国内外铁路重载运输发展概述

第一章国内外铁路重载运输开展概述1国外铁路重载运输开展概况1.1开展历程重载铁路运输因其运能大、效率高、运输本钱低而受到世界各国铁路的广泛重视，特别是在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭和矿石等大宗货物运量占有较大比重的国家，如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非等，开展尤为迅速。目前，重载铁路运输在世界范围内迅速开展，重载运输已被国际公认为铁路货运开展的方向，成为世界铁路开展的重要趋势。世界铁路重载运输是从20世纪50年代开始出现并开展起来的。第二次世界大战后的经济复苏以及工业化进程的加快，对原材料和矿产资源等大宗商品的需求量增加，导致这些货物的运输量增长，给铁路运输提出了新的要求，而大宗、直达的货源和货流又为货物运输实现重载化提供了必要的条件。铁路部门从扩大运能、提高运输效率和降低运输本钱出发，也希望提高列车的重量。同时，铁路技术装备水平的不断提高，又为开展重载运输提供了技术保障。从20世纪50年代起，一些国家铁路就有方案、有步骤地进行牵引动力的现代化改造，先后停止使用蒸汽机车，新型大功率内燃和电力机车逐步成为主要牵引动力。由于内燃、电力机车比蒸汽机车性能优越，操纵便捷，采用多机牵引能获得更大的牵引总功率，这为大幅度提高列车的重量提供了必需的牵引动力。从而，以开行长大列车为主要特征的重载运输开始出现。但这一时期的重载技术尚不配套，长大列车货车间的纵向冲动、车钩强度、机车的合理配置、同步操纵及制动等技术问题都没有得到很好的解决。20世纪60年代中后期，重载运输开始取得实质性进展，并逐步形成强大的生产力。美国、加拿大及澳大利亚等国铁路相继在运输大宗散装货物的主要方向上开创了固定车底单元列车循环运输方式，而且开展很快。美国1960年只有1条固定的重载单元列车运煤线路，年运量不过120万t；而到1969年，重载煤炭运输专线增加到293条，运量占铁路煤炭运量的近30%。前苏联在20世纪60年代末为解决线路大修对运输的干扰，在通过能力紧张的限制区段组织开行了将两列普通货车连挂合并的组合列车，这种行车组织方式后来成为提高繁忙运输干线区段能力的重要措施。南非铁路在20世纪60年代末开始引进北美重载单元列车技术，并从70年代开始在其窄轨运煤和矿石的线路上，逐步把列车重量提高到5400t和7400t，并不定期开行总重11000t的重载列车。巴西铁路是从20世纪70年代中期开始，通过借鉴、引进北美和南非的技术，开行重载单元列车。另外，德国、波兰、瑞典、印度等国，也根据各自国家的具体情况和实际需要，开行了重量和长度都超过普通列车标准的重载列车。20世纪80年代以后，由于新材料、新工艺、电力电子、计算机控制和信息技术等现代高新技术在铁路上的广泛应用，铁路重载运输技术及装备水平又有了很大提高。特别是在大功率交流传动机车，大型化、轻量化车辆，同步操纵和制动技术等方面有了新的突破，极大地促进了重载运输的开展。近50年来，重载运输技术的不断进步，推动了重载列车试验牵引重量的世界纪录不断被刷新：—1967年10月，美国诺福克西方铁路公司〔N&W，现已归入诺福克南方铁路公司〕在韦尔什—朴次茅斯间250km区段内，开行了500辆煤车编组的重载列车，由分布在列车头部和中部的6台内燃机车进行牵引。列车全长6500m，总重达44066t。—1989年8月，南非铁路在锡申—萨尔达尼亚矿石运输专线上，试验开行了660辆货车编组的重载列车，由16台机车牵引〔5台电力机车+470辆货车+4台电力机车+190辆货车+7台内燃机车+1辆罐车+1辆制动车〕。列车总长7200m，总重达71600t。—1996年5月28日，澳大利亚在纽曼山—海德兰铁路线上，开行了540辆货车编组的重载列车，由10台Dash8型内燃机车牵引〔3台机车+135辆货车+2台机车+135辆货车+2台机车+135辆货车+2台机车+135辆货车+1台机车〕。列车总长5892m，总重达72191t，净载重57309t。这次试验列车平均车速为57.8km/h，最高达75km/h。—2001年6月21日，澳大利亚在纽曼山—海德兰铁路线上，开行了682辆货车编组的重载列车，由8台AC6000型机车牵引。列车总长7353m，总重达99734t，净载重82000t，创造了最长、最重列车新的世界记录。8台机车分散布置，每两台一组，分成3组，另外两台机车单独布置。1名司机通过LOCOTOL机车无线同步操纵系统操纵全部机车目前，国外重载列车实际运营中的牵引重量一般为1万～3万t，美国重载列车编组通常为108辆货车，牵引重量为13600t；加拿大典型单元重载列车编组为124辆货车，牵引重量为16000t；南非重载列车的牵引重量一般为20000t；澳大利亚纽曼山重载铁路列车的编制通常为320辆货车，牵引重量在37500t；巴西维多利亚—米纳斯铁路标准编组列车为320辆编组，列车牵引重量31000t。国外年运量超过1亿t的重载铁路主要有：巴西维多利亚·米纳斯铁路〔898km〕，年运量为1.3亿t、卡拉雅斯铁路〔892km〕运量为1.08亿t；澳大利亚纽曼山—海德兰铁路〔426km〕，年运量为1.09亿t。1.2主要国家铁路重载运输美国美国是世界上最早开展重载运输的国家之一。其重载运输的开展历程大体可以分为三个阶段：第一阶段，从20世纪50年代到70年代末，重载运输在铁路货运整体低迷的背景下诞生并初步开展。从20世纪40年代后半段开始，在政府对铁路长期严格管制以及公路、航空运输迅猛开展的双重影响下，美国铁路在运输市场上的份额大幅下降。为了改善这种不利状况，美国铁路从50年代起开始有方案地着手牵引动力的现代化改造，大力开展新型大功率机车，为开展重载运输储藏技术能力。20世纪60年代正式开展重载运输业务，主要通过重载单元列车运输煤炭。1960年，美国只有1条固定的重载单元列车运煤线路，年运量不过120万t，到1969年重载煤炭运输专线增加到293条，运量达1.44亿t，占铁路煤炭运量的近30%。1967年10月，美国诺福克西方铁路公司创造了总重44066t重载列车世界记录。第二阶段，从20世纪70年代末到20世纪90年代末，通过提高轴重、增加装载能力等举措，推动重载运输飞速开展，带动了美国铁路货运的复兴。在这一阶段内，美国铁路重载运输的开展受到了三方面因素的影响和推动。一是20世纪70年代世界石油危机使煤炭在新的能源结构中占有重要地位，煤炭运输成为美国政府关心的重要问题。二是公路、航空运输迅速开展带来的环境污染和交通拥堵问题日益突出，政府和民众逐渐认识到铁路是一种环保的、可持续的运输方式，美国政府分别于1978年和1980年公布了“4R铁路复兴法〞、“斯塔格斯法〞，解除了对铁路的严格管制，为铁路开展提供了较好的政策环境。三是1978年第一届国际重载大会召开，重载运输成为国际公认的铁路货运开展方向。在上述背景下，20世纪70年代末，美国Ⅰ级铁路公司开始大力开展重载运输，为美国铁路的复苏做出了重要奉献。到1999年，铁路货运市场份额为40.3%，远远高于公路29.4%、水运13.1%、航空4%、石油管道16.8%的水平。此外，北美Ⅰ级铁路公司的货车平均容量提高了15.1%，事故率降低了64%，运行本钱减少了65%，生产率每一美元运营本钱所获得的货运周转量。提高了171%〔到达271%〕，并且创造了相当高的收入水平。据1998年AAR统计，北美重载铁路运输收入主要包括每一美元运营本钱所获得的货运周转量。第三阶段，进入21世纪后，美国铁路加强交流内燃机车和轮轨界面等技术领域的研究，进一步提高重载运输效率和生产率。经过40多年的开展，美国重载运输已经确立了其在货运市场中的牢固地位。目前，美国70%的铁路线路为重载铁路，标准轴重33t。重载列车编组通常为108辆货车，由3～6台机车牵引，列车总重为13600t。重载列车采用大容量、低自重的货车，最大允许轴重范围在29.8～35.7t之间。一般采用大功率内燃机车多机牵引，并配合采用机车同步操纵技术。重载运输线路采用重型钢轨，最大可达近70kg/m。为了适应重载运输的需要，一些主要编组站的股道长达数公里。对于煤炭运输车辆，一些铁路公司采取了5列一组、整列无隔墙的槽式车组，以减轻自重，增加载重。为进一步开拓重载运输市场，美国还在海铁联合运输中开行了高效率的双层集装箱重载货物列车，使重载运输前景被更加看好。考虑到线路条件等各方面因素的限制，为了进一步提高重载运输的效率，降低本钱，美国铁路将重载运输开展的重点由增加车辆轴重转向加强交流内燃机车和轮轨界面两个领域的研发。例如增大交流内燃机车功率，改善轮轨粘着力，提高转向架的导向性能，对机车和列车运行状况进行智能监控，研究电空制动技术，对故障车辆的稳定性监控及处理智能技术，研制更好的车辆合成材料，使用IT技术进行车辆维护保养，轨道故障探测系统等方面。1.2.2澳大利亚澳大利亚的矿产资源非常丰富，煤炭和铁矿石以及铝土、黄金的储量都位居世界前列。煤炭主要分布在东南部的新南威尔士州，这里的煤田面积达55000km2以上，储量占全国75%。铁矿石主要分布在西澳大利亚西部的皮尔巴拉〔Pilbara〕地区。铝土矿分布在北部的约克角半岛等地。澳大利亚昆士兰煤矿是世界上最大的煤矿之一，煤产量逐年上升，1994年为0.85亿t，2005年为1.5亿t。澳大利亚必和必拓〔BHPbilliton〕、力拓〔RioTinto〕与巴西的淡水河谷〔CVRD〕公司是世界三大矿业巨头。它们掌控了全世界铁矿石海运量的70%。此外，澳大利亚还是世界上主要的粮食〔小麦〕输出国之一。这样的资源特点推动了澳大利亚铁路重载运输的开展。自从美国南方铁路公司〔SouthernRailroad〕于1960年成功开行重载单元列车以后，澳大利亚铁路很快就接受并采用铁路重载运输。澳大利亚最早的重载线路是由窄轨铁路改造而成的。20世纪60年代初，昆士兰州对1067mm窄轨铁路进行了技术改造，实现以运煤为主的窄轨铁路的重载运输。到20世纪60年代中期，澳大利亚改建和新建的重载运输铁路已经到达约4000km。其中1067mm轨距的铁路占很大比例。20世纪70年代以后又新建了几条重载铁路。澳大利亚具有代表性的三条重载铁路见图。图澳大利亚重载铁路分布图—昆士兰州古涅拉至海衣角的电气化运煤铁路线—纽曼山铁路—哈默斯利铁矿铁路〔1〕昆士兰的电气化运煤铁路线该线从港口到科帕贝拉为145km长的双线铁路，科帕贝拉至不同方向的8个矿区均为单线铁路。轨距为1067mm，钢轨重量60kg/m，轴重22.5t。最远的煤矿到港口的距离为293km。运煤列车从矿区到港口往返循环运行。有的列车编挂148辆旋转车钩式货车，总重10500t，由5台机车牵引；另一些列车编挂120辆底开门货车，总重9500t，由4台机车牵引。这些列车都采用动力分散布置方式，即列车前部2台机车，中部2～3台机车。仅头部机车的司机一人操纵，通过Locotrol同步遥控装置控制其他所有的机车。〔2〕必和必拓〔BHPBilliton〕公司纽曼山铁路澳大利亚的必和必拓〔BHPBilliton〕公司是世界最大的采矿业公司之一，在钢铁工业的原材料方面，它是位于世界领先的供给商。金属铜的产量位世界第三；煤炭产量排世界第二；战略金属镍的产量也位居世界第3；核能原料铀的产量是世界五强之一。此外，石油和天然气的产量也在世界上具有相当地位。必和必拓公司的铁路系统路网总长约800km。必和必拓在皮尔巴拉地区拥有5座大的矿山，通过两条主要的铁路干线，以及一些短的支线连到印度洋沿岸的海德兰港〔PortHedland〕，都为单线铁路。这两条线路是：全长426km连接纽曼山矿山〔Mt.Newman〕与海德兰港〔PortHedland〕的纽曼山铁路以及通向附近其他几个矿区的支线。另一条是全长210km从亚利耶〔Yarrie〕矿区到海德兰港的亚利耶铁路。这两条线路每天开行12对重载列车。前者是澳大利亚目前最长的私有铁路之一，它通过几条支线通到不同的矿点，开行世界上最长和最重的重载列车。BHP纽曼山重载铁路的年运量为1.09亿t，典型的列车由6台6000马力的机车牵引，大多数列车编挂208辆矿石货车。每辆货车装载约125t铁矿石，轴重37.5t，列车总重32000t，载重26000t。线路上安装了调度集中控制系统〔CTC〕，由海德兰港进行统一调度指挥。重车的最高速度是75km/h。列车从纽曼山到海德兰港的单程开行时间约8小时。而亚利耶—海德兰港的亚利耶铁路上开行的列车比纽曼山到海德兰港铁路的列车要小，通常是一台机车牵引90辆矿石货车。铁路运输是必和必拓公司铁矿石生产链上不可忽缺的一个环节，它的铁路系统是世界上技术最先进和效率最高的铁路之一。近年来，澳大利亚重载列车不断刷新世界记录。1996年5月28日，必和必拓公司在纽曼山铁路上试验开行总重达72191t的重载列车，2001年6月21日又创造了总重达99734t的重载列车试验记录。由于世界上，尤其是亚洲地区钢铁工业开展，对铁矿石的需求旺盛，近年矿石出口大幅度上升，必和必拓方案把年产量增加到1.55亿t。为此，必和必拓公司于2007年新购置了10台大功率内燃机车和860辆铁矿石货车，以适应铁路运量的增加。必和必拓公司现共有91台机车和大约4000辆运送矿石的货车。〔3〕皮尔巴拉铁矿公司〔PilbaraIron〕哈默斯利铁矿铁路皮尔巴拉地区的另一家铁矿石铁路运输经营者是力拓〔RioTinto〕矿业集团下属的皮尔巴拉铁矿公司〔PilbaraIron〕，该公司以前称为皮尔巴拉铁路公司〔PilbaraRail〕。它是在力拓公司并购了哈默斯利铁矿公司〔HammersleyIron〕及罗伯河铁矿公司〔RobeRiverIron〕以后，把这二家公司的采矿、铁路及港口等业务整合起来后组建而成的。但这二家公司仍然保存对它们各自的资产，包括线路、机车车辆的所有权。管理那么由皮尔巴拉铁矿〔PilbaraIron〕公司负责。皮尔巴拉铁矿公司经营1200km的铁路网，澳大利亚最大的私人拥有和运营的铁路之一，效劳于10个矿山和2个港口，全部列车都由位于Dampier的调度中心进行控制。皮尔巴拉铁矿公司的重载列车比必和必拓公司的列车稍小，哈默斯利铁路上的重载列车通常在230辆以上，每辆车载重100t以上，列车总重2.95万t，长2400m。与昆士兰铁路和必和必拓铁路不同的是它由集中布置在列车前端的2～3台机车牵引，而不是把几台机车分别布置在列车的前部和中部的动力分散布置方式。列车平均周转时间33小时，每25分钟有一列列车在线路上开行。皮尔巴拉铁矿公司铁路年运输能力在1.3亿t以上，目前每年运量1.1亿t。〔4〕Fortescue金属集团重载铁路由于世界范围内对铁矿石的需求强劲，在皮尔巴拉地区又成立了一家新的铁矿石开采和铁路运输经营者——Fortescue金属集团。该公司与中国的钢铁企业合作共同开发皮尔巴拉地区的铁矿并建设该矿区与海德兰港之间长260km的铁路。2007年年底，该铁路已建成，将开行2500m长，牵引重量为30000t的重载列车。所运输的铁矿石主要输往中国。1.2.3巴西巴西的矿产、水力、森林等自然资源在世界上均占重要地位。铁矿总储量达800多亿t，居世界前列。巴西的淡水河谷矿业公司〔CVRD〕是世界最大的矿业巨头之一。它属下的维多利亚·米纳斯铁路和卡拉亚斯铁路也是世界铁路界著名的重载运输铁路，主要是用于把铁矿石运往港口。巴西重载铁路见图。图巴西重载铁路分布图〔1〕维多利亚·米纳斯铁路巴西维多利亚·米纳斯铁路位于巴西的东南部，轨距1000mm，长度898km，相当于巴西全部铁路网的3.1%，其中594km为双线。该线于1904年5月18日开通，20世纪40年代被CVRD〔淡水河谷公司〕收购,是巴西最现代化和运量最大的一条铁路，最繁忙区段平均每天开行列车63列，2004年运量为1.19亿t，2005年到达1.3亿t〔占巴西全国铁路货运量的32%〕，2023年运量预计可到达1.77亿t。其货运量中80%是铁矿石，20%是其他货物，包括钢铁、煤炭、石灰石、生铁、农产品等60余种。拥有员工2800人；机车207台，货车15376辆。2001～2003年，维多利亚·米纳斯铁路重载列车标准编组为320辆，平均总重31000t，由3台机车分散布置牵引，机车总功率8950kW的列车。由于在大多数编组站，对于编组超过240辆的列车，还必须增加一些额外的作业，2004年该铁路将重载列车标准编组改为了240辆。但是，目前编挂320辆空车的列车仍然在正常运行。铁路方面也对其他编组方案进行了试验和模拟。〔2〕卡拉亚斯铁路〔EFC〕卡拉亚斯铁路也属于淡水河谷矿业集团所拥有，位于巴西的北部，是一条把铁矿石从矿山运输到大西洋沿岸的蓬塔马代拉港〔PontadaMadeira〕的重载运输铁路，建造于1982～1985年，线路长度892km，轨距1600mm。与维多利亚·米纳斯铁路的不同之处是，前者是米轨铁路，而卡拉亚斯铁路却是一条单线宽轨铁路〔轨距1600mm〕，而维多利亚·米纳斯铁路的大局部区段是双线铁路。因为是单线，卡拉亚斯铁路有49处会车侧线，最大轴重31.5t。重车方向最大坡度3‰。线路中73%是直线，27%是曲线，共有347段曲线区段。该铁路是世界上生产效率最高的铁路之一。线路的最高允许速度空车为80km/h，重车75km/h。整条铁路由一个最近经过现代化改造的中央调度台〔CCP〕进行控制。机车上装备有车载计算机，可实现地面与列车之间有数据通信系统。此外，还装备了GPS列车跟踪系统和遥控遥测装置，能监视铁路线上行驶的所有机车的位置。卡拉亚斯铁路以货运为主，主要任务是运输铁矿石，从卡拉亚斯的铁矿山运送到在圣路易斯附近的蓬塔马代拉，往返一次，包括更换乘务员、补充燃料、装卸矿石等在内，通常需要58小时。每天开行30列列车。在客运方面，每周在圣路易斯与Parauapebas之间860km的线路上单向开行三趟旅客列车，每趟列车由16辆客车编组成，年运送旅客大约45万人。1985年，卡拉亚斯铁路正式开通，开行160辆编组的列车，当年运量为3500万t。随着运量的增加，列车编组也不断增加。到1994年，标准列车编组提高到202辆。2006年，列车编组到达208辆，列车总重超过了20000t，货车轴重达30.5t，运量增加到8940万t〔其中91%是铁矿石，其他货物有大豆、生铁、锰矿、燃料、铜和公路车辆等〕。2007年，卡拉雅斯铁路运量到达了1.08亿吨，成为世界上最繁忙的单线铁路。2006年10月，卡拉亚斯铁路采用多台机车分散布置的方法，开始试验编组312辆的列车，与208辆列车相比，运能可提高50%。这种长度3.2km的列车前端是2台机车，然后是104辆货车，中间是2台机车，后面是208辆货车。第一台机车上有一名司机，其他机车都受Locotrol控制。拉亚斯铁路方案于2023年开始正常开行编组为312辆的重载列车。1.2.4南非20世纪60年代末，南非铁路就已经开始开展重载运输。相对其他国家，南非铁路的重载运输开展有其独特的优越性。首先，南非作为世界五大矿产国之一，矿产资源极为丰富，其北部地区盛产煤炭和高品质的铁矿石，出口形势很好。另外，南非地处两大洋间的航运要冲，拥有世界上最繁忙的海上通道。在将北部矿区的煤炭和铁矿石运往大西洋、印度洋沿岸主要港口转运出口的过程中，南非铁路发挥着极其重要的作用。因此，南非铁路积极借鉴美国铁路的经验，开始大力开展重载运输。目前，南非重载列车的牵引重量一般为20000t。开展初期，南非引进了北美重载单元列车技术，从20世纪70年代开始修建重载铁路，其后又对线路进行过数次升级和改造。南非有两条重载铁路：一条是从锡申〔Sishen〕到萨尔达尼亚〔Saldanha〕的矿石运输专线〔Orex〕，里程861km；另一条是从北部的煤炭基地姆普马兰加〔Mpumalanga〕到理查兹湾〔Richardsbay〕的运煤专线〔COALlink〕，里程580km。南非重载铁路分布见图。Orex矿石运输专线建成后，每年通过该线出口的铁矿石运量为1750万t。后经过不断的升级和改造，Orex线开展成为重载运输线路，车辆轴重到达了30t，开行编组为200辆甚至达342辆的重载列车。与此同时，线路运能持续增长，2007年该线完成的矿石运量为3000万t，2023年的目标为3500万t，预计到2023年，该线路的运输能力将提高到4100万t。COALlink运煤专线于1976年建成之日起，即成为南非煤炭出口的大通道。线路最初的设计能力是每年2100万t，由内燃机车牵引轴重为18.8t的货车，编组为76辆。此后按重载运输要求屡次进行升级和改造，到1989年已开行了编组200辆的列车，轴重到达26t。2007年，COALlink线路完成的煤炭运量为6700万t。重载运输线路的开行对南非铁路的运输效益影响较大。两条线路总里程不到1500km，约占南非铁路里程的6.3%南非铁路里程约为2.3万km，然而却完成了全国铁路约45%的运量，使南非铁路的纯利润率高达4.6%〔南非铁路货运收入约占总收入的81.2%〕。煤炭运输公司和矿石运输公司分别将南非大煤田、铁矿生产基地与港口连接起来，形成便捷的运输通道，实现了大运量、低本钱的运营模式，在煤炭和矿石运输市场南非铁路里程约为2.3万km1.2.5俄罗斯俄罗斯联邦幅员辽阔、资源丰富，煤炭、矿石等大宗货物运量占有较大比重。早在20世纪50年代中期，前苏联就开始研究铁路重载运输技术，通过大规模普及电力牵引和内燃牵引，普及自动闭塞、电气集中，实施复线改造，延长站线长度，铺设重型钢轨，配备大载重车辆等，以提高货物列车的平均重量。60年代末，普里伏尔加铁路局为了解决运营区段上因进行线路维修施工，造成能力受到损失、运输秩序被打乱的问题，开行了将两列或以上的普通列车直接连挂、合并运行的组合列车，以加速列车发行。1979年，全俄铁道科学研究院和勘测设计研究院研究提出了将列车重量提高到6000t的具体建议，并在西伯利亚和哈萨克斯坦与乌拉尔、欧洲局部相连的线路上完成了重载列车牵引试验。这种6000t的载重列车首先在莫斯科铁路局开行行。在1979～1983年莫斯科铁路局的列车平均重量增加了189t，货物周转量增加了6%，行车量下降了4%，取得了很好的经济效益。但是，整个路网在充分利用现有能力方面措施不够有力，路网的列车平均重量只增加了36t，比莫斯科铁路局的指标相比低很多。1983年以后，前苏联铁路大规模提高列车平均重量的工作全面展开，重载组合列车技术有了新突破，三联〔三列车联挂〕及多联方式的重载组合列车重量可超过万吨。1986年开行了总重达43407t的组合列车，创造了前苏联铁路重载列车的最高记录。1983～1986年，前苏联铁路列车平均重量提高了255t，货运量增加了9.5%。2004年，俄罗斯铁路研究了扩大重载列车和超长列车开行线路的方案，确定了适合开展重载运输的13条干线，总长28000km。近年来，俄罗斯铁路还对新的列车制动系统〔СУТП〕和无线控制设备〔ИСАВП-РТ〕分别进行了9000t列车的平安运行试验和12000t列车的控制试验，并方案将货车重载提高到25～27t。1.2.6加拿大加拿大铁路重载运输方式与美国相似，是北美铁路重载运输的根本统一模式。20世纪60年代，加拿大重载运输已取得了实质性进展。1967年，加拿大国营铁路在采用了固定车底循环往返的专用直达列车运输谷物之后，又扩大到煤炭、矿石等物资，之后就一直不断开展。加拿大积极组织开行和开展了双层集装箱重载列车，如1993年，加拿大开通了温哥华—多伦多、蒙特利尔—多伦多等方向多条双层集装箱重载列车线路。与普通列车相比，双层集装箱列车的运输本钱约降低30%。集装箱重载运输的开展，为横贯美洲大陆的铁路/海运联合运输开辟了新路，且效益可观。2006年，加拿大的列车编组长度一般是80～130辆，其载重量均在10000～15000t。1.2.7瑞典瑞典的基律纳〔Kiruna〕—林克斯格朗孙〔Riksgransen〕矿石线全长540km，是瑞典北部的矿山专用铁路，由瑞典最大的铁矿石公司LKAB负责经营。该线路1888年开通时，轴重只有11t。1915年线路率先实行了电气化改造。1997年之前，瑞典铁路在该条线路上开行25t轴重的重载列车，每列编组52辆车，列车总重5200t。1997年后，随着线路的改造和机车车辆的升级，轴重提高到了30t，车辆载重由80t提高到100t。2007年，开行的重载列车总重为7000t，编组数量提高到了60辆。机车车辆和线路的升级改造，为瑞典重载铁路运输带来的最大效益就是能源损耗的减少和运费的降低，每年从矿山开行到港口的列车数目由7000列减少4000列，而运输本钱那么降低了接近一半，同时货运量也在增长。LKAB公司的年运量由原来的2000万t增长到2500万t。1999年，瑞典开始修建一条新的重载铁路线〔Bothniabanan线〕，预计在2023年完工。该条铁路经由尼兰〔Nyland〕到恩舍尔兹维克〔Ornskoldsvik〕，最终抵达瑞典东北部的于默奥〔Umea〕，全长190km。瑞典重载铁路分布见图。Bothniabanan线是一条客货混行线，轴重25t。通车后，客车时速可达250km/h，重载货车时速可达110km/h。1.2.8德国为适应货运市场变化，满足大宗货物运输对铁路的需求，提高竞争力，20世纪末德国铁路开始筹划大轴重网络。市场研究结果认为：重载运输将提高铁路货运竞争力；潜在的重载通道与路网公司现有主要干线相吻合并与国际通道相连接；重载通道建设可与既有网络改造同时进行。德铁路网公司拟分两步实现重载货物运输。首先从2003年开始，在局部有技术储藏的既有线路上开行22.5t轴重及以上的单元列车；第二步根据UIC的E级标准〔25t轴重〕以及市场和投资要求，建设25t轴重重载运输网。德国铁路重载运输货物主要为铁矿石。2003年11月，德国铁路在汉堡港至萨尔茨吉特之间的铁矿石运输专线上试验开行了6000t重载列车。此前，德国铁路最重的货车为5400t。为开行此次重载列车，德国铁路路网公司按25t轴重的运营要求，对汉堡—萨尔茨吉特205km的线路进行了强化改造，线路最大坡度5‰。这次重载试验成功后，该线路开始正式开行6000t重载列车。单元列车采用6轴液压操作侧开门的Faals151型货车，编组40辆，列车质量6000t，运行速度80km/h，采用6轴151E型电力机车双机牵引〔2×6300kW〕，每天运行4对列车。德国铁路公司规划开展2000km重载铁路网，预期到2023年25%～50%的货运周转量将由重载线路来承当，散装货物也将由固定编组的整列重载列车来运输，届时重载列车的年运输能力可达9000万t。1.3国际重载铁路组织国际重载协会〔IHHA〕，是非营利性质的非政府性科技组织，1986年在美国密苏里州注册成立。国际重载协会的成员为国家铁路、地方铁路、及私有铁路和铁路组织，现有澳大利亚、巴西、加拿大、中国、印度、南非、俄罗斯、瑞典/挪威和美国9个会员国，国际铁路联盟〔UIC〕为该组织准会员。1982年9月在美国召开的第二届国际重载铁路大会上通过决议，决定成立国际重载运输委员会；1984年成立了国际重载运输委员会，当时的成员有中国、美国、澳大利亚、加拿大和南非5个国家；1986年在加拿大召开的第三届国际重载铁路大会上，将国际重载运输委员会更名为国际重载协会。国际重载协会致力于在重载铁路运营、维护、技术方面追求卓越化，主张通过重载解决运输能力问题，并推进国际铁路以及其成员之间在重载技术上的合作和交流。国际重载协会通用语言为英语。国际重载协会决策机构为协会理事会，理事会由会员国代表组成，现有10名理事。理事会选举产生理事会主席、副主席，任命首席执行官及其他工作人员。国际重载协会每四年举行一次大会，每两年举行一次专家技术会议，每年举行一次理事会年会。至今已在澳大利亚、美国、加拿大、中国、南非、巴西等国举办了八届国际重载铁路大会。中国曾派团参加了国际重载协会的历次会议，承办了1993年第五届国际重载大会和2000年国际重载理事会，2023年还将在上海承办第九届国际重载大会〔表2〕。表2历届国际重载大会情况时间地点主题第一届1978澳大利亚第二届1982美国重载铁路第三届1986加拿大通过技术和运营效率的改良营利性第四届1989澳大利亚铁路在行动第五届1993中国重载运输领域的效率和平安第六届1997南非21世纪的战略第七届2001澳大利亚重载铁路运输技术所面临的障碍第八届2005巴西重载铁路：平安、环境和生产力第九届2023中国重载运输的创新、实践与开展1.4重载铁路标准世界各国的铁路由于运营条件、技术装备水平不同，采用的重载列车型式和组织方式也各有特点。国际重载协会先后于1986年、1994年和2005年三次修订了重载铁路标准。1986年10月在加拿大温哥华召开的第三届国际重载大会上讨论确定，要求重载铁路应至少满足以下三个条件中的两项：—列车重量至少到达5000t；—轴重21t及以上；—年运量2000万t及以上。1994年修订标准的要求重载铁路至少满足以下三个条件中的两项：—列车重量至少到达5000t；—轴重25t及以上；—在长度至少为150km的线路上年运量不低于2000万t。在2005年国际重载协会理事会上，对新申请参加国际重载协会的重载铁路，要求至少满足以下三条标准中的两条：—列车重量不小于8000t；—轴重达27t以上；—在长度不小于150km线路上年运量不低于4000万t。目前，我国的大秦线满足国际重载协会2005年的重载铁路新标准，朔黄、京广、京沪、京哈等干线满足1994年的标准。1.5重载列车模式世界铁路重载列车主要有三种模式：—重载单元列车：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〔美国和加拿大〕为代表，包括巴西、澳大利亚和南非等国，在重载运输专线上均开行重载单元列车。我国在大秦线使用C63、C70、C76、C80等车辆开行这种重载列车。—重载组合列车：两列或两列以上列车连挂合并，使列车的运行时间间隔压缩为零。这种列车以俄罗斯为代表，我国大秦线开行的4×5000t和2×10000t列车为这种重载列车。—重载混编列车：单机或多机重联牵引，由不同型式和载重的货车混合编组而成。列车在运输途中可以根据实际需要进行改编，因此具有更大的通用性。我国京沪、京广、京哈等长大干线开行的5000t货物列车属于这种重载模式。2国外铁路重载运输技术2.1重载机车技术用于牵引重载列车的机车，美国、加拿大、澳大利亚、巴西等国家较多采用内燃机车，而南非、俄罗斯等国多采用电力机车。原那么上这两种机车都可以胜任重载列车的牵引，但是作为重载列车的牵引动力，机车的牵引功率要求尽量大，而电力机车的牵引功率远大于内燃机车。因此，电力机车相对更加适合牵引重载列车。采用内燃机车，可以通过适当增加机车数量来弥补牵引功率的缺乏。目前，美国、加拿大等重载运输兴旺的国家，重载机车主要采用了交流传动、径向转向架和微机控制防滑防空转系统等技术。2.1.1交流传动技术20世纪90年代以前，用于重载运输的机车主要采用直流传动方式。90年代以后，大功率交流传动机车逐渐成为重载运输牵引动力的开展趋势。早期的机车，无论是电传动内燃机车还是电力机车，都是采用传统的直流电传动，即使用直流串励牵引电动机，轴功率很少超过1000kW。而传统的直流串励电动机的防空转性能较差，机车的粘着性能不理想。主要原因是机车动轴实际发出的牵引力最终要取决于它的粘着力，因而粘着性能直接影响到机车的起动和爬坡性能。加拿大、南非、前苏联等国家曾经研究采用他励电动机作为牵引电动机，机车的实际粘着牵引力可以提高10%～15%。交流传动技术的优点是电动机结构简单，重量轻，尺寸紧凑，有利于加大机车功率。同时，交流异步电动机的防空转性能远比直流串励电动机优越，因此能提高机车的粘着性能，有利于机车产生更大的有效牵引力。此外，交流异步电机的转子由铜条和磁芯组成，它的抗过载能力较强。该特点对于牵引重载列车发生坡停事故以及在大坡道上起动时尤为重要。交流传动技术自20世纪70年代末开始开展。20世纪80年代，德国研制的交流传动内燃机车和电力机车在技术上已经过关。到80年代后期，由于大功率GTO变流器的成熟，交流传动技术具有了使用价值，欧洲各国的电力机车开始大规模采用交流传动技术。到90年代初，整个欧洲几乎已不再生产直流传动的电力机车。交流电力机车的轴功率普遍到达1600kW，个别到达1800kW。这样，一台四轴电力机车功率可达6400～7200kW，为牵引重载列车创造了技术条件。20世纪90年代后，美国通用汽车公司〔GM〕和通用电气公司〔GE〕公司研制出了用于重载牵引的SD70MAC〔试制型为SD60MAC〕、SD80MAC、SD90MAC、AC4400CW、AC6000CW、SD70Ace、EvolutionSeries等新型货运交流传动内燃机车〔表3〕。目前已在美国、加拿大、澳大利亚、巴西等国铁路批量投入运营，美国重载机车中已经有超过三分之一的机车改用了交流传动内燃机车。瑞典LKAB矿山公司采用的重载机车为原Adtranz公司制造的交流传动电力机车，每台机车功率为5400kW，长度22.9m，启动牵引力为600kN，采用异步牵引电机，再生制动。重载运行速度60km/h，空载运行速度表3美国新型交流传动内燃机车主要参数机车型号SD70MACSD80MACSD90MACDF8B轴式C0－C0C0－C0C0－C0重量〔t〕188190.5190.5车钩中心间距离〔mm〕225552443424434轨距〔mm〕143514351435轮径〔新〕〔mm〕1067114311431050mm最高速度〔km/h〕113120120牵引齿轮减速比85/16=5.3183/16=5.1983/16=5.19燃料储藏量〔L〕170002200022000起动牵引力〔kN〕780820890520kN持续牵引力〔kN〕610654734410kN柴油机型号EMD16-710GEMD20-710G3BEMD16V265H柴油机功率〔kW〕2985373044764000kW柴油机转速〔r/min〕9009041000最大电阻制动力〔kN〕360510510280kN传动方式交-直-交交-直-交交-直-交机车辅助电源电压直流72V直流72V直流72V辅助传动装置机械/电力机械/电力机械/电力2.1.2径向转向架技术径向转向架的使用可使轮对与轨道间的冲角减少，轮轨间的横向作用力降低，机车的运行品质和稳定性改善，并使轮对的阻力减少，轮轨磨耗减少约一半，车轮寿命延长10%。此外，径向转向架可减少轴重转移，在粘着系数为0.25和0.35时，轴重转移分别只为7%和10%，比普通转向架低得多〔普通转向架在粘着系数为0.25时，轴重转移为15%～20%；粘着系数为0.35时，轴重转移达35%〕，从而增加了牵引力。在重载运输中，粘着系数的限制比功率的限制更为突出。美国铁路于20世纪90年代开始使用的SD60MAC、SD70MAC、SD80MAC、SD90MAC等交流传动重载内燃机车，采用了HTCR高粘着自导向径向转向架，这种转向架的粘着系数比传统的HTC转向架可以提高12%～20%。图径向转向架瑞典LKAB公司运输矿石的交流传动电力机车采用了原Adtranz公司的新型径向转向架。该转向架选用了大直径车轮和新型轮对导向装置。轮对纵向定位装置采用螺旋弹簧、刚度较低的弹性橡胶和导向杆定位，保证了曲线通过时处于径向位置，横向由螺旋弹簧定位。轮对和构架间的纵向拉杆使构架既能保持平直线路上的直线运行，又能保证通过曲线时具有较好的径向通过性能。上述定位装置使轮缘和踏面磨耗较小并且均匀。澳大利亚EDI铁路在其窄轨机车上采用了一种径向转向架，该转向架的导向机构与GM/EMD公司SD70MAC、SD80MAC等机车采用的径向转向架类似，但这种转向架采用了装配式构架，使得转向架在窄轨和准轨上都能运用，并且本钱最低。2.1.3微机控制防滑技术为了进一步提高机车的粘着性能，国外重载机车广泛采用车轮防滑系统。20世纪90年代以后，美国的AC6000CW、SD90MAC等新型重载机车，开始采用了新型微机控制的防滑系统。防滑系统早期为机械式防滑器，它由〔防滑〕传感阀和〔防滑〕排风阀两局部组成。防滑系统判断是否发生滑行的根据〔简称“判据〞〕只有一种，即车轮的角减速度。它把回转体的惯性转换成位移，翻开阀门或接通电路，使角减速度骤低的轮对缓解。防滑系统开展的第二阶段是电子式防滑器。它可以采用多种判据，具有较高的灵敏度和较快的作用速度，并能进行必要的监督和轮径补偿。其缺点在于别离电子元件的零点漂移现象不易去除，需要进行各种偏置电压的大量调整工作，而且易受环境影响，性能不稳定，维修量较大。图防滑系统随着微型计算机技术的开展，防滑系统的开展也进入了第三阶段，即采用微机控制的防滑器。微机控制防滑器是目前最先进的一种防滑器，比起机械式、电子式防滑器，它的突出优点在于能随着轮轨粘着系数的变化调节制动力。它可以对制动、即将滑行、缓解、再粘着的全过程进行动态检测与控制，信息采用脉冲处理，既简单又可靠，无零点漂移，因此无需调节和补偿。更重要的是，微处理器〔MPU〕控制的防滑器运算速度快，防滑判据丰富，可以建立复杂而精确的控制模型。从速度的检测、运算处理、运行部件监督到发出控制指令，一般均在0.1～0.2s内完成，保证了实时跟踪粘着情况变化。因此，可大大提高检测精度，即使微小而缓慢的滑行也能及早检测出来并采取措施加以防止。微机控制的防滑器还有一个很大的优越性，即它可以利用软件随时提供有关信息，进行自我检查、诊断和监督，必要时可把有关信息随时存储、调用和显示。它还能根据新的情况和要求很方便地改变控制判据而不必改动软件。微机控制防滑器具有智能化特征，能够实现动态冗余技术、制动诊断技术、故障判断与定位技术。通过实施多项可靠性措施，防滑系统稳定性大幅度提高。2.2重载车辆技术大轴重、低自重、低动力作用是重载货车开展方向。在轴重方面，美国、加拿大、澳大利亚等为32.5～37.5t，巴西、瑞典为30t，南非为28t〔旧车26t〕，俄罗斯方案提高到27t，欧洲也向25t迈进。目前，美国正在进行39t轴重的平安性运行试验。在车体材料方面，国外普遍采用了低合金钢及铝合金、不锈钢，美国90%的重载货车采用了铝合金车体。在转向架方面，南非、瑞典采用了谢菲尔〔Scheffel〕自导向径向转向架，加拿大、美国、澳大利亚等国也研制了导向臂式货车转向架，大大降低了轮轨间的磨耗。在货车车钩缓冲装置方面，国外车钩强度已提高到3000kN以上，缓冲器容量多在50kJ以上，美国E级钢车钩的破坏强度为3342kN，Mark50型缓冲器的容量为53.8kJ。局部国家重载货车还采用了牵引杆技术，制动采用了ABDW和DB60重载阀和高磨闸瓦等新技术。车体在20世纪50年代，世界上一些较兴旺的国家开始采用铝合金材料来制造铁路车辆，其中包括美国、加拿大、日本、俄罗斯、德国、法国等。在货车方面，美国、加拿大、南非等国经过几十年的开展，逐步形成了独具特色的重载货车车体技术。美国的铝合金重载货车早在1959～1960年就开始制造。由于铝合金运煤敞车所具有的独特优势，从20世纪90年代开始，美国就已经停止生产钢制的运煤车辆，全部改为生产铝合金车辆。图美国的铝合金车体美国的铝合金运煤敞车有两种型式：双浴盆式及底开门式。双浴盆式铝合金车主要应用于具有翻车机的线路上，底开门式铝合金车主要应用于具有自动开闭装置的卸货线路上，多用于发电厂。目前两种型式车辆的占有比例相差不大。美国ELKX型双浴盆铝合金煤车载重110.6t、自重19.1t、总重129.7t、轴重32.43t、容积为124.7m3；转向架采用S-2-HD型转向架，制动系统采用ABDX型空气控制阀、10″图澳大利亚双浴盆铝合金煤车加拿大286型铝合金双浴盆运煤敞车，轴重32.43t、载重109.8t，自重19.9t，总重129.7t、容积134.5m3。采用BarberS-2-HD-9C2.2.2转向架通过改良转向架结构来改良货车的动力学性能，一直受到世界各国铁路的重视，对于大型重载货车尤为重要。南非铁路早在1975年就开始在矿石货车上使用自导向径向转向架，现已在重载铁路上广泛应用。近年来，瑞典矿石公司与南非铁路合作推出了运输铁矿石的新型货车，该车采用了新改良的轴重30t的南非谢菲尔〔Scheffel〕自导向转向架。其轴箱定位处采用了弹性橡胶，取消了侧架导框；谢菲尔自导向转向架的摇枕在内部径向上进行了优化设计，改善了动态载荷下的应力分布。两侧架间与摇枕平行的位置有横梁，横梁把轮对很好地连接在一起，这样较好地保证同一转向架上的两个轮对的剪切刚度，不依赖于轮对的摇头约束装置；轮对的摇头约束刚度和横向约束刚度较小，横向约束刚度只有800N/mm，这样，当车辆在曲线上时，即使轮轨粘着系数较小，也能使轮对处于径向位置；轮对横向定位刚度较低有利于提高车辆直线运行性能和降低轮轨横向力。另一方面，轮对的摇头约束刚度和横向约束刚度较小也降低了轮缘磨耗和通过曲线时的运行阻力，保证了较好的脱轨稳定性和直线运行性能。在1999年和2000年进行的动力学试验中，试验最高速度80km/h，重载车最高运行速度70km/h。试验说明，轮轨横向力最大值为60加拿大、美国、澳大利亚等国的铁路部门近年来研制了导向臂式货车转向架。该型转向架保存了原有三大件式转向架的根本特点，与三大件式转向架最明显的不同之处是连接两个侧架的抗横向剪切框架〔该框架做成T型横断面，通过紧固螺栓固定到侧架上〕、导向机构装置〔安装在侧架内侧车轴上，并被夹装在两个轴箱承载鞍之间〕和连接杠杆结构〔从轴箱承载鞍到车体上〕。虽然导向机构装置实际上仅安装在转向架的一根轴上，但设计上确保了车辆通过曲线时转向架的两根轴同时处于径向位置。为准确导向，在转向架内侧轴与侧架之间也必须能产生一定的横向移动。对该型转向架与原三大件式转向架的线路动力学试验分析比拟说明，导向臂式转向架较三大件式转向架的横向稳定性能有了较明显的改善。在最高试验运行速度128km/h时，没有出现蛇行运动的迹象；加速度均方根值〔rms〕的最大值未超过0.06g，在试验速度内，加速度均方根值一般仅为现有三大件式转向架的一半；由于该型转向架比现有三大件式转向架减轻自重0.75%，意味着在不变更现有任何条件下，一辆车可增载1.5%；曲线通过性能较三大件式转向架有了明显改观。试验说明，导向臂式转向架在曲线上的运行阻力与直线上的几乎相同，每辆车可节省燃油7570.8L/年，提高了运输效率；同时由于车辆通过曲线时，轮对根本处于径向位置，大大降低了轮轨间的磨耗，使得维修费用也大大降低；导向臂式转向架在曲线上脱轨系数较三大件式转向架减少约20%，大大降低了脱轨发生的可能性。美国于1999～2001年在FAST试验线上试验了4种具有新型悬挂系统的转向架，转向架轴重35.7t，与30t轴重转向架相比，曲线横向力降低50%、直线阻力降低15%、曲线阻力降低50%，点头、沉浮加速度小于1.0g，速度100km/h。美国标准转向架公司还研究了一种重载三件式转向架优化方法。该方法既不增加附属部件也不采用交叉杆，而是通过改变斜楔的摩擦阻尼力来使车辆的横向和垂向振动性能到达最优，提供足够的抗菱形刚度，并且能使轮轨间的磨耗降到最小。该方法主要围绕改变斜楔摩擦角来进行优化设计，对摩擦角有两个要求，第一要使阻尼力平衡，产生的摩擦阻尼力要能满足二系悬挂阻力；第二要求静摩擦力应能满足抗菱刚度的要求，以阻止摇枕与侧架间的相对转动。根据这两个要求确定斜楔角、斜楔宽度和摩擦系数等参数，可以改善重载车辆的运行性能。采用该优化方法的三件式转向架称为优化三件式转向架，经过优化后的摩擦减震器，提供了在以前仅在装有交叉支撑和径向装置的转向架上才可能获得的高性能。这种新型三件式转向架借助于斜楔装置可确保具有足够的抗菱力矩，在大轴重摩擦斜楔使用寿命内能够对浮沉和侧滚振动进行有效控制。而大多数传统的三件式转向架即使是新造的，也没有足够的抗菱力矩以保持振动平衡。与传统三件式转向架相比，优化三件式转向架具有以下优点：〔1〕本钱低，性能好。它的制造本钱和传统三件式相同，但性能更好。优化三件式转向架不需要交叉支撑、剪切板和其他连接装置来保持抗菱刚度，因此可以降低转向架自重。〔2〕不需要增加液压阻尼装置来保持浮沉和侧滚的稳定性，该转向架具有足够高的轴间抗剪刚度，因此可以像交叉支撑转向架一样使用抗剪橡胶垫。〔3〕非常适用于重载车辆，具有很好的经济性。由于具有较高的抗菱刚度，并且通过曲线时轮对处于径向位置，因此它既可以保持最高运行速度128km/h的稳定运行，又能大幅度降低轮轨磨耗。同时它能减少车轮踏面剥离，在剥离严重的工况下，该转向架能增加一倍的轮对使用寿命。另外，通过减少直线和曲线的运行阻力，它能有效降低燃油消耗，每辆车节省5%以上。2.2.3钩缓装置随着重载列车编组辆数和牵引重量的不断增加，机车与车辆、车辆与车辆之间的纵向力也随之增大，特别是在列车牵引起动和制动时，车钩作用力要比普通列车大得多。从行车平安的角度考虑，对货车车钩缓冲装置的强度和疲劳寿命要求更高。一般对普通货物列车纵向力的要求是2000kN以下，而国外重载列车的相应要求已提高到3000kN以上，美国E级车钩的破坏强度为3342kN。为此采用了以下方法来提高车钩强度：①采用高强度低合金钢，并通过热处理到达较高的破坏强度和屈服极限；②优化车钩结构和纵向力传递过程的设计，特别是加强车钩装置中薄弱环节的零部件；③尽可能减少车钩的纵向间隙，甚至采用无间隙牵引杆来代替车钩，以大幅度地减轻列车的纵向冲动，美国、加拿大第二代单元列车的车辆以及巴西重载列车的每两辆矿石车间采用了这种连接方式。改善车钩纵向力，防止缓冲器“压死〞造成的刚性冲击，关键在于提高缓冲器的容量，同时在允许弹性冲击范围内保持缓冲器良好的缓冲特性。对重载列车用货车缓冲装置的根本要求是：①缓冲器的容量能充分吸收车辆冲撞作用时产生的能量。设计时，根据货车车辆的重车质量和调车速度确定其最低容量。国外重载货车的缓冲器容量多在50kJ以上〔如美国的Mark50型缓冲器为53.8kJ〕。②增加行程。缓冲器最大容量主要取决于其行程和阻抗特性，单方面提高阻抗比虽然可提高容量，但将导致常用工况下纵向冲击力的增加。根据国外经验，重载货车的缓冲器行程多在80mm以上。美国Mark50型缓冲器为83mm，较普通货车旧型缓冲器的行程增加20mm。③提高能量吸收率，即增大缓冲装置将冲击动能转换为热能的吸收系数。吸收率是缓冲装置减振性能的重要指标之一，重载货车缓冲器的吸收率一般应提高到90%左右。2.2.4新型单元货物列车北美铁路的重载单元列车在20世纪80年代中期已开展为第二代，性能有了很大改良。美国开发的一种多单元运煤货车组，由5辆敞车通过铰接式转向架连接成为一个整体，每两辆车体间用一个铰接式转向架连接，只在每一车组的两端设立独立转向架和端墙，敞车车体之间取消端墙，以充分利用端部的空间，这样可使相同载重的列车长度缩短30%，即在与普通列车长度相同的情况下，这种铰接式多单元列车可提高载重30%〔如采用铝合金车辆，载重将能提高35%〕。由于采用了铰接式转向架，车长减短，转向架中心距减小，从而提高了车辆的曲线通过能力。铰接式转向架实现车辆无间隙连接，减少了列车的纵向冲动。试验说明，这种设计设想可使单元列车间隙作用力大大减少。加拿大采用“浴盆式〞敞车的第一代重载单元列车在运煤专线上运营近20年后，在20世纪80年代末至90年代初又开发了第二代新型单元列车。第二代重载单元列车采用了多路机车遥控系统〔MRLCS〕，使机车功率能够相对地沿列车分散布置，其根本单元是由无间隙牵引杆将10辆车连接成的车辆组，以消除列车纵向间隙、减小车辆间的纵向冲动。车辆组与车辆组间用传统的车钩和缓冲器相连，由一台可控制的机车连挂3个车辆组，形成一个单元列车，还可根据运输实际需要编成多单元列车。使用牵引杆可使车辆自重减轻454kg。更重要的是，无间隙牵引杆的使用，使列车中的间隙减小90%，从而大大减少车辆间的相对运动，运行中的列车冲动也随之显著降低，并由此减轻了作用于牵引系统、轴承、悬挂装置和车体的冲击载荷。由于列车中节省了90%的缓冲器、车钩和钩舌，大大减少了维修费用和能源消耗，经济效益显著。这种货车还采用了自导向径向转向架，降低了轮轨作用力和轮轨磨耗，改良了车辆的动力学性能。减少了横向作用力造成的转向架和心盘的磨耗，使列车通过曲线时的阻力降低了约30%。为减少空气阻力，车辆外形采用了流线型设计。图加拿大重载车列美国、加拿大还采用第二代新型单元列车技术，开发了开行双层集装箱货车，使重载运输技术不仅可用于大宗散装货物运输，也可以用于杂货件运输。这种新型双层集装箱货车采用5连挂和10连挂车组〔即5节或10节车固定编成一组〕，减少了列车在加减速时车辆之间的冲击。车组内车与车之间通过铰接式转向架或无间隙牵引杆连接成一个整体，提高了集装箱列车的运行稳定性。图双层集装箱列车2.3机车无线同步操纵与电空制动机车无线同步操纵1960年以前，美国为了开行重载列车，在列车的中部〔和/或后部〕另外加挂一台或几台机车，以适当增加机车的牵引能力，这种牵引方式称为动力分散式〔DistributedPower〕。这种加挂的机车均有乘务组值乘，采用各自独立操纵的方式。早期的列车中，前部机车对后部机车的操纵控制是靠机车发出的预先约定的汽笛声来传递信号，由后部机车上的司机执行操纵，以后采用了司机之间用无线联络的方式。但是随着列车的长度和重量的增加，这样的操纵方式列车前后的牵引和制动操纵的时间差越来越大，列车的纵向冲动力增大，无法保证列车的行车平安。为此，美国从20世纪50年代末开始研究利用电传递操纵信号，自动操纵后部机车，实现前后机车同步操纵的技术，其传递操纵信号的通信方式分为无线和有线两种。但基于无线通信方式的动力分散同步操纵系统的装车量和使用数量要远大于有线方式，美国在这项技术领域具有绝对的优势，主要产品都出自美国的GE公司和Wabtec公司。动力分散无线控制技术最大的研究生产厂商为美国GE的GETSGlobalSignaling〔通用电气运输系统全球信号设备公司〕，其研制、生产的Locotrol技术是机车动力分散式无线控制系统的代表产品。1959年，美国开始进行了机车无线遥控的机车动力分散控制试验。1962年，美国Wabtec公司的前身——西屋〔Westinghouse〕公司的远程机车遥控系统开始用在由200辆车编组的18000t列车上。随后经过屡次试验、改良，该系统于1964年以后陆续在美国南方铁路公司、南太平洋铁路公司、宾夕法尼亚铁路公司、纽约中央铁路公司、联合太平洋铁路、圣太菲铁路以及加拿大太平洋铁路公司等大量采用。20世纪70年代，该项技术逐步成熟，澳大利亚、巴西等国的铁路也采用了这种技术。另一家美国公司，哈里斯〔Harris〕公司〔通用电气运输系统全球信号设备公司——GETSGlobalSignaling的前身〕于20世纪60年代开始研制类似的机车动力分散式无线遥控系统，并于1965年产生了第一代产品，这就是Locotrol机车无线同步操纵系统。Locotrol是通过本务机车利用无线技术遥控列车中部的从控机车，通过列车中部/或后部的各个机车向后面的车辆传递空气压力波信号而到达改善制动性能、减小列车纵向冲动和车钩受力的目的。列车的制动管那么用作制动信号备用传递通路，可使从控机车减速并使列车制动停车。第一代Locotrol系统是利用分立的逻辑卡来控制继电器和电磁阀，从而实现对机车操纵手柄和空气制动的控制。该系统产品应用了摩托罗拉公司生产的固态无线电技术，系统由安装在头部主控机车上的主控设备和安装在列车中部专门车辆上的无线电受控设备组成。司机从主控机车发出经过逻辑处理的指令，这些操纵命令通过无线电信道传送到后面的受控设备上；受控设备接受到指令后对这些信号进行处理，通过继电器控制电路，控制各台从控机车的牵引和制动设备的动作，实现各台从控机车与主控机车的同步操纵。当时的受控系统设备体积很大，占据整整一节车辆——遥控车。图1放置Locotrol设备的遥控车美国南方铁路公司首先订购了16套这种设备。1965年底，该铁路公司接着又订购了50多套设备，从此推动了无线遥控机车同步操纵技术的大规模应用。1967年，美国宾夕法尼亚铁路公司开行了由341辆车编组、总重达25500t的重载列车。列车头部有3台机车，在列车全长的2/3以后加挂6台由无线电遥控的机车。同年年底，诺福克和西方铁路开行了由500辆车、总重达48000t、总长6400m的重载列车，列车前部有3台3600马力的内燃机车，300辆车以后加挂3台由Locotrol控制的机车。20世纪80年代，由于计算机技术飞跃开展，Harris公司开始开发新一代无线遥控系统。它采用现代化微处理机技术，在任何条件下能保持性能稳定。1984年，开发出了第一台装有微处理器的LocotrolⅡ型机车无线同步操纵系统，即第二代Locotrol系统。与第一代Locotrol相比，LocotrolⅡ的功能扩大了，体积大大缩小了，可以直接放置在列车中部的从控机车上，从而取消了遥控车。继电器和电磁阀置于软件的控制下，可以进行制动管路连通性测试、漏泄测试和主控与从控设备的连通性测试以及对空气流速变化的检测。对空气流速有无变化的检测使得制动管路成为辅助的控制信号传输通道。主控机车与从控机车能够互换通用，进一步提高了平安性和灵活性，使操作和维修更加容易。20世纪90年代初，，Harris公司开发出第三代动力分散式控制的Locotrol产品——LocotrolⅢ。该系统采用了更先进的微处理器，功能更强，可提供增强型的用户界面、多项遥控支持等。LocotrolⅢ能提供一个完整的动力分散式控制系统，并且能与各种类型的机车和制动系统接口。近年来，GETSGlobalSignaling开发了第四代动力分散式控制的Locotrol并在铁路上试用。它采用最先进的微处理器和固态电子技术，使用更少的元件，工作更加可靠，并且更容易与现代机车相配合。第四代产品中，LocotrolLSI或MVB把所有向司机显示的信息都集中反映在司机台的显示屏上。Locotrol处理器模块和双重无线电通信模块通过与LSI或MVB的接口而控制和监视从控机车。处理器模块将信息经由机车计算机控制系统传送到机车的司机控制器、空气制动系统、列车尾部装置和司机台的通用显示器。LocotrolLSI或MVB的主要特点是体积比LocotrolⅢ小80%，标准的司机台显示屏，标准成套的处理器模块，与车载电子和和空气制动设备的接口简化了，具有更高的可靠性。另外，GE与NYAB〔纽约空气制动机公司〕还共同开发了一个很独特的LocotrolEB〔LEB〕系统，它把两个独立的、以前互不相干的机车系统——动力分散式控制和电子空气制动机结合起来，从而减少在功能及设备方面的重叠。开发这一产品的主要目的是在减少寿命周期本钱的同时，改善系统的可靠性。LocotrolEB主要由4个模块组成：—电子制动阀EVB：启动空气制动机的运行；—集成处理模块IPM：执行空气制动控制和动力分散式控制处理；—电子空气制动单元EPCU：执行对空气制动的直接控制和监视；—双重无线电模块：执行动力分散式控制的无线通信。同时，20世纪90年代后期，由于重载列车有线电控空气制动技术的出现，借助于贯穿全列车的通讯电缆，拥有有线电控空气制动技术的NYAB和Wabtec公司开发了基于有线通信的机车动力分散式控制系统。近年来，随着重载运输的开展，铁路市场对Locotrol系统的需求有所增加，已有约7000套Locotrol系统安装在美国、加拿大、澳大利亚、巴西、中国等国家和地区铁路的电力机车和内燃机车上。Locotrol机车无线同步操纵系统的优点和效果如表4。表4Locotrol的主要操作优点和效果优点效果最正确的动力分配和制动操作增加总吨位牵引能力〔列车长度加长〕改善设备利用率减少列车内部纵向受力减少乘务员的数量需求减少列车在陡坡运行时的车钩受力不需要有人驾驶的补机更快的加速和减速改善铁路通过能力减小列车间隔更快的循环周期——缩短停车距离〔30%〕——减少停车时间〔22%〕增加牵引效率和减少滚动阻力改善燃油的经济性〔平均5%〕减少轮缘和铁轨的磨耗更快的制动缓解动作有效地减少制动管充风时间〔60%〕，从而减少循环时间改善对低速列车的控制更平稳的制动动作改善对列车间隙效应的控制，减少货物的损失可以将多个短列车联接成一个长列车增加线路通过能力简化调度场对列车分解的后勤支持电空制动ECP技术20世纪90年代，美国和欧洲一些国家的铁路开始研究用于货物列车的电空制动系统ECP，这是一种电子控制的直通式空气制动系统。这种系统采用了先进的信息技术〔IT〕，直接用计算机控制列车中每辆货车的制动缸的制动和缓解，取消了传统的空气制动阀系统，保证了长大重载列车中各节车辆的制动、缓解动作的一致，大大加快了制动速度、缩短了制动距离，降低了车辆间的纵向冲动力，优越性非常明显。按信号传递方式分，ECP又有两种型式：一种是通过列车上贯穿全长的电缆〔列车总线〕来传递制动控制信号及后面车辆向机车的反应信息〔称有线方式〕。另外一种是利用每节车辆两端的的无线电装置在相邻的两节车辆之间接收和发送制动控制信号及反应信息〔无线方式〕。电缆〔有线〕方式的优点是结构比拟简单而且工作也比拟可靠，但是不适用列车需要经常解编的普通货物列车，而适用于象旅客列车那样的固定编组的货物列车〔单元列车〕。无线方式的优点是比拟灵活，适用于列车编组不固定，需要经常解编的列车。但是它要求在每节车辆上安装无线电装置的电源，还要在车辆的两端安放无线电接收和发送装置，以便与相邻的车辆交换、传递及反应信息。而无线电信号容易受干扰，工作可靠性不如有线方式。美国铁路于1997年开始对于这两种方式都进行了试验，最后在固定编组的单元重载列车上首先使用了有线方式的电子控制空气制动系统〔ECP〕。美国的技术效劳销售公司〔TSM〕从1994年开始就研制出早期的有线ECP制动系统。后来它与美国著名的威斯汀豪斯空气制动机公司〔WABCO〕、Pulse电子公司、洛克威尔铁路电子公司〔Rockwell〕以及Q-Tron公司一起组成了Wabtec公司，Wabtec公司继续生产有线ECP制动系统。它与北美铁道协会〔AAR〕通力合作，在1999年3月制定出有线ECP系统的工业标准——S4200标准。此外，美国的纽约空气制动机公司〔现在属于著名的跨国公司，Knorr制动机公司的麾下〕也研制和生产了有线ECP制动系统。1997年，ECP在北美开始装车试验。目前，美国、加拿大、澳大利亚、南非等国已在重载铁路上采用了该项技术。美国铁路试验说明，重载列车采用电空制动的主要优点为：①保证前后车辆制动和缓解的同步作用，使纵向冲动大为改善；②减少空气压力波传播需要的制动空走时间，缩短列车制动距离30%～70%，在闭塞区间长度不变的情况下，可提高列车速度18～30km/h，增加线路的通过能力；③具有良好的阶段制动和阶段缓解作用，便于司机操纵；④因为列车管充气加快，装、卸载时间也加快，缩短了列车停留时间，使列车周转时间缩短，节约能源5%，降低车辆维修本钱，手制动控制更精确，减少车轮损伤；⑤ECD装置具有监测车辆制动系统的功能，有利于车辆维护，并可取消守车。此外，这种新型的货车电空制动还具有检测折角塞门关闭、ECD芯片损坏报警等平安保障功能，因此是重载列车技术装备的一大突破。柏林顿北方圣太菲铁路公司已决定在其所有新机车上装设电空制动系统。2.4工务工程技术由于重载列车重量和长度的增加，机车和车辆轴重的提高，导致列车对线路、桥梁等工务工程技术装备的作用力大幅度提高，线路状态和轨道结构的工况及破坏特性较一般传统的线路及建筑物也有十清楚显的变化。具体表现在：—重载运输线路年通过总重大，使轨道过早地丧失承载能力；—在运营线路上，特别是在陡坡和小半径曲线地段，钢轨轨头侧面磨耗、轨头顶面波浪形磨损以及疲劳断裂严重；—轨道的剩余变形积累加速，基床病害增多，使线路的不平顺性加剧；—列车在制动和起动时，会产生较大的作用于钢轨上的横向力和纵向力，使得对线路产生有害的列车动力不平衡部件的数量也相应增加，造成对钢轨轨头外表和车轮轮缘踏面的伤害；—桥梁荷载及疲劳加剧导致梁体裂缝新生、扩展、中性化速率加快等，危及行车平安。为此，国外对重载铁路轴重大、货运强度高的运营条件，在线路、轨道结构，路基、桥梁，以及设备的监测与养护等方面，都采取了相应的措施。线路技术标准为满足重载运输的需要，北美、澳大利亚、巴西、南非、俄罗斯等国都制定了线路技术标准的了。改善线路的根本参数，特别是减缓线路的限制坡度、加大最小曲线半径，是各国改造重载运输线路、适应列车轴重提高的重要措施。随着运量的增长，通过对原有线路采取改线绕行、截弯取直、分段落坡等措施，来保证重载列车平安运行，有效地提高线路的通过能力。重载线路限制坡度选择与列车牵引重量、列车速度和运营支出有直接关系，最适合的限制坡度应在保证运输要求的根底上，到达最正确的经济效益。选择限制坡度同线路所经地段的地形条件、牵引类型等因素有关，国外重载铁路的限制坡度一般为：重车方向为3‰～10‰，空车方向为10‰～20‰；最小曲线半径一般为400～1000m；并且站间距离大、到发线长。表7列举了局部国家具有代表性的重载铁路线路的技术标准。表7局部国家重载铁路线路技术标准线路加拿大澳大利亚巴西南非瑞典中国魁北克北岸—拉布拉多哈默斯利纽曼山古涅拉—海衣角维多利亚—米纳斯卡拉亚斯矿山铁路Orex铁矿石运输线理查兹湾运煤线基律纳—林克斯格朗孙矿石线大同—秦皇岛线路长度〔km〕639388426145898892861580540653正线数目单线单线单线双线双线单线〔局部双线〕单线双线单线双线轨距〔mm〕1435143514351067100016001067106714351435〔‰〕重车4轻车14重车4.2轻车20重车5.5轻车15重车10轻车15重车3轻车10重车3轻车10重车6轻车10重车6.25轻车1518重车4轻车12〔m〕南段218北段437397572—348.88601000500270800〔400〕平均站距〔km〕162224.8——————15.0到发线有效长度〔m〕最长650021003000——————2800〔1700〕牵引种类内燃内燃内燃内燃内燃内燃电力/内燃电力/内燃电力电力轴重〔t〕33-3935.7-3935.7-3922.52530.530263025钢轨〔kg/m〕6868686067.567.560575075美国联合太平洋铁路曾先后改建了4段线路，均根据不同的地形条件加大线路的最小曲线半径。其中包括：将茨雷斯泰莱恩—内华达干线上的最小曲线半径由172m改为1230m；将内华达州的巴尔克雷线最小曲线半径由189m改为350m；加特尔线的最小曲线半径由219m改为350m；将俄勒冈州的米查姆线20‰坡道上的最小曲线半径由173m改为291m，改线1.28km。加拿大太平洋铁路干线的西段，在卡尔加利以西跨越落基山脉一段线路，其间通过山区线路坡陡起伏，线路最大坡度为26‰〔包括曲线折减率〕，最小曲线半径为175m。重载列车运行虽采用多机牵引并由补机推送，但操纵复杂，难以保证运行平安，且整个线路能力不能满足需要。故决定改造沿线4个困难区间，分别进行落坡增加第二线，将西行重车方向的坡度降至10‰，取消补机，曲线半径改为290m。南非德兰士瓦省由产煤区至理查兹湾的铁路，原来线路的最大坡度为15‰，最小曲线半径为500m。为了满足煤炭运量增长的需要，在对线路进行全面改造的工程中，将重车方向的限制坡度降至6.25‰，在509km的干线上，修建10处全长共计133km的绕行线实现落坡要求。巴西的几条重载铁路，无论是窄轨还是宽轨线路，也都是根据运量增长的实际情况，对线路进行必要的改造，以提高运输能力。维多利亚—米纳斯米轨铁路，在全线改建成为复线的过程中，将最小曲线半径从202m增大到348.8m，重车方向的线路坡度由5‰改为3‰，加上采取其他现代化的技术改造措施，使得整个铁路的输送能力超过了1亿t。巴西的另一条从贝洛奥里藏特到里约热内卢的中央线，虽系1600mm宽轨铁路，但沿线多山，线路标准很低，20世纪60年代期间线路的最小曲线半径仅为150m，最大坡度25‰。1973年和1977年先后两次对线路改造，多处