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。