世界铁路重载运输技术的{zx1}进展 1. 世界铁路重载运输发展的新水平 1.1 重载列车{zg}牵引重量的世界记录已达10万吨，{zg}平均牵引重量达3.9万吨 世界各国重载铁路借助于采用高新技术，促使重载列车牵引重量不断增加。2001年6月21日澳大利亚西部的BHP铁矿集团公司在纽曼山—海德兰重载铁路上创造了重载列车牵引总重99734t的世界纪录。2004年巴西CVRD铁矿集团经营的卡拉齐重载铁路上，开行重载列车的平均牵引重量已达39000t。南非Orex铁矿重载线是窄轨铁路(1067mm轨距)，开行重载列车的平均牵引重量为25920t。美国{zd0}的一级铁路公司联合太平洋铁路(UP)经营的铁路里程为54000km，其所有列车的平均牵引重量已达14900t，一般重载列车的牵引重量普遍达到2～3万t，其复线年货运量在2亿t以上。 2005年国际重载运输协会(IHHA)的巴西年会上已对重载运输的定义作了新的修订：重载列车牵引重量至少达到8000t(以前为5000t)；轴重(或计划轴重)为27t及以上(以前为25t)；在至少150km线路区段上年运量超过4000万t(以前为2000万t)。 1.2 重载运输推广范围日益扩大，欧洲已在客货混运干线上开行重载列车 重载运输技术在越来越多的国家推广应用。不仅在幅员辽阔的大陆性国家(如美国、加拿大、澳大利亚、南非等国)重载铁路上大量开行重载列车，而目前在欧洲传统以客运为主的客货混运干线铁路上也开始开行重载列车。德国铁路从2003年开始在客货混运的既有线路(如汉堡—萨尔兹特)上开行轴重25t、牵引重量6000t的重载列车，{zg}运行速度80km/h(重车)，同时开行200～250km/h速度的旅客列车。2005年9月开始，法国南部铁路正式开行25t轴重的运送石材的重载列车。芬兰铁路正在研究开行30t轴重的重载列车。欧盟经过研究认为，欧洲铁路客运非常发达，每年运送90亿人次、6000亿人公里。但欧洲铁路货运同样也很繁忙，货运量占全世界铁路货运总量的30%，而且每年还以4.4～7.5%的速度增加。欧洲铁路的货运量中有30%重载运输潜力。2001年以欧洲铁路为主体的国际铁路联盟(UIC)以团体名义加入国际重载运输协会(IHHA)、成为团体理事成员。由此可见欧洲铁路发展重载运输的战略已定局。 1.3 美国已在高速既有铁路东北走廊上开行30t轴重重载列车 另一个重要标志是美国重载列车开始在东北走廊高速铁路上运行。2003年美国在东北走廊高速铁路的巴尔的摩和Rerryville间不仅开行240km/h的Acela高速列车，还同时开行轴重为30t、平均速度为80km/h的重载列车。Acela高速列车的动力车轴重为25.5t，高速客车轴重为15.9t。这是世界既有线高速铁路同时开行重载货物列车轴重{zd0}的一条铁路，其年货运量达3700万t，年客运量2650万人，每天开行122列客货列车。 1.4 重载运输取得日益显著的经济效益 美国铁路自1980年全面发展重载运输以来，铁路货运占领美国货运市场的份额直线上升，从1980年的35%增加到2000年的41%，车辆的平均载重增加了15.1%，虽然运价已降至1.6美分/1吨公里，运行成本却还下降了60%，线路维修成本下降了42%，劳动生产率提高了2.71倍，创造的年利润已达美国铁路历史上的{zg}水平(81亿美元)。美国{zd0}的铁路公司之一联合太平洋铁路(UP)2002年重载运输收入已达107亿美元，其中煤炭运输收入占22%。 西澳大利亚的BHP重载铁路公司从1980年到2000年由于开行重载列车，动力用油耗下降43%，机车利用率提高36%，车轮、钢轨寿命提高3～5倍。劳动生产率提高5倍，达到6000万tkm/人·年，居世界铁路之xx。创造的年利润达500亿澳元。昆士兰铁路营业里程1万km(基本是窄轨1067mm)，2004～2005年度货物发送量1.76亿t，其中重载煤运达1.425亿t，每周开行1万t重载列车460列，年营业总收入23亿澳元。税前利润1.91亿澳元。 2. 世界铁路重载运输技术的{zx1}进展 2.1 重载机车新技术 2.1.1 采用IGBT、IPM大功率变流器的交流传动技术 20世纪70年代末欧洲开始发展交流传动技术，至20世纪90年代，大功率交流传动内、电机车已成为世界重载牵引动力的发展趋势。美国铁路已拥有4000多台重载交流传动内燃机车，GM-EMD公司生产了SD70Ace、SD90MAC、GT46MAC、DE30AC/DM30AC等型交流传动内燃机车，GE公司生产了ES44AC、AC6000CW、AC4400CW等型交流传动内燃机车，已在美国，加拿大，澳大利亚，巴西等国重载铁路批量投入运营。GE公司制造的AC6000型机车主发电机输出功率达6000马力，持续牵引力达738kN，超动牵引力800kN，粘着系数利用值可达0.37以上。德国西门子公司为欧洲制造的BR186型及BR189型重载交流传动电力机车、轴功率已达1400kW、在欧洲批量投入运营。最近西门子公司为满足中国重载运输牵引动力需求而设计的DJ4型交流传动电力机车，轴功率已达1600kW。 重载机车交流传动采用的新技术包括： (1) 三相交流异步电机轻量化。电机单位重量功率已达0.81kW/kg，甚至可达1kw/kg，机车单位重量功率可接近75kW/t。 (2) IGBT(IPM)大功率牵引变流器的采用。同等容量的IGBT变流器的体积和重量比GTO变流器减少1/3～1/2，IGBT具有驱动简单、保护容易、不用缓冲电路、开关速度高等优点，目前BR185.2型电力机车、SD70MAce、ES44AC型内燃机车均批量采用IGBT变流器。 (3) 采用基于网络(现场总线)的控制系统。其特征是：采用基于网络通信的控制，通信协议大多采用TCN国际标准，用模块化、通用化、分布式将主变控制、辅变控制和微机网络控制统一在一个平台上，并具有智能化故障诊断功能。 2.1.2 径向转向架技术 大功率交流传动内燃机车和电力机车采用径向转向架成为国际重载机车发展趋势，尤其在美国、加拿大、澳大利亚等国的大轴重的重载线路上，径向转向架技术越来越成熟。GE、GM-EMD等大公司生产的机车基本均采用径向转向架。我国主要机车制造厂如大连、戚墅堰、紫阳等工厂均开始小批量生产带径向转向架的重载机车。 据美国GM-EMD公司的HTCR径向转向架长期运营数据表明，径向转向架减少轮对与轨道间的冲角，比传统的转向架的轮轨冲角减少75%，有效地降低轮轨间横向作用力，减少轮轨磨耗及阻力，提高运行稳定性；机车车轮寿命延长10%，在0.35粘着系数利用值条件下，转向架的轴重转移从35%减少到10%。 2.1.3 重载列车网络控制技术 随着重载运输发展，新型重载机车越来越多采用先进的列车网络控制系统，借助于网络传递重联控制信息，逻辑顺序控制信息及牵引、制动和速度控制信息。而重载列车中各车辆或部件的工作状态也需要通过网络传送到主控机车上以用于状态监视和故障诊断。实际运用表明基于计算机网络的列车控制与故障检测技术的运用，不仅可以提高重载列车系统的集成度、可靠性和可维修性，而且可以节省列车连线，减轻列车重量。 重载列车网络控制系统在国际上主要有两种发展模式，一种是欧洲模式，其列车通信网络速度较高，实时性较强，具有代表性的是TCN网络，已形成ICE61375列车通信网络的国际标准。一种是北美模式，可以分为有线列车通信网络和无线列车通信网络2种。有线车载网络基于LonWorks现场总线，基础标准是IEEE1473列车通信网络协议。主要供应商有Webtec和NYAB公司；无线车载网络供应商主要是GE公司。 2.1.4 重载内燃机车柴油机节油技术 先进的重载内燃机车上均采用柴油机泵管嘴式电子控制喷射系统，对降低柴油机燃油消耗和排放有良好的效果。如美国GM-EMD公司的16-854H型柴油机燃油消耗率199.5g/kWh、美国GE公司GEVO12柴油机为198g/kWh、美国Cat公司Cat3616柴油机为198g/kWh，而我国批量生产的柴油机没有安装电子控制喷射系统，燃油消耗率一般在208～204g/kWh之间。美国对重载内燃机车进行过统计，在1980年未装电子控制喷射系统时，内燃机车1加仑燃油平均产出325英里吨，而目前安装了电子控制喷射系统，内燃机车1加仓燃油平均可产出405英里吨，提高了72%。 2.1.5 重载机车故障遥测监控技术 2001年美国GM-EMD公司为重载机车开发了IntelliTrain机车故障遥测监控系统，采用这套新型的无线遥测遥控系统，可以对每一台机车实施全寿命服务，大大提高了机车使用率，降低全寿命周期成本。2003年IntelliTrain系统正式投入使用，安装了这一系统的机车不论在何处出现了故障，机车上的传感装置能自动检测故障并通过无线通信系统将故障情况、机车车号等信息直接发送到服务中心。服务中心立即通知就近的维修工程师携带备件去机车现场更换备件并检测性能。在xx故障后IntelliTrain系统发出信息告之服务中心，机车已能正常投入使用。根据2年多使用经验，这套系统已能发现机车80%的潜在运行故障，比预期的修理期提早7～21天发现故障，延长了机车使用周期。所有故障中50%是在乘务人员从未报告过的情况下发现，2年多来机车的总故障率已下降70%。 2.1.6 重载机车无线遥控操纵系统(Locotrol) 1959年美国GE-Harris公司首先研发成功Locotrol系统，当时全部装备要用一辆平车才能装下，通过40多年的不断改进，现在已经发展到第4代，采用无线通讯闭环控制方式在前后部机车间传输命令及反馈信息。现在世界各国采用Locotrol系统共有5600套，目前我国大秦线开行2万t重载列车，在机车上均采用Locotrol系统。 Locotrol系统的基本工作方式是前部机车通过GSM-R系统，向中、后部机车发布同步牵引和制动命令，实现前、中、后部机车的牵引及动力制动同步操纵及空气制动系统同步制动与缓解。同时采用制动管压力自动检测，可以对系统的无线通讯状态进行监控。 采用Locotrol系统的优点是：有效减轻重载列车的牵引车钩力；在弯道上减少列车阻力，减轻轮轨磨耗，降低燃油成本5～6%；中、后部机车同步参与了全列车的列车管排风与充风，加快了列车的充排风速度，提高制动波传播速度，有利于减轻列车制动纵向力作用，减少断钩的危险。 2.2 重载车辆新技术 2.2.1 提高轴重，{zg}轴重已达39t 美国通过1988～1995年在普韦布洛FAST环线上进行35.4t轴重的重载列车与线路相互作用运行试验，累计运量达10亿t，对开行35.4t轴重的重载列车安全性和经济性进行了研究，重点对制约增加轴重的主要因素，如桥梁、钢轨、道碴、路基、焊接接头等进行详细的检测，试验结果表明在北美开行35.4t轴重是可行的、安全的。目前美、加、澳已普遍采用35.4t轴重，巴西、瑞典已采用30t轴重，南非、澳大利亚昆士兰铁路均是窄轨，已采用28t(旧车26t)轴重。俄罗斯重载列车轴重提高到27t。欧洲铁路重载列车也已向25t轴重迈进。目前美国正在普韦布洛FAST环线上进行39t轴重的安全性运行试验，累计通过运量已达12.5亿t。 2.2.2 采用新型转向架及悬挂系统 美国对重载车辆的三大件转向架进行了改进并研制各种新型转向架悬挂系统，1999～2001年已试验了四种具有新型悬挂系统的转向架，并在FAST环形线上进行了3年多的性能试验，取得良好的结果。这些新型转向架在35.4t轴重下，与30t轴重的三大件转向架相比，曲线区段的横向力降低50%，直线区段阻力降低15%，曲线区段阻力降低50%，点头、沉浮加速度小于1.0g，{zg}运行速度可达100km/h。加拿大研究试验一种可控制型转向架，也取得较好的效果。美国TTCI通过试验旁承承载方式可以提高重载货车的高速稳定性，减少蛇行、空车爬轨倾向，提高货车运行速度24～32km/h。 2.2.3 采用铝合金或不锈钢车体降低空重比 降低车辆自重可以增加载重，同时节约能源，提高效益，美国重载货车中90%采用了铝合金车体，其成本仅比钢车体增加1/3，但使用寿命大大延长，而且提高了载重量，取得很好的经济效益。 2.2.4 采用双层集装箱车辆 北美、澳大利亚等重载国家广泛开展双层集装箱运输，其在铁路公司运输收入的比重中日益增长，现在双层集装箱重载列车已占重载列车总数1/4左右，双层集装箱平车发展很快，成为重载车辆中的新品种。 2.2.5 改进车轮材质、提高车轮耐剥离性能 重载车辆在运用中最突出的问题是车轮踏面剥离严重。由于轮轨接触应力的增加，车轮制动热负荷上升，引起车轮剥离失效。美国TTCI正在系统研究轨顶润滑，钢轨打磨，监测轮轨间动力作用，改进转向架附件及维修，心盘涂油润滑等方法降低轮轨间应力，但关键问题是要提高车轮材质的抗剥离性。为此美国已研制成功一种新合金材质的车轮，与传统车轮相比，相同运量条件下车轮踏面上的剥离长度可减少59%，深度可减少43%。 2.2.6 高强度旋转车钩及大容量高性能缓冲器 开行重载列车{zd0}隐患是由于列车纵向力过大发生断钩脱轨事故，这种事故占美国重载列车全部事故总数的90%左右，因此提高车钩强度及缓冲器的容量特性是保证重载列车安全的重要措施。目前美国AAR标准规定的E级车钩，破坏强度可达9342kN，Mark50型缓冲器，容量达53.8KJ，行程可达83mm，能量吸收率达90%。 2.2.7 车辆高效装卸装备 研究高效率的漏斗装煤设备及其他装煤设备(如底开门煤车的传送带装煤机)等是保证重载列车均衡装煤，缩短装卸周期的重要设备，目前世界各国1万t重载列车装煤时间普遍在40分～1小时之间，翻车机卸煤设备可以三车、四车同时翻转、不摘钩作业，1万吨煤在1小时内能全部卸完。 2.3 重载列车制动新技术—ECP 2.3.1 ECP(电控空气制动系统)对重载列车的重要性 20世纪末超过1万t的重载列车存在的{zd0}隐患是：由于空气制动波速无法超过300m/s，重载列车在常用、紧急制动时经常发生前后制动力不一致，造成断钩、脱轨事故；重载列车在长大下坡道上由于没有阶段缓解作用，再充气时间过长，容易造成列车失控、放杨对安全产生严重威胁。 1995年美国首先研究ECP技术，1997年开始在美国，加拿大装车试验取得成功，1999年美国AAR开始制订ECP规范标准。目前ECP已在美国、加拿大、澳大利亚、南非等国1万t以上重载列车上批量装车运用达数万辆。 2.3.2 ECP的功能、优点 ECP主控机车通过网络直接控制列车中各辆车的副风缸向制动缸充风制动或制动缸排风缓解，空气是制动力产生来源，但空气不作为控制指令传递的介质，达到整列车的车辆同时响应制动、缓解信息，具有严格的同步性。同时还具有阶段制动和阶段缓解性能，利用贯通全列车的电缆可同时实现机车动力分散牵引控制(即Locotrol)。 各国采用ECP系统后，取得良好的效果：平均车钩力降低25%，断钩事故基本消灭，xx制动工况下脱轨的危险；制动距离可缩短50～70%；xx意外紧急制动现象；车辆平均周转时间至少缩短9%；压力空气消耗降低，节能23%；车辆维修费用降低，车轮磨耗减少7%，闸瓦磨耗减少27%；车轮踏面剥离大大减轻；车体疲劳载荷降低。 2.3.3 ECP技术发展前景 国际铁路xx人士对其评价是：“ECP是威斯汀豪斯发明自动制动机后的100多年来货车制动系统的{zd0}改革”，“ECP取代货车传统制动系统的意义就像内燃机车取代蒸汽机车一样”。美国AAR2006年已宣布将全力推广ECP系统。 2.4 重载线路养护维修新技术 2.4.1 采用多品种专业化的大型养路机械 重载线路的养护维修是保证重载列车安全运行的基础，重载发达国家均以大型养路机械来保证重载线路达到技术标准，采用多元化、多品种、专业化的大型机械配套覆盖全部修程。各种大型养路机械由于采用了全新的技术与工艺，达到更高的效率和性能，包括捣固车，道碴清筛车，线路稳定车，边坡整形车，道岔捣固车，线路大修列车等等。普拉查公司{zx1}型的09-3X型连续走行式三枕捣固车集连续捣固，轨道稳定，道床整形三种功能于一身，作业速度达到2200km/h，比双枕捣固车效率提高47%。RM900型道碴清筛车具有1000m3/h的道碴处理能力，比RM80型效率提高54%，一年可铺碴35万m3，60万t。 2.4.2 钢轨断面形状的控制及钢轨打磨技术 预防性钢轨打磨技术已经成为线路养护技术的重要组成部份。美国诺福克铁路公司(NS)2002年试验表明，采用预防性打磨比修理性打磨，钢轨年伤损率降低65%。澳大利亚采用了预防性钢轨打磨技术，半径小于450m的曲线区段，每通过8MGT总重打磨一次，半径大于4000m的直线区段，每通过30MGT总重打磨一次，合理费用是每公里打磨支出10000澳元，而钢轨寿命延长50%～58%。巴西MRS铁路采用了预防性循环打磨技术，在1674km线路上，节油3%，钢轨寿命延长一倍，断轨率降低45%。南非对道岔采用定期预防性打磨，改善了道岔接触应力状态，打磨前接触应力为3300MPa，横向力达43862N，打磨后接触应力降至2376MPa，横向力为42545N。 2.4.3 用轨顶润滑技术降低轮轨接触应力和横向力 加拿大QCM铁路公司有418.4km线路是曲线，其开行的铁矿石重载列车经常在曲线区段发生脱轨事故，2003年7月就发生28辆车严重脱轨的事故。此后采用轨顶润滑的技术，没有再发生曲线脱轨事故。美国采用两种轨顶润滑方式，通过试验，采用道旁润滑装置，每1000辆喷油0.35升，轮轨横向力下降32～38%。采用机车润滑装置，2003年7月没有润滑时，轮轨横向力为90kN，2003年9月采用一个喷嘴润滑后，轮轨横向力降至60kN，2003年12月采用5个喷嘴润滑，轮轨横向力降至40kN。加拿大CP铁路采用轨顶润滑管理5年，曲线区段钢轨磨耗下降43～58%，轮轨横向力降低40～45%，并节省燃油1～3%。 2.5 采用新型重载轨道结构 2.5.1 新型轨道结构 美国、加拿大、澳大利亚、南非等国家在重载线路上均采用无缝线路，提高重载列车运行平稳性，减少对线路的动力作用。一系列新型轨道结构，包括无碴轨道，梯形轨道都在美国普韦布洛环线上进行大运量试验，考核其安全性及可靠性，以利于在重载线路上推广采用。 2.5.2 采用可动心轨道岔及其他新型道岔 美国、加拿大、南非、澳大利亚、巴西等国家在重载线路上正在普及采用可动心轨道岔及新型菱形辙叉，有利于减少线路道岔区间的动力作用，提高可靠性。据美国2004年试验证明，新型的菱形辙叉替代旧有的辙叉，使重载列车对线路的动载荷系数从3.0降至1.3，全美国由于采用新型菱形辙叉，节省维修费用1亿美元。各种新型缓冲式轨下垫板正在普韦布洛环行线上进行试验比较。 2.5.3 研究开发耐磨、防表面裂纹、防轨内裂纹的新型钢轨 美国已经针对重载线路最经常现的钢轨表面裂纹，轨内裂纹故障进行大量的研究试验，目前已经开发一种新型HE型钢轨(Hyper Eutectold)，具有耐磨，抗表面裂纹及轨内裂纹生成的特殊性能。在现场试铺证明，这种钢轨在曲线地段比普通的钢轨耐磨性提高38%。俄罗斯研究的巴氏钢轨也取得较好的结果。其主经指标Rm=1600N/m2，Rp0.2=1270N/m2，Kcu20=0.35～0.40MJ/m2，Kcu-60=0.26～0.30MJ/m2。 2.5.4 采用铝热焊新技术 无缝钢轨的焊接接头是重载线路的薄弱环节，经常发生焊接接头断裂事故。法国已研发一套新型的铝热焊技术装备，保证接头部分的材质强度比钢轨母体还好。 2.6 安全监测技术 2.6.1 集成型路旁安全监测系统 美国已研发的路旁安全监测系统包括：路旁轴承声学探测系统(ABD)、转向架性能监测系统(TPD)，车轮扁疤检测系统(SWD)，车轮冲击载荷测试系统(WILD)，车轮外形监测系统(WPD)，车轮温度测试系统(WTD)，红外轴承温度探测系统(HBD)。路旁轴承声学探测系统采用拾音器采集通过列车的噪声，应用高频共振原理，分辨出轴承的工作状态。这种装置已有90%正确判别率，可有效防止轴承故障。我国大秦线及繁忙干线已引进美国的这套系统。集成型路旁安全监测系统用远程信息服务系统进行管理。 2.6.2 先进的轨检车及钢轨探伤车 美国、加拿大、澳大利亚、巴西、南非等国均采用了先进的轨检车技术，应用惯性制导系统，矢量化计算方法，自行标定与自检，对轨道的各种几何形状参量，线路不平顺及钢轨断面磨耗进行检测，提高重载路网的安全性和使用效率。钢轨探伤车在超声波探伤工作原理基础上，又开发了探伤速度更高的新技术，美国已研制了新型低频涡流钢轨探伤车，探伤速度可达80km/h以上。 2.6.3 采用地面探测雷达对路基状态作出评价 路基是重载线路的承载基础，但其发生病害不易检测。美国已经采用新型地面探测雷达装置，安装在高轨车辆上，采集的数据可以直接处理路基横断面图象，确认道碴囊，软粘土，底碴深度及湿土区等病害问题 ，有利于路基病害的及时处理。 2.6.4 接触网状态监测 南非、澳大利亚、巴西等国对重载线路牵引供电接触网系统进行状态监测，采用力测量法原理，测量弓网之间的垂直、纵向、横向三维接触力，接触导线相对轨面的高度，拉出值，磨耗等参数，保证接触网处于正常工作状态。 2.7 重载列车控制技术 2.7.1 采用调度集中控制中心(CTC) 美国、加拿大、巴西、澳大利亚等重载铁路的运营都由调度集中控制中心来指挥。美国伯灵顿北方圣太菲铁路公司(BNSF)，联合太平洋铁路公司(UP)等都有一个先进的调度集中控制中心指挥5万公里左右线路上重载列车的运营。CTC的设备先进，有指挥中心，车站系统，数据传输系统，监测维护系统等。保证重载路网具有很高的效率和安全性。 2.7.2 基于无线通信的列车自动运行控制系统 美国、加拿大在2000年开始实施一项列车自动运行控制系统的研究计划，投资7500万美元，研究基于无线通信的列车自动运行控制系统，名为CBTC系统。整个系统是以基于GPS的局部决策系统(LDS)为核心，包含了决策管理，速度自动控制，列车故障控制，路旁集成检测监控，道口报警，机车动力控制及安全警报、车站进路优化，列车自动操纵(无司机)等子系统。目前研究工作正在进行之中。 |
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