我國鐵路重載運輸發(fā)展研究

劉翀原，劉智春

(1.南車長江車輛有限公司，湖北 武漢430212；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢430063)

1 概 述

1.1 鐵路貨運發(fā)展方向

我國鐵路貨運按“速度、密度、重量”協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略，現(xiàn)貨運列車速度已達到80～120 km/h世界先進水平；干線列車追蹤間隔僅6～7 min，為世界運輸密度最大國家.但貨車軸重僅為23.5～25 t，與發(fā)達國家軸重30 t及以上有較大差距，在“速密重”三要素中，軸重方面尚有較大發(fā)展空間[1]；因此，提高軸重、增加載重、發(fā)展重載運輸是我國鐵路貨運發(fā)展主方向.

1.2 鐵路重載運輸定義

現(xiàn)國際重載協(xié)會重載運輸標準：列車編組重量不少于8 000 t、在不短于150 km運輸線路上年運量達到4 000萬t、軸重在27 t及以上，三者必具其二[1-2].

1.3 鐵路重載運輸特點

重載運輸特點：貨車軸重大、載重高、自重輕，列車編組輛數(shù)多、運行速度較低，運輸效率高，安全可靠.

1.4 鐵路車輛現(xiàn)狀

2012年鐵路車輛保有量約84萬輛，其中：敞車占60.7%，棚車占13.3%，其它平、罐車等占26%，載重以60 t級和70 t級為主； 60 t級和70 t級敞車分別占敞車總數(shù)56.3%和35.3%.我國目前典型貨車為C64型敞車，軸重21 t、每延米重62.5 kN/m.新型C70型敞車為主型新造車，軸重23.45 t、每延米重67.1 kN/m.大秦線C80型運煤專用敞車軸重25 t、每延米重83.3 kN/m[3].

1.5 列車載重量、運行速度

我國鐵路每列車載重量4 000 t左右，有些地區(qū)開行有5 000 t列車，大秦線已開行20 000 t組合列車；貨車運行速度在80 km/h及以下，行包快運列車最高速度達120 km/h[4].

1.6 鐵路標準活載

舊中國鐵路采用活載標準紛雜，中華人民共和國成立后于1951年制定了中-Z標準活載并于1975年進行了修訂，形成中-活載標準沿用至今[4].中-活載標準圖式[5]如圖1.

圖1 “中-活載”圖式 (距離以m計)Fig.1 China-Live Load Mapping Form (Distance is gauged by metres)

1.7 國內(nèi)外重載運輸對比

國內(nèi)外重載運輸對比見表1[1，3].

表1 國內(nèi)外重載運輸對比表Table 1 Comparison of heavy-duty transportation between China and worldwide

1.8 設(shè)計規(guī)范理論體系

我國鐵路設(shè)計理論一直沿用容許應(yīng)力法[6]，而公路行業(yè)已改用極限狀態(tài)法[7]，國外設(shè)計標準(如歐洲標準)均為極限狀態(tài)法.現(xiàn)我國鐵路設(shè)計規(guī)范擬與國際接軌并改用極限狀態(tài)法，相關(guān)修改研究正在進行.

2 鐵路重載運輸發(fā)展控制因素

控制主要因素有：線路橋梁與軸重和載荷密度的匹配、速度與線路橋梁和軸重的匹配、車輛長度與站線長度的匹配、重載車輛技術(shù)、重載列車控制技術(shù)等方面.

3 鐵路重載運輸發(fā)展條件分析

3.1 重載車輛技術(shù)和列車控制技術(shù)

重載車輛技術(shù)和列車控制技術(shù)涉及車體輕量化、新型轉(zhuǎn)向架及懸掛系統(tǒng)、ECP電控空氣制動系統(tǒng)技術(shù)等.

a.車體輕量化.采用鋁合金、高強度耐候鋼車體可減少自重、增加載重、減少空重比；相同車輛長度可提高運輸能力，運量相同時可降低運輸密度、提高運輸效益.我國既有線貨車空重比為0.24～0.25、大秦線為0.21，如既有線軸重從23 t提到29 t、空重比由0.25降到0.23，每列車牽引重量將增加1 584 t、運能增加26%；大秦線軸重從25 t提到31.5 t，空重比由0.21降到0.19，每列車牽引重量將增加5 460 t、運能增加26%[1].現(xiàn)我國出口澳大利亞35.7～40 t軸重礦石車空重比已達0.138～0.154[1]；說明我國貨車車體可實施輕量化.

b.新型轉(zhuǎn)向架及懸掛系統(tǒng).我國自主研制的低動力作用新型轉(zhuǎn)向架采用輪對彈性定位、側(cè)架彈性連接、側(cè)架擺動等技術(shù)，通過承載鞍頂橡膠墊實現(xiàn)輪對與側(cè)架間彈性定位、側(cè)架與承載鞍間無磨耗和轉(zhuǎn)向架兩系懸掛，減小了簧下質(zhì)量和對軌道動作用力；通過橫向擺動功能有效緩解輪軌間作用力，尤其是輪軌間橫向動態(tài)作用力；通過側(cè)架與軸箱承載鞍間橡膠堆起到一系懸掛作用，降低簧下質(zhì)量，隔離高頻振動，降低輪軌沖擊，改善了輪軌間動作用力[3]；新型轉(zhuǎn)向架使相同機車牽引質(zhì)量增加12%，列車縱向車鉤力減少4.8%，節(jié)能20.7%，輪軌磨耗降低到l/13，輪軌橫向力降低到1/3[2]；說明車輛低動力性能減少了輪軌磨耗和線路損壞.我國出口32.5～40 t軸重交叉支撐低動力作用轉(zhuǎn)向架運行3年后狀態(tài)良好、性能穩(wěn)定、各部位磨耗輕微，性能優(yōu)于國外重載貨車轉(zhuǎn)向架[1].

由于重載運輸大軸重對線路、橋梁的影響與車輛動力學性能密切相關(guān)[3]，轉(zhuǎn)向架新技術(shù)和車輛動力學性能的提高為實現(xiàn)重載運輸并降低大軸重車輛對線路橋梁動力作用創(chuàng)造了關(guān)鍵條件，能滿足重載運輸發(fā)展要求.

c.ECP電控空氣制動系統(tǒng)新技術(shù).至20世紀末重載列車運行最大隱患是：由于空氣制動波速無法超過300 m/s，重載列車在常用、緊急制動時頻繁發(fā)生前后制動不一致，造成斷鉤、脫軌事故.在長大下坡道由于制動機沒有階段緩解、充氣時間過長，易造成列車失控，對安全構(gòu)成威脅.而ECP新技術(shù)具有整列車同時響應(yīng)制動和緩解信號、具有階段制動階段緩解功能、制動缸壓力控制精確、列車管不排風、能向機車報告各車輛制動狀態(tài)及故障型式、用有線電纜進行機車動力分散式牽引控制等功能，能保證重載長大列車運行安全，并使平均車鉤力降低25%，縮短制動距離50%～70%[2]. 現(xiàn)ECP電空制動、轉(zhuǎn)向架集成制動等配套先進技術(shù)在我國出口重載貨車上已得到普遍應(yīng)用.

3.2 線路、橋梁與軸重、載荷密度匹配分析

我國既有鐵路建設(shè)年代跨度大、標準不統(tǒng)一，導致工程界擔憂既有鐵路開行重載列車后，線橋承受載荷過度、結(jié)構(gòu)安全度下降、動力作用加大使橋梁結(jié)構(gòu)不能滿足車輛運行安全要求等，并由此對重載列車擬用軸重有較多不同意見.現(xiàn)對既有鐵路可用軸重分析如下.

3.2.1 軌道與軸重、載荷密度匹配分析 線路與軸重、載荷密度匹配關(guān)鍵在軌道結(jié)構(gòu).至2009年底，我國鐵路干線已全部采用60 kg/m鋼軌，大秦線重車方向為75 kg/m鋼軌、空車方向為60 kg/m鋼軌[8].根據(jù)表1統(tǒng)計情況和國外重載運輸經(jīng)驗，我國鐵路干線60 kg/m鋼軌滿足30 t軸重車輛運行要求，大秦線75 kg/m鋼軌滿足40 t軸重車輛運行要求.

3.2.2 橋梁與軸重、載荷密度匹配分析

a.既有橋梁滿足中-活載標準和提速后列車通行要求.

2008年我國鐵路橋梁有47 528座， 93%以上為混凝土橋[1].常用標準跨度為24、32 m(以32 m為主)預應(yīng)力混凝土簡支T梁，盡管修建年代、設(shè)計標準不同，但經(jīng)鐵路多次提速改造、配套達標建設(shè)后，現(xiàn)均滿足中-活載標準和提速后列車通行要求.

如蕭甬鐵路始建于1913年，抗戰(zhàn)遭到全線破壞，1953年恢復， 1995年增建二線.提速前橋涵使用良好、無較大病害，滿足客車120 km/h、貨車60 km/h運行要求.提速時采用置換、增設(shè)或加固橫隔板、加強橋梁維護等措施后，現(xiàn)梁部和墩臺均滿足客車160 km/h、貨車90 km/h安全運行要求[9].

1998年鐵道部科學研究院針對滬寧、京秦、沈山、鄭武線提速改造，在23孔不同類型橋梁進行動力測試，結(jié)果表明跨徑不大于32 m的混凝土橋梁，滿足提速要求[9].

2003年中南大學對鄭徐線12種常用典型T梁橋梁動力特性及列車行走性進行計算與分析，其車橋耦合計算證明：各梁加固后均能保障客車(DDJ電動車組、220 km/h以下)、貨車(C62、80 km/h以上)行車安全性，行車舒適性達到“良好”標準[9].

b.既有橋梁整體承載能力分析.

我國典型貨車C64每延米重62.5 kN/m，僅為中-活載設(shè)計車輛80 kN/m的78.125%、設(shè)計煤水車92 kN/m的67.934%，設(shè)計標準與現(xiàn)行車輛每延米重相比有21.875%～32.065%盈余儲備，說明既有橋梁整體承載能力(彎矩、梁端剪力)有較大設(shè)計儲備.

以彎矩計算為例：本次對鐵四院原設(shè)計的32 m、24 m單線鐵路簡支梁和主跨48 m、64 m、80 m連續(xù)梁分別按不同軸重重載通用敞車(車長13.976 m、軸距1.86 m、定距9.21 m)進行計算，結(jié)果表明：當32 m簡支梁通過34.2 t軸重、24 m簡支梁通過36.5 t軸重時，其跨中最大彎矩值才達到與原設(shè)計值基本一致；連續(xù)梁通過29 t軸重時其支點、跨中最大彎矩均小于原設(shè)計最大彎矩值，連續(xù)梁通過30 t軸重時僅64 m，連續(xù)梁支點負彎矩超過原設(shè)計最大彎矩值3.22%，考慮到支點位置橫隔梁縱向長2.5 m，削峰后其支點最大彎矩小于原設(shè)計最大彎矩，說明滿足30 t軸重通過要求；因此，當貨車采用上述軸重時，既有橋梁梁部最大彎矩、最大剪力均滿足原設(shè)計要求.有關(guān)重載通用敞車計算結(jié)果匯總?cè)绫?、表3.

表2 32 m、24 m單線簡支梁檢算結(jié)果Table 2 Result from simply-supported single beam of 32 m and 24 m

表3 連續(xù)梁檢算結(jié)果Table 3 Result from continuous beam

對鐵四院原設(shè)計的32 m單線鐵路簡支梁分別按不同軸重重載專用敞車(車長12 m、軸距1.86 m、定距8.2 m)進行計算，結(jié)果表明：當32 m簡支梁通過30 t軸重專用敞車時，其跨中最大彎矩值就已經(jīng)超過原設(shè)計值0.44%，說明車輛軸重相同時，車長短、軸距小車輛反而先于車長長、軸距大車輛控制橋梁梁部承載，因此重載車輛研發(fā)應(yīng)優(yōu)先按車長長、軸距大進行設(shè)計.有關(guān)重載專用敞車計算結(jié)果匯總?cè)绫?.

表4 32 m單線簡支梁檢算結(jié)果Table 4 Result from simply-supported single beam of 32 m

美國32.43 t軸重運煤敞車長15.87 m～16.18 m、澳大利亞30 t軸重煤炭漏斗車長15.345 m、巴西25 t軸重糧食車長17.06 m[1]，車輛設(shè)計與橋梁受力匹配合理.

c.既有橋梁局部承載能力分析.

中-活載的特種荷載為25 t軸重，既有橋梁滿足25 t軸重局部承載能力要求.軸重增大，輪軌間橫向力和垂向力以近似比例增加，對軌道(橋梁)影響相應(yīng)增大，但這種影響可通過提高車輛動力學性能及降低輪軌動力作用得到緩解和改善[8].提高貨車運行穩(wěn)定性和采用輪軌低動力作用技術(shù)，有利于車輛軸重增加[1]；所以盡管軸重增加，但對軌道、橋梁的沖擊力卻將隨沖擊系數(shù)的減少而不增加或增加有限(與軸重增加大小相關(guān)).

北美鐵路協(xié)會進行了29.8 t、32.43 t和35.72 t軸重試驗研究，結(jié)果表明：通過優(yōu)化懸掛系統(tǒng)和增加一系彈性墊，有效降低了重載對軌道的破壞(橋梁相應(yīng)減小)，最佳運用軸重由29.8 t提高到32.43 t[8]，提高比例為8.8%；根據(jù)該研究成果，僅通過優(yōu)化車輛懸掛系統(tǒng)和增加一系彈性墊，我國既有橋梁在維持原局部承載能力不變基礎(chǔ)上即能滿足25 t×32.43/29.8=27.2 t軸重的重載列車通行要求.

國外規(guī)范計算局部承載其受力擴散是擴散到混凝土板中心，而我國規(guī)范是擴散到混凝土板頂面，因此我國橋梁局部實際承載能力較國外有一定設(shè)計盈余.

以原鐵道部設(shè)計標準圖中的32 m簡支T梁為例：使用年代較早的專橋(01)2051T梁翼緣板厚度12～27.7 cm，軌枕底道砟厚度30 cm，Ⅱ型軌枕長250 cm，軸重橫向擴散寬度為2×30×tan 35°+250=292 cm，如將受力擴散到混凝土板中心，橫向擴散長度為2×[30+(12～27.7)/2]×tan 35°+250=300.4～311.4 cm，局部承載橫向受力范圍為原設(shè)計的102.87%～106.64%，說明該梁局部實際承載能力允許軸重提高到102.87%～106.64%，即在優(yōu)化車輛懸掛系統(tǒng)和增加一系彈性墊基礎(chǔ)上，可通行27.2 t×(102.87%～106.64%)=27.98 t～29.01 t軸重的重載列車；使用年代較近的通橋(2005)2101 T梁翼緣板厚度24～33.1 cm，軌枕底道砟厚度30 cm，Ⅱ型軌枕長250 cm，軸重橫向擴散寬度為2×30×tan 35°+250=292 cm，如將受力擴散到混凝土板中心，橫向擴散長度為2×(30+(24～33.1)/2)×tan 35°+250=308.8～315.19 cm，局部承載橫向受力范圍為原設(shè)計的105.75%～107.94%，即在優(yōu)化車輛懸掛系統(tǒng)和增加一系彈性墊基礎(chǔ)上，可通行27.2 t×(105.75%～107.94%)=28.76 t～29.36 t軸重的重載列車.

僅綜合上述兩方面因素，在未考慮設(shè)計理論差異儲備情況下，既有橋梁實際局部承載能力滿足28～29.4 t軸重重載列車通行要求，車輛采用軸重在現(xiàn)25 t軸重基礎(chǔ)上可提高11.92%～17.4%以上.

d.規(guī)范設(shè)計理論差異儲備.

鐵路橋涵設(shè)計使用年限和公路橋涵設(shè)計基準期均為100年[6-7]，鐵路容許應(yīng)力法與我國公路和國外極限狀態(tài)法相比，其活載分項安全系數(shù)的安全裕度基本一致，但鐵路容許應(yīng)力法對受力指標及材料參數(shù)控制值明顯小于公路和國外的極限狀態(tài)法.以C40混凝土為例：公路混凝土C40軸心抗壓強度設(shè)計值fcd為18.4 MPa、軸心抗拉強度設(shè)計值ftd為1.65 MPa，而鐵路混凝土C40中心受壓容許應(yīng)力為10.8 MPa、無箍筋及斜筋時的主拉應(yīng)力為0.90 MPa、梁部分長度中全由混凝土承受的主拉應(yīng)力為0.45 MPa，且鐵路梁部原標準圖常規(guī)設(shè)計指標均是按運營荷載作用下梁體受拉區(qū)不容許出現(xiàn)拉應(yīng)力進行控制，說明鐵路原設(shè)計安全儲備較大.鑒于鐵路行業(yè)擬改用極限狀態(tài)法，通過上述類比，對既有鐵路可按25 t×(1.2～1.25)系數(shù)提高通行軸重并開行軸重30 t重載列車.

e.大軸重重載通行時橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析.

軸重增加對軌道(橋梁)影響與車輛動力學性能密切相關(guān)[3]，由于車輛懸掛系統(tǒng)改進并采用低動力性能轉(zhuǎn)向架、車輪踏面優(yōu)化和軌道平順性增加，車輛軸重增加后對軌道、橋梁的動作用力反而減少.

隴海、蘭新線綜合動力學試驗結(jié)果表明：21 t軸重貨車采用新型轉(zhuǎn)向架、運行120 km/h速度，比普通轉(zhuǎn)向架運行70 km/h速度對軌道的橫向作用力要少40%，對橋梁影響相應(yīng)減小.25 t軸重、70 t級新型轉(zhuǎn)向架貨車以120 km/h運行時，比21 t軸重、60 t級普通貨車以55～65 km/h運行時對軌道的作用力要小.同一速度級下，新型轉(zhuǎn)向架的25 t軸重、70 t級試驗列車對鋼軌、軌枕、道床的振動加速低于21 t軸重、60 t級車[1]；說明大軸重重載新型低動力車輛通行時橋梁結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)能滿足列車運行安全要求.

3.3 速度與線路、橋梁和軸重匹配分析

根據(jù)多次提速試驗研究結(jié)果：客車由原100 km/h提到200 km/h，對橋梁動力作用增大并不十分明顯；但貨車由原50～60 km/h提高到70～80 km/h時，對橋梁動力作用尤其是橫向動力作用成倍增大(約2～10倍)，一些類型橋梁振動已危及行車安全，在該類橋上貨車不得不限速60 km/h[10]，說明當車橋耦合動力響應(yīng)不能滿足列車運行安全和平穩(wěn)性要求時，可通過限速予以解決，且重載貨車通行速度不宜太高.由于車橋橫向動力學在國際上可供參考資料很少，因此，對橋梁橫向剛度和變形要求現(xiàn)行規(guī)范只能參考國外有關(guān)規(guī)范和研究，按偏于嚴格的原則確定[10]；我國鐵路提速改造后橋梁滿足貨車90 km/h安全運行要求[9]，而現(xiàn)行貨車運行速度一般在80 km/h及以下[4]，都說明現(xiàn)貨車運行速度有不小于10 km/h的速度盈余.

綜合國外重載運輸開行速度(表1)和經(jīng)驗，我國重載列車運行速度宜取80～90 km/h，該速度能源(燃油)消耗較低，可降低檢修成本，達到技術(shù)經(jīng)濟效益最優(yōu)目的[3].

3.4 車長與站線長度的匹配分析

從與橋梁受力合理匹配角度出發(fā)，重載車輛應(yīng)優(yōu)先采用車長長、軸距大進行設(shè)計；但我國既有鐵路客貨混行、站線長度多為1 050 m，如借鑒美國車長，在1 050 m站線長度下列車運量增量很小，僅為1.61%[3].既有站線長度、編組長度相同時，通用鐵路貨車軸重從23 t提高到27 t，載重將從70 t提高到80 t，單車載重增加10 t，提高14.3%，每列車增加運能660 t，按每天裝車12.5萬輛計算，增加運能175萬t；實現(xiàn)列車編組7 000 t以上[1]；如開行軸重30 t、載重100 t級通用貨車，其運能將在現(xiàn)通行軸重23.46 t、載重70 t級通用貨車基礎(chǔ)上提高42.8%；因此，車長與站線長度合理匹配才能大幅度提高運能.

4 鐵路重載運輸軸重的選取

根據(jù)國外重載運輸發(fā)展經(jīng)驗，29.82～32.43 t為重載運輸軸重黃金值范圍，是各國重載車輛保有量最多的軸重區(qū)段，美國研究認為32.43 t是軸重最佳值[3].根據(jù)重載運輸發(fā)展條件分析，既有鐵路路網(wǎng)干線應(yīng)發(fā)展軸重27～30 t重載運輸.考慮到重載專線配屬相對固定，線路、橋梁易滿足重載要求，對大秦線等重載煤運專線應(yīng)發(fā)展軸重32.5 t重載運輸；對未來礦石、鋼鐵重載運輸專線應(yīng)借鑒澳大利亞經(jīng)驗發(fā)展軸重35～40 t重載運輸.

5 結(jié) 語

a．我國既有鐵路線路、橋梁滿足30 t軸重重載列車運行要求.

b.我國重載列車運行速度宜取80～90 km/h.

c.既有鐵路路網(wǎng)應(yīng)發(fā)展27～30 t軸重重載運輸；重載煤運專線應(yīng)發(fā)展32.5 t軸重重載運輸；礦石、鋼鐵重載專線應(yīng)發(fā)展35～40 t軸重重載運輸.

d.應(yīng)制定軸重27 t、30 t級通用車輛和軸重32.5 t專用車輛標準并批量生產(chǎn).

e.應(yīng)結(jié)合車輛技術(shù)進步和動力性能改進以及國內(nèi)外規(guī)范對鐵路工程規(guī)范進行修編，使工程建設(shè)合理；

f.鐵路重載運輸是一個系統(tǒng)工程，涉及鐵道工程、車輛裝備等各行業(yè)，且各行業(yè)之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響并相互制約，應(yīng)加強各行業(yè)間技術(shù)交流.

致謝

本文在調(diào)研國內(nèi)外重載運輸發(fā)展和相關(guān)試驗研究成果中，參考、借鑒了原鐵道部運輸局、中國鐵道科學研究院的相關(guān)研究報告，并分別引用了錢立新先生、張紅旭先生、王國彬先生各自獨著論文和雷恩強與于躍斌、魏洪亮、李華合著、柯在田與張煅合著論文的部分資料，在此一并致謝.

參考文獻：

[1] 鐵道部運輸局.我國鐵路既有線開行大軸重貨車研究報告[R].武漢：南車長江車輛有限公司, 2010.

[2] 錢立新.世界重載鐵路運輸技術(shù)的最新進展[J].機車電傳動，2010(1)：4-6.

QIAN Li-xin. The World Latest Progress of Heavy Railway Transportation Technology[J].ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES，2010(1)：4-6.(in Chinese)

[3] 中國鐵道科學研究院機車車輛研究所.大軸重貨車技術(shù)研究-貨車總體技術(shù)條件的研究[R]. 北京：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，2009.

[4] 張紅旭.關(guān)于我國重載鐵路設(shè)計活載標準的一些思考[C]//高速鐵路橋梁設(shè)計和技術(shù)標準研討會暨2012年鐵路橋梁設(shè)計年會交流材料.[出版者不詳]，2012.

[5] 鐵道部第三勘察設(shè)計院. TB 10002.1-2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6] TB 10002.3-2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[7] 中交公路規(guī)劃設(shè)計院.JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[8] 雷恩強，于躍斌，魏洪亮，等.我國重載貨車相關(guān)技術(shù)研究[J].鐵道車輛，2011(8)：22-23.

[9] 王國彬.蕭甬鐵路既有線提速橋梁加固處理研究[J].鐵道勘測與設(shè)計，2005(5)：34-37.

[10] 柯在田，張煅.鐵路橋梁橫向變形限值標準問題的研究[J].鐵道標準設(shè)計，2004(7)：131.

Ke Zaitian,Zhang Duan. A Research over the Limit Values Standard for Transversal Deformation of Railway Bridges[J]. RAILWAY STANDARD DESIGN, 2004(7)：131.(in Chinese)