公鐵兩用貨車自供電技術(shù)路線研究

何海軍 廖軍

摘 要：本文回顧了國內(nèi)外公鐵兩用貨車發(fā)展現(xiàn)狀，分析國內(nèi)鐵路冷鏈運(yùn)輸對裝備的需求特點(diǎn)，探討了自供電的公鐵兩用貨車的各種技術(shù)路線，提出了加裝大功率自發(fā)電裝置的解決思路。

關(guān)鍵詞：公鐵兩用貨車;需求特點(diǎn);大功率自發(fā)電

在眾多現(xiàn)代物流體系中，公路貨物運(yùn)輸和鐵路貨物運(yùn)輸都扮演著重要的角色，二者已經(jīng)不是簡單的競爭關(guān)系、替代關(guān)系，而是互相補(bǔ)充、互相結(jié)合的協(xié)作關(guān)系。隨著交通運(yùn)輸大部制改革的不斷深入，交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，我國多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展迎來了加速發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期。為此，應(yīng)該充分發(fā)揮鐵路貨物運(yùn)輸和公路貨物運(yùn)輸各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)鐵路貨物運(yùn)輸和公路貨物運(yùn)輸?shù)摹盁o縫”銜接。多式聯(lián)運(yùn)可以充分發(fā)揮各種運(yùn)輸方式的整體優(yōu)勢和組合效率，為貨主提供無縫銜接的門到門服務(wù)，代表著綜合運(yùn)輸發(fā)展方向。加快推進(jìn)我國多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展，既是提高物流效率、降低物流成本、推動綜合運(yùn)輸結(jié)構(gòu)性節(jié)能減排的重要途徑，也是深化交通運(yùn)輸改革發(fā)展、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的根本要求。

1 國內(nèi)外公鐵兩用貨車發(fā)展現(xiàn)狀

能夠同時在公路和鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)上行駛的車輛稱為公鐵兩用車，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的車輛需要具備以下三個條件：在軌道運(yùn)行的系統(tǒng)，在公路運(yùn)行的系統(tǒng)以及公路與軌道兩種模式切換的系統(tǒng)[1]。

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

相較于公路運(yùn)輸，鐵路運(yùn)輸具有低成本、大運(yùn)量、低能耗及污染小等諸多優(yōu)勢[3]，對于短途運(yùn)輸卻有不靈活、裝卸貨需要專門的大型設(shè)備、不能實(shí)現(xiàn)門到門運(yùn)輸?shù)葐栴}。

在此背景下，新的運(yùn)輸模式應(yīng)運(yùn)而生，該運(yùn)輸模式在學(xué)術(shù)上稱為多式聯(lián)運(yùn)[4]。多式聯(lián)運(yùn)有以下幾個特點(diǎn)：運(yùn)輸方式不少于兩種，只對裝載單元進(jìn)行操作，而不對貨物本身進(jìn)行操作的情況下完成運(yùn)輸中的銜接、轉(zhuǎn)運(yùn)。公鐵兩用貨車便是多式聯(lián)運(yùn)下的產(chǎn)物之一[5]。

公鐵兩用貨車由公路模式轉(zhuǎn)換為鐵路模式不需要借助重型起重設(shè)備，如起重機(jī)、伸臂堆垛機(jī)等，或各類搬運(yùn)機(jī)械裝置，如臥式搬運(yùn)車、升降機(jī)等的輔助便可實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步節(jié)約了建造搬運(yùn)設(shè)備的成本，同時也讓裝卸貨受環(huán)境的影響大大減小。

1.1 國外公鐵兩用貨車國外發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì)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(jìn)行了改進(jìn)，成功進(jìn)入美國、歐洲及北非等地區(qū)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(xiàn)有的多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)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(yùn)輸中得到廣泛運(yùn)用。其工作原理如圖1所示。

1.2 國內(nèi)公鐵兩用貨車國外發(fā)展現(xiàn)狀

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

2 國內(nèi)鐵路冷鏈運(yùn)輸裝備分析

2.1 冷鏈宏觀分析

近年來，國家宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境持續(xù)向好，國內(nèi)生產(chǎn)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(xù)增長。隨著城市化水平提高和人均收入水平增長，消費(fèi)者對食品安全和品質(zhì)的要求越來越高，食品消費(fèi)升級推動了冷鏈運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展。我國冷鏈物流市場規(guī)模和需求增速加快，僅食品行業(yè)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(yùn)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(jù)統(tǒng)計(jì)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(chǎn)品冷鏈流通率分別為5%、15%、23%，冷藏運(yùn)輸率分別達(dá)到15%、30%、40%。而美國、日本等發(fā)達(dá)國家的冷鏈流通率達(dá)85%，其中歐洲、美國、加拿大、日本等發(fā)達(dá)國家肉禽冷鏈流通率已經(jīng)達(dá)到100%，蔬菜、水果冷鏈流通率也達(dá)95%以上。與發(fā)達(dá)國家相比，我國冷鏈流通率明顯較低。按照《農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》提出的發(fā)展目標(biāo)，到2015年，肉類和水產(chǎn)品冷鏈物流水平顯著提高，食品安全保障能力顯著增強(qiáng)。因此，應(yīng)進(jìn)一步加快發(fā)展果蔬冷鏈物流。果蔬、肉類、水產(chǎn)品冷鏈流通率分別提高到20%、30%、36%以上，冷藏運(yùn)輸率分別提高到30%、50%、65%左右，流通環(huán)節(jié)產(chǎn)品易腐率分別降至15%、8%、10%以下。

2.2 國內(nèi)鐵路冷鏈運(yùn)輸裝備分析

目前國內(nèi)鐵路冷鏈運(yùn)輸裝備主要是B22機(jī)保車組和BX1K冷藏集裝箱車組，其次是少量的B10機(jī)保車。這三種運(yùn)輸裝備在運(yùn)用過程存在較為突出的問題，限制了鐵路冷鏈運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)一步發(fā)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(jì)184 t，BX1K為9車一組，一次運(yùn)輸8個40ft或45ft冷藏集裝箱，難以快速組織如此大數(shù)量的貨物。其二，車輛為固定編組，貨物集散不靈活。不適應(yīng)鮮活易腐貨物銷售市場向小批量、多批次方向發(fā)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(yùn)量大，容易造成集散地貨物的價格波動。其四，使用機(jī)保車進(jìn)行冷鏈運(yùn)輸時不能多式聯(lián)運(yùn)，運(yùn)輸效率低。貨物集散時都需要倒運(yùn)，增加運(yùn)輸時間，增加貨損率，加大裝卸成本。其五，車組需要人員押運(yùn)，且車輛自重大，運(yùn)輸成本較高。其六，各型機(jī)保車目前使用年限較長，機(jī)組設(shè)備老化，故障多，使用維護(hù)成本高，正在陸續(xù)淘汰。

2.3 鐵路冷鏈運(yùn)輸優(yōu)劣勢分析

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

3 自供電的公鐵兩用貨車技術(shù)路線分析

公鐵兩用冷鏈運(yùn)輸需要電能的不間斷供應(yīng)。獨(dú)立分布式發(fā)電車輛已在過去幾十年來承擔(dān)為鐵路車輛進(jìn)行電能供應(yīng)的角色。從目前來看，獨(dú)立分布式發(fā)電車輛存在內(nèi)燃機(jī)發(fā)電費(fèi)用高、噪聲大、排除大量的污染氣體，不符合節(jié)能減排的發(fā)展方向。因此，應(yīng)探尋一種新的供電技術(shù)路線，現(xiàn)有技術(shù)除了采用配置獨(dú)立的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)外，符合節(jié)能減排思路的其余結(jié)構(gòu)配置有安裝蓄電池、皮帶輪傳動軸端發(fā)電裝置和軸承發(fā)電裝置。

3.1 蓄電池

蓄電池在一個貨車檢修期內(nèi)免維護(hù)使用難以保證，并且根據(jù)我國鐵路貨車的運(yùn)營維護(hù)特點(diǎn)，無法保證及時對其充電。

3.2 皮帶輪傳動軸端發(fā)電裝置

皮帶輪傳動軸端發(fā)電裝置通過皮帶輪將車軸的轉(zhuǎn)動力矩傳遞到發(fā)電機(jī)輸入端，該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，對運(yùn)用檢修要求較高;主要的缺點(diǎn)有：（1）皮帶輪包角過小，經(jīng)常發(fā)生皮帶脫落的現(xiàn)象。隨著列車的提速，這種現(xiàn)象增多，甚至發(fā)生皮帶磨耗過大而冒煙的現(xiàn)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(nèi)懸掛質(zhì)量大的發(fā)電機(jī)，降低了列車車底的離地間隙，影響列車的安全運(yùn)行。在提速列車中，盡管在懸掛發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上采取了補(bǔ)強(qiáng)措施，但仍出現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架裂紋現(xiàn)象，甚至發(fā)生電機(jī)脫落事故，使車輛運(yùn)行存在非常大的安全隱患。（3）由于列車速度的提高，發(fā)電機(jī)的軸承損壞嚴(yán)重，掃膛故障增多，影響發(fā)電機(jī)的使用，嚴(yán)重時發(fā)電機(jī)的部件可能散落在軌道上，引發(fā)列車脫軌事故。

3.3 軸承發(fā)電裝置

軸承發(fā)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?zhí)枮?00610156743.3的中國專利文獻(xiàn)公開了一種用于鐵路客車等的車軸驅(qū)動發(fā)電機(jī)，該方案中，發(fā)電機(jī)安裝于鐵路貨車的輪盤之間，定子與轉(zhuǎn)向構(gòu)架固定連接，通過用車軸直接替代轉(zhuǎn)子軸來帶動轉(zhuǎn)子總成旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。但是發(fā)電機(jī)安裝于鐵路貨車的底部，工作人員不便于進(jìn)行維護(hù)與拆裝，當(dāng)發(fā)電機(jī)損壞時，維修是極其困難的。非常重要的一點(diǎn)是，該方案所提供的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行制造時，因發(fā)電機(jī)的體積過大，需要對鐵路貨車的車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，高昂的成本及復(fù)雜的維修工況決定了該方案難以實(shí)施。

國外的鐵路貨車車軸發(fā)電機(jī)中，F(xiàn)AG公司生產(chǎn)了一種帶集成發(fā)電裝置的鐵道車輛軸承，在軸承內(nèi)圈布置磁鐵作為轉(zhuǎn)子，在軸箱蓋中的線圈作為定子，當(dāng)車輛運(yùn)行時該軸承旋轉(zhuǎn)的同時產(chǎn)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(zhuǎn)向架所有需要電源設(shè)備的使用，尤其是在加裝電子防滑器的快捷貨車轉(zhuǎn)向架上。申請?zhí)?01210561240.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(zhuǎn)向架盤型制動用電子防滑器、走行部在線監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)電裝置是解決思路

利用集裝箱平車運(yùn)輸不滿軸重的特點(diǎn)，加裝大功率自發(fā)電裝置為車輛實(shí)現(xiàn)獨(dú)立供電，使單節(jié)普通集裝箱平車具備冷藏集裝箱的運(yùn)輸能力，根據(jù)貨源和實(shí)際需求靈活編組，能解決現(xiàn)有冷鏈運(yùn)輸裝備運(yùn)輸效率低的問題。

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

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