北美鐵路大軸重研究及其啟示

雷 蕾，王 烈，薛艷冰

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081）

北美鐵路大軸重研究及其啟示

雷 蕾1，王 烈2，薛艷冰3

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081）

通過闡述北美鐵路大軸重研究的不同階段，從市場(chǎng)需求、技術(shù)條件、成本效益角度分析影響軸重選擇因素，提出我國(guó)鐵路選擇軸重的建議，即選擇貨車軸重時(shí)不僅要從技術(shù)上考量，更要從經(jīng)濟(jì)效益角度評(píng)估；加強(qiáng)設(shè)備檢測(cè)手段和相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為貨車軸重選擇提供數(shù)據(jù)支撐；以及根據(jù)情況變化及時(shí)修訂線路修程修制，配合大軸重運(yùn)輸降低成本。

北美鐵路；重載；軸重；技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

貨車軸重是指機(jī)車車輛在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，每個(gè)輪對(duì)作用于鋼軌的質(zhì)量。國(guó)際重載協(xié)會(huì) (IHHA) 于 1986年、1994 年、2005 年 3 次修訂重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)，軸重的最低標(biāo)準(zhǔn)逐漸提升至 27 t[1]。選擇合理貨車軸重，可以在保證既有運(yùn)量的同時(shí)降低單位運(yùn)量成本，因而大軸重貨物運(yùn)輸成為國(guó)際鐵路貨運(yùn)發(fā)展的趨勢(shì)之一。自 1956 年我國(guó)首輛自主設(shè)計(jì)的載重 50 t 的 P13型棚車誕生以來，我國(guó)貨車載重從 50 t 級(jí)逐步升級(jí)換代到 60 t級(jí)、70 至 80 t 級(jí)[2-3]，軸重也逐步提升。2006 年前通用貨車的最大軸重為 21 t，23 t 軸重通用貨車 C70于2006 年開始在全路推廣使用，2014 年 5 000 輛 27 t 軸重通用貨車 C80E在大秦線 (韓家?guī)X—柳村南) 進(jìn)行運(yùn)用試驗(yàn)，2008 年出口澳大利亞 40 t 軸重不銹鋼礦石車，2015 年 30 t 軸重專用貨車 C96在山西中南部通道(洪洞北—日照南) 長(zhǎng)子南—平順區(qū)段重載綜合試驗(yàn)順利完成。但是，貨車軸重并非越大越好，不同線路存在著選擇合理軸重的問題，分析北美大軸重 (Heavy Axle Loads，HAL) 研究，可以為我國(guó)鐵路開展大軸重研究提供參考。

1 北美鐵路大軸重研究

20 世紀(jì) 70 年代，北美在沒有進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性研究的情況下，開始在適用于 22.7 t 軸重貨車的線路上引進(jìn)軸重 29.8 t 的 263 型貨車，對(duì)線路造成嚴(yán)重破壞[4]。針對(duì)這樣的問題，北美鐵道協(xié)會(huì)從 1988—2002 年開始 HAL 系列研究，在確保運(yùn)輸安全的前提下確定貨車合理軸重并實(shí)現(xiàn)利益最大化。該研究主要涉及 3 種不同軸重的車型，在美國(guó)交通技術(shù)中心有限公司 (TTCI) 的加速運(yùn)用測(cè)試線路 (FAST) 及其高噸位環(huán)線 (HTL) 上進(jìn)行試驗(yàn)。北美大軸重研究車型如表 1所示。

表 1 北美大軸重研究車型

在北美鐵路大軸重研究中，備選軸重車型既定，在模擬典型煤運(yùn)通道線路條件的試驗(yàn)線上開行 263 型車、286 型車、315 型車，收集線路各部件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行線路適應(yīng)性等技術(shù)可行性研究，同時(shí)進(jìn)行成本測(cè)算等經(jīng)濟(jì)可行性研究。根據(jù)階段性測(cè)試數(shù)據(jù)，分析限制軸重增加的主要因素和技術(shù)難點(diǎn)，運(yùn)用模型估算成本，進(jìn)行成本效益分析[5]。最終根據(jù)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益分析得出的結(jié)論，為鐵路運(yùn)營(yíng)商采用合理的大軸重貨車提出建議。

HAL 研究分為 5 個(gè)階段。第Ⅰ階段以評(píng)估 3 種軸重車型的技術(shù)可行性為主要目標(biāo)，找到限制軸重增加的因素；第Ⅱ階段提升線路條件，重點(diǎn)研究軸重對(duì)橋梁和線路限制因素的影響，完善前一階段的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)研究；第Ⅲ階段重點(diǎn)研究轉(zhuǎn)向架懸掛升級(jí)后不同軸重貨車與第Ⅱ階段軸重限制因素間的數(shù)量關(guān)系；第Ⅳ、Ⅴ階段則重點(diǎn)對(duì)能耗、潤(rùn)滑劑等技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)研究。北美 HAL 5 階段研究?jī)?nèi)容與主要結(jié)論如表 2 所示。

整個(gè)研究的每一階段都是技術(shù)與經(jīng)濟(jì)評(píng)估并行，前 3 個(gè)階段對(duì)北美貨車軸重選擇意義重大，特別是第Ⅱ階段。因?yàn)榈冖螂A段試驗(yàn)中使用的優(yōu)質(zhì)軌道部件已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)增加了橋梁專項(xiàng)評(píng)估，其成本效益分析的結(jié)構(gòu)完整性和結(jié)論更貼合實(shí)際。第Ⅱ階段試驗(yàn)線模擬典型煤運(yùn)通道，包括通過總重為 3 000萬 t/a、曲線半徑小的東線，以及通過總重為 8 000萬 t/a、曲線半徑大的西線，2 線的坡度適中。經(jīng)濟(jì)效益分析在為期 5 年的第Ⅱ階段開展，其成本結(jié)構(gòu)分為線路維修和折舊、橋梁改造和維修、運(yùn)營(yíng)成本 3 部分，其中運(yùn)營(yíng)成本又細(xì)化為機(jī)車車輛租用費(fèi)、燃料費(fèi)、人員費(fèi)。假定線路部件維修率和更新率相同，從穩(wěn)定狀態(tài)生命周期成本角度出發(fā)，建立鋼軌費(fèi)用軟件包 (TRACS)、道岔成本模型、道砟和道床平整及更新周期預(yù)測(cè)模型、鋼橋疲勞壽命模型、列車能耗模型 (TEM)，應(yīng)用全生命周期成本法估算試驗(yàn)線上單位貨物周轉(zhuǎn)量的線路、橋梁改造維修費(fèi)用及運(yùn)營(yíng)成本[6]。北美大軸重第Ⅱ階段成本效益分析研究結(jié)論如表 3 所示。

該經(jīng)濟(jì)評(píng)估方法在整個(gè) HAL 研究中通用。雖然大軸重貨車運(yùn)營(yíng)費(fèi)用減少的比率小于相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施投入增加的比率，但由于研究期間總運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的減少遠(yuǎn)高于基礎(chǔ)設(shè)施改造維修投入，因而采用 286 型車、315 型車的成本低于 263 型車。而使用 286 型車在線路、橋梁方面的投入比 315 型車要低，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用上的節(jié)省比例更大，運(yùn)營(yíng) 286 型車的成本相對(duì)最低。截至2010 年，北美鐵路幾乎全部煤炭運(yùn)輸和 40% 的普通貨物運(yùn)輸采用 286 型車。據(jù)估算，2010 年 HAL 研究成果使北美鐵路運(yùn)營(yíng)商、客戶等的受益超過 6 億美元[4]。

表 2 北美 HAL 5 階段研究?jī)?nèi)容與結(jié)論

表 3 北美 HAL 第Ⅱ階段成本效益分析研究結(jié)論

2 我國(guó)鐵路軸重選擇的啟示

2.1 影響軸重選擇的因素

2.1.1 市場(chǎng)需求

世界鐵路重載運(yùn)輸從 20 世紀(jì) 50 年代開始發(fā)展，二戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇及工業(yè)化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致對(duì)煤炭、礦產(chǎn)資源等大宗商品的需求量增加、運(yùn)輸量增長(zhǎng)。在各種運(yùn)輸方式中，鐵路最適合運(yùn)送大宗商品，對(duì)大宗、直達(dá)貨源和貨流的需求為鐵路貨物運(yùn)輸重載化提供了必要的條件。北美以煤炭為主的大宗商品運(yùn)輸需求不斷增長(zhǎng)，為提升鐵路運(yùn)能、擴(kuò)大鐵路效益，北美鐵道協(xié)會(huì)開展大軸重研究，為選擇合理的貨車軸重提供參考。

我國(guó)正面臨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型時(shí)期，近年大宗商品的運(yùn)輸需求不會(huì)發(fā)生較大增幅，加上新開通的山西中南部通道增加的貨運(yùn)能力，以及高速鐵路、客運(yùn)專線對(duì)既有客貨混跑線路運(yùn)力的釋放，短期內(nèi)我國(guó)重載運(yùn)輸能力不足的可能性不大，但從研究的前瞻性角度考慮，可以適當(dāng)超前進(jìn)行貨車軸重選擇研究，降低單位噸公里的貨運(yùn)成本，有助于貨流從其他運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)移至鐵路。

2.1.2 技術(shù)條件

北美大軸重研究認(rèn)為，線路和橋梁狀態(tài)是制約軸重增加的主要技術(shù)條件。軸重增加使鋼軌表面和內(nèi)部傷損加速，縮短道岔使用壽命；而材質(zhì)、鑄造工藝、維修手段等技術(shù)的提升，以及基于檢測(cè)數(shù)據(jù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、維修周期管理、壽命預(yù)測(cè)等方法減少了這種不利影響。為適應(yīng)大軸重運(yùn)輸，橋梁需要考慮設(shè)計(jì)載荷、跨度、材質(zhì)、建造年份等技術(shù)條件的差異，各橋梁的加固和維護(hù)成本差異很大，但都呈現(xiàn)軸重越大成本越高的規(guī)律。

我國(guó)鐵路采用的主型軌道是 60 kg/m 鋼軌，目前主要干線的通過總重密度大部分已經(jīng)超過了 50萬 t · km/km，有的已經(jīng)達(dá)到、甚至超過 100 萬 t · km/km，部分線路的年通過總重密度已經(jīng)等于或高于軌道的承受范圍。因此，線路本身存在改造需求，如果開行更大軸重貨車需要進(jìn)行配套改造[7]。我國(guó)橋梁材質(zhì)、設(shè)計(jì)活載標(biāo)準(zhǔn)、橋梁跨度、建造年份參差不齊，為確定橋涵對(duì)重載車輛軸重的適應(yīng)性，需要從列車運(yùn)行時(shí)線路的豎向、縱向、橫向 3 個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)分析[8]。

2.1.3 成本效益

北美大軸重研究發(fā)現(xiàn)，大軸重運(yùn)輸?shù)氖找嬷饕獊碜杂谪涇囘\(yùn)用數(shù)量和貨車走行公里數(shù)的減少、車輛載重的增加、運(yùn)輸能力的提高，收益大小取決于使用的貨車數(shù)量和范圍、貨車技術(shù)特性和生命周期成本。線路設(shè)備生命周期成本中受軸重提升影響最大的是養(yǎng)護(hù)維修成本，特別是橋梁、鋼軌、道岔、狀態(tài)較差的道砟和道床的維護(hù)成本[4]。我國(guó)鐵路從 2014 年開展分線財(cái)務(wù)核算，線路費(fèi)用難以細(xì)化到特定線路的專項(xiàng)維修上，不利于成本效益模型的構(gòu)建，對(duì)不同線路貨車軸重選擇的成本效益考量增加了難度。

2.2 建議

（1）貨車軸重選擇問題不僅要從技術(shù)上考量，更要從經(jīng)濟(jì)效益角度評(píng)估。北美注重技術(shù)、經(jīng)濟(jì)雙重考量，而我國(guó)對(duì)技術(shù)的重視遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)。例如，我國(guó)載重 60 t 級(jí)提速貨車、70 t 級(jí)通用貨車 (軸重 23 t 及以下)、80 t 級(jí)運(yùn)煤專用貨車 (軸重 25 t) 等各型貨車正式上線前，都在試驗(yàn)線路上進(jìn)行了共約 4 年、30 萬 km的可靠性研究[3]；27 t 軸重的 C80E、30 t 軸重的 C96貨車正式運(yùn)營(yíng)前在大秦線、山西中南部通道上進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行試驗(yàn)，為驗(yàn)證大軸重貨車的技術(shù)可行性提供數(shù)據(jù)支撐。但是，我國(guó)鐵路在貨車軸重研究中缺少經(jīng)濟(jì)可行性的研究，建議加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)可行性的考量，建立專項(xiàng)成本數(shù)據(jù)庫(kù)，并細(xì)化財(cái)務(wù)管理規(guī)程，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化成本核算，為不同線路貨車軸重選擇決策提供參考。

（2）加強(qiáng)設(shè)備檢測(cè)手段和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為貨車軸重選擇提供數(shù)據(jù)支撐。長(zhǎng)期可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)是對(duì)不同貨車軸重進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。北美大軸重研究重視長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，定期修正和完善鋼軌費(fèi)用包等成本模型參數(shù)，其典型線路成本效益分析方法可以推廣應(yīng)用至其他線路，使分析結(jié)果更加可靠。我國(guó)雖然開展過類似的研究[8]，但時(shí)間跨度、延續(xù)性，尤其是監(jiān)測(cè)手段與北美存在較大差距，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與利用存在較大發(fā)展空間，建議重視線路基礎(chǔ)設(shè)備的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，為日后開展持續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）及時(shí)修訂線路修程修制，配合大軸重運(yùn)輸降低成本。北美 1990 年計(jì)費(fèi)噸公里的平均成本折現(xiàn)后比 2010 年要高，可見固定設(shè)施的投入并沒有因大軸重運(yùn)輸?shù)耐茝V而增加，其重要原因是新技術(shù)引進(jìn)與維修手段的進(jìn)步延長(zhǎng)了線路各部件的使用壽命[4]。我國(guó)《鐵路線路修理規(guī)則》于 2006 年發(fā)布，當(dāng)年通用貨車軸重為 23 t，并沒有考慮現(xiàn)階段 27 t 軸重通用貨車已投入使用的情況。因此，應(yīng)根據(jù)情況變化及時(shí)修訂線路修程修制，基于設(shè)備檢測(cè)結(jié)果合理制定維修周期，通過狀態(tài)修與周期修相結(jié)合的維修體制，降低維修成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

貨物列車軸重增加，車輛自重系數(shù)不變或降低，則單車載重量增加，完成相同運(yùn)量可以減少貨車使用數(shù)量，壓縮鐵路運(yùn)輸成本，但線路傷損、橋梁壽命等較一般線路變化明顯。因此，存在一個(gè)合理軸重問題，即采用多大的軸重在技術(shù)上可行、并且能使單車運(yùn)量的提高與線路維修費(fèi)用間達(dá)到最合理的平衡，實(shí)現(xiàn)效益最大化的企業(yè)目標(biāo)。北美鐵路在貨車軸重比選過程中的科學(xué)做法可以為我國(guó)貨車軸重選擇的決策提供參考。

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責(zé)任編輯：劉 新

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