一次拉货上万吨,这种铁路技术含量一点儿不比高铁低

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  作者| 王麟,科普作家、铁路工程师

  最近,关于世界最长重载铁路——浩吉铁路即将通车的消息在各大媒体持续发酵。

  浩吉铁路全长1814公里,是中国规模最大的运煤专线,也是世界上一次性建成里程最长的重载铁路。那么,究竟什么是重载铁路,它与普通铁路又有何不同?我们今天就来谈谈这个话题。

  

  (一)什么是重载铁路?

  按照国际重载运输协会2005年制定的标准:每列列车的牵引质量不少于8000吨,车辆轴重不小于27吨,铁路线路长度不少于150公里的区段,每年计费的货运量不少于4000万吨。只要满足上述三个条件中的两个,就会被世界同行承认是重载铁路。

  中国目前每列重载列车牵引质量已经达到1万吨至2万吨,很显然满足这个标准。

  所谓牵引质量,指的是机车牵引货物列车的总吨数,也称牵引吨数、列车重量。

  轴重是指一个铁路车辆轮对承受的机车或车辆重量,轴重反映了轨道承受的静荷载强度,铁路的轴重越大,每辆车装载的货物就越多。

  当然,轴重也不能无限大,必须经过严格的科学计算和多方面的比较,因为轴重越大,对铁轨施加的压力就越大,钢轨损坏的周期就越短,铁路维修费用就越高,如果铁路后期的维修费用超过了因为轴重增加带来的收益,就很不划算了。

  

  (二)1万吨货物如何拉得动?

  重载列车和普通列车不同,差别就在于列车编组的方式不一样。

  普通货物列车用一台韶山型电力机车就能拉上6000吨,如果想要拉到1万吨甚至2万吨,一台机车远远不够,就需要采用大功率机车,同时还要对货物列车进行组合。

  而一般重载列车的组织形式有三种,分别是单元式重载列车、整列式重载列车和组合式重载列车。

  单元式重载列车——以固定的机车车辆组合成一个运输单元,在装车站和些车站之间循环运行,中间不经过解体和重新编组。

  该种编组方式以美国为代表,这样编组货物品种单一,运量大而集中,列车在装车地和卸车地之间循环往返运行。这种重载运输方式目前运用范围最广,经济效益也最显着。

  整列式重载列车——由挂在头部的一台机车或者多台机车联合牵引,牵引的货车也五花八门,中间需要解体和重新编组,也就是说这类列车是由单机或多机重联牵引,列车由不同型式和载重的货车车辆混合编组,达到规定重载重量标准的列车。

  这种列车的特点是车种车型不限、货物品种多样,其组织方法与普通货物列车类似,不在运输途中可以根据实际需要进行改编,因此具有更大的通用性,可适用于客货运输密度均较大的干线上采用。

  组合式重载列车——这类列车是由两列级以上的同类货物列车首尾衔接,组合成一个整列,牵引机车位于列车的头部和中间。

  这种类型的重载列车不要求固定机车车辆,也不要求单一货主,更不要求用同一种车型装载同一种货物,组合式重载列车可以在装车地和卸车地进行组织,也可以在技术作业站进行编组,列车直接到达卸车站和装车站解体编组,并无严格的限制。

  上述三种编组方式各有优缺点,单元式重载列车拉的货物比较单一,适合专用的货运铁路,比如中国的运煤专线大秦铁路就大量开行单元式重载列车;整列式和组合式重载列车运输组织比较灵活,适用于运能比较紧张的铁路上,大秦铁路之外的普通铁路上,开行的都是整列式和组合式重载货物列车。

  (三)重载列车如何实现“一条龙”运输?

  单元重载列车采用固定编组,按固定线路循外运行于装、卸货物的两地,为了加快车辆周转,需采用机械化方式快速装卸。

  运煤单元列车的车辆上采用可以两车相对转动的转子车钩,能满足翻车机上工作的要求。重载列车中的编组车辆多,当列车在线路上运行以及起动、制动时列车内部的纵向冲力加剧,使列车中每辆车承受的纵向力加大,因此需要高强度的车钩,用大容量的缓冲器来吸收列车冲击时的能量,同时要采用快速制动技术。

  以大秦线为例,其采用的是单元式重载列车,这种列车的最大特点就是固定机车、固定车辆、固定货物品类、固定装车站和卸车站、固定运行路线,这就决定了单元式重载列车既有装车站负责装运货物,又有卸车站负责卸货,形成一条龙服务,除了在中间车站因为技术作业的需要临时进站停车之外,基本上无其他作业。

  基本流程就是,列车先从技术作业站进入装车站,通过设置在环线或者直通线路的装煤仓装车之后,再返回技术作业站进行技术检查,然后驶往卸车站,到达卸车站的技术作业站之后,进行列车检查,然后进入卸车点不摘机车进行卸车作业,随后空车返回始发的技术作业站,一个运输循环就算完成了。

  装车站——一般设在矿山里面,卸车点一般位于港口码头、电厂和钢铁厂里面。

  重载列车在装车站的装车方式有两种,一种是环线装车,另一种是贯通式装车。装车站除了设置装车环线或者贯通式装车线之外,还要根据每天到达车站的列车对数,设置到达线和出发线,用来接发列车之用,必要时,还要设置牵出线和站修线,用来将损坏的列车牵引拉出,放到站修线上临时检查修理。

  

  (重载列车装车)

  采用环线装车之时,在环线上的合适位置装设漏斗仓或者高架溜槽,煤炭或者矿石就通过皮带输送机输送到漏斗仓或高架溜槽里面,通过计算机自动控制,定量装进下面的敞车里。

  在装车过程中,列车不停,而是匀速通过。这样,在装车过程中列车不用解体和编组,大大提高了装车效率,采用环线装车方式,每小时可装车7000到10000吨。

  如果必须采用贯通式装车方式也是无奈之举,一般在地形条件比较困难的条件下采用,因为设置装车环线需要开阔的地形,贯通式装车之时,装车线应该满足停放一列车的长度,在装车完毕之后,还要通过回转线牵引折返,如此一来,装车效率就大大降低了。

  卸车站——车站布置方式与装车站大同小异,只不过将装货的漏斗仓变成了卸车机或者翻车机。

  为了提高卸车效率,在卸车站一般也是采用环线卸车,利用翻车机每次一节或者两节车厢,不摘钩将车厢翻转,货物卸进货仓里。在普速铁路上,货运量不大的时候,在卸车站可采用人工卸车或者抓斗铲车卸车。

  

  (重载列车卸车)

  不管是装车站还是卸车站,除了装载机和卸车机之外,还需要配备电子动态汽车衡、储货坑、皮带输送机、中转站、储货场、储货筒仓等附属设备,为重载列车提供周到的服务。

  (四)重载铁路怎么又多又安全地运输货物?

  “流程”问题理清了,最重要的问题来了。运输货物,当然每次拉得越多越好,但是也有一个限制,同时,当数百节车厢连挂成一列长达3公里的重载列车的时候,如何能够安全地将其开往目的地,才是迫切需要解决的技术难题。

  重载列车通过大功率机车牵引上百辆的货车,长度是普通货物列车长度的一倍甚至两倍以上,这么长的车列,由一台机车牵引肯定不够,这就需要多机重联牵引,或者将两台机车串联在列车上的最前面,或者一台在前面另一台在中间,前者就机车集中连挂,后者是机车分散连挂。

  

  (国外重载列车)

  重载机车在列车头部和中间及尾部分散布置,可以减轻列车纵向冲击力,降低折断车钩的危险,但这两种连挂方式都面临一个重要的问题,那就是如何使两台机车甚至更多的牵引机车同步运行,这个问题如果解决不了,前后机车的联系和操纵就不能协调,直接影响行车的安全,重载运输只能是空谈。

  还好,科学家们在实践中研发成功“动力分布多机重联同步控制技术”,较好地解决了这个难题。

  (五)重载运输列车头、尾如何同步运行?

  由于重载列车采用远程控制,主车到从车之间的通信距离一般达到700-1500米,并且由于牵引质量大,如果多台机车不能同步协调工作,将会带来安全隐患,因此要想让一列重载列车中的多台机车同步运行,就需要采取技术手段让其工作步调一致,做到同时启动,同时制动,同时停车,只有这样,才能保证重载列车的运输安全。

  经过多年的研发实践,在世界重载运输领域,先后发展出了三种技术手段,第一种就是“传统的多机集中重联控制技术”,第二种是“动力分布多机有线重联同步控制技术(ECP)”,第三种是“动力分布多机无线重联同步控制技术(LOCOTROL)”。

  

  (重载组合列车控制示意图)

  传统的多机集中重联控制技术——最简单,也最原始,就是将牵引机车全部放置在列车的最前端,通过提高牵引功率来提高列车的牵引能力,以此达到重载运输的目的。

  但是该模式存在很大缺点,由于列车的制动采用压缩空气,空气的压力波传播速度大约是210米/秒,传播需要一定时间,当前车开始制动的时候,后车不能同时接到制动指令,前后车辆的制动无法做到一致,循环制动周期时间长,对司机的操作提出了更严苟的要求,车钩受力状况没有改善,随着牵引质量的提高,车钩受力更加恶化。

  因此,采用这种控制手段的列车编组不能太长,牵引质量通常不超过1万吨。

  

  (传统集中重联控制示意图)

  动力分布多机有线重联同步控制技术(ECP)——是将机车分别放置在列车的不同位置,通过车辆间的有线通信网进行机车间的协同牵引控制和车辆制动。

  该技术由于采用机车分布动力,有利于车钩受力状况的改善。车辆上安装电子制动控制单元,通过列车通信网同步进行车辆的空气制动,空气制动及缓解的速度大大提高,前后车辆的制动一致性很好,循环制动周期时间短,有利于重载列车的安全运行。这种控制技术优点很明显,但是存在车辆改造成本高的缺点。

  

  (ECP控制技术)

  动力分布多机无线重联同步控制技术(LOCOTROL)——其技术原理是通过无线方式构筑通信的桥梁,主车通过机车同步控制系统发出控制命令,经无线传输系统控制其他的从车,从车根据主车的控制及本车的情况实时控制运行,从而达到各从车与主车之间协调同步运行。

  采用这项技术,牵引机车分别放置在列车中的不同位置,通过无线通信方式进行机车间的协同牵引及制动控制。

  该技术由于采用机车分布动力方式,有利于车钩受力状况的改善,同时在列车中不同位置进行充风排风,空气的压力波速提高到大约是280米秒,改善了前后车辆的制动一致性,缩短循环制动周期,机车同步牵引性能好,制动距离减少,有利于重载列车的安全运行。

  

  (LOCOTROL系统原理图)

  虽然采用机车分布动力无线重联技术更具有优势,易于实现,但是价格昂贵,实现的技术难度也大。中国选择何种控制模式,还需要通过经济技术比较并结合铁路的运营的实际情况才能确定。

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  编辑| 史文慧

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