高速货运动车组的研制

丁立卿，熊力，梁永廷，刘晨辉，武娟娟

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

高速货运动车组的研制

丁立卿，熊力，梁永廷，刘晨辉，武娟娟

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

为满足我国高速铁路快件货运的发展需求，基于时速350km动车组技术和产品平台，以提高动车组经济性和实用性为目标，开发研制符合快件货运的低成本、大容积、大载质量、货物安全、满足一体化运输要求的时速350km速度等级货运动车组。阐述货运动车组研究背景及主要技术方案，为我国货运动车组的设计、研究提供参考。

高速铁路；货运动车组；集装器；装载门；视频监控

0 引言

由于我国产业结构调整和高新技术产业的发展，以加工组装工业、电子工业和第三产业为主的工业运输需求发生了重大变化，呈现出轻、薄、短、小的特点，消费市场顾客要求的多样性和个性化使运输从少批次、大批量、长周期转变为多品种、小批量、多批次、短周期、及时性，继而催生了电商行业的快速发展。在物流领域出现了为顾客提供配送服务的物流中心、配送中心，传统储存运输包装等服务在物流渠道的重组中逐步被现代物流配送服务所取代，新兴的非国有物流企业逐渐出现并正在逐步占领物流市场。

随着高速铁路的建设与发展，缩短了城市间的距离，也使城市间的经济、文化、贸易等交流更加频繁。为适应时代发展，伴随着电商行业与高速铁路的日渐成熟，两者结合的产物——大容积、大载质量、货物安全，满足公路、铁路、航空一体化运输要求的时速350km速度等级的货运动车组的研制成了当前高速列车发展的一项重要课题。在充分调研国内电商及运营部门的货运需求及技术特点、巩固发展既有动车组成果的基础上，开展高速货运动车组技术及方案研究，并通过货运动车组样车的研制来验证技术方案的可行性。

1 研制背景

1.1 国外

目前，在高速铁路上运营货物列车的国家有法国、德国、意大利等。开行区段一般是大城市节点区段[1-2]，其中法国的TGV邮政列车最具代表性。

法国高速铁路货物列车速度为200～270km/h，德国、意大利限制在160km/h以内。高速铁路货物列车主要有2种类型：一种由高速旅客列车直接改造而成，如法国TGV邮政专列；另一种由普通货物列车改造而成，并在高速铁路上运行，如法国Sernam200包裹列车、德国DBSgss-y703型列车。法国邮政总局以每列1.7亿法郎购买了2列TGV旅客列车改装成货车，后又购买了第3列TGV，把高速铁路货运业务从巴黎延伸到沃克吕兹省。目前，法国铁路为法国邮政总局在巴黎—里昂间开行日间TGV邮政列车，在巴黎—布鲁塞尔间开行夜间高速货运列车。近期，法国还计划修建里尔—里昂长700km的高速货运专线。该线连通荷兰、瑞士、意大利，并经由距法国巴黎东部约150km的货物专用机场。TGV邮政列车（见图1）与客运动车组的编组及动力配置基本相同，列车装载作业一体化和标准化，实现了货物的快捷运输。

图1 TGV邮政列车

2000年1月，德国铁路公司（DB）开始为德国邮政公司在南北线上开展国际包裹运送业务。该线连接汉堡、汉诺威、维尔茨堡、慕尼黑、纽伦堡和斯图加特，途经汉诺威—维尔茨堡高速铁路，连接德国邮政公司33个货运中心中的13个。城际包裹运送业务采用4列DBSgss-y703型列车（一种专用的集装箱列车）。这种列车由20世纪90年代初的特快货运列车演变而来，牵引机车为2台6MW的101型机车，既可在既有线运行，也可在高速铁路运行。

意大利高速铁路运送鲜活、易腐货物的快速货物列车最高速度为160km/h。为保证客、货列车共用高速铁路的行车安全，线间距、曲线半径、隧道断面、列车控制系统等主要技术指标都要求达到高规格、高标准。

欧洲CAREX项目（EUROCAREX，EUROCargoRailExpress）利用欧洲既有高速铁路网，通过高速列车运输部分航空货物（航空托盘或航空集装箱），运输距离在300～800km。CAREX制定了三步走策略：2015年前开通伦敦、里昂、戴高乐、阿姆斯特丹等地货运业务；2018年，进一步完善高速铁路货运网络结构；2020年延长运营范围，扩大经营规模。

1.2 我国

目前我国尚无高速货运专列，铁路快件的货运主要以行李车为主。通过对快运货物类型及特征、快运货物市场前景、快捷货运市场现状3个方面的分析，为满足我国高速铁路快件货运的发展需求，中车唐山机车车辆有限公司（简称中车唐山公司）以时速350km动车组成熟的技术体系和产品平台为基础，以提高动车组经济性和实用性为目标，开发研制符合我国国情的低成本、大容积、大载质量、货物安全、满足一体化运输要求的时速350km速度等级货运动车组。

1.2.1 快运货物类型及特征

快件运输的货源主要集中在小批量、高价值、时效性要求较高的货物品类，通常为散件形式，需包装后运输。快运货物类型及特征见表1。

表1 快运货物类型及特征

1.2.2 快运货物市场前景

2016年我国快递业务量达到312.8亿件，同比增长51.4%。如按每件快递产品1～3kg计算，快运市场规模在3128万～9384万t。未来快运市场规模仍将快速增长，潜力巨大。2007—2016年快递业务量及快递业务收入见图2。

1.2.3 快捷货运市场现状

据统计，目前我国国内快件运输中，公路运输占80.0%，航空运输占15.0%，铁路行李车快运占3.5%，水运及其他占1.5%。

动车组装载率达到70%情况下，货运动车组的合理价格较航空快运具有明显优势（见表2，以北京—上海运输区间为例）。如可实行夜间运营方式、线路使用费享受一定优惠，则市场竞争力将更优。

图2 2007—2016年快递业务量及快递业务收入

表2 运输方式比较

2 高速货运动车组整车方案

按照“安全、可靠、成熟、经济、适用”的原则，中车唐山公司对货运动车组的编组形式、车型配置、平面布置、主要参数及关键系统的组成、功能和接口等进行研究，以最大程度满足快件货运公路、铁路及航空货运一体化运输、大容积、大载质量的要求。

按照货运动车组总体技术条件的相关技术指标及功能要求，在保证安全、可靠的前提下，对转向架、制动、网络、辅助电气、车体、车内设施等关键系统进行方案设计。通过研制集装器、货运地板、装载门等关键部件，实现货物的快速装卸；并通过质量平衡管理、防火防盗监控、货物编码识别等技术手段，保障货物的运输安全。高速货运动车组主要技术参数见表3。

表3 高速货运动车组主要技术参数

根据货运动车组的特点和电商的需求信息，时速350km货运动车组采用4动4拖的8辆编组形式，其中：02、04、05、07车为动车；03、06车为受电弓车；01、08车为端车。分工作区和货仓区，中间车均为货车。时速350km货运动车组平面布置见图3。

3 关键系统方案

3.1 集装器

3.1.1 结构形式

集装器放置在货运动车组车厢内部，用于承载已包装好的零散物品箱，满足飞机、火车、汽车一体化运输，集装器箱体坚固且方便装卸。底部为托盘形式，方便集装器的固定。同时底部设置叉车孔，方便叉车运输。对于设有叉槽的集装器，叉车孔和支承座应能将其承受的载荷传至下底座。

图3 时速350 km货运动车组平面布置图

集装器规格的确定主要考虑以下几方面：厢式汽车的型号及尺寸；航空集装箱；货运列车内部空间；装载门净通过尺寸。根据《快运车辆载货标准空间尺寸及集装器具第1部分：型式与轮廓尺寸》集装器规范，确定适用于公路、铁路联运（货运动车组及棚车）的通用型集装器形式。

集装器主体框架及蒙皮均采用铝合金材质，通过铆接或焊接组成。集装器门设置为篷布卷帘形式。篷布卷帘选用带有防弹纤维的高强度材料，具有防割、防雨淋、防划伤等功能，中间增加加强条，以防运输过程中因倾斜导致货物倾翻。

结合货运动车组和厢式汽车、飞机货仓的实际空间尺寸，以增大载货容积为目的，保证空间利用率，开发集装器Ⅰ（见图4）：尺寸1150mm×1350mm×2000mm，自质量105kg，载质量425kg。考虑货运动车组运输技术的发展，研制了更大存储空间的集装器Ⅱ（见图5），用来增大货运动车组的载货量及装载效率。集装器Ⅱ尺寸1150mm×2700mm×2000mm，自质量210kg，载质量850kg。

图4 集装器I

图5 集装器Ⅱ

为了使集装器的产品体系更加完善，增加动车组载货种类，制定了具备冷藏保鲜功能的集装器方案。冷藏保鲜集装器温度可调范围为2～8℃，集装器箱体箱门内设高密度聚胺酯隔热层，隔热层密封不外露，冷藏冷冻设备柜体内部各处接缝密封，冷凝水不得进入隔热层内；底部设置带过滤装置的冷凝水管，冷凝水不能在集装器内积存。

3.1.2 布置形式

01、08车为带工作区的头车货车，车上布置相同，设司机室、机械师和押运人员工作区，后端为货仓区，货仓区两侧分别设置1个装载门，车辆设置定员2人，装载18个集装器。02、04、05、07车为中间货车，不设定员，装载34个集装器，车辆两侧分别设置2个装载门。03、06车为带受电弓的中间货车，不设定员，装载34个集装器，车辆中部区域两侧分别设置1个装载门（见图6）。

3.1.3 安装方式

每个集装器由设置在地板上沿车体纵向布置的4个横向止挡器和4个双固定爪紧固装置进行限位。集装器横向断面和纵向安装见图7。

图6 集装器布置

图7 集装器安装方式

双固定爪紧固装置由基座、双爪头及滚轮等构成，用于集装器间的纵向及垂向限位。使用时可从地板凹槽处翻起，卡在集装器凹槽内（图7中局部放大视图），用于集装器纵向和垂向的固定。横向止挡器由型材基座、止挡转头及导向轮等构成，沿车体纵向布置，用于集装器横向限位及搬运导向。端部止挡器由型材基座和止挡转头等构成，设置在车内地板两端，用于端部集装器的纵向限位（见图8）。

图8 端部集装器固定方式

3.1.4 强度分析

集装器紧固装置基座、爪头用曲边四面体实体单元模拟，转轴用梁单元模拟，集装器箱体用壳单元模拟（见图9）。基座螺栓孔处设置固定约束，集装器约束垂向位移。将集装器箱体的质量配置成1060kg，载荷以加速度方式施加。强度计算工况见表4（g=9.81m/s2）。集装器材质与横向止挡、纵向止挡基座相同。紧固装置及集装器应力云图见图10，强度满足设计要求，集装器能够满足货运动车组对其要求。

图9 有限元模型

表4 强度计算工况列表

图10 紧固装置及集装器应力云图

3.2 货仓区地板

为了实现集装器在门口区域的自由转动，进入货仓区后能按地板导向进入车内，货运动车组货仓区门口区域设置带有万向球的地板，非门口区域设置带有滚柱装置的地板。地板上设置集装器固定装置、端部和横向限位止挡器；横向限位止挡器设置滚轮，在集装器搬运过程中起到导向作用（见图11）。

图11 货仓区地板区域布置

3.3 大装载门

3.3.1 功能

大装载门具有自动开关门、手动解锁及开门（仅车外操作）、零速保护、障碍检测等功能，具备良好的水密性，并可保证一定的气密性，车门强度能够承受6kPa的气动载荷，能适应350km/h运用需要。大装载门的净通过尺寸为2355mm×2900mm。

3.3.2 构成

大装载门主要由承载驱动机构、左门扇、右门扇、下导轨、左锁、左隔离锁、右锁、右隔离锁、自动开关门装置等部件组成（见图12）。

图12 大装载门结构组成

3.4 货运安全

为保证货物的运输安全，货运动车组从防火监控、防盗视频监控、温度监控3方面进行安全设计。

3.4.1 防火监控系统

全列车设置火灾报警系统及灭火设施，报警系统全列联网，货仓区设置火警探头，头车乘客信息系统（PassengerInformationSystem，PIS）柜设置火灾报警主机，司机室人机界面（HumanMachineInterface，HMI）及办公区设置蜂鸣报警装置。

头车设置4个火灾探头，电气柜及卫生间处各设置1个，货仓区设置2个；中间车货仓区设置4个火灾探头。火灾探头布置方案见图13，火灾报警原理见图14。

图13 火灾探头布置方案

图14 火灾报警原理图

3.4.2 防盗视频监控系统

货运动车组设置防盗视频监控系统，通过头车工作区的监视屏对货仓进行全方位、无死角监控；头车及中间车货仓区各设置2台监控摄像机，布置方案见图15、图16。

图15 摄像机布置方案

图16 摄像机安装实物图

网络摄像机采集监控数据，经以太网传输至车厢视频监控服务器进行录制存储，通过车厢视频监控服务器接口连接至同轴总线，监控原理见图17。

3.4.3 温度监控系统

货运动车组设置货仓温度监控系统，通过司机室HMI温度显示界面实现对货仓温度的实时监控。各车厢货仓区都各设置2个NTC温度传感器。NTC温度传感器由NTC热敏电阻、探头（金属壳或塑料壳）、延长引线及金属端子或连接器组成。利用NTC热敏电阻在一定测量功率下电阻值随温度上升而迅速下降的特性，将NTC热敏电阻通过测量其电阻值来确定相应温度，从而检测温度，以便通过控制器控制整个车厢的温度。

图17 防盗视频监控原理

4 结束语

经过方案策划、理论计算、材料选型、结构设计、模型车搭建、人机工程学验证，通过合理、巧妙的结构及材料搭配，中车唐山公司开发研制了符合我国快件货运的低成本、大容积、大载质量、货物安全、满足一体化运输要求的时速350km速度等级货运动车组，填补了国内货运动车组的空白，完善了铁路运输的产品技术体系，增加了市场竞争力，同时为后续货运动车组的研制提供了借鉴。

[1]谭克虎，张超．法国高速铁路货运模式研究[J]．中国铁路，2014(3)：16-20．

[2]谭克虎，张宇．欧洲高铁货运业务发展模式研究[J]．中国铁路，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，高级工程师。E-mail：sjc-dingliqing@tangche.com

责任编辑 高红义

2017-07-05