浅谈世界重载铁路运输技术的最新进展

　　引言
　　20世纪50年代起各国交通政策倾斜于公路、航空，引起严重环境染污与交通堵塞。20世纪70年代的世界石油危机严重危及了各国的经济发展，改变国际能源传统结构模式的呼声日益高涨，导致各国大力开发煤炭资源，要求增加煤炭运能。铁路在资源与环境方面的可持续发展优势在国际上得到共识，各国开始检讨交通投资政策以往的失误，取消陈旧法规，制订新的法律，如：
　　①1978年美国制订4R铁路复兴法，1980年制订斯塔格斯法，彻底解除对铁路的严厉管制，美国铁路开始走向复兴。
　　②1986年德国政府决定改变对公路投资倾斜政策，1992年对铁路投资已超过公路。2001年开始德国对公路卡车征收15%重载运输税、污染税。
　　③2000年瑞士严禁扩建横贯阿尔卑斯山的公路，并经全民投票决定所有公路卡车必须用铁路通过阿尔卑斯山，严格控制污染。支持环保优势的法律的推动，为重载运输的发展创造了有利条件。
　　1 重载运输的定义与模式
　　重载运输的定义：
　　1986年，国际重载协会年会制定的标准：列车重量至少达到5 000 t，轴重21 t及以上，单线年运量2 000万t及以上。1994年，国际重载协会年会修订的标准：列车重量至少达到5 000 t，轴重达到或超过25 t，在至少150 km的线路区段上单线年运量至少达到2 000万t。2005年国际重载协会巴西年会上又修订标准(适用于新申请入会会员)：列车重量至少达到8 000 t，轴重(计划轴重)在27 t及以上，在至少150 km线路区段上单线年运量超过4 000万t。
　　重载运输主要模式：
　　单元列车：列车固定编组，货物品种单一，运量大而集中，在装卸地之间循环往返运行，以北美铁路为代表。
　　组合列车：两列或两列以上普通列车连挂合并，使几列普通列车的运行时间间隔压缩为零，以俄罗斯为代表。
　　整列重载列车：单机或多机重联牵引，由不同型式和载重的货车混合编组，我国多开行这种重载列车。
　　2 世界重载铁路发展现状
　　2.1 美国重载运输
　　美国是世界重载运输首创国，当前美国拥有全部铁路里程23万km，居世界首位。列车平均牵引质量达9 632 t，货物平均运距1 199 km。其中开展重载运输的I级线路约16万km。
　　重载铁路煤炭运量占铁路全部货运量的45%，占全美国煤炭运量的65%，提供全美国50%电力。2001年煤运收入81.81亿美元。双层集装箱重载列车全面开行。1980~2000年发展重载20年虽然路网优化后里程大为减少，货车数量减少了50%，运价下降到2.5美分/1 t英里，但市场份额却从35%增加到41%，利润达历史最高水平81亿美元，车辆平均载重增加15.1%，运行成本下降了60%，线路维修成本下降42%，劳动生产率提高到271%(每一美元获得的吨英里数)。美国UP公司(I级)营业里程5.4万km，14万辆货车，6 854台机车。2002年营业收入107亿美元，平均牵引列车质量14 900 t，一般重载列车牵引19 305 t。
　　2.2 加拿大重载运输
　　加拿大铁路越5.7万km，有CN、CP两大铁路公司，共4万多员工，采用重载运输后铁路占货运市场份额达30%，占全部出口运量的40%，2002年营业收入61亿加元。加拿大典型单元重载列车：34 400 HP交流传动内燃机车+124辆轴重33 t货车，牵引质量16 000 t，平均速度70 km/h，最高速度85 km/h。加拿大典型集装箱重载列车：24 400 HP交流传动内燃机车+9 000 t列车，50%是双层集装箱平车，货运成本1.6美分/tkm，平均速度75 km/h，最高速度100 km/h。
　　2.3 澳大利亚重载运输
　　全澳16个私有铁路公司，4个国有铁路公司。重载运输产值占全澳GDP的1.7%，年运输产值70亿美元，煤炭运量占铁路货运总量37%，矿石运量占39%，年货运量5.45亿t。重载运输货运量占澳货运市场的40%，有潜力发展为50%。年增长率达4.5%左右(2000年前为3.3%)。东澳昆士兰铁路：窄轨1万km铁路，其中煤运线2 028 km，2008年煤运量为3.0亿t/年，年收入36亿澳元。西澳铁矿铁路：准轨，1. 4亿t /年。BHP纽曼线427 km，BHP金子线205 km，哈默斯列线386 km，罗比河线203 km，西澳铁路平均轴重35 t，正向40 t发展，平均运行速度75 km/h。BHP纽曼重载线：平均牵引质量45 000 t( 300~336辆编组)，周转时间28 h，劳动生产率6 000万tkm/人，居世界铁路之首位。
　　BHP公司1980年开行重载列车，到2000年：油耗下降43%，劳动生产率提高5倍，机车利用率提高36%，车轮、钢轨寿命提高3~5倍，利润500亿澳元。每年出口铁矿石8060万t 1亿t，23%运往中国。澳大利亚新建南北向单线重载干线爱列斯- 达尔文港，投资13亿澳元，3年建成，2004年1月开通，全长1 420 km，最大坡度12，最高速度115 km/h。
　　2.4 南非重载运输
　　全部窄轨(1 067 mm)铁路，2.7万km，通往17个非洲国家，年收入126亿兰特。理查德湾煤矿重载线550 km(420 km复线)，速度80 km/h，周转时间55 h，2003年运量8 400万t/年，列车牵引质量21 500 t(200辆)，26 t轴重，15坡道。Orex铁矿重载线860 km单线，30 t轴重，15坡道，列车牵引质量25 920 t(216辆)，3台电力机车+1台内燃机车牵引(头部)，周转时间61 h。
　　2.5 巴西重载运输
　　巴西主要重载铁路由CVRD公司经营，包括：卡拉齐斯铁矿重载线892 km，宽轨(1 600 mm)单线，最大列车编组330辆，长3.2 km，轴重30 t，牵引质量39 000 t以上，是南美洲甚至全美洲最重的重载列车。2009年前购买13 263辆货车，平均速度80 km/h，出口铁矿2亿t/年，周转时间58 h。米纳斯重载铁路905 km(单线359 km，复线546 km)，窄轨(1 000 mm)，年运量9 800万t/年，平均速度70 km/h，圣路易斯港吞吐量5 000万t/年，周转时间47 h。ALL洛基斯蒂卡重载铁路：7 228 km，其中复线231 km(窄轨1 000 mm及准轨)，现有18 314辆货车。年货运量：2004年粮食9 472万t/年，其他5 307万t/年，2009年计划购买5 000辆货车。
　　2.6 瑞典重载运输
　　LKAB矿山铁路：瑞典-挪威线1888年建成 ，轴重11 t。2002年开行8 000 t重载列车，轴重30 t，收入提高30%。采用50 kg轨，对所有混凝土桥梁进行检测，均可用于30 t轴重重载列车运营。LKAB公司每年出口2 000万t铁矿石。
　　2.7 俄罗斯重载运输
　　铁路货运量年增长率8% 11%，周转量达到18 530亿tkm，占国内货运市场80%份额，48.5%电气化率，发展30 t轴重(TT30型货车)，全国列车平均牵引质量3 608 t，2006年上半年利润88亿卢布。2.8 印度重载运输
　　全国铁路63 122 km，国家GDP年增长率7% 8%，铁路货运年运量6亿t，货运年增长率6.5%。2010年前铁路投资55亿美元，正在建筑几条新的重载线路。2008年运煤3.69亿t。德里-加尔各答-孟买黄金通道上已开行重载列车，最高速度100 km/h，年货运周转量将达1 249亿tkm。
　　2.9 重载列车牵引重量的历史记录
　　1967年10月美国诺福克南方铁路公司 6台机车牵引500辆煤车，列车全长6 500 m，牵引质量达44 066 t。1989年8月南非铁路锡申-萨尔达尼亚线， 16台机车牵引660辆货车，列车全长7 200 m，牵引总质量达71 600 t。2001年6月21日，澳大利亚纽曼山-海德兰线，8台AC 6000型机车牵引682辆货车，列车全长7 353 m，牵引总质量达99 734 t，净载质量82 000 t。
　　2.10 成立国际重载运输协会(IHHA)，促进全球重载技术的发展
　　1978年在澳大利亚佩思召开第一届国际重载大会;1982年在美国普书布洛召开第二届国际重载大会，中国铁路代表团首次出席;1984年美国、加拿大、澳大利亚、中国、南非5国派出全权代表共9人在华盛顿筹建IHHA;1985年在加拿大蒙特利尔召开第三届国际重载大会，正式宣告成立IHHA，美国、加拿大、澳大利亚、中国、南非5国为常任理事国;1988年国际重载运输协会第一次专题研讨会(制动)在北京召开;1989年第四届国际重载大会在澳大利亚布里斯班召开;1993年第五届国际重载运输大会在中国北京召开，极大地推动中国重载运输技术发展;1997年第六届国际重载运输大会在南非开普敦召开，俄罗斯、巴西、瑞典被吸收成为理事国;2001年第七届国际重载大会在澳大利亚布里斯班召开，UIC以团体名义加入IHHA，成为团体理事;2005年第八届国际重载运输大会在巴西里约热内卢召开;2009年第九届国际重载运输大会在中国上海召开。IHHA广泛进行技术交流，促进全球重载发展，如德国2004年已开行6 000 t重载列车。
　　3 最新技术进展
　　3.1 重载机车新技术
　　1)交流传动技术
　　交流传动技术自20世纪70年代末开始发展，90年代以后，大功率交流传动机车成为重载牵引动力的发展趋势。美国GM公司和GE公司研制出用于重载牵引的SD70MAC、SD80MAC、SD90MAC、AC4400CW、AC6000CW等新型交流传动内燃机车，并已在美国、加拿大、澳大利亚、巴西等国铁路批量投入运营。德国西门子公司为欧洲制造BR185型重载电力机车：额定牵引力 300 kN，持续功率5.6 MW，最高速度140 km/h。美国GE公司制造的AC6000型重载内燃机车：交流主发电机输出功率4 412 kW(6 000马力)，牵引力738.4 kN(19 km/h时)，轴重 32 t。美国GM-EMD公司制造的SD90MAC型重载内燃机车：最高速度120 km/h ，启动牵引力 890 kN，持续牵引力 734 kN。澳大利亚SD70Ace：启动力850 kN，速度113 km/h，轴重30.8 t，微机控制制动。澳大利亚Dash9-44cw：启动力721 kN，速度105 km/h，轴重32.8 t，ECP有线。澳大利亚GE7FDL16：启动力759 kN，速度80 km/h，轴重30 t，ECP有线。我国和谐号HXD1C 7 200 kW大功率交流传动6轴电力机车：启动牵引力570 kN，速度120 km/h，轴重25 t，IGBT牵引变流器，2009年6月12日自主研制成功。交流传动的优越性在于启动牵引力可达890 kN，粘着系数利用值可达0.37以上，持续牵引力可达738 kN，电阻制动有效速度可至5 km/h，节约燃料，维修费用低。
　　2)径向转向架技术
　　20世纪80年代后以美国GM-EMD、GE公司为首，在重载机车上采用径向转向架，各国重载机车纷纷竞相采用。径向转向架的优越性在于：减少轮对与轨道间的冲角，比传统的转向架可减少75%;降低轮轨间横向作用力，提高稳定性;减少轮对阻力和轮轨磨耗，车轮寿命延长10%;减少轴重转移，从35%减到10%(0.35粘着)。
　　3)微机控制防空转防滑系统
　　20世纪90年代以后，国外重载机车开始采用新型微机控制的防空转系统。微机控制防空转系统的突出优点是：随着轮轨粘着系数的变化调节制动力，可对制动、即将滑行、缓解、再粘着的全过程进行动态检测与控制。
　　4)采用节油技术降低污染排放提高机车效率
　　重载内燃机车柴油机、增压器配置电子喷射装置，大大提高了燃油使用效率，减少了污染排放，是节能减排的主要措施。采用电子喷射装置后机车1加仓燃油平均产出405 t英里(651.784 tkm)，比1980年时235 t英里(378.195 tkm)提高了72%。
　　5)重载机车故障遥测监控系统
　　美国GM-EMD对新生产的机车按全寿命周期成本概念设计，实现全寿命服务，提高机车使用率。这种系统称为IntelliTain系统。2年多的应用经验表明:该系统发现了80%潜在运行故障;比预期修理期提前7 21天发现故障;50%故障是在乘务人员从未报告情况下发现的;每年机车故障率下降70%。应用该技术后、机务部门不再对机车负责维修，均由生产厂负责，大大减少维修开支。
　　6)机车无线遥控操纵系统(Locotrol)
　　1959年美国首次研发Locotrol装备，当时要用一辆平车装载此系统，目前已发展到第四代，采用无线传输，前后列车的控制信息实现闭环控制，无线通信作为主要方式，制动管压力自动检测(备用)，可以对无线通信状态进行检测。采用Locotrol可使前、中、后部机车遥控同步牵引与制动;减轻重载列车的牵引车钩力;在弯道上减少列车阻力，减少轮轨磨耗;中、后部机车加快了列车管充排风、提高制动波传播速度。
　　3.2 重载车辆新技术
　　1)提高轴重
　　美国、加拿大、澳大利亚已普遍采用35 t轴重;巴西、澳大利亚已普遍采用30 t轴重;南非、东澳大利亚窄轨铁路已采用28 t(26 t)轴重;美国环行线正在进行40 t轴重的运行试验，年通过质量达125 000万t。2)采用新型转向架及悬挂系统美国已采用改进型三大件转向架;南非采用设菲尔德重载自导向径向转向架。瑞典重载车辆采用南非设计的设菲尔德径向转向架。新型转向架的优越性在于：相同的机车牵引质量可增加12%;减少列车纵向车钩力4.8%;节省能源20.7%;车轮钢轨磨耗降低到1/13;轮轨横向力降低到1/3。
　　3)采用铝合金或不锈钢车体
　　可降低空重比和自重，增加载重，节约能源，提高效益。美国重载货车90%采用铝合金车体，成本仅增加_____1/3。
　　4)采用双层集装箱车辆
　　双层集装箱车辆可提高轻质货物的运输效率，增加收益。
　　5)改进车轮材质、提高车轮耐剥离性
　　重载货车的耐剥离车轮正处于研究试用及推广阶段。新合金材质耐剥离车轮与传统车轮相比，相同运量条件下，剥离长度减少59%，深度减少43%。
　　6)高强度旋转车钩及大容量高性能缓冲器
　　目前，车钩、缓冲器正向高强度、大容量方向发展，典型的例子：美国旋转式E级车钩破坏强度为9 342 kN。美国Mark50缓冲器，容量53.8 kJ，行程83 mm，吸收率90%。
　　7)自动化的装、卸车设备
　　如高效漏斗装煤设备和翻车机等。
　　4 结语
　　近几年来我国重载技术发展迅速，国产化水平不断提高，与世界发达国家的差距越来越小，有些已接近发达国家水平，如重载车辆技术、重载制动技术、安全监测技术等。