我国铁路整车驮背运输技术研究

杨广全，刘寅华，李 兴

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081；2.中车山东机车车辆有限公司，山东 济南 250022)

驮背运输分为整车驮背运输和半挂车驮背运输，在欧美国家广泛应用[1-4]，形成了以集装箱运输为主、驮背运输为辅的发展格局，特别在欧洲地形复杂、运输条件较差的地区，铁路驮背运输发挥了重要作用。借鉴欧洲驮背运输发展经验，针对我国部分山区既有公路运输安全性较差、铁路运营车流密度低、运能富余的特点，设计铁路整车驮背运输技术方案，为我国铁路开展整车驮背运输提供技术支撑。

1 欧洲驮背运输技术模式

1.1 整车驮背运输技术模式

欧洲的整车驮背运输服务于高度专业化的需求市场，主要在英吉利海峡隧道以及穿越阿尔卑斯山区的贸易通道上运营。2019年欧洲整车驮背运输运量如表1所示，按1辆卡车相当于2 TEU换算统计，其总运量为3 801 205 TEU，其中欧洲国家内部的驮背运输运量为242 328 TEU，国际跨境运量为3 558 877 TEU，而英吉利海峡隧道整车驮背运量占欧洲整车驮背运量的85.4%。英吉利海峡隧道是欧洲最大的整车驮背运输贸易通道，英吉利海峡隧道整车驮背运输运量如表2所示，2017年达到历史最高，为3 274 560 TEU，2019年运量有所降低，为3 246 638 TEU[5]。除英吉利海峡隧道整车驮背运量外，整车驮背运输跨境运量排在前列的分别为：德国与意大利运量为16万TEU，奥地利与斯洛文尼亚为10万TEU，奥地利与意大利为2万TEU。

1.1.1 英吉利海峡隧道整车驮背运输

英吉利海峡隧道铁路长50.5 km，连接英国的福克斯通和法国北部港口城市加来，承担着高速旅客列车、国际货运列车运输、滚装摆渡运输和货运驮背运输服务。英吉利海峡隧道约50%的运营能力分配给国际客货运列车，50%分配给整车驮背运输服务。整车驮背运输服务直接由英吉利海峡隧道公司运营。

表1 2019年欧洲整车驮背运输运量  TEUTab.1 European piggyback transportation volume of wagon loading goods in 2019

表2 英吉利海峡隧道整车驮背运输运量 TEUTab.2 Piggyback transportation volume of wagon loading goods in English Channel Tunnel

客运汽车整车驮背运输列车用于装运长途客车、小汽车、房车、摩托车等公路汽车，采用专用的铁路棚车装运[6]。货运整车驮背运输列车用于装运重型卡车，该列车由2辆牵引机车、1辆卡车司机休息车厢、3辆装载平车平台、前后2组铁路货车组成，整列长度约750 m，最大装载重量约为2 400 t，最大运营速度140 km/h。英吉利海峡隧道整车驮背运输列车编组示意图如图1所示。3辆装载平车分别位于列车前部、中部和尾部，并配有渡板，渡板竖立时作为平车侧墙，翻平后可桥接在站台和平车之间，供重型卡车开上开下。

第1代驮背载运车辆，由意大利布雷达公司(Breda)制造，由坚固的车顶和栅格式侧墙组成，形成了整体型结构；第2代驮背载运车辆，由法国阿尔贝尔-福维特铁路设备制造商(Arbel-Fauvet-Rail)制造，车身由4组塔形的车顶和侧体结构组成，4个塔形结构覆盖了整个车辆长度，第1代和第2代驮背载运车辆的顶部与架空输电线之间提供了物理隔离。为了减轻货车重量，Arbel型载运车辆逐步去除了塔形结构。

英吉利海峡隧道的场站设在英国的福克斯通，连接到高速公路M20；法国设在科凯勒，连接到高速公路A16。公路卡车进入场站时，首先自动测量卡车外廓尺寸，确保长度不超过19 400 mm，高度不超过4 250 mm；若超高，则采用限高工具人工测量卡车的外廓尺寸，可通过调节卡车悬挂系统，使卡车的整体高度降低到可接受的范围。卡车外廓尺寸符合装载要求后，英国和法国海关对卡车运输的货物进行抽查，检查是否符合申报的要求。之后在篷布检查区域检查卡车篷布是否有缺陷，确保系紧篷布。调度人员根据篷布检查区的建议分配载运车辆，将篷布状况不良的卡车分配给Breda型车辆，依靠车顶提供额外保护；将火灾等级低的卡车分配到列车休息车厢的后部载运车辆，分配了载运车辆的卡车开到等待区准备装车。

装车前，位于站台上的天线探测系统自动检测高于4 250 mm的卡车天线，若天线高于4 250 mm，司机将天线降低至4 250 mm高度以下，且对卡车外形进行安全检查，包括烟雾、加热装置、天线、冷藏、油箱盖和电气设备。装载时，分配到列车前部的卡车从中部装载平车侧向开上装载，分配到列车后部的卡车从尾部装载平车侧向开上装载，并在载运车辆的指定位置停下，采用轮挡对卡车进行加固，确保运输过程中卡车不产生位移。装载完成后，卡车司机由2辆巴士载运到休息车厢随车运输。

1.1.2 阿尔卑斯山区整车驮背运输

图1 英吉利海峡隧道整车驮背运输列车编组示意图Fig.1 Marshalling of accompanied piggyback transportation trains in English Channel Tunnel

欧洲的滚动高速公路(Rolling Highway)是把铁路平车作为运输平台，汽车直接开到平车上进行运输，是一种公铁联合运输方式。主要优点是采用滚装滚卸方式，不需要其他装卸设备，硬化地面即可满足装卸要求，缺点是运输公路牵引车、卧铺车等无效载荷。滚动高速公路总体效益体现在快速装卸、装卸设备的节省，以及吸引公路车流，一般用于公路运输受到限制或公路路况条件差的地区，特别是在穿越阿尔卑斯山脉的铁路线上广泛应用。欧洲滚动高速公路的铁路车辆采用8轴小轮径平车，长18.89 m (有效长18 m)，定距13.5 m，地板高度0.41 m，构造速度120 km/h，自重17 t，载重43 t，轴重7.5 t，轴数8，轮径在新轮状态360 mm至磨耗到限状态35 mm之间，允许装载的卡车尺寸为：长度18.8 m，宽度2.6 m，高度4 m。装卸方式为从列车端部渡板开上开下。

滚动高速公路是一种联合运输方案，主要在欧洲特定的过境路线上运行。为了使滚动高速公路运营可行，政府对道路运输实行严格的行政限制，对道路使用收取高昂的道路通行费、使用费或道路运输作业的其他附加费用，或向滚动高速公路运营商提供巨额补贴[7]。

1.2 半挂车驮背运输技术

半挂车是欧洲铁路驮背运输的基本装载单元，标准长度为13.6 m，分为可吊装半挂车和不可吊装的半挂车。可吊装半挂车在底部设有起吊板，比不可吊装半挂车重300 ～ 500 kg，适应公铁换装的机械化吊装吊卸作业方式，装卸设备配备带抱夹腿的吊具即可满足装卸要求。由于可吊装半挂车较重，增加了购置成本，降低了有效装载载荷，导致市场占有率较低。目前，欧洲不可吊装的标准半挂车约占97%，可吊装半挂车仅占3%。要从单一的半挂车公路运输转向公铁联运，将不可吊装半挂车转向铁路运输是重要措施，采用的技术手段为采用CargoBeamer平移式、ModaLohr中部旋转、Megaswing端部旋转等水平转运技术或NiKraSa、ISU等辅助托盘装载系统[1]。

CargoBeamer平移式驮背运输借助地面装置以托盘承载半挂车实现货物全自动装卸，可在15 ～ 20 min内实现整列装卸，但站场设施复杂，需要较大的作业面积和专业人员配合完成装卸作业，初期投入较大；车体旋转式驮背运输车通过车体中部半挂车托盘旋转，配合地面斜坡及地面拖车牵引，实现整列车的同步装卸，整列装卸时间约30 ～ 40 min，但站场需要较大的作业面积和专业操作人员配合作业，站场设施复杂；辅助托盘装载系统将不可吊装半挂车转换为吊装装卸方式，实现不可吊装半挂车的公铁联运，缺点是半挂车在辅助托盘上定位过程中，损坏半挂车的风险较大。

2 我国铁路整车驮背运输装载设计方案研究

欧洲铁路驮背运输实践证明，整车驮背运输技术是适合运距较短的公铁联运技术，特别在英吉利海峡隧道、跨越阿尔卑斯山的货物运输中取得了成功的应用，具有场站要求低、投入少、见效快的特点。借鉴欧美发展整车驮背运输的经验，在我国部分山区铁路发展整车驮背运输技术，设计整车驮背运输方案，对于山区环境保护、运输安全性和时效性都有重要意义。

2.1 铁路限界对铁路车辆承载面高度的要求

针对客货共线铁路机车车辆限界[8]，以运输公路长头铰接列车(牵引车+半挂车)为例[9]，公路半挂车从不超限到超限过渡。按照机车车辆限界基本轮廓尺寸，计算公路半挂车超限的高度临界点为4 341.7 mm。因此，在装载公路半挂车、装载不超限条件下，铁路整车驮背运输车辆承载面高度须≤ 341.7 mm。

2.2 成列滚装滚卸铁路驮背运输车辆设计

当装载公路半挂车且不超限的条件下，铁路车辆承载面高度不能超过341.7 mm。目前，铁路货车车轮直径一般在840 mm以上，直接影响了车辆承载面高度的降低，受转向架结构限制，一般铁路货车在中部采用低承载面，转向架部位仍为高承载面；这种货车的货物装卸主要有吊装吊卸、端部可移动的滚装滚卸2种方式，前者需要起重设备和场地，后者需要货车端部的移开和合并。为了降低整车承载面，提出了整体低承载面的小直径车轮的4轴转向架，该转向架车轮车轮直径380 mm，直接减小了传统车轮所需的安装和运动空间，使转向架上方的车辆地板作为承载面使用，组成连续低装载面驮背运输车，满足按列滚装滚卸要求。为了便于按列滚装滚卸，车辆之间设置翻转渡板装置，驮背车之间形成连续的装载平台。

为了使滚装滚卸铁路驮背运输车辆与机车之间匹配连挂，在铁路驮背运输车上安装可拆卸的活动牵引装置，它内置13型车钩、MT-3型缓冲器，将活动牵引装置安装在端车上，安装后车钩中心线高度880 mm，与机车的中央车钩机构相匹配。滚装滚卸铁路驮背运输车辆上安装链子钩和侧缓冲器，在相邻驮背车之间利用链子钩进行连接，链子钩的一侧设置侧缓冲器，用于缓解铁路驮背车运输过程中的纵向冲击力，吸收动能，链子钩距轨面336 mm，侧缓冲器距轨面300 mm。

滚装滚卸铁路驮背运输车辆凹底承载部采用格栅结构，一是减轻车体的重量，二是便于加固轮挡定位，轮挡上的限位块能够插入承载部格栅结构设置的沿铁路驮背运输车宽度方向的间隙中，进而限制公路汽车沿驮背车的纵向运动。滚装滚卸铁路驮背运输车辆采用凹底承载结构、小轮径转向架，其特点为：标准车辆接口，可与机车和货车连挂；低重心设计，无需限速运行；低装载面设计，可运输高度不超过4 m的装载物；轮挡加固，简单可靠，实现货物的安全快速加固；车组间渡板形成不间断装载面，实现连续装卸。

2.3 驮背运输成列滚装滚卸装载加固方案计算

公路货车均衡、稳定地装在滚装滚卸铁路驮背运输车辆上，驮背运输车辆承载底架与公路货车车轮接触部位采用防滑地板和栅格结构，采用至少8个轮挡进行纵向加固。以运输公路长头铰接列车(牵引车+半挂车)为例，在铰接列车前部一根车轴两侧轮胎的前后各放置1个轮挡，后部一根车轴两侧轮胎的前后各放置1个轮挡，轮挡限位块插入承载部格栅结构与铁路驮背运输车辆固定牢靠，轮挡与轮胎掩紧。运输过程中，公路货车门窗应锁闭，驻车制动应处于制动状态。成列滚装滚卸驮背运输车辆装载示意图如图2所示。驮背运输车辆自重W= 21 t，转向架中心距L= 13 700 mm，空车重心高384 mm，承载面距轨面高316 mm。长头铰接列车长l= 18 100 mm，高h= 4 000 mm，宽w= 2 550 mm，自重Q= 18 t，满载总重Q满= 49 t，空车重心高1 140 mm，装载面距地面高度1 435 mm，轮胎直径D= 1 100 mm。按照《铁路货物装载加固规则》对驮背运输成列滚装滚卸装载加固方案进行计算[10]。

2.3.1 重车重心高计算

铁路货车重车重心高是影响重车运行平稳性的重要因素之一，为了保证列车运行安全，《铁路货物装载加固规则》规定重车重心高度须不超过2 000 mm。假设货物在长头铰接列车车厢中均匀装载，则满载的货物重心高为1435 + (h- 1 435) / 2 = 2 717.5 mm，计算满载的长头铰接列车重心高度H货。

驮背运输车辆空车重心高384 mm，承载面轨面高316 mm，则驮背运输车辆重车重心高H计算如下。

因此，滚装滚卸驮背运输车辆重车重心高满足《铁路货物装载加固规则》的要求。

2.3.2 力值计算

为验证铁路货物的装载加固强度是否满足《铁路货物装载加固规则》的技术要求，需要计算货物纵向惯性力、横向惯性力、垂直惯性力、风力、摩擦力等基本力值。

（1）惯性力计算。长头铰接列车与滚装滚卸驮背运输车辆之间通过轮胎接触，由于轮胎为弹性单元，因此二者间为柔性连接，故采用柔性加固计算纵向惯性力。

图2 成列滚装滚卸驮背运输车辆装载示意图Fig.2 Loading diagram of roll-on roll-off piggyback transportation vehicles

当装载空载的长头铰接列车时，驮背运输车辆总重为G空= 39 t，计算每吨货物的纵向惯性力t空，货物产生的纵向惯性力T空。

当装载满载的长头铰接列车时，驮背运输车辆总重为G满= 70 t，计算每吨货物的纵向惯性力t满，货物产生的纵向惯性力T满。

（2）横向惯性力计算。按照《铁路货物装载加固规则》规定，货物重心偏离车辆横中心线的距离a不得超过100 mm，计算每吨货物的横向惯性力n0。

当装载空载的长头铰接列车时，计算货物产生的横向惯性力N空。

当装载满载的长头铰接列车时，计算货物产生的横向惯性力N满。

（3）垂直惯性力计算。按照《铁路货物装载加固规则》，计算每吨货物的垂直惯性力q垂。

（4）风力计算。当装载18.1 m的长头铰接列车时，计算侧向迎风面的投影面积S及风力F风。

（5）摩擦力计算。按照《铁路货物装载加固规则》，橡胶垫与钢板之间的摩擦系数μ取0.5。

2.3.3 横向倾覆稳定性

当货物的倾覆稳定系数小于1.25时，需要采取加固措施。长头铰接列车的轮胎外侧宽度为2 500 mm，则货物重心所在纵向垂直平面至货物倾覆点之间的距离为b= 2 500 / 2 = 1 250 mm。

2.3.4 加固强度计算

如果货物的纵向惯性力大于纵向摩擦力或横向惯性力与风力之和的1.25倍大于横向摩擦力，则应采取加固措施防止货物移动。当装载满载的长头铰接列车时，计算加固材料应承受的纵向力为

计算加固材料应承受的横向力为

采用轮挡对长头铰接列车进行纵向加固。当装载空载的长头铰接列车时，确定轮挡的最低高度为当装载满载的长头铰接列车时，确定轮挡的最低高度为

因此，设计轮挡高度h掩= 400 mm，轮挡采用全钢焊接结构，轮挡结构材料为Q450NQR1高强度耐候钢，其屈服强度为σs= 450 MPa，结构强度许用应力为[σ]= 382 MPa。轮挡应承受的纵向力为ΔT=413.07 kN，则每个轮挡平均承受的纵向力为103.27 kN。建立轮挡有限元计算模型，计算轮挡的最大应力为326.74 MPa，小于许用应力382 MPa，轮挡结构强度满足纵向加固要求。长头铰接列车产生的横向力由轮胎的外轮廓施加到驮背运输车辆的侧墙上，则每个轮胎平均施加的横向力为13.28 kN，计算驮背运输车辆侧墙承受的最大应力为32.23 MPa，其结构强度满足横向加固要求。轮挡计算应力云图如图3所示。

图3 轮挡计算应力云图Fig.3 Calculated stress of wheel chocks

加固强度计算表明，当驮背运输车装载长头铰接列车时，仅靠轮挡加固即可，不需要采取其他加固措施。

3 结束语

研究分析了欧洲英吉利海峡隧道、阿尔卑斯山区铁路整车驮背运输以及CargoBeamer平移式、ModaLohr中部旋转、Megaswing端部旋转等水平转运技术和NiKraSa、ISU等辅助托盘装载系统的半挂车驮背运输技术模式，针对我国部分山区既有公路运输安全性较差、铁路建成运营车流密度低、运能富余的特点，通过借鉴欧洲铁路驮背运输发展经验，采用凹底承载结构和小轮径转向架技术，提出了铁路成列滚装滚卸驮背运输车辆设计及装载设计方案，装载加固计算表明，仅需要轮挡加固措施即可满足加固要求，具有场站要求低、快装快卸的特点，为我国铁路开展整车驮背运输提供技术支撑。