我國鐵路整車馱背運(yùn)輸技術(shù)研究

楊廣全，劉寅華，李 興

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.中車山東機(jī)車車輛有限公司，山東 濟(jì)南 250022)

馱背運(yùn)輸分為整車馱背運(yùn)輸和半掛車馱背運(yùn)輸，在歐美國家廣泛應(yīng)用[1-4]，形成了以集裝箱運(yùn)輸為主、馱背運(yùn)輸為輔的發(fā)展格局，特別在歐洲地形復(fù)雜、運(yùn)輸條件較差的地區(qū)，鐵路馱背運(yùn)輸發(fā)揮了重要作用。借鑒歐洲馱背運(yùn)輸發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，針對我國部分山區(qū)既有公路運(yùn)輸安全性較差、鐵路運(yùn)營車流密度低、運(yùn)能富余的特點(diǎn)，設(shè)計鐵路整車馱背運(yùn)輸技術(shù)方案，為我國鐵路開展整車馱背運(yùn)輸提供技術(shù)支撐。

1 歐洲馱背運(yùn)輸技術(shù)模式

1.1 整車馱背運(yùn)輸技術(shù)模式

歐洲的整車馱背運(yùn)輸服務(wù)于高度專業(yè)化的需求市場，主要在英吉利海峽隧道以及穿越阿爾卑斯山區(qū)的貿(mào)易通道上運(yùn)營。2019年歐洲整車馱背運(yùn)輸運(yùn)量如表1所示，按1輛卡車相當(dāng)于2 TEU換算統(tǒng)計，其總運(yùn)量為3 801 205 TEU，其中歐洲國家內(nèi)部的馱背運(yùn)輸運(yùn)量為242 328 TEU，國際跨境運(yùn)量為3 558 877 TEU，而英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)量占?xì)W洲整車馱背運(yùn)量的85.4%。英吉利海峽隧道是歐洲最大的整車馱背運(yùn)輸貿(mào)易通道，英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸運(yùn)量如表2所示，2017年達(dá)到歷史最高，為3 274 560 TEU，2019年運(yùn)量有所降低，為3 246 638 TEU[5]。除英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)量外，整車馱背運(yùn)輸跨境運(yùn)量排在前列的分別為：德國與意大利運(yùn)量為16萬TEU，奧地利與斯洛文尼亞為10萬TEU，奧地利與意大利為2萬TEU。

1.1.1 英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸

英吉利海峽隧道鐵路長50.5 km，連接英國的福克斯通和法國北部港口城市加來，承擔(dān)著高速旅客列車、國際貨運(yùn)列車運(yùn)輸、滾裝擺渡運(yùn)輸和貨運(yùn)馱背運(yùn)輸服務(wù)。英吉利海峽隧道約50%的運(yùn)營能力分配給國際客貨運(yùn)列車，50%分配給整車馱背運(yùn)輸服務(wù)。整車馱背運(yùn)輸服務(wù)直接由英吉利海峽隧道公司運(yùn)營。

表1?2019年歐洲整車馱背運(yùn)輸運(yùn)量? TEUTab.1 European piggyback transportation volume of wagon loading goods in 2019

表2?英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸運(yùn)量?TEUTab.2 Piggyback transportation volume of wagon loading goods in English Channel Tunnel

客運(yùn)汽車整車馱背運(yùn)輸列車用于裝運(yùn)長途客車、小汽車、房車、摩托車等公路汽車，采用專用的鐵路棚車裝運(yùn)[6]。貨運(yùn)整車馱背運(yùn)輸列車用于裝運(yùn)重型卡車，該列車由2輛牽引機(jī)車、1輛卡車司機(jī)休息車廂、3輛裝載平車平臺、前后2組鐵路貨車組成，整列長度約750 m，最大裝載重量約為2 400 t，最大運(yùn)營速度140 km/h。英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸列車編組示意圖如圖1所示。3輛裝載平車分別位于列車前部、中部和尾部，并配有渡板，渡板豎立時作為平車側(cè)墻，翻平后可橋接在站臺和平車之間，供重型卡車開上開下。

第1代馱背載運(yùn)車輛，由意大利布雷達(dá)公司(Breda)制造，由堅固的車頂和柵格式側(cè)墻組成，形成了整體型結(jié)構(gòu)；第2代馱背載運(yùn)車輛，由法國阿爾貝爾-福維特鐵路設(shè)備制造商(Arbel-Fauvet-Rail)制造，車身由4組塔形的車頂和側(cè)體結(jié)構(gòu)組成，4個塔形結(jié)構(gòu)覆蓋了整個車輛長度，第1代和第2代馱背載運(yùn)車輛的頂部與架空輸電線之間提供了物理隔離。為了減輕貨車重量，Arbel型載運(yùn)車輛逐步去除了塔形結(jié)構(gòu)。

英吉利海峽隧道的場站設(shè)在英國的福克斯通，連接到高速公路M20；法國設(shè)在科凱勒，連接到高速公路A16。公路卡車進(jìn)入場站時，首先自動測量卡車外廓尺寸，確保長度不超過19 400 mm，高度不超過4 250 mm；若超高，則采用限高工具人工測量卡車的外廓尺寸，可通過調(diào)節(jié)卡車懸掛系統(tǒng)，使卡車的整體高度降低到可接受的范圍。卡車外廓尺寸符合裝載要求后，英國和法國海關(guān)對卡車運(yùn)輸?shù)呢浳镞M(jìn)行抽查，檢查是否符合申報的要求。之后在篷布檢查區(qū)域檢查卡車篷布是否有缺陷，確保系緊篷布。調(diào)度人員根據(jù)篷布檢查區(qū)的建議分配載運(yùn)車輛，將篷布狀況不良的卡車分配給Breda型車輛，依靠車頂提供額外保護(hù)；將火災(zāi)等級低的卡車分配到列車休息車廂的后部載運(yùn)車輛，分配了載運(yùn)車輛的卡車開到等待區(qū)準(zhǔn)備裝車。

裝車前，位于站臺上的天線探測系統(tǒng)自動檢測高于4 250 mm的卡車天線，若天線高于4 250 mm，司機(jī)將天線降低至4 250 mm高度以下，且對卡車外形進(jìn)行安全檢查，包括煙霧、加熱裝置、天線、冷藏、油箱蓋和電氣設(shè)備。裝載時，分配到列車前部的卡車從中部裝載平車側(cè)向開上裝載，分配到列車后部的卡車從尾部裝載平車側(cè)向開上裝載，并在載運(yùn)車輛的指定位置停下，采用輪擋對卡車進(jìn)行加固，確保運(yùn)輸過程中卡車不產(chǎn)生位移。裝載完成后，卡車司機(jī)由2輛巴士載運(yùn)到休息車廂隨車運(yùn)輸。

1.1.2 阿爾卑斯山區(qū)整車馱背運(yùn)輸

圖1?英吉利海峽隧道整車馱背運(yùn)輸列車編組示意圖Fig.1 Marshalling of accompanied piggyback transportation trains in English Channel Tunnel

歐洲的滾動高速公路(Rolling Highway)是把鐵路平車作為運(yùn)輸平臺，汽車直接開到平車上進(jìn)行運(yùn)輸，是一種公鐵聯(lián)合運(yùn)輸方式。主要優(yōu)點(diǎn)是采用滾裝滾卸方式，不需要其他裝卸設(shè)備，硬化地面即可滿足裝卸要求，缺點(diǎn)是運(yùn)輸公路牽引車、臥鋪車等無效載荷。滾動高速公路總體效益體現(xiàn)在快速裝卸、裝卸設(shè)備的節(jié)省，以及吸引公路車流，一般用于公路運(yùn)輸受到限制或公路路況條件差的地區(qū)，特別是在穿越阿爾卑斯山脈的鐵路線上廣泛應(yīng)用。歐洲滾動高速公路的鐵路車輛采用8軸小輪徑平車，長18.89 m (有效長18 m)，定距13.5 m，地板高度0.41 m，構(gòu)造速度120 km/h，自重17 t，載重43 t，軸重7.5 t，軸數(shù)8，輪徑在新輪狀態(tài)360 mm至磨耗到限狀態(tài)35 mm之間，允許裝載的卡車尺寸為：長度18.8 m，寬度2.6 m，高度4 m。裝卸方式為從列車端部渡板開上開下。

滾動高速公路是一種聯(lián)合運(yùn)輸方案，主要在歐洲特定的過境路線上運(yùn)行。為了使?jié)L動高速公路運(yùn)營可行，政府對道路運(yùn)輸實(shí)行嚴(yán)格的行政限制，對道路使用收取高昂的道路通行費(fèi)、使用費(fèi)或道路運(yùn)輸作業(yè)的其他附加費(fèi)用，或向滾動高速公路運(yùn)營商提供巨額補(bǔ)貼[7]。

1.2 半掛車馱背運(yùn)輸技術(shù)

半掛車是歐洲鐵路馱背運(yùn)輸?shù)幕狙b載單元，標(biāo)準(zhǔn)長度為13.6 m，分為可吊裝半掛車和不可吊裝的半掛車。可吊裝半掛車在底部設(shè)有起吊板，比不可吊裝半掛車重300 ～ 500 kg，適應(yīng)公鐵換裝的機(jī)械化吊裝吊卸作業(yè)方式，裝卸設(shè)備配備帶抱夾腿的吊具即可滿足裝卸要求。由于可吊裝半掛車較重，增加了購置成本，降低了有效裝載載荷，導(dǎo)致市場占有率較低。目前，歐洲不可吊裝的標(biāo)準(zhǔn)半掛車約占97%，可吊裝半掛車僅占3%。要從單一的半掛車公路運(yùn)輸轉(zhuǎn)向公鐵聯(lián)運(yùn)，將不可吊裝半掛車轉(zhuǎn)向鐵路運(yùn)輸是重要措施，采用的技術(shù)手段為采用CargoBeamer平移式、ModaLohr中部旋轉(zhuǎn)、Megaswing端部旋轉(zhuǎn)等水平轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)或NiKraSa、ISU等輔助托盤裝載系統(tǒng)[1]。

CargoBeamer平移式馱背運(yùn)輸借助地面裝置以托盤承載半掛車實(shí)現(xiàn)貨物全自動裝卸，可在15 ～ 20 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)整列裝卸，但站場設(shè)施復(fù)雜，需要較大的作業(yè)面積和專業(yè)人員配合完成裝卸作業(yè)，初期投入較大；車體旋轉(zhuǎn)式馱背運(yùn)輸車通過車體中部半掛車托盤旋轉(zhuǎn)，配合地面斜坡及地面拖車牽引，實(shí)現(xiàn)整列車的同步裝卸，整列裝卸時間約30 ～ 40 min，但站場需要較大的作業(yè)面積和專業(yè)操作人員配合作業(yè)，站場設(shè)施復(fù)雜；輔助托盤裝載系統(tǒng)將不可吊裝半掛車轉(zhuǎn)換為吊裝裝卸方式，實(shí)現(xiàn)不可吊裝半掛車的公鐵聯(lián)運(yùn)，缺點(diǎn)是半掛車在輔助托盤上定位過程中，損壞半掛車的風(fēng)險較大。

2 我國鐵路整車馱背運(yùn)輸裝載設(shè)計方案研究

歐洲鐵路馱背運(yùn)輸實(shí)踐證明，整車馱背運(yùn)輸技術(shù)是適合運(yùn)距較短的公鐵聯(lián)運(yùn)技術(shù)，特別在英吉利海峽隧道、跨越阿爾卑斯山的貨物運(yùn)輸中取得了成功的應(yīng)用，具有場站要求低、投入少、見效快的特點(diǎn)。借鑒歐美發(fā)展整車馱背運(yùn)輸?shù)慕?jīng)驗(yàn)，在我國部分山區(qū)鐵路發(fā)展整車馱背運(yùn)輸技術(shù)，設(shè)計整車馱背運(yùn)輸方案，對于山區(qū)環(huán)境保護(hù)、運(yùn)輸安全性和時效性都有重要意義。

2.1 鐵路限界對鐵路車輛承載面高度的要求

針對客貨共線鐵路機(jī)車車輛限界[8]，以運(yùn)輸公路長頭鉸接列車(牽引車+半掛車)為例[9]，公路半掛車從不超限到超限過渡。按照機(jī)車車輛限界基本輪廓尺寸，計算公路半掛車超限的高度臨界點(diǎn)為4 341.7 mm。因此，在裝載公路半掛車、裝載不超限條件下，鐵路整車馱背運(yùn)輸車輛承載面高度須≤ 341.7 mm。

2.2 成列滾裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛設(shè)計

當(dāng)裝載公路半掛車且不超限的條件下，鐵路車輛承載面高度不能超過341.7 mm。目前，鐵路貨車車輪直徑一般在840 mm以上，直接影響了車輛承載面高度的降低，受轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)限制，一般鐵路貨車在中部采用低承載面，轉(zhuǎn)向架部位仍為高承載面；這種貨車的貨物裝卸主要有吊裝吊卸、端部可移動的滾裝滾卸2種方式，前者需要起重設(shè)備和場地，后者需要貨車端部的移開和合并。為了降低整車承載面，提出了整體低承載面的小直徑車輪的4軸轉(zhuǎn)向架，該轉(zhuǎn)向架車輪車輪直徑380 mm，直接減小了傳統(tǒng)車輪所需的安裝和運(yùn)動空間，使轉(zhuǎn)向架上方的車輛地板作為承載面使用，組成連續(xù)低裝載面馱背運(yùn)輸車，滿足按列滾裝滾卸要求。為了便于按列滾裝滾卸，車輛之間設(shè)置翻轉(zhuǎn)渡板裝置，馱背車之間形成連續(xù)的裝載平臺。

為了使?jié)L裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛與機(jī)車之間匹配連掛，在鐵路馱背運(yùn)輸車上安裝可拆卸的活動牽引裝置，它內(nèi)置13型車鉤、MT-3型緩沖器，將活動牽引裝置安裝在端車上，安裝后車鉤中心線高度880 mm，與機(jī)車的中央車鉤機(jī)構(gòu)相匹配。滾裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛上安裝鏈子鉤和側(cè)緩沖器，在相鄰馱背車之間利用鏈子鉤進(jìn)行連接，鏈子鉤的一側(cè)設(shè)置側(cè)緩沖器，用于緩解鐵路馱背車運(yùn)輸過程中的縱向沖擊力，吸收動能，鏈子鉤距軌面336 mm，側(cè)緩沖器距軌面300 mm。

滾裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛凹底承載部采用格柵結(jié)構(gòu)，一是減輕車體的重量，二是便于加固輪擋定位，輪擋上的限位塊能夠插入承載部格柵結(jié)構(gòu)設(shè)置的沿鐵路馱背運(yùn)輸車寬度方向的間隙中，進(jìn)而限制公路汽車沿馱背車的縱向運(yùn)動。滾裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛采用凹底承載結(jié)構(gòu)、小輪徑轉(zhuǎn)向架，其特點(diǎn)為：標(biāo)準(zhǔn)車輛接口，可與機(jī)車和貨車連掛；低重心設(shè)計，無需限速運(yùn)行；低裝載面設(shè)計，可運(yùn)輸高度不超過4 m的裝載物；輪擋加固，簡單可靠，實(shí)現(xiàn)貨物的安全快速加固；車組間渡板形成不間斷裝載面，實(shí)現(xiàn)連續(xù)裝卸。

2.3 馱背運(yùn)輸成列滾裝滾卸裝載加固方案計算

公路貨車均衡、穩(wěn)定地裝在滾裝滾卸鐵路馱背運(yùn)輸車輛上，馱背運(yùn)輸車輛承載底架與公路貨車車輪接觸部位采用防滑地板和柵格結(jié)構(gòu)，采用至少8個輪擋進(jìn)行縱向加固。以運(yùn)輸公路長頭鉸接列車(牽引車+半掛車)為例，在鉸接列車前部一根車軸兩側(cè)輪胎的前后各放置1個輪擋，后部一根車軸兩側(cè)輪胎的前后各放置1個輪擋，輪擋限位塊插入承載部格柵結(jié)構(gòu)與鐵路馱背運(yùn)輸車輛固定牢靠，輪擋與輪胎掩緊。運(yùn)輸過程中，公路貨車門窗應(yīng)鎖閉，駐車制動應(yīng)處于制動狀態(tài)。成列滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛裝載示意圖如圖2所示。馱背運(yùn)輸車輛自重W= 21 t，轉(zhuǎn)向架中心距L= 13 700 mm，空車重心高384 mm，承載面距軌面高316 mm。長頭鉸接列車長l= 18 100 mm，高h(yuǎn)= 4 000 mm，寬w= 2 550 mm，自重Q= 18 t，滿載總重Q滿= 49 t，空車重心高1 140 mm，裝載面距地面高度1 435 mm，輪胎直徑D= 1 100 mm。按照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》對馱背運(yùn)輸成列滾裝滾卸裝載加固方案進(jìn)行計算[10]。

2.3.1 重車重心高計算

鐵路貨車重車重心高是影響重車運(yùn)行平穩(wěn)性的重要因素之一，為了保證列車運(yùn)行安全，《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》規(guī)定重車重心高度須不超過2 000 mm。假設(shè)貨物在長頭鉸接列車車廂中均勻裝載，則滿載的貨物重心高為1435 + (h- 1 435) / 2 = 2 717.5 mm，計算滿載的長頭鉸接列車重心高度H貨。

馱背運(yùn)輸車輛空車重心高384 mm，承載面軌面高316 mm，則馱背運(yùn)輸車輛重車重心高H計算如下。

因此，滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛重車重心高滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的要求。

2.3.2 力值計算

為驗(yàn)證鐵路貨物的裝載加固強(qiáng)度是否滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》的技術(shù)要求，需要計算貨物縱向慣性力、橫向慣性力、垂直慣性力、風(fēng)力、摩擦力等基本力值。

（1）慣性力計算。長頭鉸接列車與滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛之間通過輪胎接觸，由于輪胎為彈性單元，因此二者間為柔性連接，故采用柔性加固計算縱向慣性力。

圖2?成列滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛裝載示意圖Fig.2 Loading diagram of roll-on roll-off piggyback transportation vehicles

當(dāng)裝載空載的長頭鉸接列車時，馱背運(yùn)輸車輛總重為G空= 39 t，計算每噸貨物的縱向慣性力t空，貨物產(chǎn)生的縱向慣性力T空。

當(dāng)裝載滿載的長頭鉸接列車時，馱背運(yùn)輸車輛總重為G滿= 70 t，計算每噸貨物的縱向慣性力t滿，貨物產(chǎn)生的縱向慣性力T滿。

（2）橫向慣性力計算。按照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》規(guī)定，貨物重心偏離車輛橫中心線的距離a不得超過100 mm，計算每噸貨物的橫向慣性力n0。

當(dāng)裝載空載的長頭鉸接列車時，計算貨物產(chǎn)生的橫向慣性力N空。

當(dāng)裝載滿載的長頭鉸接列車時，計算貨物產(chǎn)生的橫向慣性力N滿。

（3）垂直慣性力計算。按照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，計算每噸貨物的垂直慣性力q垂。

（4）風(fēng)力計算。當(dāng)裝載18.1 m的長頭鉸接列車時，計算側(cè)向迎風(fēng)面的投影面積S及風(fēng)力F風(fēng)。

（5）摩擦力計算。按照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，橡膠墊與鋼板之間的摩擦系數(shù)μ取0.5。

2.3.3 橫向傾覆穩(wěn)定性

當(dāng)貨物的傾覆穩(wěn)定系數(shù)小于1.25時，需要采取加固措施。長頭鉸接列車的輪胎外側(cè)寬度為2 500 mm，則貨物重心所在縱向垂直平面至貨物傾覆點(diǎn)之間的距離為b= 2 500 / 2 = 1 250 mm。

2.3.4 加固強(qiáng)度計算

如果貨物的縱向慣性力大于縱向摩擦力或橫向慣性力與風(fēng)力之和的1.25倍大于橫向摩擦力，則應(yīng)采取加固措施防止貨物移動。當(dāng)裝載滿載的長頭鉸接列車時，計算加固材料應(yīng)承受的縱向力為

計算加固材料應(yīng)承受的橫向力為

采用輪擋對長頭鉸接列車進(jìn)行縱向加固。當(dāng)裝載空載的長頭鉸接列車時，確定輪擋的最低高度為當(dāng)裝載滿載的長頭鉸接列車時，確定輪擋的最低高度為

因此，設(shè)計輪擋高度h掩= 400 mm，輪擋采用全鋼焊接結(jié)構(gòu)，輪擋結(jié)構(gòu)材料為Q450NQR1高強(qiáng)度耐候鋼，其屈服強(qiáng)度為σs= 450 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度許用應(yīng)力為[σ]= 382 MPa。輪擋應(yīng)承受的縱向力為ΔT=413.07 kN，則每個輪擋平均承受的縱向力為103.27 kN。建立輪擋有限元計算模型，計算輪擋的最大應(yīng)力為326.74 MPa，小于許用應(yīng)力382 MPa，輪擋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足縱向加固要求。長頭鉸接列車產(chǎn)生的橫向力由輪胎的外輪廓施加到馱背運(yùn)輸車輛的側(cè)墻上，則每個輪胎平均施加的橫向力為13.28 kN，計算馱背運(yùn)輸車輛側(cè)墻承受的最大應(yīng)力為32.23 MPa，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足橫向加固要求。輪擋計算應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3?輪擋計算應(yīng)力云圖Fig.3 Calculated stress of wheel chocks

加固強(qiáng)度計算表明，當(dāng)馱背運(yùn)輸車裝載長頭鉸接列車時，僅靠輪擋加固即可，不需要采取其他加固措施。

3 結(jié)束語

研究分析了歐洲英吉利海峽隧道、阿爾卑斯山區(qū)鐵路整車馱背運(yùn)輸以及CargoBeamer平移式、ModaLohr中部旋轉(zhuǎn)、Megaswing端部旋轉(zhuǎn)等水平轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)和NiKraSa、ISU等輔助托盤裝載系統(tǒng)的半掛車馱背運(yùn)輸技術(shù)模式，針對我國部分山區(qū)既有公路運(yùn)輸安全性較差、鐵路建成運(yùn)營車流密度低、運(yùn)能富余的特點(diǎn)，通過借鑒歐洲鐵路馱背運(yùn)輸發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，采用凹底承載結(jié)構(gòu)和小輪徑轉(zhuǎn)向架技術(shù)，提出了鐵路成列滾裝滾卸馱背運(yùn)輸車輛設(shè)計及裝載設(shè)計方案，裝載加固計算表明，僅需要輪擋加固措施即可滿足加固要求，具有場站要求低、快裝快卸的特點(diǎn)，為我國鐵路開展整車馱背運(yùn)輸提供技術(shù)支撐。