ｈ。　因此，虽然不同最大坡度对动车组运行时间的影　响甚微，但是在相同距离的区段内，运行时间随着最大　较快，同时考虑动车组列车在恒功区内工作条件，篙　长大＿　契口　坡段最大坡度不宜超过２５％。。　６　不同最大坡度对区间通过能力影响　研究　不同最大坡度对区间通过能力影响主要体现在：　下坡时因列车制动距离长导致前后行列车间隔距离拉　大，本研究对ＣＲＨ１、ＣＲＨ２（４动４拖）、ＣＲＨ５型动车　组在不同下坡地段所满足的最小追踪间隔进行了　检算。　列车区问追踪问隔按式（１）计算：　，区：３．６　＋￡附（１）　运　满足不同最大坡度制动距离对应的区间追踪间隔　如表６所示。　各型动车组在最大坡度２５‰及以下均可满足以　３　ｒａｉｎ追踪间隔运行，当最大坡度为３０‰时，ＣＲＨ１、　ＣＲＨ２（４动４拖）型动车组追踪问隔可满足３　ｒａｉｎ追　踪间隔运行，ＣＲＨ５型动车组可满足追踪时间间隔为　１８３　ｓ，略超过３　ｍｉｎ。可见，不同最大坡度对区间通过　能力影响较小，但是城际铁路长大坡段最大坡度不宜　达到或超过３０‰，以不超过２５‰为宜。　（下转第６４页）　第１期　杨宝生：大跨度预应力混凝土连续刚构桥线形监控技术　２０１１年２月　容桂水道特大桥７１号墩（广州方向）标高一实测　理论比较曲线如图５所示，每次的实测数据除极个别　点的标高与理论相差较大（也在可调范围之内，及时　墩（珠海方向）、７０号墩和７２号墩均与此类似。　６成桥后梁体线形状态分析　根据对比数据可知，在全桥施工过程中，每一悬浇　块的控制都比较理想，并且在施工过程中，全桥的线形　进行了调整）外，实测数据与理论计算值的偏差都在　２　ｃｍ以内，为全桥的精确合龙提供了良好的基础。７ｌ号　变化也与有限元模型计算过程中的理论变化值相吻　合。合龙精度高，全桥合龙后，梁体线形状态与理论计　算值吻合，大桥线形优美，与设计目标一致。　一ｇ　　恒　参考文献　［１］范立础．桥梁工程（上册）［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２ＯＯ１．　［２］ＴＢ　１０００２．１—２００５，铁路桥涵设计基本规范［Ｓ］．　［３］ＴＢ　１０００２．３—２００５，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵结　构设计规范［Ｓ］．　图５容桂水道特大桥７１号墩（广州方向）　［４］王富耻，张朝辉．ＡＮＳＹＳＩＯ．０有限元分析理论与工程应用［Ｍ］．　北京：电子工业出版社，２００６．　标高一实测理论比较曲线图　（上接第１１页）　表６追踪间隔时间表　动车组　制动初速度　类型　（ｋｍ／ｈ）　Ｉｎ（ｍ）　ｆ　（ｍ）　动车组列车利用动能闯坡和在不同坡度上牵引能耗情　况，从最大坡度对运营时间、运行速度及对区间通过能　一２５　４２０　项目　Ｏ　４２０　最大坡度（‰）　一２Ｏ　４２０　—３Ｏ　４２０　力的影响分析，我国城际铁路最大坡度建议一般采用　１２％ｏ，长大坡段最大坡度２５％ｏ，在利用动能闯坡条件　下，最大坡度可采用３０％ｏ，但不宜设置长大坡道。但　需要说明的是，随着我国装备制造业发展，适应新型动　车组的最大坡度需要进一步研究。　１　９２９　２　５５５　２　７８７　３　０５ｌ　ＣＲＨ１　２０Ｈ０　Ｚ分　（ｒｆ１）　Ｚ　（ＩＴＩ）　，区（ｓ）　２　０Ｈ０Ｏ　２　Ｏ０Ｈ０　２　ｏｏＯ　２　ｏｏ０　２９０　８２　２９０　９１　２９０　９５　２９０　９８　Ｉｎ（ｍ）　（ｍ）　ＣＲＨ２　２５０　ｌｓｙｔｘ￣（１７１１）　Ｚ　（ｉｎ）　４　１９２　６　４５５　７　４１２　４２０　２９０　８　９２９　４２０　２　Ｏｏｏ　２９０　４２０　２９０　４２０　２９０　参考文献　［１］ＴＢ　１０６２１—２００９，高速铁路设计规范［Ｓ］．　［２］铁运函［２００６］４６２号，时速２００和３００公里动车组主要技术条件　［Ｓ］．　［３］　中铁二院工程集团有限责任公司．新建铁路成都至西安客运专线　可行性研究总说明书［Ｒ］．２００９．　［４］　殷继兴，王进勇．我国山区铁路最大限制坡度选择的研究［Ｊ］．铁　２　０Ｈ００　２　０００　２　Ｏ００　，区（ｓ）　Ｚ　（ｉｎ）　ｌ１５　４２０　１４７　４２０　ｌ６ｌ　４２０　１８３　４２０　，制（ｉｎ）　３　５３５　４　９６６　５　５２５　６　２２７　ＣＲＨ５　２５０　分　（ｒｌ１）　２　ｏｏＯ　２　Ｏｏｏ　２　０００　Ｚ　（ｒｎ）　２９０　２９０　２９０　２　Ｏ００　２９０　，区（ｓ）　１Ｏ５　１２６　１３４　１４４　道运输与经济，２００７，２９（９）：８０－８３．　７研究结论　综合研究我国城际铁路运行的动车组各项性能及　［５］　陈文科．郑州至武汉铁路客运专线最大坡度值研究［Ｊ］．铁道勘　察，２００８（１）：４４４６．