公鐵兩用貨車自供電技術路線研究

何海軍 廖軍

摘 要：本文回顧了國內外公鐵兩用貨車發展現狀，分析國內鐵路冷鏈運輸對裝備的需求特點，探討了自供電的公鐵兩用貨車的各種技術路線，提出了加裝大功率自發電裝置的解決思路。

關鍵詞：公鐵兩用貨車;需求特點;大功率自發電

在眾多現代物流體系中，公路貨物運輸和鐵路貨物運輸都扮演著重要的角色，二者已經不是簡單的競爭關系、替代關系，而是互相補充、互相結合的協作關系。隨著交通運輸大部制改革的不斷深入，交通運輸基礎設施不斷完善，我國多式聯運發展迎來了加速發展的戰略機遇期。為此，應該充分發揮鐵路貨物運輸和公路貨物運輸各自的優勢，實現鐵路貨物運輸和公路貨物運輸的“無縫”銜接。多式聯運可以充分發揮各種運輸方式的整體優勢和組合效率，為貨主提供無縫銜接的門到門服務，代表著綜合運輸發展方向。加快推進我國多式聯運發展，既是提高物流效率、降低物流成本、推動綜合運輸結構性節能減排的重要途徑，也是深化交通運輸改革發展、促進經濟轉型升級的根本要求。

1 國內外公鐵兩用貨車發展現狀

能夠同時在公路和鐵路的基礎設施系統上行駛的車輛稱為公鐵兩用車，實現這一目標的車輛需要具備以下三個條件：在軌道運行的系統，在公路運行的系統以及公路與軌道兩種模式切換的系統[1]。

根據用途進行分類，公鐵兩用車有如下三類：工程車、牽引車、貨運車[2]。其中用于牽引和工程的公鐵兩用車屬于傳統意義上的公鐵兩用車，而用于貨運的公鐵兩用車則是由馱背車演變而來的，和傳統意義的公鐵兩用車有一定的區別。

相較于公路運輸，鐵路運輸具有低成本、大運量、低能耗及污染小等諸多優勢[3]，對于短途運輸卻有不靈活、裝卸貨需要專門的大型設備、不能實現門到門運輸等問題。

在此背景下，新的運輸模式應運而生，該運輸模式在學術上稱為多式聯運[4]。多式聯運有以下幾個特點：運輸方式不少于兩種，只對裝載單元進行操作，而不對貨物本身進行操作的情況下完成運輸中的銜接、轉運。公鐵兩用貨車便是多式聯運下的產物之一[5]。

公鐵兩用貨車由公路模式轉換為鐵路模式不需要借助重型起重設備，如起重機、伸臂堆垛機等，或各類搬運機械裝置，如臥式搬運車、升降機等的輔助便可實現，進一步節約了建造搬運設備的成本，同時也讓裝卸貨受環境的影響大大減小。

1.1 國外公鐵兩用貨車國外發展現狀

上世紀90年代MarkⅤ型公鐵兩用貨車的車體并不完善，而后RoadRailer，即MarkⅤ型公鐵兩用貨車，在1991年被Wabash National Corporation（WNC）公司收購，對掛車進行了改進，成功進入美國、歐洲及北非等地區的市場[6]。

1998年，“鐵路賽跑者”（RailRunner）的公司成立后，使其可以輕松地集成到現有的多式聯運系統中，這種公鐵兩用貨車具有較高的切換效率，因此該車在歐美的運輸中得到廣泛運用。其工作原理如圖1所示。

1.2 國內公鐵兩用貨車國外發展現狀

國內多式聯運技術長期以來都是空白，近年來中車各家貨車公司通過引進國外技術，消化吸收研制出多種型號的產品。其一有引進mega swing馱背運輸車技術，研制出的QT1、QT2型馱背運輸車，其中QT1型和國外車型原理類似，QT2型進一步加長，可以運輸拖車。其二有引進與cargobeamer原理類似的另一種名叫WTT型，研制出X5型多式聯運專用車。其三有在RailRunner的MARKⅤ公鐵兩用車技術基礎上研發的集裝箱公鐵兩用半掛車。

2 國內鐵路冷鏈運輸裝備分析

2.1 冷鏈宏觀分析

近年來，國家宏觀經濟環境持續向好，國內生產總值保持7%左右高速增長，全國居民人均可支配收入保持7%以上持續增長。隨著城市化水平提高和人均收入水平增長，消費者對食品安全和品質的要求越來越高，食品消費升級推動了冷鏈運輸的快速發展。我國冷鏈物流市場規模和需求增速加快，僅食品行業冷鏈物流的年需求量就在1億噸左右，年增長率在8%以上。然而冷鏈商品90%以上的運輸量是通過公路完成的，鐵路冷鏈物流只占極小的市場份額。

根據統計資料顯示，目前我國綜合冷鏈流通率僅為19%，其中果蔬、肉類、水產品冷鏈流通率分別為5%、15%、23%，冷藏運輸率分別達到15%、30%、40%。而美國、日本等發達國家的冷鏈流通率達85%，其中歐洲、美國、加拿大、日本等發達國家肉禽冷鏈流通率已經達到100%，蔬菜、水果冷鏈流通率也達95%以上。與發達國家相比，我國冷鏈流通率明顯較低。按照《農產品冷鏈物流發展規劃》提出的發展目標，到2015年，肉類和水產品冷鏈物流水平顯著提高，食品安全保障能力顯著增強。因此，應進一步加快發展果蔬冷鏈物流。果蔬、肉類、水產品冷鏈流通率分別提高到20%、30%、36%以上，冷藏運輸率分別提高到30%、50%、65%左右，流通環節產品易腐率分別降至15%、8%、10%以下。

2.2 國內鐵路冷鏈運輸裝備分析

目前國內鐵路冷鏈運輸裝備主要是B22機保車組和BX1K冷藏集裝箱車組，其次是少量的B10機保車。這三種運輸裝備在運用過程存在較為突出的問題，限制了鐵路冷鏈運輸的進一步發展。其一，車組容量過大，貨源組織困難。B22為五車一組，四輛貨物車載重共計184 t，BX1K為9車一組，一次運輸8個40ft或45ft冷藏集裝箱，難以快速組織如此大數量的貨物。其二，車輛為固定編組，貨物集散不靈活。不適應鮮活易腐貨物銷售市場向小批量、多批次方向發展的需求。貨物集、散用時較長，時效性較差。其三，車輛單次貨運量大，容易造成集散地貨物的價格波動。其四，使用機保車進行冷鏈運輸時不能多式聯運，運輸效率低。貨物集散時都需要倒運，增加運輸時間，增加貨損率，加大裝卸成本。其五，車組需要人員押運，且車輛自重大，運輸成本較高。其六，各型機保車目前使用年限較長，機組設備老化，故障多，使用維護成本高，正在陸續淘汰。

2.3 鐵路冷鏈運輸優劣勢分析

冷鏈物流運輸近年來在運輸行業競爭比較激烈。在公路、鐵路和航空三大運輸方式中，公路因其靈活方便在冷鏈物流運輸市場中占有較大份額;航空則以速度優勢緊隨其后;鐵路具有價格優勢，但是市場份額卻很低。盡管如此，鐵路運輸依然存在一定的競爭優勢。第一是鐵路運輸具有全天候運輸優勢，受天氣影響較小，特別是在冬季運往西北、東北方向，以及運往西南等交通困難地區優勢明顯。第二，公路冷鏈運輸裝備良莠不齊，很多仍采用卡車加棉被的方式運輸，冷藏效果差，貨損率高。而鐵路采用專業機保車或冷藏集裝箱運輸，全程冷鏈，運輸品質高。隨著消費者對食品安全和食品質量的要求越來越高，鐵路冷藏運輸的優勢愈加明顯。第三，鐵路運輸總體能耗較低，節能環保，符合國家發展綠色經濟的要求。第四，鐵路適合長距離、大批量運輸，尤其是在運輸距離超過1 000 km以上，鐵路運輸的價格優勢明顯。當然，鐵路運輸也存在一定的劣勢。第一，公路運勢時效性高，由于可以2個司機輪流開車，能夠做到全天候24 h不停車。例如，百色-北京2 793 km，公路運輸2～3天即可到達;而鐵路整列運輸最快需要5天，零散運輸途中需要經過編組作業，運輸時間較長，需要7～9天。第二，公路運輸能夠實現門到門服務，前端可以深入田間地頭，后端直接到銷售市場，手續簡單，運輸靈活方便。而鐵路目前主要提供站到站運輸服務，兩端沒有冷庫物流基地，造成了冷鏈的斷鏈，手續繁雜，服務質量低于公路運輸。第三，鐵路機保車使用年限長，設備有所老化，批量大，不符合市場小批量、多批次的運輸需求。公路運價根據季節、車輛保有量、市場需求等情況隨行就市，而鐵路運價相對固定，難以根據市場情況及時調整。

3 自供電的公鐵兩用貨車技術路線分析

公鐵兩用冷鏈運輸需要電能的不間斷供應。獨立分布式發電車輛已在過去幾十年來承擔為鐵路車輛進行電能供應的角色。從目前來看，獨立分布式發電車輛存在內燃機發電費用高、噪聲大、排除大量的污染氣體，不符合節能減排的發展方向。因此，應探尋一種新的供電技術路線，現有技術除了采用配置獨立的內燃機發電系統外，符合節能減排思路的其余結構配置有安裝蓄電池、皮帶輪傳動軸端發電裝置和軸承發電裝置。

3.1 蓄電池

蓄電池在一個貨車檢修期內免維護使用難以保證，并且根據我國鐵路貨車的運營維護特點，無法保證及時對其充電。

3.2 皮帶輪傳動軸端發電裝置

皮帶輪傳動軸端發電裝置通過皮帶輪將車軸的轉動力矩傳遞到發電機輸入端，該裝置結構復雜、體積大，對運用檢修要求較高;主要的缺點有：（1）皮帶輪包角過小，經常發生皮帶脫落的現象。隨著列車的提速，這種現象增多，甚至發生皮帶磨耗過大而冒煙的現象。（2）隨著列車的用電需求量越來越大，在車底受限的空間內懸掛質量大的發電機，降低了列車車底的離地間隙，影響列車的安全運行。在提速列車中，盡管在懸掛發電機的轉向架構架上采取了補強措施，但仍出現了轉向架構架裂紋現象，甚至發生電機脫落事故，使車輛運行存在非常大的安全隱患。（3）由于列車速度的提高，發電機的軸承損壞嚴重，掃膛故障增多，影響發電機的使用，嚴重時發電機的部件可能散落在軌道上，引發列車脫軌事故。

3.3 軸承發電裝置

軸承發電裝置加劇了軸承溫度的升高，直接影響到軸承的使用壽命。申請號為200610156743.3的中國專利文獻公開了一種用于鐵路客車等的車軸驅動發電機，該方案中，發電機安裝于鐵路貨車的輪盤之間，定子與轉向構架固定連接，通過用車軸直接替代轉子軸來帶動轉子總成旋轉，實現發電。但是發電機安裝于鐵路貨車的底部，工作人員不便于進行維護與拆裝，當發電機損壞時，維修是極其困難的。非常重要的一點是，該方案所提供的結構，在進行制造時，因發電機的體積過大，需要對鐵路貨車的車體結構進行重新設計，高昂的成本及復雜的維修工況決定了該方案難以實施。

國外的鐵路貨車車軸發電機中，FAG公司生產了一種帶集成發電裝置的鐵道車輛軸承，在軸承內圈布置磁鐵作為轉子，在軸箱蓋中的線圈作為定子，當車輛運行時該軸承旋轉的同時產生的電能輸出，為軸承診斷和故障信息檢測等功能提供電源，這種軸承最高輸出功率為100 W，供電電壓6 V～14V。但該軸承價格昂貴，且供電電能不足以保障快捷貨車轉向架所有需要電源設備的使用，尤其是在加裝電子防滑器的快捷貨車轉向架上。申請號201210561240.X的中國專利電源裝置供電功率在50 W～200 W之間，也只能滿足轉向架盤型制動用電子防滑器、走行部在線監控系統的用電需求，無法滿足貨車的其它供電需求（特別是冷鏈保溫箱的需求）。

3.4 加裝大功率自發電裝置是解決思路

利用集裝箱平車運輸不滿軸重的特點，加裝大功率自發電裝置為車輛實現獨立供電，使單節普通集裝箱平車具備冷藏集裝箱的運輸能力，根據貨源和實際需求靈活編組，能解決現有冷鏈運輸裝備運輸效率低的問題。

分析自供電的公鐵兩用貨車的技術需求，我們需要研發出一種新型的鐵路貨車供電系統，解決貨車在運行過程中、在軌道上等待、在裝載軌道上等待等場景下的發電、儲能及能量管理上的一系列問題。供電系統能同時滿足公鐵聯運冷藏車在鐵路工況和公路工況下使用，須滿足以下技術要求：第一，鐵路工況時，公鐵聯運冷藏車在正常車速之間運行時，能夠支持類似車載制冷機組持續正常工作;第二，在公路工況或停車時，滿電狀態的儲能裝置能支持車載制冷機組正常工作至少3小時;第三，系統儲能裝置的電量可以使用外接交流或直流電源快速補充;第四，利用系統儲能裝置的自供電能，最好能考慮對車輛重要運用數據的監測。

參考文獻：

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[6]Vantuono W C.RoadRailer hits The Big Time.Railway Age，1994，195（10）：49-52.