北美鐵路大軸重研究及其啟示

雷 蕾，王 烈，薛艷冰

（1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所，北京100081；3.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081）

北美鐵路大軸重研究及其啟示

雷 蕾1，王 烈2，薛艷冰3

（1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所，北京100081；3.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081）

通過闡述北美鐵路大軸重研究的不同階段，從市場需求、技術條件、成本效益角度分析影響軸重選擇因素，提出我國鐵路選擇軸重的建議，即選擇貨車軸重時不僅要從技術上考量，更要從經濟效益角度評估；加強設備檢測手段和相關數據存儲，為貨車軸重選擇提供數據支撐；以及根據情況變化及時修訂線路修程修制，配合大軸重運輸降低成本。

北美鐵路；重載；軸重；技術經濟比較

貨車軸重是指機車車輛在靜止狀態時，每個輪對作用于鋼軌的質量。國際重載協會 (IHHA) 于 1986年、1994 年、2005 年 3 次修訂重載鐵路標準，軸重的最低標準逐漸提升至 27 t[1]。選擇合理貨車軸重，可以在保證既有運量的同時降低單位運量成本，因而大軸重貨物運輸成為國際鐵路貨運發展的趨勢之一。自 1956 年我國首輛自主設計的載重 50 t 的 P13型棚車誕生以來，我國貨車載重從 50 t 級逐步升級換代到 60 t級、70 至 80 t 級[2-3]，軸重也逐步提升。2006 年前通用貨車的最大軸重為 21 t，23 t 軸重通用貨車 C70于2006 年開始在全路推廣使用，2014 年 5 000 輛 27 t 軸重通用貨車 C80E在大秦線 (韓家嶺—柳村南) 進行運用試驗，2008 年出口澳大利亞 40 t 軸重不銹鋼礦石車，2015 年 30 t 軸重專用貨車 C96在山西中南部通道(洪洞北—日照南) 長子南—平順區段重載綜合試驗順利完成。但是，貨車軸重并非越大越好，不同線路存在著選擇合理軸重的問題，分析北美大軸重 (Heavy Axle Loads，HAL) 研究，可以為我國鐵路開展大軸重研究提供參考。

1 北美鐵路大軸重研究

20 世紀 70 年代，北美在沒有進行技術經濟可行性研究的情況下，開始在適用于 22.7 t 軸重貨車的線路上引進軸重 29.8 t 的 263 型貨車，對線路造成嚴重破壞[4]。針對這樣的問題，北美鐵道協會從 1988—2002 年開始 HAL 系列研究，在確保運輸安全的前提下確定貨車合理軸重并實現利益最大化。該研究主要涉及 3 種不同軸重的車型，在美國交通技術中心有限公司 (TTCI) 的加速運用測試線路 (FAST) 及其高噸位環線 (HTL) 上進行試驗。北美大軸重研究車型如表 1所示。

表 1 北美大軸重研究車型

在北美鐵路大軸重研究中，備選軸重車型既定，在模擬典型煤運通道線路條件的試驗線上開行 263 型車、286 型車、315 型車，收集線路各部件的基礎數據，然后進行線路適應性等技術可行性研究，同時進行成本測算等經濟可行性研究。根據階段性測試數據，分析限制軸重增加的主要因素和技術難點，運用模型估算成本，進行成本效益分析[5]。最終根據技術和經濟效益分析得出的結論，為鐵路運營商采用合理的大軸重貨車提出建議。

HAL 研究分為 5 個階段。第Ⅰ階段以評估 3 種軸重車型的技術可行性為主要目標，找到限制軸重增加的因素；第Ⅱ階段提升線路條件，重點研究軸重對橋梁和線路限制因素的影響，完善前一階段的技術和經濟研究；第Ⅲ階段重點研究轉向架懸掛升級后不同軸重貨車與第Ⅱ階段軸重限制因素間的數量關系；第Ⅳ、Ⅴ階段則重點對能耗、潤滑劑等技術關鍵點進行專項研究。北美 HAL 5 階段研究內容與主要結論如表 2 所示。

整個研究的每一階段都是技術與經濟評估并行，前 3 個階段對北美貨車軸重選擇意義重大，特別是第Ⅱ階段。因為第Ⅱ階段試驗中使用的優質軌道部件已經投入實際應用，同時增加了橋梁專項評估，其成本效益分析的結構完整性和結論更貼合實際。第Ⅱ階段試驗線模擬典型煤運通道，包括通過總重為 3 000萬 t/a、曲線半徑小的東線，以及通過總重為 8 000萬 t/a、曲線半徑大的西線，2 線的坡度適中。經濟效益分析在為期 5 年的第Ⅱ階段開展，其成本結構分為線路維修和折舊、橋梁改造和維修、運營成本 3 部分，其中運營成本又細化為機車車輛租用費、燃料費、人員費。假定線路部件維修率和更新率相同，從穩定狀態生命周期成本角度出發，建立鋼軌費用軟件包 (TRACS)、道岔成本模型、道砟和道床平整及更新周期預測模型、鋼橋疲勞壽命模型、列車能耗模型 (TEM)，應用全生命周期成本法估算試驗線上單位貨物周轉量的線路、橋梁改造維修費用及運營成本[6]。北美大軸重第Ⅱ階段成本效益分析研究結論如表 3 所示。

該經濟評估方法在整個 HAL 研究中通用。雖然大軸重貨車運營費用減少的比率小于相應基礎設施投入增加的比率，但由于研究期間總運營費用的減少遠高于基礎設施改造維修投入，因而采用 286 型車、315 型車的成本低于 263 型車。而使用 286 型車在線路、橋梁方面的投入比 315 型車要低，運營費用上的節省比例更大，運營 286 型車的成本相對最低。截至2010 年，北美鐵路幾乎全部煤炭運輸和 40% 的普通貨物運輸采用 286 型車。據估算，2010 年 HAL 研究成果使北美鐵路運營商、客戶等的受益超過 6 億美元[4]。

表 2 北美 HAL 5 階段研究內容與結論

表 3 北美 HAL 第Ⅱ階段成本效益分析研究結論

2 我國鐵路軸重選擇的啟示

2.1 影響軸重選擇的因素

2.1.1 市場需求

世界鐵路重載運輸從 20 世紀 50 年代開始發展，二戰后的經濟復蘇及工業化進程的加快，導致對煤炭、礦產資源等大宗商品的需求量增加、運輸量增長。在各種運輸方式中，鐵路最適合運送大宗商品，對大宗、直達貨源和貨流的需求為鐵路貨物運輸重載化提供了必要的條件。北美以煤炭為主的大宗商品運輸需求不斷增長，為提升鐵路運能、擴大鐵路效益，北美鐵道協會開展大軸重研究，為選擇合理的貨車軸重提供參考。

我國正面臨產業結構轉型時期，近年大宗商品的運輸需求不會發生較大增幅，加上新開通的山西中南部通道增加的貨運能力，以及高速鐵路、客運專線對既有客貨混跑線路運力的釋放，短期內我國重載運輸能力不足的可能性不大，但從研究的前瞻性角度考慮，可以適當超前進行貨車軸重選擇研究，降低單位噸公里的貨運成本，有助于貨流從其他運輸方式轉移至鐵路。

2.1.2 技術條件

北美大軸重研究認為，線路和橋梁狀態是制約軸重增加的主要技術條件。軸重增加使鋼軌表面和內部傷損加速，縮短道岔使用壽命；而材質、鑄造工藝、維修手段等技術的提升，以及基于檢測數據的狀態監測、維修周期管理、壽命預測等方法減少了這種不利影響。為適應大軸重運輸，橋梁需要考慮設計載荷、跨度、材質、建造年份等技術條件的差異，各橋梁的加固和維護成本差異很大，但都呈現軸重越大成本越高的規律。

我國鐵路采用的主型軌道是 60 kg/m 鋼軌，目前主要干線的通過總重密度大部分已經超過了 50萬 t · km/km，有的已經達到、甚至超過 100 萬 t · km/km，部分線路的年通過總重密度已經等于或高于軌道的承受范圍。因此，線路本身存在改造需求，如果開行更大軸重貨車需要進行配套改造[7]。我國橋梁材質、設計活載標準、橋梁跨度、建造年份參差不齊，為確定橋涵對重載車輛軸重的適應性，需要從列車運行時線路的豎向、縱向、橫向 3 個方面進行試驗分析[8]。

2.1.3 成本效益

北美大軸重研究發現，大軸重運輸的收益主要來自于貨車運用數量和貨車走行公里數的減少、車輛載重的增加、運輸能力的提高，收益大小取決于使用的貨車數量和范圍、貨車技術特性和生命周期成本。線路設備生命周期成本中受軸重提升影響最大的是養護維修成本，特別是橋梁、鋼軌、道岔、狀態較差的道砟和道床的維護成本[4]。我國鐵路從 2014 年開展分線財務核算，線路費用難以細化到特定線路的專項維修上，不利于成本效益模型的構建，對不同線路貨車軸重選擇的成本效益考量增加了難度。

2.2 建議

（1）貨車軸重選擇問題不僅要從技術上考量，更要從經濟效益角度評估。北美注重技術、經濟雙重考量，而我國對技術的重視遠高于經濟。例如，我國載重 60 t 級提速貨車、70 t 級通用貨車 (軸重 23 t 及以下)、80 t 級運煤專用貨車 (軸重 25 t) 等各型貨車正式上線前，都在試驗線路上進行了共約 4 年、30 萬 km的可靠性研究[3]；27 t 軸重的 C80E、30 t 軸重的 C96貨車正式運營前在大秦線、山西中南部通道上進行相應的運行試驗，為驗證大軸重貨車的技術可行性提供數據支撐。但是，我國鐵路在貨車軸重研究中缺少經濟可行性的研究，建議加強經濟可行性的考量，建立專項成本數據庫，并細化財務管理規程，實現精細化成本核算，為不同線路貨車軸重選擇決策提供參考。

（2）加強設備檢測手段和數據存儲，為貨車軸重選擇提供數據支撐。長期可靠的檢測數據是對不同貨車軸重進行經濟效益評價的基礎。北美大軸重研究重視長期監測和基礎數據收集，定期修正和完善鋼軌費用包等成本模型參數，其典型線路成本效益分析方法可以推廣應用至其他線路，使分析結果更加可靠。我國雖然開展過類似的研究[8]，但時間跨度、延續性，尤其是監測手段與北美存在較大差距，基礎數據的存儲與利用存在較大發展空間，建議重視線路基礎設備的長期監測和基礎數據管理，為日后開展持續研究提供數據支撐。

（3）及時修訂線路修程修制，配合大軸重運輸降低成本。北美 1990 年計費噸公里的平均成本折現后比 2010 年要高，可見固定設施的投入并沒有因大軸重運輸的推廣而增加，其重要原因是新技術引進與維修手段的進步延長了線路各部件的使用壽命[4]。我國《鐵路線路修理規則》于 2006 年發布，當年通用貨車軸重為 23 t，并沒有考慮現階段 27 t 軸重通用貨車已投入使用的情況。因此，應根據情況變化及時修訂線路修程修制，基于設備檢測結果合理制定維修周期，通過狀態修與周期修相結合的維修體制，降低維修成本。

3 結束語

貨物列車軸重增加，車輛自重系數不變或降低，則單車載重量增加，完成相同運量可以減少貨車使用數量，壓縮鐵路運輸成本，但線路傷損、橋梁壽命等較一般線路變化明顯。因此，存在一個合理軸重問題，即采用多大的軸重在技術上可行、并且能使單車運量的提高與線路維修費用間達到最合理的平衡，實現效益最大化的企業目標。北美鐵路在貨車軸重比選過程中的科學做法可以為我國貨車軸重選擇的決策提供參考。

[1] 錢立新. 世界鐵路重載運輸技術的最新進展[J]. 機車電傳動，2010(1)：3-7.

[2] 王春山. 關于我國鐵路貨車裝備現代化問題的研究[J]. 鐵道車輛，2007，45(8)：14-17．

[3] 賀茂盛，李 華，張 淵. 我國通用貨車發展及相關技術研究[J]. 鐵道經濟研究，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] 中國鐵道科學研究院. 既有線運用27噸軸重貨車技術經濟論證[R]. 北京：中國鐵道科學研究院，2014.

[8] 杜旭升. 鐵路既有線發展重載運輸的模式研究[J]. 鐵道貨運，2013，31(10)：1-11.

責任編輯：劉 新

1004-2024(2015)11-0034-05

：U296

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10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2015.11.08

2015-10-09

中國鐵路總公司研發中心項目(J2013G010)