高速貨運動車組的研制

丁立卿，熊力，梁永廷，劉晨輝，武娟娟

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

高速貨運動車組的研制

丁立卿，熊力，梁永廷，劉晨輝，武娟娟

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

為滿足我國高速鐵路快件貨運的發(fā)展需求，基于時速350km動車組技術和產品平臺，以提高動車組經濟性和實用性為目標，開發(fā)研制符合快件貨運的低成本、大容積、大載質量、貨物安全、滿足一體化運輸要求的時速350km速度等級貨運動車組。闡述貨運動車組研究背景及主要技術方案，為我國貨運動車組的設計、研究提供參考。

高速鐵路；貨運動車組；集裝器；裝載門；視頻監(jiān)控

0 引言

由于我國產業(yè)結構調整和高新技術產業(yè)的發(fā)展，以加工組裝工業(yè)、電子工業(yè)和第三產業(yè)為主的工業(yè)運輸需求發(fā)生了重大變化，呈現出輕、薄、短、小的特點，消費市場顧客要求的多樣性和個性化使運輸從少批次、大批量、長周期轉變?yōu)槎嗥贩N、小批量、多批次、短周期、及時性，繼而催生了電商行業(yè)的快速發(fā)展。在物流領域出現了為顧客提供配送服務的物流中心、配送中心，傳統(tǒng)儲存運輸包裝等服務在物流渠道的重組中逐步被現代物流配送服務所取代，新興的非國有物流企業(yè)逐漸出現并正在逐步占領物流市場。

隨著高速鐵路的建設與發(fā)展，縮短了城市間的距離，也使城市間的經濟、文化、貿易等交流更加頻繁。為適應時代發(fā)展，伴隨著電商行業(yè)與高速鐵路的日漸成熟，兩者結合的產物——大容積、大載質量、貨物安全，滿足公路、鐵路、航空一體化運輸要求的時速350km速度等級的貨運動車組的研制成了當前高速列車發(fā)展的一項重要課題。在充分調研國內電商及運營部門的貨運需求及技術特點、鞏固發(fā)展既有動車組成果的基礎上，開展高速貨運動車組技術及方案研究，并通過貨運動車組樣車的研制來驗證技術方案的可行性。

1 研制背景

1.1 國外

目前，在高速鐵路上運營貨物列車的國家有法國、德國、意大利等。開行區(qū)段一般是大城市節(jié)點區(qū)段[1-2]，其中法國的TGV郵政列車最具代表性。

法國高速鐵路貨物列車速度為200～270km/h，德國、意大利限制在160km/h以內。高速鐵路貨物列車主要有2種類型：一種由高速旅客列車直接改造而成，如法國TGV郵政專列；另一種由普通貨物列車改造而成，并在高速鐵路上運行，如法國Sernam200包裹列車、德國DBSgss-y703型列車。法國郵政總局以每列1.7億法郎購買了2列TGV旅客列車改裝成貨車，后又購買了第3列TGV，把高速鐵路貨運業(yè)務從巴黎延伸到沃克呂茲省。目前，法國鐵路為法國郵政總局在巴黎—里昂間開行日間TGV郵政列車，在巴黎—布魯塞爾間開行夜間高速貨運列車。近期，法國還計劃修建里爾—里昂長700km的高速貨運專線。該線連通荷蘭、瑞士、意大利，并經由距法國巴黎東部約150km的貨物專用機場。TGV郵政列車（見圖1）與客運動車組的編組及動力配置基本相同，列車裝載作業(yè)一體化和標準化，實現了貨物的快捷運輸。

圖1 TGV郵政列車

2000年1月，德國鐵路公司（DB）開始為德國郵政公司在南北線上開展國際包裹運送業(yè)務。該線連接漢堡、漢諾威、維爾茨堡、慕尼黑、紐倫堡和斯圖加特，途經漢諾威—維爾茨堡高速鐵路，連接德國郵政公司33個貨運中心中的13個。城際包裹運送業(yè)務采用4列DBSgss-y703型列車（一種專用的集裝箱列車）。這種列車由20世紀90年代初的特快貨運列車演變而來，牽引機車為2臺6MW的101型機車，既可在既有線運行，也可在高速鐵路運行。

意大利高速鐵路運送鮮活、易腐貨物的快速貨物列車最高速度為160km/h。為保證客、貨列車共用高速鐵路的行車安全，線間距、曲線半徑、隧道斷面、列車控制系統(tǒng)等主要技術指標都要求達到高規(guī)格、高標準。

歐洲CAREX項目（EUROCAREX，EUROCargoRailExpress）利用歐洲既有高速鐵路網，通過高速列車運輸部分航空貨物（航空托盤或航空集裝箱），運輸距離在300～800km。CAREX制定了三步走策略：2015年前開通倫敦、里昂、戴高樂、阿姆斯特丹等地貨運業(yè)務；2018年，進一步完善高速鐵路貨運網絡結構；2020年延長運營范圍，擴大經營規(guī)模。

1.2 我國

目前我國尚無高速貨運專列，鐵路快件的貨運主要以行李車為主。通過對快運貨物類型及特征、快運貨物市場前景、快捷貨運市場現狀3個方面的分析，為滿足我國高速鐵路快件貨運的發(fā)展需求，中車唐山機車車輛有限公司（簡稱中車唐山公司）以時速350km動車組成熟的技術體系和產品平臺為基礎，以提高動車組經濟性和實用性為目標，開發(fā)研制符合我國國情的低成本、大容積、大載質量、貨物安全、滿足一體化運輸要求的時速350km速度等級貨運動車組。

1.2.1 快運貨物類型及特征

快件運輸的貨源主要集中在小批量、高價值、時效性要求較高的貨物品類，通常為散件形式，需包裝后運輸?？爝\貨物類型及特征見表1。

表1 快運貨物類型及特征

1.2.2 快運貨物市場前景

2016年我國快遞業(yè)務量達到312.8億件，同比增長51.4%。如按每件快遞產品1～3kg計算，快運市場規(guī)模在3128萬～9384萬t。未來快運市場規(guī)模仍將快速增長，潛力巨大。2007—2016年快遞業(yè)務量及快遞業(yè)務收入見圖2。

1.2.3 快捷貨運市場現狀

據統(tǒng)計，目前我國國內快件運輸中，公路運輸占80.0%，航空運輸占15.0%，鐵路行李車快運占3.5%，水運及其他占1.5%。

動車組裝載率達到70%情況下，貨運動車組的合理價格較航空快運具有明顯優(yōu)勢（見表2，以北京—上海運輸區(qū)間為例）。如可實行夜間運營方式、線路使用費享受一定優(yōu)惠，則市場競爭力將更優(yōu)。

圖2 2007—2016年快遞業(yè)務量及快遞業(yè)務收入

表2 運輸方式比較

2 高速貨運動車組整車方案

按照“安全、可靠、成熟、經濟、適用”的原則，中車唐山公司對貨運動車組的編組形式、車型配置、平面布置、主要參數及關鍵系統(tǒng)的組成、功能和接口等進行研究，以最大程度滿足快件貨運公路、鐵路及航空貨運一體化運輸、大容積、大載質量的要求。

按照貨運動車組總體技術條件的相關技術指標及功能要求，在保證安全、可靠的前提下，對轉向架、制動、網絡、輔助電氣、車體、車內設施等關鍵系統(tǒng)進行方案設計。通過研制集裝器、貨運地板、裝載門等關鍵部件，實現貨物的快速裝卸；并通過質量平衡管理、防火防盜監(jiān)控、貨物編碼識別等技術手段，保障貨物的運輸安全。高速貨運動車組主要技術參數見表3。

表3 高速貨運動車組主要技術參數

根據貨運動車組的特點和電商的需求信息，時速350km貨運動車組采用4動4拖的8輛編組形式，其中：02、04、05、07車為動車；03、06車為受電弓車；01、08車為端車。分工作區(qū)和貨倉區(qū)，中間車均為貨車。時速350km貨運動車組平面布置見圖3。

3 關鍵系統(tǒng)方案

3.1 集裝器

3.1.1 結構形式

集裝器放置在貨運動車組車廂內部，用于承載已包裝好的零散物品箱，滿足飛機、火車、汽車一體化運輸，集裝器箱體堅固且方便裝卸。底部為托盤形式，方便集裝器的固定。同時底部設置叉車孔，方便叉車運輸。對于設有叉槽的集裝器，叉車孔和支承座應能將其承受的載荷傳至下底座。

圖3 時速350 km貨運動車組平面布置圖

集裝器規(guī)格的確定主要考慮以下幾方面：廂式汽車的型號及尺寸；航空集裝箱；貨運列車內部空間；裝載門凈通過尺寸。根據《快運車輛載貨標準空間尺寸及集裝器具第1部分：型式與輪廓尺寸》集裝器規(guī)范，確定適用于公路、鐵路聯運（貨運動車組及棚車）的通用型集裝器形式。

集裝器主體框架及蒙皮均采用鋁合金材質，通過鉚接或焊接組成。集裝器門設置為篷布卷簾形式。篷布卷簾選用帶有防彈纖維的高強度材料，具有防割、防雨淋、防劃傷等功能，中間增加加強條，以防運輸過程中因傾斜導致貨物傾翻。

結合貨運動車組和廂式汽車、飛機貨倉的實際空間尺寸，以增大載貨容積為目的，保證空間利用率，開發(fā)集裝器Ⅰ（見圖4）：尺寸1150mm×1350mm×2000mm，自質量105kg，載質量425kg。考慮貨運動車組運輸技術的發(fā)展，研制了更大存儲空間的集裝器Ⅱ（見圖5），用來增大貨運動車組的載貨量及裝載效率。集裝器Ⅱ尺寸1150mm×2700mm×2000mm，自質量210kg，載質量850kg。

圖4 集裝器I

圖5 集裝器Ⅱ

為了使集裝器的產品體系更加完善，增加動車組載貨種類，制定了具備冷藏保鮮功能的集裝器方案。冷藏保鮮集裝器溫度可調范圍為2～8℃，集裝器箱體箱門內設高密度聚胺酯隔熱層，隔熱層密封不外露，冷藏冷凍設備柜體內部各處接縫密封，冷凝水不得進入隔熱層內；底部設置帶過濾裝置的冷凝水管，冷凝水不能在集裝器內積存。

3.1.2 布置形式

01、08車為帶工作區(qū)的頭車貨車，車上布置相同，設司機室、機械師和押運人員工作區(qū)，后端為貨倉區(qū)，貨倉區(qū)兩側分別設置1個裝載門，車輛設置定員2人，裝載18個集裝器。02、04、05、07車為中間貨車，不設定員，裝載34個集裝器，車輛兩側分別設置2個裝載門。03、06車為帶受電弓的中間貨車，不設定員，裝載34個集裝器，車輛中部區(qū)域兩側分別設置1個裝載門（見圖6）。

3.1.3 安裝方式

每個集裝器由設置在地板上沿車體縱向布置的4個橫向止擋器和4個雙固定爪緊固裝置進行限位。集裝器橫向斷面和縱向安裝見圖7。

圖6 集裝器布置

圖7 集裝器安裝方式

雙固定爪緊固裝置由基座、雙爪頭及滾輪等構成，用于集裝器間的縱向及垂向限位。使用時可從地板凹槽處翻起，卡在集裝器凹槽內（圖7中局部放大視圖），用于集裝器縱向和垂向的固定。橫向止擋器由型材基座、止擋轉頭及導向輪等構成，沿車體縱向布置，用于集裝器橫向限位及搬運導向。端部止擋器由型材基座和止擋轉頭等構成，設置在車內地板兩端，用于端部集裝器的縱向限位（見圖8）。

圖8 端部集裝器固定方式

3.1.4 強度分析

集裝器緊固裝置基座、爪頭用曲邊四面體實體單元模擬，轉軸用梁單元模擬，集裝器箱體用殼單元模擬（見圖9）?；菟滋幵O置固定約束，集裝器約束垂向位移。將集裝器箱體的質量配置成1060kg，載荷以加速度方式施加。強度計算工況見表4（g=9.81m/s2）。集裝器材質與橫向止擋、縱向止擋基座相同。緊固裝置及集裝器應力云圖見圖10，強度滿足設計要求，集裝器能夠滿足貨運動車組對其要求。

圖9 有限元模型

表4 強度計算工況列表

圖10 緊固裝置及集裝器應力云圖

3.2 貨倉區(qū)地板

為了實現集裝器在門口區(qū)域的自由轉動，進入貨倉區(qū)后能按地板導向進入車內，貨運動車組貨倉區(qū)門口區(qū)域設置帶有萬向球的地板，非門口區(qū)域設置帶有滾柱裝置的地板。地板上設置集裝器固定裝置、端部和橫向限位止擋器；橫向限位止擋器設置滾輪，在集裝器搬運過程中起到導向作用（見圖11）。

圖11 貨倉區(qū)地板區(qū)域布置

3.3 大裝載門

3.3.1 功能

大裝載門具有自動開關門、手動解鎖及開門（僅車外操作）、零速保護、障礙檢測等功能，具備良好的水密性，并可保證一定的氣密性，車門強度能夠承受6kPa的氣動載荷，能適應350km/h運用需要。大裝載門的凈通過尺寸為2355mm×2900mm。

3.3.2 構成

大裝載門主要由承載驅動機構、左門扇、右門扇、下導軌、左鎖、左隔離鎖、右鎖、右隔離鎖、自動開關門裝置等部件組成（見圖12）。

圖12 大裝載門結構組成

3.4 貨運安全

為保證貨物的運輸安全，貨運動車組從防火監(jiān)控、防盜視頻監(jiān)控、溫度監(jiān)控3方面進行安全設計。

3.4.1 防火監(jiān)控系統(tǒng)

全列車設置火災報警系統(tǒng)及滅火設施，報警系統(tǒng)全列聯網，貨倉區(qū)設置火警探頭，頭車乘客信息系統(tǒng)（PassengerInformationSystem，PIS）柜設置火災報警主機，司機室人機界面（HumanMachineInterface，HMI）及辦公區(qū)設置蜂鳴報警裝置。

頭車設置4個火災探頭，電氣柜及衛(wèi)生間處各設置1個，貨倉區(qū)設置2個；中間車貨倉區(qū)設置4個火災探頭?；馂奶筋^布置方案見圖13，火災報警原理見圖14。

圖13 火災探頭布置方案

圖14 火災報警原理圖

3.4.2 防盜視頻監(jiān)控系統(tǒng)

貨運動車組設置防盜視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過頭車工作區(qū)的監(jiān)視屏對貨倉進行全方位、無死角監(jiān)控；頭車及中間車貨倉區(qū)各設置2臺監(jiān)控攝像機，布置方案見圖15、圖16。

圖15 攝像機布置方案

圖16 攝像機安裝實物圖

網絡攝像機采集監(jiān)控數據，經以太網傳輸至車廂視頻監(jiān)控服務器進行錄制存儲，通過車廂視頻監(jiān)控服務器接口連接至同軸總線，監(jiān)控原理見圖17。

3.4.3 溫度監(jiān)控系統(tǒng)

貨運動車組設置貨倉溫度監(jiān)控系統(tǒng)，通過司機室HMI溫度顯示界面實現對貨倉溫度的實時監(jiān)控。各車廂貨倉區(qū)都各設置2個NTC溫度傳感器。NTC溫度傳感器由NTC熱敏電阻、探頭（金屬殼或塑料殼）、延長引線及金屬端子或連接器組成。利用NTC熱敏電阻在一定測量功率下電阻值隨溫度上升而迅速下降的特性，將NTC熱敏電阻通過測量其電阻值來確定相應溫度，從而檢測溫度，以便通過控制器控制整個車廂的溫度。

圖17 防盜視頻監(jiān)控原理

4 結束語

經過方案策劃、理論計算、材料選型、結構設計、模型車搭建、人機工程學驗證，通過合理、巧妙的結構及材料搭配，中車唐山公司開發(fā)研制了符合我國快件貨運的低成本、大容積、大載質量、貨物安全、滿足一體化運輸要求的時速350km速度等級貨運動車組，填補了國內貨運動車組的空白，完善了鐵路運輸的產品技術體系，增加了市場競爭力，同時為后續(xù)貨運動車組的研制提供了借鑒。

[1]譚克虎，張超．法國高速鐵路貨運模式研究[J]．中國鐵路，2014(3)：16-20．

[2]譚克虎，張宇．歐洲高鐵貨運業(yè)務發(fā)展模式研究[J]．中國鐵路，2014(1)：17-22．

Development of High-speed Freight EMU

DING Liqing，XIONG Li，LIANG Yongting，LIU Chenhui，WU Juanjuan
（CRRC Tangshan Co Ltd，Tangshan Hebei 063035，China）

In order to meet the needs of fast freight delivery by high-speed railways, the freight EMU with speed level at 350 km/h is under development. Based on the platform of 350 km/h passenger EMU, the freight EMU will fulfill transport requirements such as low cost, big volume and load capacity, safety and integrated transport,so as to enhance the economic effciency and practicability. The paper expounds the research background and major technical scheme of development of this freight EMU, providing references for the design and research of Chinese freight EMU.

high-speed railway；freight EMU；unit load device；loading door；video monitoring

U266.2

A

1001-683X（2017）11-0091-08

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.091

丁立卿（1981—），女，高級工程師。E-mail：sjc-dingliqing@tangche.com

責任編輯 高紅義

2017-07-05