《武汉工程大学学报》 2013年07期
9-15
出版日期：2013-07-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
我国铁路重载运输发展研究
1概述1.1铁路货运发展方向我国铁路货运按“速度、密度、重量”协调发展战略，现货运列车速度已达到80～120 km/h世界先进水平；干线列车追踪间隔仅6～7 min，为世界运输密度最大国家.但货车轴重仅为23.5～25 t，与发达国家轴重30 t及以上有较大差距，在“速密重”三要素中，轴重方面尚有较大发展空间［1］；因此，提高轴重、增加载重、发展重载运输是我国铁路货运发展主方向.1.2铁路重载运输定义现国际重载协会重载运输标准：列车编组重量不少于8 000 t、在不短于150 km运输线路上年运量达到4 000万t、轴重在27 t及以上，三者必具其二［12］.1.3铁路重载运输特点重载运输特点：货车轴重大、载重高、自重轻，列车编组辆数多、运行速度较低，运输效率高，安全可靠.1.4铁路车辆现状2012年铁路车辆保有量约84万辆，其中：敞车占60.7%，棚车占13.3%，其它平、罐车等占26%，载重以60 t级和70 t级为主； 60 t级和70 t级敞车分别占敞车总数56.3%和35.3%.我国目前典型货车为C64型敞车，轴重21 t、每延米重62.5 kN/m.新型C70型敞车为主型新造车，轴重23.45 t、每延米重67.1 kN/m.大秦线C80型运煤专用敞车轴重25 t、每延米重83.3 kN/m［3］.1.5列车载重量、运行速度我国铁路每列车载重量4 000 t左右，有些地区开行有5 000 t列车，大秦线已开行20 000 t组合列车；货车运行速度在80 km/h及以下，行包快运列车最高速度达120 km/h［4］.1.6铁路标准活载旧中国铁路采用活载标准纷杂，中华人民共和国成立后于1951年制定了中Z标准活载并于1975年进行了修订，形成中活载标准沿用至今［4］.中活载标准图式［5］如图1.图1“中活载”图式 （距离以m计）Fig.1ChinaLive Load Mapping Form(Distance is gauged by metres)1.7国内外重载运输对比国内外重载运输对比见表1［1，3］.表1国内外重载运输对比表Table 1Comparison of heavyduty transportation between China and worldwide国家主要线路运营里程/km主要轴重/t牵引重量/t线路类型运行速度/（km/h）运量美国BNSF、UP、CSX、NS、KCS 、IC192 90029.8 ～35.7 1.2～3.0万66 kg准轨60～80空车962亿t/年加拿大DPCN47 00029.8 ～35.7 1.2～2.0万66 kg准轨60～80最大962亿t/年澳大利亚BHP、FMG、QR462、1 60030～40 21～25 38 000 8 000 68 kg准轨54 kg窄轨70～80超亿t/年南非OrexRechard868、56028 ～30、26 20 000 20 000 60 kg窄轨57 kg窄轨50～60最大800.8亿t/年巴西MRSCVRD1674、892、90529.8、32、29.8 30 000 15 000 68 kg宽轨60 kg宽轨50～750.8亿t/年瑞典LKAB54030 8 500 50 kg准轨3 000万t/年中国大秦线65323、25 20 000 75 kg准轨80～903.5亿t/年第7期刘翀原，等：我国铁路重载运输发展研究武汉工程大学学报第35卷1.8设计规范理论体系我国铁路设计理论一直沿用容许应力法［6］，而公路行业已改用极限状态法［7］，国外设计标准（如欧洲标准）均为极限状态法.现我国铁路设计规范拟与国际接轨并改用极限状态法，相关修改研究正在进行.2铁路重载运输发展控制因素控制主要因素有：线路桥梁与轴重和载荷密度的匹配、速度与线路桥梁和轴重的匹配、车辆长度与站线长度的匹配、重载车辆技术、重载列车控制技术等方面.3铁路重载运输发展条件分析 3.1重载车辆技术和列车控制技术重载车辆技术和列车控制技术涉及车体轻量化、新型转向架及悬挂系统、ECP电控空气制动系统技术等.a.车体轻量化.采用铝合金、高强度耐候钢车体可减少自重、增加载重、减少空重比；相同车辆长度可提高运输能力，运量相同时可降低运输密度、提高运输效益.我国既有线货车空重比为0.24～0.25、大秦线为0.21，如既有线轴重从23 t提到29 t、空重比由0.25降到0.23，每列车牵引重量将增加1 584 t、运能增加26%；大秦线轴重从25 t提到31.5 t，空重比由0.21降到0.19，每列车牵引重量将增加5 460 t、运能增加26%［1］.现我国出口澳大利亚35.7～40 t轴重矿石车空重比已达0138～0.154［1］；说明我国货车车体可实施轻量化.b.新型转向架及悬挂系统.我国自主研制的低动力作用新型转向架采用轮对弹性定位、侧架弹性连接、侧架摆动等技术，通过承载鞍顶橡胶垫实现轮对与侧架间弹性定位、侧架与承载鞍间无磨耗和转向架两系悬挂，减小了簧下质量和对轨道动作用力；通过横向摆动功能有效缓解轮轨间作用力，尤其是轮轨间横向动态作用力；通过侧架与轴箱承载鞍间橡胶堆起到一系悬挂作用，降低簧下质量，隔离高频振动，降低轮轨冲击，改善了轮轨间动作用力［3］；新型转向架使相同机车牵引质量增加12％，列车纵向车钩力减少4.8％，节能20.7％，轮轨磨耗降低到l／13，轮轨横向力降低到1／3［2］；说明车辆低动力性能减少了轮轨磨耗和线路损坏.我国出口32.5～40 t轴重交叉支撑低动力作用转向架运行3年后状态良好、性能稳定、各部位磨耗轻微，性能优于国外重载货车转向架［1］.由于重载运输大轴重对线路、桥梁的影响与车辆动力学性能密切相关［3］，转向架新技术和车辆动力学性能的提高为实现重载运输并降低大轴重车辆对线路桥梁动力作用创造了关键条件，能满足重载运输发展要求.c.ECP电控空气制动系统新技术.至20世纪末重载列车运行最大隐患是：由于空气制动波速无法超过300 m/s，重载列车在常用、紧急制动时频繁发生前后制动不一致，造成断钩、脱轨事故.在长大下坡道由于制动机没有阶段缓解、充气时间过长，易造成列车失控，对安全构成威胁.而ECP新技术具有整列车同时响应制动和缓解信号、具有阶段制动阶段缓解功能、制动缸压力控制精确、列车管不排风、能向机车报告各车辆制动状态及故障型式、用有线电缆进行机车动力分散式牵引控制等功能，能保证重载长大列车运行安全，并使平均车钩力降低25％，缩短制动距离50％～70％［2］. 现ECP电空制动、转向架集成制动等配套先进技术在我国出口重载货车上已得到普遍应用.3.2线路、桥梁与轴重、载荷密度匹配分析我国既有铁路建设年代跨度大、标准不统一，导致工程界担忧既有铁路开行重载列车后，线桥承受载荷过度、结构安全度下降、动力作用加大使桥梁结构不能满足车辆运行安全要求等，并由此对重载列车拟用轴重有较多不同意见.现对既有铁路可用轴重分析如下.3.2.1轨道与轴重、载荷密度匹配分析线路与轴重、载荷密度匹配关键在轨道结构.至2009年底，我国铁路干线已全部采用60 kg/m钢轨，大秦线重车方向为75 kg/m钢轨、空车方向为60 kg/m钢轨［8］.根据表1统计情况和国外重载运输经验，我国铁路干线60 kg/m钢轨满足30 t轴重车辆运行要求，大秦线75 kg/m钢轨满足40 t轴重车辆运行要求.3.2.2桥梁与轴重、载荷密度匹配分析a.既有桥梁满足中活载标准和提速后列车通行要求.2008年我国铁路桥梁有47 528座， 93%以上为混凝土桥［1］.常用标准跨度为24、32 m（以32 m为主）预应力混凝土简支T梁，尽管修建年代、设计标准不同，但经铁路多次提速改造、配套达标建设后，现均满足中活载标准和提速后列车通行要求.如萧甬铁路始建于1913年，抗战遭到全线破坏，1953年恢复， 1995年增建二线.提速前桥涵使用良好、无较大病害，满足客车120 km/h、货车60 km/h运行要求.提速时采用置换、增设或加固横隔板、加强桥梁维护等措施后，现梁部和墩台均满足客车160 km/h、货车90 km/h安全运行要求［9］.1998年铁道部科学研究院针对沪宁、京秦、沈山、郑武线提速改造，在23孔不同类型桥梁进行动力测试，结果表明跨径不大于32 m的混凝土桥梁，满足提速要求［9］.2003年中南大学对郑徐线12种常用典型T梁桥梁动力特性及列车行走性进行计算与分析，其车桥耦合计算证明：各梁加固后均能保障客车（DDJ电动车组、220 km/h以下）、货车（C62、80 km/h以上）行车安全性，行车舒适性达到“良好”标准［9］.b.既有桥梁整体承载能力分析.我国典型货车C64每延米重62.5 kN/m，仅为中活载设计车辆80 kN/m的78.125%、设计煤水车92 kN/m的67.934%，设计标准与现行车辆每延米重相比有21.875%～32.065%盈余储备，说明既有桥梁整体承载能力（弯矩、梁端剪力）有较大设计储备.以弯矩计算为例：本次对铁四院原设计的32 m、24 m单线铁路简支梁和主跨48 m、64 m、80 m连续梁分别按不同轴重重载通用敞车（车长13976 m、轴距1.86 m、定距9.21 m）进行计算，结果表明：当32 m简支梁通过34.2 t轴重、24 m简支梁通过36.5 t轴重时，其跨中最大弯矩值才达到与原设计值基本一致；连续梁通过29 t轴重时其支点、跨中最大弯矩均小于原设计最大弯矩值，连续梁通过30 t轴重时仅64 m，连续梁支点负弯矩超过原设计最大弯矩值3.22%，考虑到支点位置横隔梁纵向长2.5 m，削峰后其支点最大弯矩小于原设计最大弯矩，说明满足30 t轴重通过要求；因此，当货车采用上述轴重时，既有桥梁梁部最大弯矩、最大剪力均满足原设计要求.有关重载通用敞车计算结果汇总如表2、表3.表232 m、24 m单线简支梁检算结果Table 2Result from simplysupported single beam of 32 m and 24 m荷载类型32 m24 m弯矩最大值/（kN·m） 中活载63 73236 49325 t轴重通用车59 94133 79025.5 t轴重通用车60 14834 02526 t轴重通用车60 35534 14527 t轴重通用车60 76834 38434.2 t轴重通用车63 74836.5 t轴重通用车36 476表3连续梁检算结果Table 3Result from continuous beam荷载类型48 m单线连续梁64 m单线连续梁80 m双线连续梁最大弯矩/（kN·m）最大弯矩/（kN·m）最大弯矩/（kN·m）中支点跨中中支点跨中中支点跨中中活载94 42833 946178 03153 500508 614191 10025 t轴重通用车89 56429 791170 57047 215489 224176 53827 t轴重通用车91 21530 401173 27448 377496 714179 49829 t轴重通用车92 80731 041176 06749 550504 53518246930 t轴重通用车93 60231 363183 77952 739508 295183 914对铁四院原设计的32 m单线铁路简支梁分别按不同轴重重载专用敞车（车长12 m、轴距1.86 m、定距8.2 m）进行计算，结果表明：当32 m简支梁通过30 t轴重专用敞车时，其跨中最大弯矩值就已经超过原设计值0.44%，说明车辆轴重相同时，车长短、轴距小车辆反而先于车长长、轴距大车辆控制桥梁梁部承载，因此重载车辆研发应优先按车长长、轴距大进行设计.有关重载专用敞车计算结果汇总如表4.表432 m单线简支梁检算结果Table 4Result from simplysupported single beam of 32 m荷载类型32 m单线简支梁弯矩最大值/（kN·m） 中活载63 73227 t轴重专用车62 88628 t轴重专用车63 05230 t轴重专用车64 013美国32.43 t轴重运煤敞车长15.87 m～1618 m、澳大利亚30 t轴重煤炭漏斗车长15345 m、巴西25 t轴重粮食车长17.06 m［1］，车辆设计与桥梁受力匹配合理.c.既有桥梁局部承载能力分析.中活载的特种荷载为25 t轴重，既有桥梁满足25 t轴重局部承载能力要求.轴重增大，轮轨间横向力和垂向力以近似比例增加，对轨道（桥梁）影响相应增大，但这种影响可通过提高车辆动力学性能及降低轮轨动力作用得到缓解和改善［8］.提高货车运行稳定性和采用轮轨低动力作用技术，有利于车辆轴重增加［1］；所以尽管轴重增加，但对轨道、桥梁的冲击力却将随冲击系数的减少而不增加或增加有限（与轴重增加大小相关）.北美铁路协会进行了29.8 t、32.43 t和35.72 t轴重试验研究，结果表明：通过优化悬挂系统和增加一系弹性垫，有效降低了重载对轨道的破坏（桥梁相应减小），最佳运用轴重由29.8 t提高到32.43 t\[8\] ，提高比例为8.8%；根据该研究成果，仅通过优化车辆悬挂系统和增加一系弹性垫，我国既有桥梁在维持原局部承载能力不变基础上即能满足25 t×32.43/29.8=27.2 t轴重的重载列车通行要求.国外规范计算局部承载其受力扩散是扩散到混凝土板中心，而我国规范是扩散到混凝土板顶面，因此我国桥梁局部实际承载能力较国外有一定设计盈余.以原铁道部设计标准图中的32 m简支T梁为例：使用年代较早的专桥（01）2051T梁翼缘板厚度12~27.7 cm，轨枕底道砟厚度30 cm，Ⅱ型轨枕长250 cm，轴重横向扩散宽度为2×30×tan 35°+250=292 cm，如将受力扩散到混凝土板中心，横向扩散长度为2×\[30+（12~27.7）/2\]×tan 35°+250=300.4~311.4 cm，局部承载横向受力范围为原设计的102.87%~106.64%，说明该梁局部实际承载能力允许轴重提高到102.87%~106.64%，即在优化车辆悬挂系统和增加一系弹性垫基础上，可通行27.2 t×（102.87%~106.64%）=27.98 t~29.01 t轴重的重载列车；使用年代较近的通桥（2005）2101 T梁翼缘板厚度24~33.1 cm，轨枕底道砟厚度30 cm，Ⅱ型轨枕长250 cm，轴重横向扩散宽度为2×30×tan 35°+250=292 cm，如将受力扩散到混凝土板中心，横向扩散长度为2×（30+（24~33.1）/2）×tan 35°+250=308.8~315.19 cm，局部承载横向受力范围为原设计的105.75%~107.94%，即在优化车辆悬挂系统和增加一系弹性垫基础上，可通行27.2 t×（105.75%~107.94%）=28.76 t~29.36 t轴重的重载列车.仅综合上述两方面因素，在未考虑设计理论差异储备情况下，既有桥梁实际局部承载能力满足28~29.4 t轴重重载列车通行要求，车辆采用轴重在现25 t轴重基础上可提高11.92%~17.4%以上.d.规范设计理论差异储备.铁路桥涵设计使用年限和公路桥涵设计基准期均为100年［67］，铁路容许应力法与我国公路和国外极限状态法相比，其活载分项安全系数的安全裕度基本一致，但铁路容许应力法对受力指标及材料参数控制值明显小于公路和国外的极限状态法.以C40混凝土为例：公路混凝土C40轴心抗压强度设计值fcd为18.4 MPa、轴心抗拉强度设计值ftd为1.65 MPa，而铁路混凝土C40中心受压容许应力为10.8 MPa、无箍筋及斜筋时的主拉应力为0.90 MPa、梁部分长度中全由混凝土承受的主拉应力为0.45 MPa，且铁路梁部原标准图常规设计指标均是按运营荷载作用下梁体受拉区不容许出现拉应力进行控制，说明铁路原设计安全储备较大.鉴于铁路行业拟改用极限状态法，通过上述类比，对既有铁路可按25 t×（1.2～1.25）系数提高通行轴重并开行轴重30 t重载列车.e.大轴重重载通行时桥梁结构动力响应分析.轴重增加对轨道（桥梁）影响与车辆动力学性能密切相关［3］，由于车辆悬挂系统改进并采用低动力性能转向架、车轮踏面优化和轨道平顺性增加，车辆轴重增加后对轨道、桥梁的动作用力反而减少.陇海、兰新线综合动力学试验结果表明：21 t轴重货车采用新型转向架、运行120 km/h速度，比普通转向架运行70 km/h速度对轨道的横向作用力要少40%，对桥梁影响相应减小.25 t轴重、70 t级新型转向架货车以120 km/h运行时，比21 t轴重、60 t级普通货车以55～65 km/h运行时对轨道的作用力要小.同一速度级下，新型转向架的25 t轴重、70 t级试验列车对钢轨、轨枕、道床的振动加速低于21 t轴重、60 t级车［1］；说明大轴重重载新型低动力车辆通行时桥梁结构动力响应能满足列车运行安全要求.3.3速度与线路、桥梁和轴重匹配分析根据多次提速试验研究结果：客车由原100 km/h提到200 km/h，对桥梁动力作用增大并不十分明显；但货车由原50~60 km/h提高到70~80 km/h时，对桥梁动力作用尤其是横向动力作用成倍增大（约2~10倍），一些类型桥梁振动已危及行车安全，在该类桥上货车不得不限速60 km/h［10］，说明当车桥耦合动力响应不能满足列车运行安全和平稳性要求时，可通过限速予以解决，且重载货车通行速度不宜太高.由于车桥横向动力学在国际上可供参考资料很少，因此，对桥梁横向刚度和变形要求现行规范只能参考国外有关规范和研究，按偏于严格的原则确定［10］；我国铁路提速改造后桥梁满足货车90 km/h安全运行要求［9］，而现行货车运行速度一般在80 km/h及以下［4］，都说明现货车运行速度有不小于10 km/h的速度盈余.综合国外重载运输开行速度（表1）和经验，我国重载列车运行速度宜取80~90 km/h，该速度能源(燃油)消耗较低，可降低检修成本，达到技术经济效益最优目的［3］.3.4车长与站线长度的匹配分析从与桥梁受力合理匹配角度出发，重载车辆应优先采用车长长、轴距大进行设计；但我国既有铁路客货混行、站线长度多为1 050 m，如借鉴美国车长，在1 050 m站线长度下列车运量增量很小，仅为1.61%［3］.既有站线长度、编组长度相同时，通用铁路货车轴重从23 t提高到27 t，载重将从70 t提高到80 t，单车载重增加10 t，提高14.3%，每列车增加运能660 t，按每天装车12.5万辆计算，增加运能175万t；实现列车编组7 000 t以上［1］；如开行轴重30 t、载重100 t级通用货车，其运能将在现通行轴重23.46 t、载重70 t级通用货车基础上提高42.8%；因此，车长与站线长度合理匹配才能大幅度提高运能.4铁路重载运输轴重的选取根据国外重载运输发展经验，29.82～32.43 t为重载运输轴重黄金值范围，是各国重载车辆保有量最多的轴重区段，美国研究认为32.43 t是轴重最佳值［3］.根据重载运输发展条件分析，既有铁路路网干线应发展轴重27～30 t重载运输.考虑到重载专线配属相对固定，线路、桥梁易满足重载要求，对大秦线等重载煤运专线应发展轴重32.5 t重载运输；对未来矿石、钢铁重载运输专线应借鉴澳大利亚经验发展轴重35～40 t重载运输.5结语a．我国既有铁路线路、桥梁满足30 t轴重重载列车运行要求.b.我国重载列车运行速度宜取80～90 km/h.c.既有铁路路网应发展27～30 t轴重重载运输；重载煤运专线应发展32.5 t轴重重载运输；矿石、钢铁重载专线应发展35～40 t轴重重载运输.d.应制定轴重27 t、30 t级通用车辆和轴重32.5 t专用车辆标准并批量生产.e.应结合车辆技术进步和动力性能改进以及国内外规范对铁路工程规范进行修编，使工程建设合理；f.铁路重载运输是一个系统工程，涉及铁道工程、车辆装备等各行业，且各行业之间相互关联、相互影响并相互制约，应加强各行业间技术交流.致谢本文在调研国内外重载运输发展和相关试验研究成果中，参考、借鉴了原铁道部运输局、中国铁道科学研究院的相关研究报告，并分别引用了钱立新先生、张红旭先生、王国彬先生各自独著论文和雷恩强与于跃斌、魏洪亮、李华合著、柯在田与张煅合著论文的部分资料，在此一并致谢.