楊廣全,劉寅華,李 興
(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100081;2.中車山東機(jī)車車輛有限公司,山東 濟(jì)南 250022)
馱背運(yùn)輸分為整車馱背運(yùn)輸和半掛車馱背運(yùn)輸,在歐美國家廣泛應(yīng)用[1-4],形成了以集裝箱運(yùn)輸為主、馱背運(yùn)輸為輔的發(fā)展格局,特別在歐洲地形復(fù)雜、運(yùn)輸條件較差的地區(qū),鐵路馱背運(yùn)輸發(fā)揮了重要作用。借鑒歐洲馱背運(yùn)輸發(fā)展經(jīng)驗(yàn),針對我國部分山區(qū)既有公路運(yùn)輸安全性較差、鐵路運(yùn)營車流密度低、運(yùn)能富余的特點(diǎn),設(shè)計(jì)鐵路整車馱背運(yùn)輸技術(shù)方案,為我國鐵路開展整車馱背運(yùn)輸提供技術(shù)支撐。
歐洲的整車馱背運(yùn)輸服務(wù)于高度專業(yè)化的需求市場,主要在英吉利海峽隧道以及穿越阿爾卑斯山區(qū)的貿(mào)易通道上運(yùn)營。2019年歐洲整車馱背運(yùn)輸運(yùn)量如表1所示,按1輛卡車相當(dāng)于2 TEU換算統(tǒng)計(jì),其總運(yùn)量為3 801 205 TEU,其中歐洲國家內(nèi)部的馱背運(yùn)輸運(yùn)量為242 328 TEU,國際跨境運(yùn)量為3 558 877 TEU,而英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)量占?xì)W洲整車馱背運(yùn)量的85.4%。英吉利海峽隧道是歐洲最大的整車馱背運(yùn)輸貿(mào)易通道,英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸運(yùn)量如表2所示,2017年達(dá)到歷史最高,為3 274 560 TEU,2019年運(yùn)量有所降低,為3 246 638 TEU[5]。除英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)量外,整車馱背運(yùn)輸跨境運(yùn)量排在前列的分別為:德國與意大利運(yùn)量為16萬TEU,奧地利與斯洛文尼亞為10萬TEU,奧地利與意大利為2萬TEU。
1.1.1 英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸
英吉利海峽隧道鐵路長50.5 km,連接英國的福克斯通和法國北部港口城市加來,承擔(dān)著高速旅客列車、國際貨運(yùn)列車運(yùn)輸、滾裝擺渡運(yùn)輸和貨運(yùn)馱背運(yùn)輸服務(wù)。英吉利海峽隧道約50%的運(yùn)營能力分配給國際客貨運(yùn)列車,50%分配給整車馱背運(yùn)輸服務(wù)。整車馱背運(yùn)輸服務(wù)直接由英吉利海峽隧道公司運(yùn)營。
表1?2019年歐洲整車馱背運(yùn)輸運(yùn)量? TEUTab.1 European piggyback transportation volume of wagon loading goods in 2019
表2?英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸運(yùn)量?TEUTab.2 Piggyback transportation volume of wagon loading goods in English Channel Tunnel
客運(yùn)汽車整車馱背運(yùn)輸列車用于裝運(yùn)長途客車、小汽車、房車、摩托車等公路汽車,采用專用的鐵路棚車裝運(yùn)[6]。貨運(yùn)整車馱背運(yùn)輸列車用于裝運(yùn)重型卡車,該列車由2輛牽引機(jī)車、1輛卡車司機(jī)休息車廂、3輛裝載平車平臺、前后2組鐵路貨車組成,整列長度約750 m,最大裝載重量約為2 400 t,最大運(yùn)營速度140 km/h。英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸列車編組示意圖如圖1所示。3輛裝載平車分別位于列車前部、中部和尾部,并配有渡板,渡板豎立時(shí)作為平車側(cè)墻,翻平后可橋接在站臺和平車之間,供重型卡車開上開下。
第1代馱背載運(yùn)車輛,由意大利布雷達(dá)公司(Breda)制造,由堅(jiān)固的車頂和柵格式側(cè)墻組成,形成了整體型結(jié)構(gòu);第2代馱背載運(yùn)車輛,由法國阿爾貝爾-福維特鐵路設(shè)備制造商(Arbel-Fauvet-Rail)制造,車身由4組塔形的車頂和側(cè)體結(jié)構(gòu)組成,4個(gè)塔形結(jié)構(gòu)覆蓋了整個(gè)車輛長度,第1代和第2代馱背載運(yùn)車輛的頂部與架空輸電線之間提供了物理隔離。為了減輕貨車重量,Arbel型載運(yùn)車輛逐步去除了塔形結(jié)構(gòu)。
英吉利海峽隧道的場站設(shè)在英國的??怂雇?,連接到高速公路M20;法國設(shè)在科凱勒,連接到高速公路A16。公路卡車進(jìn)入場站時(shí),首先自動測量卡車外廓尺寸,確保長度不超過19 400 mm,高度不超過4 250 mm;若超高,則采用限高工具人工測量卡車的外廓尺寸,可通過調(diào)節(jié)卡車懸掛系統(tǒng),使卡車的整體高度降低到可接受的范圍。卡車外廓尺寸符合裝載要求后,英國和法國海關(guān)對卡車運(yùn)輸?shù)呢浳镞M(jìn)行抽查,檢查是否符合申報(bào)的要求。之后在篷布檢查區(qū)域檢查卡車篷布是否有缺陷,確保系緊篷布。調(diào)度人員根據(jù)篷布檢查區(qū)的建議分配載運(yùn)車輛,將篷布狀況不良的卡車分配給Breda型車輛,依靠車頂提供額外保護(hù);將火災(zāi)等級低的卡車分配到列車休息車廂的后部載運(yùn)車輛,分配了載運(yùn)車輛的卡車開到等待區(qū)準(zhǔn)備裝車。
裝車前,位于站臺上的天線探測系統(tǒng)自動檢測高于4 250 mm的卡車天線,若天線高于4 250 mm,司機(jī)將天線降低至4 250 mm高度以下,且對卡車外形進(jìn)行安全檢查,包括煙霧、加熱裝置、天線、冷藏、油箱蓋和電氣設(shè)備。裝載時(shí),分配到列車前部的卡車從中部裝載平車側(cè)向開上裝載,分配到列車后部的卡車從尾部裝載平車側(cè)向開上裝載,并在載運(yùn)車輛的指定位置停下,采用輪擋對卡車進(jìn)行加固,確保運(yùn)輸過程中卡車不產(chǎn)生位移。裝載完成后,卡車司機(jī)由2輛巴士載運(yùn)到休息車廂隨車運(yùn)輸。
1.1.2 阿爾卑斯山區(qū)整車馱背運(yùn)輸
圖1?英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸列車編組示意圖Fig.1 Marshalling of accompanied piggyback transportation trains in English Channel Tunnel
歐洲的滾動高速公路(Rolling Highway)是把鐵路平車作為運(yùn)輸平臺,汽車直接開到平車上進(jìn)行運(yùn)輸,是一種公鐵聯(lián)合運(yùn)輸方式。主要優(yōu)點(diǎn)是采用滾裝滾卸方式,不需要其他裝卸設(shè)備,硬化地面即可滿足裝卸要求,缺點(diǎn)是運(yùn)輸公路牽引車、臥鋪車等無效載荷。滾動高速公路總體效益體現(xiàn)在快速裝卸、裝卸設(shè)備的節(jié)省,以及吸引公路車流,一般用于公路運(yùn)輸受到限制或公路路況條件差的地區(qū),特別是在穿越阿爾卑斯山脈的鐵路線上廣泛應(yīng)用。歐洲滾動高速公路的鐵路車輛采用8軸小輪徑平車,長18.89 m (有效長18 m),定距13.5 m,地板高度0.41 m,構(gòu)造速度120 km/h,自重17 t,載重43 t,軸重7.5 t,軸數(shù)8,輪徑在新輪狀態(tài)360 mm至磨耗到限狀態(tài)35 mm之間,允許裝載的卡車尺寸為:長度18.8 m,寬度2.6 m,高度4 m。裝卸方式為從列車端部渡板開上開下。
滾動高速公路是一種聯(lián)合運(yùn)輸方案,主要在歐洲特定的過境路線上運(yùn)行。為了使?jié)L動高速公路運(yùn)營可行,政府對道路運(yùn)輸實(shí)行嚴(yán)格的行政限制,對道路使用收取高昂的道路通行費(fèi)、使用費(fèi)或道路運(yùn)輸作業(yè)的其他附加費(fèi)用,或向滾動高速公路運(yùn)營商提供巨額補(bǔ)貼[7]。
半掛車是歐洲鐵路馱背運(yùn)輸?shù)幕狙b載單元,標(biāo)準(zhǔn)長度為13.6 m,分為可吊裝半掛車和不可吊裝的半掛車??傻跹b半掛車在底部設(shè)有起吊板,比不可吊裝半掛車重300 ~ 500 kg,適應(yīng)公鐵換裝的機(jī)械化吊裝吊卸作業(yè)方式,裝卸設(shè)備配備帶抱夾腿的吊具即可滿足裝卸要求。由于可吊裝半掛車較重,增加了購置成本,降低了有效裝載載荷,導(dǎo)致市場占有率較低。目前,歐洲不可吊裝的標(biāo)準(zhǔn)半掛車約占97%,可吊裝半掛車僅占3%。要從單一的半掛車公路運(yùn)輸轉(zhuǎn)向公鐵聯(lián)運(yùn),將不可吊裝半掛車轉(zhuǎn)向鐵路運(yùn)輸是重要措施,采用的技術(shù)手段為采用CargoBeamer平移式、ModaLohr中部旋轉(zhuǎn)、Megaswing端部旋轉(zhuǎn)等水平轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)或NiKraSa、ISU等輔助托盤裝載系統(tǒng)[1]。
CargoBeamer平移式馱背運(yùn)輸借助地面裝置以托盤承載半掛車實(shí)現(xiàn)貨物全自動裝卸,可在15 ~ 20 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)整列裝卸,但站場設(shè)施復(fù)雜,需要較大的作業(yè)面積和專業(yè)人員配合完成裝卸作業(yè),初期投入較大;車體旋轉(zhuǎn)式馱背運(yùn)輸車通過車體中部半掛車托盤旋轉(zhuǎn),配合地面斜坡及地面拖車牽引,實(shí)現(xiàn)整列車的同步裝卸,整列裝卸時(shí)間約30 ~ 40 min,但站場需要較大的作業(yè)面積和專業(yè)操作人員配合作業(yè),站場設(shè)施復(fù)雜;輔助托盤裝載系統(tǒng)將不可吊裝半掛車轉(zhuǎn)換為吊裝裝卸方式,實(shí)現(xiàn)不可吊裝半掛車的公鐵聯(lián)運(yùn),缺點(diǎn)是半掛車在輔助托盤上定位過程中,損壞半掛車的風(fēng)險(xiǎn)較大。
歐洲鐵路馱背運(yùn)輸實(shí)踐證明,整車馱背運(yùn)輸技術(shù)是適合運(yùn)距較短的公鐵聯(lián)運(yùn)技術(shù),特別在英吉利海峽隧道、跨越阿爾卑斯山的貨物運(yùn)輸中取得了成功的應(yīng)用,具有場站要求低、投入少、見效快的特點(diǎn)。借鑒歐美發(fā)展整車馱背運(yùn)輸?shù)慕?jīng)驗(yàn),在我國部分山區(qū)鐵路發(fā)展整車馱背運(yùn)輸技術(shù),設(shè)計(jì)整車馱背運(yùn)輸方案,對于山區(qū)環(huán)境保護(hù)、運(yùn)輸安全性和時(shí)效性都有重要意義。
針對客貨共線鐵路機(jī)車車輛限界[8],以運(yùn)輸公路長頭鉸接列車(牽引車+半掛車)為例[9],公路半掛車從不超限到超限過渡。按照機(jī)車車輛限界基本輪廓尺寸,計(jì)算公路半掛車超限的高度臨界點(diǎn)為4 341.7 mm。因此,在裝載公路半掛車、裝載不超限條件下,鐵路整車馱背運(yùn)輸車輛承載面高度須≤ 341.7 mm。
當(dāng)裝載公路半掛車且不超限的條件下,鐵路車輛承載面高度不能超過341.7 mm。目前,鐵路貨車車輪直徑一般在840 mm以上,直接影響了車輛承載面高度的降低,受轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)限制,一般鐵路貨車在中部采用低承載面,轉(zhuǎn)向架部位仍為高承載面;這種貨車的貨物裝卸主要有吊裝吊卸、端部可移動的滾裝滾卸2種方式,前者需要起重設(shè)備和場地,后者需要貨車端部的移開和合并。為了降低整車承載面,提出了整體低承載面的小直徑車輪的4軸轉(zhuǎn)向架,該轉(zhuǎn)向架車輪車輪直徑380 mm,直接減小了傳統(tǒng)車輪所需的安裝和運(yùn)動空間,使轉(zhuǎn)向架上方的車輛地板作為承載面使用,組成連續(xù)低裝載面馱背運(yùn)輸車,滿足按列滾裝滾卸要求。為了便于按列滾裝滾卸,車輛之間設(shè)置翻轉(zhuǎn)渡板裝置,馱背車之間形成連續(xù)的裝載平臺。
為了使?jié)L裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛與機(jī)車之間匹配連掛,在鐵路馱背運(yùn)輸車上安裝可拆卸的活動牽引裝置,它內(nèi)置13型車鉤、MT-3型緩沖器,將活動牽引裝置安裝在端車上,安裝后車鉤中心線高度880 mm,與機(jī)車的中央車鉤機(jī)構(gòu)相匹配。滾裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛上安裝鏈子鉤和側(cè)緩沖器,在相鄰馱背車之間利用鏈子鉤進(jìn)行連接,鏈子鉤的一側(cè)設(shè)置側(cè)緩沖器,用于緩解鐵路馱背車運(yùn)輸過程中的縱向沖擊力,吸收動能,鏈子鉤距軌面336 mm,側(cè)緩沖器距軌面300 mm。
滾裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛凹底承載部采用格柵結(jié)構(gòu),一是減輕車體的重量,二是便于加固輪擋定位,輪擋上的限位塊能夠插入承載部格柵結(jié)構(gòu)設(shè)置的沿鐵路馱背運(yùn)輸車寬度方向的間隙中,進(jìn)而限制公路汽車沿馱背車的縱向運(yùn)動。滾裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛采用凹底承載結(jié)構(gòu)、小輪徑轉(zhuǎn)向架,其特點(diǎn)為:標(biāo)準(zhǔn)車輛接口,可與機(jī)車和貨車連掛;低重心設(shè)計(jì),無需限速運(yùn)行;低裝載面設(shè)計(jì),可運(yùn)輸高度不超過4 m的裝載物;輪擋加固,簡單可靠,實(shí)現(xiàn)貨物的安全快速加固;車組間渡板形成不間斷裝載面,實(shí)現(xiàn)連續(xù)裝卸。
公路貨車均衡、穩(wěn)定地裝在滾裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛上,馱背運(yùn)輸車輛承載底架與公路貨車車輪接觸部位采用防滑地板和柵格結(jié)構(gòu),采用至少8個(gè)輪擋進(jìn)行縱向加固。以運(yùn)輸公路長頭鉸接列車(牽引車+半掛車)為例,在鉸接列車前部一根車軸兩側(cè)輪胎的前后各放置1個(gè)輪擋,后部一根車軸兩側(cè)輪胎的前后各放置1個(gè)輪擋,輪擋限位塊插入承載部格柵結(jié)構(gòu)與鐵路馱背運(yùn)輸車輛固定牢靠,輪擋與輪胎掩緊。運(yùn)輸過程中,公路貨車門窗應(yīng)鎖閉,駐車制動應(yīng)處于制動狀態(tài)。成列滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛裝載示意圖如圖2所示。馱背運(yùn)輸車輛自重W= 21 t,轉(zhuǎn)向架中心距L= 13 700 mm,空車重心高384 mm,承載面距軌面高316 mm。長頭鉸接列車長l= 18 100 mm,高h(yuǎn)= 4 000 mm,寬w= 2 550 mm,自重Q= 18 t,滿載總重Q滿= 49 t,空車重心高1 140 mm,裝載面距地面高度1 435 mm,輪胎直徑D= 1 100 mm。按照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》對馱背運(yùn)輸成列滾裝滾卸裝載加固方案進(jìn)行計(jì)算[10]。
2.3.1 重車重心高計(jì)算
鐵路貨車重車重心高是影響重車運(yùn)行平穩(wěn)性的重要因素之一,為了保證列車運(yùn)行安全,《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》規(guī)定重車重心高度須不超過2 000 mm。假設(shè)貨物在長頭鉸接列車車廂中均勻裝載,則滿載的貨物重心高為1435 + (h- 1 435) / 2 = 2 717.5 mm,計(jì)算滿載的長頭鉸接列車重心高度H貨。
馱背運(yùn)輸車輛空車重心高384 mm,承載面軌面高316 mm,則馱背運(yùn)輸車輛重車重心高H計(jì)算如下。
因此,滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛重車重心高滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的要求。
2.3.2 力值計(jì)算
為驗(yàn)證鐵路貨物的裝載加固強(qiáng)度是否滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的技術(shù)要求,需要計(jì)算貨物縱向慣性力、橫向慣性力、垂直慣性力、風(fēng)力、摩擦力等基本力值。
(1)慣性力計(jì)算。長頭鉸接列車與滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛之間通過輪胎接觸,由于輪胎為彈性單元,因此二者間為柔性連接,故采用柔性加固計(jì)算縱向慣性力。
圖2?成列滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛裝載示意圖Fig.2 Loading diagram of roll-on roll-off piggyback transportation vehicles
當(dāng)裝載空載的長頭鉸接列車時(shí),馱背運(yùn)輸車輛總重為G空= 39 t,計(jì)算每噸貨物的縱向慣性力t空,貨物產(chǎn)生的縱向慣性力T空。
當(dāng)裝載滿載的長頭鉸接列車時(shí),馱背運(yùn)輸車輛總重為G滿= 70 t,計(jì)算每噸貨物的縱向慣性力t滿,貨物產(chǎn)生的縱向慣性力T滿。
(2)橫向慣性力計(jì)算。按照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》規(guī)定,貨物重心偏離車輛橫中心線的距離a不得超過100 mm,計(jì)算每噸貨物的橫向慣性力n0。
當(dāng)裝載空載的長頭鉸接列車時(shí),計(jì)算貨物產(chǎn)生的橫向慣性力N空。
當(dāng)裝載滿載的長頭鉸接列車時(shí),計(jì)算貨物產(chǎn)生的橫向慣性力N滿。
(3)垂直慣性力計(jì)算。按照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》,計(jì)算每噸貨物的垂直慣性力q垂。
(4)風(fēng)力計(jì)算。當(dāng)裝載18.1 m的長頭鉸接列車時(shí),計(jì)算側(cè)向迎風(fēng)面的投影面積S及風(fēng)力F風(fēng)。
(5)摩擦力計(jì)算。按照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》,橡膠墊與鋼板之間的摩擦系數(shù)μ取0.5。
2.3.3 橫向傾覆穩(wěn)定性
當(dāng)貨物的傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于1.25時(shí),需要采取加固措施。長頭鉸接列車的輪胎外側(cè)寬度為2 500 mm,則貨物重心所在縱向垂直平面至貨物傾覆點(diǎn)之間的距離為b= 2 500 / 2 = 1 250 mm。
2.3.4 加固強(qiáng)度計(jì)算
如果貨物的縱向慣性力大于縱向摩擦力或橫向慣性力與風(fēng)力之和的1.25倍大于橫向摩擦力,則應(yīng)采取加固措施防止貨物移動。當(dāng)裝載滿載的長頭鉸接列車時(shí),計(jì)算加固材料應(yīng)承受的縱向力為
計(jì)算加固材料應(yīng)承受的橫向力為
采用輪擋對長頭鉸接列車進(jìn)行縱向加固。當(dāng)裝載空載的長頭鉸接列車時(shí),確定輪擋的最低高度為當(dāng)裝載滿載的長頭鉸接列車時(shí),確定輪擋的最低高度為
因此,設(shè)計(jì)輪擋高度h掩= 400 mm,輪擋采用全鋼焊接結(jié)構(gòu),輪擋結(jié)構(gòu)材料為Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼,其屈服強(qiáng)度為σs= 450 MPa,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度許用應(yīng)力為[σ]= 382 MPa。輪擋應(yīng)承受的縱向力為ΔT=413.07 kN,則每個(gè)輪擋平均承受的縱向力為103.27 kN。建立輪擋有限元計(jì)算模型,計(jì)算輪擋的最大應(yīng)力為326.74 MPa,小于許用應(yīng)力382 MPa,輪擋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足縱向加固要求。長頭鉸接列車產(chǎn)生的橫向力由輪胎的外輪廓施加到馱背運(yùn)輸車輛的側(cè)墻上,則每個(gè)輪胎平均施加的橫向力為13.28 kN,計(jì)算馱背運(yùn)輸車輛側(cè)墻承受的最大應(yīng)力為32.23 MPa,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足橫向加固要求。輪擋計(jì)算應(yīng)力云圖如圖3所示。
圖3?輪擋計(jì)算應(yīng)力云圖Fig.3 Calculated stress of wheel chocks
加固強(qiáng)度計(jì)算表明,當(dāng)馱背運(yùn)輸車裝載長頭鉸接列車時(shí),僅靠輪擋加固即可,不需要采取其他加固措施。
研究分析了歐洲英吉利海峽隧道、阿爾卑斯山區(qū)鐵路整車馱背運(yùn)輸以及CargoBeamer平移式、ModaLohr中部旋轉(zhuǎn)、Megaswing端部旋轉(zhuǎn)等水平轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)和NiKraSa、ISU等輔助托盤裝載系統(tǒng)的半掛車馱背運(yùn)輸技術(shù)模式,針對我國部分山區(qū)既有公路運(yùn)輸安全性較差、鐵路建成運(yùn)營車流密度低、運(yùn)能富余的特點(diǎn),通過借鑒歐洲鐵路馱背運(yùn)輸發(fā)展經(jīng)驗(yàn),采用凹底承載結(jié)構(gòu)和小輪徑轉(zhuǎn)向架技術(shù),提出了鐵路成列滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛設(shè)計(jì)及裝載設(shè)計(jì)方案,裝載加固計(jì)算表明,僅需要輪擋加固措施即可滿足加固要求,具有場站要求低、快裝快卸的特點(diǎn),為我國鐵路開展整車馱背運(yùn)輸提供技術(shù)支撐。