我国重载铁路技术发展趋势

载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而

受到世界各国铁路的广泛重视，不仅在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭和矿石等大宗货物运量占有较大比重的国家（如美国、加拿大、巴西、澳大利亚、南非等）发展重载铁路，大量开行重载列车，而且在欧洲以客运为主的客货混运干线上也开始开行重载列车。目前，重载铁路运输在世界范围内迅速发展，重载运输已被国际公认为铁路货运发展的方向，成为世界铁路发展的重要方向之一。世界各国重载铁路借助于采用高新技术，促使重载列车牵引重量不断增加。重载运输不仅提高运量，降低成本提高收入，而且能降低维修成本。国外实践经验表明，增大轴重能显著提高运输效率，国外重载铁路的列车轴重大多集中在28~32.5 t，最大达40 t。目前美国、澳大利亚、瑞典、南非、巴西、俄罗斯等国的货车轴重均达到了27 t以上，我国已经开始研发27 t及30 t轴重重载列车及其配套技术。

我国重载铁路技术发展趋势

康熊：中国铁道科学研究院，研究员，北京，100081

宣言：中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，副研究员，北京，100081

摘 要：介绍国外重载铁路技术特点与技术发

展趋势，探讨今后我国重载运输技术发展模

式，分析提高轴重的经济效益，分析我国重载

铁路的关键技术问题。研究分析表明：我国重

载运输应采取既有普速路网的强化改造和合理

规划新建重载线路的措施，以提高整体重载运

输能力；我国重载铁路技术应重点研究运输能

力匹配和运力布局，加快开展大功率机车和货

车技术、牵引制动控制技术、基础设施强化技

术、大能力煤运通道新建技术、重载轮轨关系

技术的研究和应用，通过采用设备状态检测与

监测技术、预防性线路维修等技术来全面提升

重载线路养护维修技术水平和管理水平。

关键词：重载铁路；关键技术；运输能力；养

护维修

重我国重载铁路技术发展趋势 康熊 等

1 重载铁路技术特点与发展趋势

重载运输是一项综合性的系统工程，除铁路技术装备，包括牵引动力、车辆、列车制动、多机牵引同步操纵和遥控、线路结构、站场配置、供电等必须适应列车重量提高要求外，重载运输的货源货流组织、列车装卸、安全运行、运营管理等也不同于普通货物列车的传统组织方式。

1.1 技术特点

国际重载铁路技术的主要特点是，在一定的铁路技术装备条件下，通过扩大列车编组长度，大幅度提高货车重量，采用单元重载列车运输模式，发挥铁路集中、大宗、长距离、全天候的运输优势，达到增加运输能力、提高运输效率、降低运输成本的目的。集中体现在：（1）提高轴重。重载铁路轴重普遍达到32.5～35.7 t，澳大利亚BHP和FMG已开行轴重40 t重载列车。（2）扩大列车编组，加大牵引质量。重载列车牵引质量一般为1万～4万t，普遍达到2万t左右。（3）强化基础设施改造，通过线路改造、运营和养修模式改变实现重载运输。（4）重视轮轨关系研究，把轨道-车辆作为一个系统来考虑，强调重载低轮轨作用，运营维护中对轮轨协调管理。（5）采用预防性维修策略，加强基础设施和移动装备安全检测与状态监测。

1.2 发展趋势

（1）大功率重载机车技术。主要包括三相交流异步电机轻量化，采用IGBT大功率牵引变流器和基于网络（现场总线）控制系统，通信协议多采用TCN国际标准，具有智能化故障诊断功能。

（2）重载货车技术。体现在大轴重、低自重、低动力作用。货车轴重多在30 t以上，部分铁路达到40 t，普遍采用低合金钢及铝合金、不锈钢轻量化车体，配备自导向径向转向架或导向臂式转向架、高强度车钩、大容量缓冲器，部分重载货车采用牵引杆技术，提高车轮材质，增强抗剥离性。

（3）重载列车同步操纵。采用机车无线同步操纵L O C O T R O L和电控空气制动E C P两种方式。目前LOCOTROL已发展到，接口简化且具有更高可靠性，其主要优势为可提供最佳动力分配和制动操作，减少列车在陡坡运行时的车钩受力，更快的加速和减速，增加牵引效率和减少滚动阻力，更快的制动缓解动作，可将多个短列车连接成一个长列车。ECP采用信息技术直接用计算机控制列车中每辆货车制动缸的制动和缓解，加快了制动速度、缩短了制动距离，降低了车辆间纵向冲动力，优越性非常明显，有线通信方式适用于固定编组单元列车，无线方式比较灵活，但需在每节车辆安装电源和无线收发装置。

（4）重载列控均由调度集中控制中心指挥。CTC 系统均采用双套设备，以确保CTC系统的高安全性、高可靠性和高可用性；调度集中系统功能齐全，显示内容丰富、显示界面灵活，CTC主要功能正向智能化、系统化、综合化方向发展。基于无线通信的列车自动运行控制系统CBTC以GPS局部决策系统（LDS）为核心，包括决策管理、速度自动控制、列车故障控制、路旁集成检测监控、道口报警、机车动力控制及安全警报、车站进路优化、列车自动操纵（无司机）等子系统。与传统基于轨道电路的列车控制系统比较，CBTC优势主要表现在整体性强，系统结构简洁，支持双向运行，可根据需要使用不同的调度策略，实现移动闭塞，可优化列车驾驶的节能算法，提高节能效果。

（5）工务工程。国外对重载铁路轴重大、货运强度高的运营条件，在线路、轨道结构、路基、桥梁及设备的监测与养护等方面采取了不同技术措施，包括提高线路技术标准；重视轮轨关系，把轨道-车辆作为一个系统考虑，先从轮轨关系出发采取措施降低轮轨作用力，再考虑轨道结构的强化，在运营维护中对轮轨进行协调管理；强化轨道结构和线下基础设施，重载铁路采用预防性维修，研发先进检测和监测技术，识别车辆和线路状态及缺陷。

（6）重载线路养护维修都采用预防性维修，实行钢轨预防性打磨，通过轨承式和车载式轮轨润滑实现轮轨摩擦管理，同时也对车辆进行预防性维护，改善轮轨相互作用；加强钢轨探伤和几何状态检测，制定合理预防性维修计划，采用大机养护来保持线路的良好状态；加大检测与监测力度，为预防性维修提供设备状态依据。

2 我国重载运输发展

我国客运专线网络基本建成后，既有路网实现货我国重载铁路技术发展趋势 康熊 等

运为主、兼顾客运的“客货并举”策略已成必然，铁路货运能力的提升势必向重载化发展。发展重载运输、提高铁路运输能力通常可采用增建新线、增加列车行车密度、提高牵引质量和加大轴重等主要技术措施。

基于我国国情，铁路货运大轴重重载发展主要通过2个技术途径。一是对既有路网强化改造以适应大轴重、大运量的重载运输；二是新建大能力货运专线，开行大轴重、长编组重载单元列车。分析既有京广、京沪、京九线路能力使用情况，在客运专线开通后，既有干线货运能力所释放的铁路运能仍无法满足煤炭等全部重载列车开行能力需求。因此修建合理的重载煤运通道是解决运能的必然之路。

我国重载铁路的技术发展，尤其是大秦重载运输技术创新，充分体现了我国重载技术主要特点，即无论是既有路网强化改造还是新建大能力货运专线，都必须均衡提升机车车辆、线路轨道、通信信号各自技术装备，同时全面优化运输组织模式，完善调度控制，协调发展检修维护与装备。

3 铁路货运提高轴重技术经济性分析

我国铁路货物周转量增长迅速，周转量增加主要通过增加运输密度实现；主要干线货运密度、列车平均牵引重量和平均编成辆数增长趋势显著高于全国平均水平，采用重载运输方式，在不到10%的里程上完成了大约30%的货物周转量，路网布局和运量分布存在结构性不均衡问题，少数线路承载着超过平均水平2～3倍运输量，其中近70%里程已接近或达到重载铁路标准。

基于既有基础设施和23 t轴重运输条件，假定每年更换20%新车，根据实际情况适度改造既有线，分别开行25 t轴重和开行27 t轴重货车，两种运输方案经济效益比较分析表明，使用27 t轴重敞车替代23 t轴重敞车运输大宗货物，可减少运用车数，显著增加货物运量，提高运输效率，缓解运能紧张，增加运输收入效益显著。按照现有运量和运价推算，每年将增加17亿～20亿元收入、使运输收入总水平提高0.9%～1%。

基于新建重载线路、拟开行25 t和30 t轴重货车比较，在新建重载线路时，按照轴重30 t标准建设，比轴重25 t将更显著增加货物运量、提高运输效率、增加运输收入，经济效益明显。按照现有运价推算，按照轴重30 t标准建设蒙西至华中地区铁路煤运通道工程，比轴重25 t标准每年将增加经济效益2.21亿元，占国家铁路货运收入的0.11％。

4 重载铁路关键技术问题及对策

以大秦铁路重载技术为代表的我国重载铁路技术已取得长足进步，为我国铁路发展大轴重重载运输奠定了重要技术基础。我国铁路进一步发展重载技术应在借鉴大秦重载技术体系基础上，开展以下9个方面关键技术问题研究工作。

（1）提高我国重载货运能力应从提高铁路运输经济效益为出发点，同时充分考虑国民经济发展和整个社会的整体效益。我国重载铁路通过技术提升和既有货车提速改造，货车的技术速度已普遍达到120 km/h，已趋于合理，主要干线列车追踪间隔已达到6～7 min，已经相对饱和，但货运重量尚存较大发展空间。因此，应着力提高货车轴重、扩大列车编组来提高我国重载货运能力，同时研究路网、通道运输能力匹配和运力布局。

（2）加快研发大功率机车技术。目前，美国、加拿大等重载运输发达的国家，重载机车主要采用交流传动、径向转向架和微机控制防滑防空转系统等技术。我国已拥有这类技术，考虑到既有到发线等设备参数，应加快研发牵引重量6 000~8 000 t单编、1.2万t单元和2.4万t组合列车的配套机车。

（3）基于我国国情，经济效益比较分析表明，应大力开展27 t通用货车和30 t专用货车技术。车辆动力学性能方面应采用新型径向转向架及优化的悬挂系统。采用铝合金或不锈钢等新兴材质的车体以降低车体自重。采用高强度旋转车钩及高性能缓冲器以提升列车纵向动力学性能。研发配套的27 t通用货车和30 t专用货车装卸装备。

（4）不断优化完善机车无线同步操纵技术或大力自主研发电空制动ECP技术。

（5）既有线工务工程强化技术。既有线桥涵结构强化主要涉及小跨度钢筋混凝土桥涵结构承载能力和疲劳性能、中等跨度预应力混凝土梁抗裂性能、高墩桥梁动力性能，可通过强化小跨度钢筋混凝土桥涵结构和对部分特殊结构进行改造，提升既有线桥涵结构承载能力、疲劳强度、抗裂性能。既有路网铁路隧道结构强化我国重载铁路技术发展趋势 康熊 等

主要涉及隧道基底状态评估、承载能力补强，可通过既有隧道状态检测、重载列车-轨道结构-隧道结构相互作用动力学模型仿真分析，提出重载隧道基底技术条件，进而研究提升既有隧道基底承载能力、强度和安全储备的加固技术条件及加固方法。既有路基强化主要涉及路基状态检测与评估、承载能力补强、沉降控制，既有线路基基本满足开行25 t轴重列车的条件，但需对细粒土基床上部结构进行检测评估，进一步提高轴重应对路基状态系统评估，有针对性地进行病害路基基床加固、过渡段加固、排水与边坡防护及地基加固。既有轨道结构强化涉及客货车速度匹配和曲线超高设置、道岔结构优化、扣件系统强化、特殊区段轨道结构整体强化，可通过既有轨道结构对大轴重适应性评估分析，识别轨道结构薄弱环节，进而完善客货共线曲线超高设置方案，优化道岔尖轨导曲线线形，研制强化扣件，并对小半径曲线、大坡道、过渡段、道床病害等特殊地段，从保证横向稳定性和提高承载能力方面采取合理的强化措施。

（6）大能力煤运通道新建技术。关键技术问题主要与基础设施设计、建造相关，应着重解决大轴重线路平纵断面、桥梁设计荷载设计标准、重载轨道结构配置和重载路基设计标准。通过比较研究，重载线路平纵断面参数方面，新建煤运通道最大坡度不宜超过12‰，最小曲线半径不小于1 000 m，相邻坡段代数差可取重车方向坡度2倍，需设置竖曲线时，竖曲线半径取15 000 m。新建煤运通道桥涵结构设计活载应采用ZH活载图式，并据轴重不同选取相应Z系数，如轴重为30～35 t时，可采用荷载系数Z=1.3～1.4；动力系数、离心力系数可基本采用《铁路桥涵设计基本规范》，特殊情况应适度放大；制动力或牵引力系数应进一步提高，作用位置应取轨顶以上2.2 m。重载轨道结构应采用75 kg/m、微合金热处理高强度钢轨，屈服强度大于1 200 MPa，需新研制重载混凝土轨枕和扣件，对于隧道内无砟轨道设计宜将道床板厚度适当加厚，以提高道床板抗弯刚度。重载路基基床应按变形控制原则设计，选用优质填料，严格控制基床压实标准和路肩宽度。

（7）重载轮轨关系。基于我国铁路在轮轨关系领域所开展的相关研究，在轮轨材质改进方面已取得初步成果基础上，应重点解决重载轮轨型面匹配、轮轨摩擦管理、轮轨维修管理这些关键技术。重载轮轨型面匹配应首先通过大量实测重载运营货车车轮踏面和现场在役钢轨型面，分析各自磨耗规律，确定改善轮轨接触参数的主次（侧重轨头抑或车轮踏面），再以减小轮轨横向力和冲角、降低轮缘与钢轨侧面接触的可能性、降低轮轨接触应力为优化目标，通过理论分析优化不同运营条件的轮轨接触最佳型面。轮轨摩擦管理可完全参照北美重载铁路实践经验，优选不会导致“楔切”效应的轨角固体润滑剂、轨顶摩擦控制剂，根据润滑膜有效性科学制定润滑周期，确保钢轨轨角处轮轨界面摩擦系数严格控制在0.25以下、轮轨界面摩擦系数控制在0.35～0.40。轮轨维修管理应吸收TTCI所开发的轮轨管理（WRM）系统思想，以我国重载货车和重型75 kg/m钢轨轨道结构为对象，优化钢轨轨头和LM型踏面尺寸，分析不同轮轨型面匹配状态下轮轨相互作用特征，以维持轮轨最佳性能为原则，研究确定轮轨不同磨耗状态下钢轨打磨、车轮镟修技术条件，进而实施轮轨型面状态修。

（8）重载线路养护维修技术。采用预防性线路维修策略，着力研究与制定适合我国重载运输条件的钢轨打磨与润滑技术和标准。具体到我国重载铁路钢轨打磨技术研究，应通过钢轨表面疲劳裂纹萌生预测仿真分析和不同通过总重条件下的钢轨裂纹金相观测，分析不同磨耗状态下轮轨型面匹配关系，优选轮轨最佳接触性能的钢轨打磨模板，根据裂纹发展（长度与深度）与磨耗（轨头型面）变化规律，确定合理的预防性钢轨打磨量和打磨周期。重载钢轨打磨策略分新轨预打磨、预防性打磨、修理性打磨。在重载铁路轮轨润滑方面，应着重解决好润滑剂选型、润滑方式与润滑周期确定。在润滑剂方面，应选择以含有石墨的半流体润滑脂为主，含有二硫化钼或不含固体填料的润滑脂为辅；在润滑装置方面，应以车载式轮轨润滑系统为主，道旁固定式钢轨润滑器为辅；在润滑周期确定上，应强调润滑膜有效性，视不同环境和运输条件，以实测轮轨界面摩擦系数变化作为润滑膜是否失效的依据，因地制宜地制定润滑周期。

（9）设备状态检测与监测技术。为促进我国重载铁路预防性维修技术发展，及时可靠地反映设备服役状态，应在既有“地对车”、“车对地”安全检测与监测系统基础上，创新研究和解决无缝线路状态实时监测、轨道结构与关键部件（道岔）状态实时监测、通用桥梁我国重载铁路技术发展趋势 康熊 等

与墩台状态实时监测、路基/隧道状态实时监测关键技术和工务设备状态监测网络应用管理技术。开展无缝线路状态实时监测，应重点研究解决无缝线路锁定轨温、钢轨温度应力、钢轨横向和纵向累积变形、轨排横向累积变形等关键参数的测试技术。开展桥梁和墩台状态实时监测应具体研究桥梁梁体变形和应力状态、桥梁支座变形和墩台变形、桥梁与桥上轨道动态相互作用参数测试技术、无线数传技术、桥梁与墩台状态评估技术等。开展轨道结构关键部件（含道岔）实时监测研究，应着重解决典型轨道结构动态响应测试、计轴判辆、数据自动采集和处理、无线数传、道岔部件应力应变测试、道岔关键部位累积变形测试、关键参数自动评判和实时报警系统。研究建立路基状态监测系统时，应着重研究路基承载能力、路基应力、沉降等力学和长期累积变形参数测试技术。研究建立隧道状态监测技术时，因着重研究隧道结构物应力应变变化、裂纹检测、隧道渗水等关键参数检测技术。研究建立工务设备状态监测网络应用系统，应着重研究工务设备状态检测信息网络管理技术、设备状态评估和专家决策技术。5 结论

以上分析表明，我国铁路重载运输应在客货分线的基础上，大力进行既有普速路网的强化改造，提高整体重载运输能力，同时合理规划新建重载线路。基于我国国情和现状，重载铁路技术应重点研究路网、通道运输能力匹配和运力布局，加快研发大功率机车技术，大力开展先进的27 t通用货车和30 t专用货车技术研发，不断优化完善机车牵引制动控制技术，积极采纳既有线工务工程强化技术进行设备改造，强力推进大能力煤运通道新建技术，同时要重视重载轮轨关系的研究和应用，全面提升重载线路养护维修技术水平和采用预防性线路维修策略，通过采用设备状态检测与监测技术以提升关键技术研发和推广应用。

责任编辑 杨倩

收稿日期 2013-04-12