北美铁路大轴重研究及其启示

2015-04-25薛艳冰

铁道货运 2015年11期

雷蕾，王烈，薛艳冰

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院运输及经济研究所，北京100081；3.中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）

北美铁路大轴重研究及其启示

雷蕾1，王烈2，薛艳冰3

通过阐述北美铁路大轴重研究的不同阶段，从市场需求、技术条件、成本效益角度分析影响轴重选择因素，提出我国铁路选择轴重的建议，即选择货车轴重时不仅要从技术上考量，更要从经济效益角度评估；加强设备检测手段和相关数据存储，为货车轴重选择提供数据支撑；以及根据情况变化及时修订线路修程修制，配合大轴重运输降低成本。

北美铁路；重载；轴重；技术经济比较

货车轴重是指机车车辆在静止状态时，每个轮对作用于钢轨的质量。国际重载协会 (IHHA) 于 1986年、1994 年、2005 年 3 次修订重载铁路标准，轴重的最低标准逐渐提升至 27 t[1]。选择合理货车轴重，可以在保证既有运量的同时降低单位运量成本，因而大轴重货物运输成为国际铁路货运发展的趋势之一。自 1956 年我国首辆自主设计的载重 50 t 的 P13型棚车诞生以来，我国货车载重从 50 t 级逐步升级换代到 60 t级、70 至 80 t 级[2-3]，轴重也逐步提升。2006 年前通用货车的最大轴重为 21 t，23 t 轴重通用货车 C70于2006 年开始在全路推广使用，2014 年 5 000 辆 27 t 轴重通用货车 C80E在大秦线 (韩家岭—柳村南) 进行运用试验，2008 年出口澳大利亚 40 t 轴重不锈钢矿石车，2015 年 30 t 轴重专用货车 C96在山西中南部通道(洪洞北—日照南) 长子南—平顺区段重载综合试验顺利完成。但是，货车轴重并非越大越好，不同线路存在着选择合理轴重的问题，分析北美大轴重 (Heavy Axle Loads，HAL) 研究，可以为我国铁路开展大轴重研究提供参考。

1 北美铁路大轴重研究

20 世纪 70 年代，北美在没有进行技术经济可行性研究的情况下，开始在适用于 22.7 t 轴重货车的线路上引进轴重 29.8 t 的 263 型货车，对线路造成严重破坏[4]。针对这样的问题，北美铁道协会从 1988—2002 年开始 HAL 系列研究，在确保运输安全的前提下确定货车合理轴重并实现利益最大化。该研究主要涉及 3 种不同轴重的车型，在美国交通技术中心有限公司 (TTCI) 的加速运用测试线路 (FAST) 及其高吨位环线 (HTL) 上进行试验。北美大轴重研究车型如表 1所示。

表 1 北美大轴重研究车型

在北美铁路大轴重研究中，备选轴重车型既定，在模拟典型煤运通道线路条件的试验线上开行 263 型车、286 型车、315 型车，收集线路各部件的基础数据，然后进行线路适应性等技术可行性研究，同时进行成本测算等经济可行性研究。根据阶段性测试数据，分析限制轴重增加的主要因素和技术难点，运用模型估算成本，进行成本效益分析[5]。最终根据技术和经济效益分析得出的结论，为铁路运营商采用合理的大轴重货车提出建议。

HAL 研究分为 5 个阶段。第Ⅰ阶段以评估 3 种轴重车型的技术可行性为主要目标，找到限制轴重增加的因素；第Ⅱ阶段提升线路条件，重点研究轴重对桥梁和线路限制因素的影响，完善前一阶段的技术和经济研究；第Ⅲ阶段重点研究转向架悬挂升级后不同轴重货车与第Ⅱ阶段轴重限制因素间的数量关系；第Ⅳ、Ⅴ阶段则重点对能耗、润滑剂等技术关键点进行专项研究。北美 HAL 5 阶段研究内容与主要结论如表 2 所示。

整个研究的每一阶段都是技术与经济评估并行，前 3 个阶段对北美货车轴重选择意义重大，特别是第Ⅱ阶段。因为第Ⅱ阶段试验中使用的优质轨道部件已经投入实际应用，同时增加了桥梁专项评估，其成本效益分析的结构完整性和结论更贴合实际。第Ⅱ阶段试验线模拟典型煤运通道，包括通过总重为 3 000万 t/a、曲线半径小的东线，以及通过总重为 8 000万 t/a、曲线半径大的西线，2 线的坡度适中。经济效益分析在为期 5 年的第Ⅱ阶段开展，其成本结构分为线路维修和折旧、桥梁改造和维修、运营成本 3 部分，其中运营成本又细化为机车车辆租用费、燃料费、人员费。假定线路部件维修率和更新率相同，从稳定状态生命周期成本角度出发，建立钢轨费用软件包 (TRACS)、道岔成本模型、道砟和道床平整及更新周期预测模型、钢桥疲劳寿命模型、列车能耗模型 (TEM)，应用全生命周期成本法估算试验线上单位货物周转量的线路、桥梁改造维修费用及运营成本[6]。北美大轴重第Ⅱ阶段成本效益分析研究结论如表 3 所示。

该经济评估方法在整个 HAL 研究中通用。虽然大轴重货车运营费用减少的比率小于相应基础设施投入增加的比率，但由于研究期间总运营费用的减少远高于基础设施改造维修投入，因而采用 286 型车、315 型车的成本低于 263 型车。而使用 286 型车在线路、桥梁方面的投入比 315 型车要低，运营费用上的节省比例更大，运营 286 型车的成本相对最低。截至2010 年，北美铁路几乎全部煤炭运输和 40% 的普通货物运输采用 286 型车。据估算，2010 年 HAL 研究成果使北美铁路运营商、客户等的受益超过 6 亿美元[4]。

表 2 北美 HAL 5 阶段研究内容与结论

表 3 北美 HAL 第Ⅱ阶段成本效益分析研究结论

2 我国铁路轴重选择的启示

2.1 影响轴重选择的因素

2.1.1 市场需求

世界铁路重载运输从 20 世纪 50 年代开始发展，二战后的经济复苏及工业化进程的加快，导致对煤炭、矿产资源等大宗商品的需求量增加、运输量增长。在各种运输方式中，铁路最适合运送大宗商品，对大宗、直达货源和货流的需求为铁路货物运输重载化提供了必要的条件。北美以煤炭为主的大宗商品运输需求不断增长，为提升铁路运能、扩大铁路效益，北美铁道协会开展大轴重研究，为选择合理的货车轴重提供参考。

我国正面临产业结构转型时期，近年大宗商品的运输需求不会发生较大增幅，加上新开通的山西中南部通道增加的货运能力，以及高速铁路、客运专线对既有客货混跑线路运力的释放，短期内我国重载运输能力不足的可能性不大，但从研究的前瞻性角度考虑，可以适当超前进行货车轴重选择研究，降低单位吨公里的货运成本，有助于货流从其他运输方式转移至铁路。

2.1.2 技术条件

北美大轴重研究认为，线路和桥梁状态是制约轴重增加的主要技术条件。轴重增加使钢轨表面和内部伤损加速，缩短道岔使用寿命；而材质、铸造工艺、维修手段等技术的提升，以及基于检测数据的状态监测、维修周期管理、寿命预测等方法减少了这种不利影响。为适应大轴重运输，桥梁需要考虑设计载荷、跨度、材质、建造年份等技术条件的差异，各桥梁的加固和维护成本差异很大，但都呈现轴重越大成本越高的规律。

我国铁路采用的主型轨道是 60 kg/m 钢轨，目前主要干线的通过总重密度大部分已经超过了 50万 t · km/km，有的已经达到、甚至超过 100 万 t · km/km，部分线路的年通过总重密度已经等于或高于轨道的承受范围。因此，线路本身存在改造需求，如果开行更大轴重货车需要进行配套改造[7]。我国桥梁材质、设计活载标准、桥梁跨度、建造年份参差不齐，为确定桥涵对重载车辆轴重的适应性，需要从列车运行时线路的竖向、纵向、横向 3 个方面进行试验分析[8]。

2.1.3 成本效益

北美大轴重研究发现，大轴重运输的收益主要来自于货车运用数量和货车走行公里数的减少、车辆载重的增加、运输能力的提高，收益大小取决于使用的货车数量和范围、货车技术特性和生命周期成本。线路设备生命周期成本中受轴重提升影响最大的是养护维修成本，特别是桥梁、钢轨、道岔、状态较差的道砟和道床的维护成本[4]。我国铁路从 2014 年开展分线财务核算，线路费用难以细化到特定线路的专项维修上，不利于成本效益模型的构建，对不同线路货车轴重选择的成本效益考量增加了难度。

2.2 建议

（1）货车轴重选择问题不仅要从技术上考量，更要从经济效益角度评估。北美注重技术、经济双重考量，而我国对技术的重视远高于经济。例如，我国载重 60 t 级提速货车、70 t 级通用货车 (轴重 23 t 及以下)、80 t 级运煤专用货车 (轴重 25 t) 等各型货车正式上线前，都在试验线路上进行了共约 4 年、30 万 km的可靠性研究[3]；27 t 轴重的 C80E、30 t 轴重的 C96货车正式运营前在大秦线、山西中南部通道上进行相应的运行试验，为验证大轴重货车的技术可行性提供数据支撑。但是，我国铁路在货车轴重研究中缺少经济可行性的研究，建议加强经济可行性的考量，建立专项成本数据库，并细化财务管理规程，实现精细化成本核算，为不同线路货车轴重选择决策提供参考。

（2）加强设备检测手段和数据存储，为货车轴重选择提供数据支撑。长期可靠的检测数据是对不同货车轴重进行经济效益评价的基础。北美大轴重研究重视长期监测和基础数据收集，定期修正和完善钢轨费用包等成本模型参数，其典型线路成本效益分析方法可以推广应用至其他线路，使分析结果更加可靠。我国虽然开展过类似的研究[8]，但时间跨度、延续性，尤其是监测手段与北美存在较大差距，基础数据的存储与利用存在较大发展空间，建议重视线路基础设备的长期监测和基础数据管理，为日后开展持续研究提供数据支撑。

（3）及时修订线路修程修制，配合大轴重运输降低成本。北美 1990 年计费吨公里的平均成本折现后比 2010 年要高，可见固定设施的投入并没有因大轴重运输的推广而增加，其重要原因是新技术引进与维修手段的进步延长了线路各部件的使用寿命[4]。我国《铁路线路修理规则》于 2006 年发布，当年通用货车轴重为 23 t，并没有考虑现阶段 27 t 轴重通用货车已投入使用的情况。因此，应根据情况变化及时修订线路修程修制，基于设备检测结果合理制定维修周期，通过状态修与周期修相结合的维修体制，降低维修成本。

3 结束语

货物列车轴重增加，车辆自重系数不变或降低，则单车载重量增加，完成相同运量可以减少货车使用数量，压缩铁路运输成本，但线路伤损、桥梁寿命等较一般线路变化明显。因此，存在一个合理轴重问题，即采用多大的轴重在技术上可行、并且能使单车运量的提高与线路维修费用间达到最合理的平衡，实现效益最大化的企业目标。北美铁路在货车轴重比选过程中的科学做法可以为我国货车轴重选择的决策提供参考。

[1] 钱立新. 世界铁路重载运输技术的最新进展[J]. 机车电传动，2010(1)：3-7.

[2] 王春山. 关于我国铁路货车装备现代化问题的研究[J]. 铁道车辆，2007，45(8)：14-17．

[3] 贺茂盛，李华，张渊. 我国通用货车发展及相关技术研究[J]. 铁道经济研究，2013(1)：36-40.

[4] Martland C D. Introduction of Heavy Axle Loads by the North American Rail Industry[C]//Babcock M W. Journal of the Transportation Research Forum.Fargo：Transportation Research Forum，2013：103-125.

[5] Kalay S，Martland C. Five Phases of HAL Research Bring Billion Dollar Savings[J]. Railway Gazette International，2001，157(6)：407-409，411.

[6] Kalay S，LoPresti J. Economics of Heavy Axle Loads：Predicted and Actual Benefits of Heavy Operations[R]. Pueblo：Transportation Technolgoy Center，2000.

[7] 中国铁道科学研究院. 既有线运用27吨轴重货车技术经济论证[R]. 北京：中国铁道科学研究院，2014.

[8] 杜旭升. 铁路既有线发展重载运输的模式研究[J]. 铁道货运，2013，31(10)：1-11.

责任编辑：刘新