國外重載鐵路運輸進展與我國重載鐵路運輸分析

卓 卉

（神華集團有限責任公司，北京市東城區，100011）

重載運輸20世紀20年代在美國首次出現。20世紀80年代以后，由于新材料、新工藝、電力電子、計算機控制和信息技術等現代高新技術在鐵路的廣泛應用，鐵路重載運輸技術及裝備水平不斷提高。

重載鐵路運輸由于采用了增加軸重、增大單列編組長度的運輸方式，顯著提高了機車車輛的運轉效率，減少了機車車輛數量，降低了牽引能耗，減少了機車車輛的維護費用和設備占用時間，提升了鐵路線路的運能和整體效率，已被國際公認為鐵路貨運發展的方向。在一些幅員遼闊、資源豐富，煤炭和礦石等大宗貨物運量占有較大比重的國家，美國、加拿大、澳大利亞等幾個國家得以蓬勃開展，并形成了比較成熟的重載鐵路運輸技術體系。

由于我國資源分布和工業布局不平衡，形成了由北向南、由西向東的大宗貨物流向帶和以能源、冶煉、糧食等大宗物資為主的運輸格局。鐵路大宗貨物的運輸量歷年占全社會貨物運輸總量的比重達60%以上，特別是煤炭運輸，鐵路承擔了全國80%左右的運輸量。長期以來，運力與需求矛盾突出，發展重載鐵路運輸技術十分迫切。自1992年我國第一條雙線重載運煤專線大秦鐵路建成以來，我國鐵路重載技術得到了迅速的發展，鐵路重載運輸已初具規模。

1 重載鐵路運輸的認定標準

國際重載協會1994年修訂的標準要求重載鐵路必須滿足以下3條中的至少2條：列車重量至少達到5000t；軸重達到或超過25t；在長度至少為150km 的線路上年運量不低于2000萬t。

在2005年國際重載協會理事會上，對新申請加入國際重載協會的重載鐵路，要求滿足以下3條標準中的至少2條：列車重量不小于8000t；軸重達27t以上；在長度不小于150km 線路上年運量不低于4000萬t。

2 國外重載鐵路運輸的現狀與技術發展分析

國外先進國家由于鐵路線密度大，線路等級高，普遍采用低密度、大載重量、長編組的固定車底循環運輸模式。

2.1 國外重載鐵路運輸的現狀

國外重載鐵路運輸的現狀見表1。

（1）美國。美國是世界上最早采用重載鐵路運輸國家，當前美國擁有全部鐵路里程23萬km，居世界首位，其中7家I級鐵路公司的總里程為約19.4萬km。線路鋼軌以64.569kg／m 鋼軌為主，占總里程的60.3%。美國貨車車型以有蓋漏斗車居多，占總量的30.9%，29.8t軸重貨車占美國重載貨車保有量的65%，新造貨車軸重已達32.43t，還有少量貨車軸重達35.7t以上。隨貨車軸重的增加，美國重載鐵路車輛平均載重從1960年的55.4t，增加到2010年的101.7t。美國鐵路重載運輸約95%是利用單元列車完成的，煤炭是美國鐵路運輸最主要的貨物品類，煤炭單元列車總重可達2萬t，2010年煤炭運輸占其鐵路總運量的44%，煤炭運輸收入占總運營收入的24.2%。

表1 國外重載鐵路運輸情況一覽表

（2）澳大利亞。澳大利亞是鐵路運輸比較發達的國家，總營運里程約3.9萬km，其中重載運輸約占貨運市場的40%，年增長率達4.5%左右（2000 年前為3.3%），重載運輸產值占全澳GDP的1.7%，年運輸產值70億美元，煤炭運量占鐵路貨運總量37%，礦石運量占39%，年貨運量5.45億t。

（3）巴西。巴西主要重載鐵路由CVRD 公司經營，其中卡拉齊斯鐵礦重載線892km，，最大列車編組330 輛，3.2km 長，30t軸重，牽引質量39000t以上，是南美洲甚至全美洲最重的重載列車。平均速度80km／h，出口鐵礦2 億t／a，周轉時間58 h。納斯重載鐵路905 km，年運量9800 萬t／a，平均速度70km／h，圣路易斯港吞吐量5000 萬t／a，周轉時間47h。

（4）南非。南非全部采用窄軌 （1067 mm）鐵路，總里程2.7萬km，通往17個非洲國家。理查德灣煤礦重載線550km （420km 復線），速度80 km／h， 周 轉 時 間 55 h，2003 年 運 量8400萬t／a，列車牽引質量21500t（200 輛），26t軸重15‰坡道。Orex 鐵礦重載線860km 單線，30t軸重，15‰坡道，列車牽引質量25920t（216輛），3臺50kVA 電力機車+1 臺內燃機車牽引（頭部），周轉時間61h。

（5）加拿大。鐵路總里程5.8萬km。加拿大I級鐵路的標準軸重已于1995 年確定為32.43t，2002年最大軸重35.7t，年運量達2億t。采用重載運輸后鐵路占貨運市場份額的30% ，占全部出口運量的40%，標準軌距。

2.2 國外重載鐵路技術分析

（1）大功率重載機車技術。主要包括提高大功率交流傳動電機車持續牽引力和粘著系數；徑向轉向架技術，降低輪軌間橫向作用力，減少輪對阻力和輪軌磨耗；微機控制防空轉防滑系統，隨著輪軌粘著系數的變化調節制動力；采用節油技術降低污染排放提高機車效率；重載機車故障遙測監控系統，全壽命服務，提高機車使用率。

（2）重載貨車技術。提高軸重，美、加、澳已普遍采用35t軸重，美國環行線正在進行40t軸重的運行試驗；降低車輛自重，采用鋁合金，不銹鋼等輕型高強度的車體來降低車輛自重；采用新型轉向架及懸掛系統；改進車輪材質、提高車輪耐剝離性；高強度旋轉車鉤及大容量高性能緩沖器。 （3）重載列車同步操縱技術。采用機車無線同步操縱LOCOTROL 和電控空氣制動ECP 兩種方式。目前LOCOTROL 己發展到第四代，接口簡化且具有更高可靠性，其主要優勢為可提供最佳動力分配和制動操作，增加牽引效率和減少滾動阻力，更快的制動緩解動作可將多個短列車連接成一個長列車。ECP 采用信息技術直接用計算機控制列車中每輛貨車制動缸的制動和緩解，改善了列車緩解和制動和過程中列車縱向力過大的問題，并且提高了列車再制動的能力。

（4）重載鐵路輪軌關系技術。世界先進國家從研究和運營經驗證實，要獲得有投資效益的輪軌維護措施，最有效的方法是將車輛／軌道相互作用關系和輪軌關系作為一個系統，研究車輛／軌道相互作用關系和輪軌作用行為，掌握輪軌損傷模式及其機理，提出維護輪軌的軌道結構參數。

（5）重載線路施工與運營維修技術。主要包括分析軌道部件和橋梁的壽命使用周期成本，采用基于狀態修的軌道道岔養護維修策略；全面的軌道傷損檢測、規矩檢查測試、鋼軌應力測試檢測技術；軌道幾何形位檢測、軌道部件／軌下基礎狀態檢測技術；重載軌道改造技術；鋼軌打磨、鋼軌潤滑和摩擦改善技術等。

（6）新型重載軌道結構。美國、加拿大、澳大利亞、南非等國家在重載線路上均采用無縫線路，提高重載列車運行平穩性，減少對線路的動力作用。新型軌道結構包括：可動心軌道岔，梯形軌道，無碴軌道，耐磨、防表面裂紋及防內裂紋的新型HE 型鋼軌 （HyperEutectold），鋁熱焊新技術。 （7）列車控制技術。分散自律調度集中系統（CTC）是綜合了計算機技術、網絡通信技術和現代控制技術，采用智能化分散自律設計原則，以列車運行調整計劃控制為中心，兼顧列車與調車作業的高度自動化調度指揮系統。

3 我國重載鐵路運輸的現狀與特點

我國鐵路貨運大軸重重載發展主要通過2個技術途徑：一是對既有路網強化改造以適應大軸重、大運量的重載運輸，主要有大秦線、朔黃鐵路、大包線等，二是新建大能力貨運專線，開行大軸重、長編組重載單元列車，如中南通道、蒙西鐵路等。

3.1 我國重載鐵路運輸的現狀

目前我國開通運營、比較典型的重載鐵路有大秦鐵路和朔黃鐵路，見表2。主要開行23t和25t軸重、1～2萬t的重載列車，2010年兩線運量約占我國煤炭運量的三分之一。在建的山西中南部鐵路通道是我國重載鐵路運輸技術發展的又一里程碑，設計軸重達到30t。

（1）大秦線。大秦線全長653km，是我國第一條雙線電氣化重載運煤專線，1992年全面開通，2002年達到年運量1億t設計能力，2013年年運量達4.45億t。開行2萬t和萬t重載列車，最大軸重25t，重車線運行速度為80km／h。列車編組有單元萬t列車、組合萬t列車和2萬t列車3種方式。2014年4月2日首次采用機車同步操縱系統試驗開行3 萬t組合列車，由4 臺電力機車牽引、編組320輛、總長3971 m。重載列車追蹤間隔時間平均10min，每秒的運量超過15t。

（2）神華重載鐵路。神華重載鐵路營業里程共計1765km，重載線路1430km，其中包神鐵路192km、神朔鐵路270km、朔黃鐵路662km、大準鐵路306km。在線運行機車628臺，擁有鐵路貨車41305輛。目前神華鐵路主要開行軸重25t的萬噸列車。2012年12月27日，朔黃鐵路完成216輛C80 車輛編組、總重21600t、列車總長為2720m的神華2萬t重載組合列車試驗開行，正在開展軸重30t以上煤炭運輸重載鐵路關鍵技術與核心裝備研制項目與示范工程建設，年運量目標可達4億t。

（4）山西中南部鐵路通道。山西中南部鐵路通道是橫跨晉、豫、魯三省出海煤運通道，全長1260km，計劃2014 年建成通車。主要技術標準為國鐵Ⅰ級、雙線電氣化、設計軸重30t，設計時速120km，設計年運能力2億t／a，電力牽引，牽引質量為10000t和5000t。機車類型為客車SS9、貨車 HXD 系列，電力牽引最大牽引質量為10000t，到發線有效長1700 m，部分區段為1050m，自動閉塞。采用60kg／m 鋼軌。

（5）蒙西至華中地區鐵路煤運通道。線路全長1816km，技術標準為國鐵Ⅰ級，浩勒報吉至岳陽段雙線；岳陽至吉安段單線預留雙線條件。電力牽引，牽引質量浩勒報吉至襄陽段10000t，采用60kg／m鋼軌，彈條Ⅱ型扣件，Ⅲ型混凝土軌枕，道床面砟采用一級碎石道砟，運營貨車軸重為25t。

表2 中國主要重載鐵路運輸情況一覽表

3.2 我國重載鐵路運輸技術特點分析

（1）重載工務工程技術。既有重載線路基礎設施檢測、評估和強化技術。大秦鐵路形成了25t軸重重載列車運行條件下基礎設施強化改造的技術成果；廣鐵 （集團）公司京廣線開展既有線27t軸重貨車 （混編）適應性試驗研究；朔黃重載鐵路開展了大軸重重載運輸條件下基礎設施強化改造技術研發，使強化改造后朔黃重載鐵路基礎設施在運營中安全可靠，滿足30t及以上軸重、年運量4億t的運輸要求。

大能力煤運通道新建技術。以山西中南部鐵路通道建設為依托，開展了30t軸重重載鐵路鋼軌、道岔、有砟軌道、隧道內無砟軌道、路基、橋梁、隧道關鍵技術攻關，以及設計參數、設計標準基礎性研究。

現代化維修體系。形成了 “綜合利用施工天窗，確保施工任務和運輸生產最大化”的供電、電務、車輛、既有線基本改造等專業施工集中修理模式；朔黃鐵路公司研發了綜合檢測車系統，對線路軌道、路基道床、牽引供電、通信、信號、周邊環境中影響列車運行安全的技術指標和相關信息進行實時檢測，具有時空同步定位、大容量數據傳輸和綜合分析處理功能。

（2）國產大功率交流傳動重載機車研制與應用。掌握了世界最先進的大功率電力機車的總成、車體、轉向架、主變壓器、網絡控制、主變流器、驅動裝置、牽引電機、制動系統等9大核心技術，單軸功率達1200kW 的和諧型8軸和諧2型和12軸神華號大功率交流傳動電力機已投入批量生產，并開始投入正式運行。

（3）大軸重、低自重、低動力重載貨車及關鍵裝備研制。發展了走行技術、車體輕量化及材料技術、貨車縱向緩沖與車輛連接技術、制動技術和制造工藝技術，研制了25t軸重C80型敞車，載重達到了80t。貨車運營速度提升至100～120km／h。

神華鐵路研制了100t級大軸重貨車，采用自卸貨底開門結構形式、30t軸重、鋁合金車體，每5輛為一組，最大載重100t，自重約22t，采用短牽引桿時，車輛平均長度14 m （國際通用車型為16m）。

（4）機車無線同步操縱技術。實現了LOCOTROL技術與GSM-R 技術的集成創新，把LOCOTROL技術由過去點到點的通信傳輸，發展為系統網絡通信傳輸，解決了機車間通信距離限制的關鍵問題；自主研制可控列尾裝置，提高了2 臺HX 型電力機車牽引2萬t重載組合列車的安全性和平穩性；機車過分相技術裝備創新，合理控制機車過分相前后電流下降與上升速率，減少過分相時列車沖動及功率損失，確保了重載組合列車安全平穩運行。

（5）先進的鐵路移動通信技術。為更好地滿足重載鐵路長大編組列車的開行需求，神華集團研究開發了基于新一代無線寬帶通信TD-LTE 技術，在朔黃鐵路建設示范工程，研究和開發了重載鐵路1.8GHz新型寬帶移動通信系統，以實現重載列車同步操控、可控列尾、調度通信、視頻傳輸等語音和數據移動通信業務。在全世界范圍內首次實現重載列車控制、調度指揮等鐵路運輸專用業務與LTE融合技術。

（6）運輸組織。采用循環車底，提高車底的周轉速度；利用電力機車開行長交路、輪乘制，提高機車運用效率；采用先進的裝卸機械，提高卸車效率，實現整列裝卸；重自行研制的分散自律調度集中系統 （CTC），有效提高了線路的通過能力，提高了勞動生產率，改善了勞動條件。

4 結論

我國重載鐵路運輸條件相對于國外先進國家總體上受限制較多，主要體現在營運里程短、鐵路運輸繁忙，中國鐵路以占世界鐵路6%的營業里程，完成了世界鐵路25%的工作量。作為國際重載運輸協會 （IHHA）10 個成員國之一，我國與其他國家不同，重載鐵路的發展必須走一條具有中國特色的快速度、高密度、大重量，即 “速密重”并舉的道路。我國鐵路重載運輸應在客貨分線的基礎上，大力進行既有普速路網的強化改造，提高整體重載運輸能力，同時合理規劃新建重載線路。基于我國國情和現狀，重載鐵路技術應重點研究路網、通道運輸能力匹配和運力布局，加快研發大功率機車技術，大力開展先進的27t通用貨車和30t專用貨車技術研發，不斷優化完善機車牽引制動控制技術，積極采納既有線路工務工程強化技術進行設備改造，強力推進大能力煤運通道新建技術，同時要重視重載輪軌關系的研究和應用，全而提升重載線路養護維修技術水平和采用預防性線路維修策略，通過采用設備狀態檢測與監測技術提升關鍵技術研發和推廣應用。

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