目前美国铁路重载运输繁杂,不能一言以蔽之。

 

　　在美国,伯灵顿北方圣菲公司(BNSF)每年仅从怀俄明州和内华达州的保德里弗盆地运出的煤炭总量就达2.24亿t～2.54亿t(2.2亿英吨～2.5亿英吨)。每天有60列～90列万吨专列穿梭运输。

 

　　另外,在这个矿区还有一条铁路线,其年煤炭运输总量达1.22亿t～1.42亿t(1.2亿英吨～1.4亿英吨),每天有60列～80列万吨专列进行运输。

 

　　并且太平洋联合公司(UP)在这个矿区也进行着相似吨位的煤炭运输业务。每天有325列单元列车穿梭运输。这325列中有50列左右由太平洋联合公司拥有所有权,其他275列的所有权属电力照明公司。本文阐述了美国重载铁路运输的概况,并且强调了重载铁路运输对美国经济本身的重要性。

 

 

　　下面探讨运输物流中的2个要素,这与国际重载协会出色的工作有着直接的关系。

 

　　第一个要素是散装货物运输在一个国家经济发展中的重要性;第二个要素是当今铁路重载货运的效率有多高。可以说关注美国重载运输的特点,对全球铁路运输具有象征性的意义。1998年,美国铁路承担了全美国城间货运量(以 英吨·英里计算)的40.3%,这在全世界是独一无二的。若不是因为铁路能运输散装货物,实现如此大的货运量绝对是不可能的。据北美铁路协会(AAR)的统计数据,1998年铁路运输的散装货物有:煤炭、铁矿石、化工材料、农副产品和非金属矿藏,共计11.3亿美元,然而这仅占铁路总收益的47.1%。

 

　　这些散装货物运输吨位和占总收益的百分比之间的巨大差距是本文要着重讨论的一个内容。

 

　　在此还应指出的是,在引用该统计数据时,北美铁路协会还指出:"在1998年铁路总收益中,所占比例最大的3种货物运输分别为煤炭(80亿美元)、化工产品(47亿美元)、小汽车和设备(32亿美元)"。小汽车是 由双层联运集装箱列车运输的,这与散装货物重载运输较为类似。它们对铁路运输的重要性在于它们能够通过利用双层集装箱平车或关节车进行运输,并通过专列到达许多地方,正如散装重载运输一样。

 

　　仔细研究吨位与载荷和收益与价格这几种关系后,确认了这样一个事实,即在运输和物流的所有范畴中,散装货物的比率较低。当然,这也直接反映了运输的生产率和效率。不论是通过多节车辆组成重载专列的方式,还是通过提高每辆车所装货物容量的方式,重载都是以多拉货物为主要特征的。

 

　　这一点也可以从怀俄明州和内华达州的保德里弗盆地开行的运煤专列的运行里程上可以看出,这些车基本上穿梭在美国各个城市,最长里程可以达到2000多英里(约3200km)。这种情况是历经30年才形成的。更值得注意的是,由于美国近30年来铁路货运收入持续增长,以及重载运输一直保持较低成本,使这种情况更为显著,这将在随后予以解释。

 

　　以粮食和化工原料为例,这2种产品的铁路运输量在美国直线攀升,专列运输和车组运输2种形式交相辉映。从物流动态学方面考虑,促进了加长多层小汽车运输车和双层集装箱运输车的长远发展。

 

 

　　铁路货运的发展直接受制于运输的成本,本文中将详细介绍美国"286车",也就是总重129.73t(286000lb)货车的发展情况。该最高载荷标准同时适用于单元列车和混编列车中的车辆。

 

　　笔者在咨询一位业内人士时得到的看法是,"我们基本上已经是286车的时代了"。这位先生即刻援引他所在铁路公司和其他公司准备开发"315车"的情况,并指出所需的应对措施。第6届国际铁路重载会议(南非开普敦)CP铁路公司Michael Roney先生的文章也同时论述了这个问题。

 

　　转向286车或315车标准意味着增加疲劳极限,但是,还需对那些构成重载运输的所有元素的疲劳极限给予适当的考虑。

 

　　对于铁路重载,增加疲劳极限指采用陆路运输"批量生产/配送"模式。与此可能类似的情况是近期海运散装货物或集装箱运输的蓬勃发展,这种情况已经使海洋运输发生了根本性的变革。

 

　　在陆路运输转向重载的过程中,在美国仅短短几年灰浆管道和带式传输器就已经得到发展,成为替代铁路重载运输的富有竞争力的运输方式。但是车轮加钢轨的运输方式被证明比以上运输方式更具有灵活性,而且很少再听到用管道或带式传输器方式运输散装货物的消息。

 

　　然而,在同样的运输理念运作下,公路则具有不容忽视的更大灵活性。但是美国铁路重载的特点是运输量大,从而可以使零售"商场"或商品贸易中心将商品提供到所谓的供应链末端---客户手上,并能在全世界范围实行。

 

　　因此,可以说公路运输卡车虽然在不断地想方设法提高运输载荷和轴重,但其整个运输体系的拓展空间和承受能力与铁路相比,则要差得多。

 

　　换言之,公路卡车载荷的增加提高了对高速公路的损坏程度,再加上小汽车与更大、更重的卡车混运,对公路来说可谓难以承受。鉴于这种情况,把这些城间运输的卡车和集装箱由铁路来运输则是顺理成章的事情,这个业务在美国近年来呈稳步增长态势。

 

　　因此,在提及美国及其邻国加拿大的铁路运输的时候,一种新的运输理念正在不断加强铁路的优势,这就是重载。

 

　　286车和315车标准也就应运而生。应当提高本文前述的吨位与收入的成本价值,这是不能否认的,因为只有这样才能实现车辆载重的增长,并从经济上切实可行。正是多种力量共同作用提高了美国的重载运输效率。

 

 

　　这里用术语"转向进程"的目的是要区别于称之为"新生力量",因为实际上"转向进程"中的每个进程都可追溯到国际重载协会先前的活动。

 

　　2001年,美国的重载运输是高效和高生产率模 式,能导致成本降低,供应链运输更为可靠。下述每一个因素在美国向更高效的重载运输转向进程中都分别发挥了各自的作用。简单来说,这些因素包括:

 

　　交流内燃2电气机车增大了功率,改善了轮轨粘着力,提高了转向架的导向性能,以及以1抵2方式的推广,使其比目前的直流内燃2电气机车更具优势。

 

　　(1)安装有传感器的机车和列车的运行状况及其零部件状态可以智能监控,一些以前不可能实现的事情已经成为现实。
     (2)电空制动方式加快了制动的响应性能,使制动系统的功能得以进一步扩展。美国运输技术中心(TTC)经考察后得出结论:采用电空制动后,可节省燃油5.7%,闸瓦磨耗降低20%,车钩和钩舌断裂率降低约20%。

 

　　(3)闸瓦和车轮金相性能的改进提高了这些部件的性能和使用寿命。

 

　　(4)通过优化悬挂系统,提高了转向架在直线上和曲线上的牵引力,衰减了传递到车体和轨道上的应力和作用力,这些应力和作用力是由列车质量和列车运行速度引起的。

 

　　(5)在故障发生的同时就对车辆的稳定性进行监控,并同时处理出现的故障,即智能技术的运用。

 

　　(6)将机车分散在列车内部,由电气机构控制功率的分配,以便获得更为有效的牵引力和牵引功率。

 

　　轮轨界面或轨道/车辆动力学方面的因素有:

 

　　(1)车辆设计中采用铝合金、不锈钢或其他可能的合成材料,以降低自重,提高运能。

 

　　(2)采用新兴的IT技术进行车辆的维护保养。

 

　　(3)转向架摇枕及侧架连杆机构的运用,使转向架的横向性能得到有效控制,曲线和直线上的导向性能都得以提高。

 

　　(4)新型滚子旁承的应用。这种旁承的耐用性增强,规格品种增加。

 

　　(5)轨道故障探测系统的使用,可以将一些事故防患于未然,摆脱了早期的消极处理方式。

 

　　(6)新型钢轨的应用,材质采用贝氏体或高强度合金钢,辅助以各国通行的做法,即打磨钢轨并润滑轮轨接触面,以最大限度地提高动力学性能。

 

　　(7)采用预应力混凝土轨枕和其他新型紧固件,以提高弯道的稳定性,这些技术也将逐步应用到常规的直线区段。

 

　　(8)基于故障状态的线路维修。实际上线路巡视人员提供的数据在几何学和相关技术的协作之下可以变得更为精确。结合其他数据,用于线路维护的计算机和分析软件本身也进一步得到优化。

 

　　(9)轨道石碴的更换质量提高,高效的、多用途机械的应用使线路的有效使用寿命进一步延长。

 

　　(10)道岔材质和设计水平的提高可以更好地适应高速重载的要求。

 

　　(11)机车上安装步进式速度传感器后,与车辆的装卸机构结合,可实现列车更为有效的周转。

 

　　(12)电控管理系统与全球卫星定位系统的应用。

 

 

　　在美国,重载运输从广义上来说对提高运输效率有重要意义。最主要的是,重载专列和其他运输方式结合承担着从起点到终点的运输任务。随着先前所提的286车标准中货车轴重增加日益显著,更多出现的是由约100辆车组成一列用于运输除煤炭和铁矿石以外其他货物的专用列车,也加入到重载运输的行列。

 

　　同样,从美国运输服务方面来看,在谈到提高重载运输效率、能力和基础设施疲劳极限的同时,不能忽视美国运输技术中心在这方面所进行的工作和所做出的贡献,该中心总部设在美国科罗拉多州,并建有多处分机构。

 

　　50多年前,美国铁路的研发工作只是在若干铁路 公司的实验室内进行。一个不足10人的技术小组在北美铁路协会的资助下开展研究工作。该研究小组租用几家铁路公司和设备制造厂的载荷循环加载试验台进行试验研究,行业对此的广泛需求是显而易见的。然而建立一个像其他行业早已存在的类似联合研究机构的想法却被搁置一旁。原因是铁路公司在其31.5万km(19.6万mile)的铁路线上已经自行建立了研究机构,因此以上想法被视为"空想"。

 

　　也就是在那时,为数不多的几个项目中的一个终于让人们明白了联合协作的重要性。那次是为了验证桥梁的稳定性和Cooper桥梁载荷标准的可靠性。北美铁路协会和北美铁路工程协会(AREA)联手检测桥梁在有车辆通过时的应力值。当时,桥上布满了应变片,几天时间就测到了大量的数据,然后就是艰苦的数据分析工作,终于获得了有关桥梁的最新数据和最新Cooper标准。电子测力计和计算机辅助分析方式也 由此出现在人们的视线中。

 

　　当时,GeraldMagee是北美铁路协会主管工程研究的主任,William Faricy是主席,他们把北美铁路协会的所有理事(由美国I级铁路的总裁构成)召集起来,建立研发试验中心,并成为AAR的一个重要组织。这一次,人们不再坚持以往的大铁路即为试验场的观点,指派Magee先生负责规划该试验机构的筹备方案,集中利用分散在各地的加速试验台,增添新的设备,并筹备一个室外的冲击试验线。

 

　　也许时机不好,因为随着铁路公司打出更大吨位这张牌,在煤炭和铁矿石等货物重载运输密集的线路上,出现了因车辆滚摆现象导致的严重不稳定性问题。这些问题很大程度上是由北美铁路当时标准的交错式轨道接头标准规程造成的,但是也出现在连续焊接钢轨线路上,由于表面下的缺陷等综合因素的影响,这个问题还是会出现。与前述的桥梁稳定性调查的情况一样,这次又集中进行了轮轨横向力/轮轨垂向力(L/V)值的测试考察,并很快总结出轨道和车辆之间的作用规律,减轻了由车辆滚摆造成的危害。

 

　　同时,还有一件事情也从中获益,那就是加速试验线的筹建,即美国普韦布洛的室外环形线和室内滚动试验台。其中,滚动试验台不仅能测试轮对等主要部件,而且可以对整个货车或机车进行测试。

 

　　截至1999年底,TTC环形试验线上所进行的大轴重试验累积达1012t·mile(996英吨·mile)。作为对电子传感器和相关分析仪器性能的延伸,TTC又开发了IT智能控制技术和适合于重载运输的电子设备。

 

　　在大力进行L/V值测试的同时,联运运输业务也在显著上升,首先是公路拖车与平车联运,后来在全世界开始出现集装箱运输。车辆长度的增加和运行速度的提高明显加剧了车辆的滚摆运动,造成曲线轨道抬高等严重问题,即使采用混凝土轨枕来增强曲线段的稳定性,也不能完全解决这个问题。

 

 

　　在对美国重载运输进行评价时,绝不能忽视TTC在其中发挥的重要作用。

 

　　IHHA已经成为TTCI(原TTC)具体工作执行的一方。重要的重载运输进展不断在IHHA的年会上被介绍。这些进展连同上述改进措施不断充实到美国的日常重载运输中,重载车辆和其他类型的列车在线路上穿梭运输。另外,这些进展也成为各铁路公司今后开展业务的一个重点(机械、运营、工程和土建)。

 

　　从某种意义上来说,这些新进展对铁路行业增值、增效起到了非常重要的作用。

 

　　下面介绍本文前面所述的一部分美国铁路重载新进展情况。

 

 

　　对于BNSF公司来说,载重的增加使原本为100英吨总重车辆设计的车轮、轴承和转向架等部件的使用寿命,因轮轨横向力的增大而降低。这反过来又促进了车轮、转向架和轴承技术的改进,使设计286车或载荷更大的车成为可能。BNSF对自身的采购技术条件进行了修订,要求供货商的产品符合他们的新要求,即车轮的材质要更好,轴承的承载能力要更大,尺寸要适度减小。在主要运输线路上,道旁电子应变仪被用来检测车辆在常速通过时的轮轨横向力和轮轨垂向力。

 

　　近10年中,BNSF的检修观念也发生了重大的改变,预防性保养成了主角。钢轨的断面形状和润滑、接头的存在、石碴道床的维护都对重载运输起着极为重要的制约作用。因此,人们将视线的焦点集中在优质钢轨/道岔/混凝土轨枕、改善钢轨金相性能和制造技术及提高石碴的耐用性上来。

 

　　尽管新技术也可以测量转向架的蛇行运动,从而提高转向架的可靠性,但转向架的导向能力正获得越来越多的关注。

 

　　经过计算机实时检测系统,零部件出现问题的车辆将会被解体后进行修理。

 

　　更多的注意力被放在了电空制动机的研发上,以便克服上述出现的问题,并要求具备显示实际操作功能的优点,从而改善列车的操纵方式,保证重载列车的运行安全。

 

　　另外,人们也在集中力量将列车组转换成性能更优良、经济效益更好的分散式牵引模式。重车爬坡和空车下坡的比例不同,提高的性能也有所不同,这与电空制动技术有着密切的关系。

 

　　对于机车,对各零部件状态的监控也为状态修创造了条件,这与以往以时间和运行里程为基础的检修方式相比,是一种非常明显的改进。

 

　　同时,对轨道进行保养的重点被转到集中处理个别事故上来。

 

　　总体来说,BNSF公司很明显地向286车的方向努力,这就使材料、零部件和结构的设计需要更为先进的手段加以保证。采用铝合金车体,使车辆可以利用较多的额外承载吨位,就如同从100英吨总重升级到了120英吨总重,有20%的净利用吨位。同样的情况还出现在粮食和化工产品运输车上。铁路也在积极研究新型合成材料中梁的可行性,以便降低自重,提高耐磨性。另外一个出现稳步增长的是钢浴盆车,这种车既增加了车辆的载重,又降低了重心。转动车钩的使用实现了双车同时卸货。

 

 

　　关于UP公司,电空制动机、动力分散技术和交流内燃2电气机车的运用,推动了多样重载技术的发展。最初电空技术被应用在"230车"上,列车长度4km(2.5mile),总重2.64万t(2.6万英吨),实现了更为广阔的盈利空间。

 

　　这样做的好处在保德里弗盆地的煤炭运输车上得以体现:155辆车被编组在一起,列车长度2286m(7500ft),总重超过1.73万t(1.7万英吨),比同样编组数量的列车多承载了许多。某些运输线路限制编组较长的列车加挂其他车辆。专用车进入其他铁路网后,也需要对其长度进行调整。同时,机车的循环周期也是一个可以改进的问题,尤其是交流电源的使用不允许在一列车中存在过多的机车。

 

　　UP公司也在寻找更为优质的车轮和钢轨,以便提高钢材的硬度。近几年中,钢轨的使用寿命提高了20%～30%。UP公司也发现轨道翘曲对重载运输的影响很大,这也直接导致了重载运输中倾向采用混凝土轨枕的趋势。目前,混凝土轨枕的铺设量基本上是以每年25万根的数量递增。考虑到旧轨枕的换修,每年混凝土轨枕的消耗量约为350万根。增加路肩石碴的数量后,线路横向稳定性得以提高,而且石碴在采集时使用的是质地比较坚硬的岩石。

 

　　目前,UP公司正继续研究在较高速度下重载列车的作用力,考虑的因素包括轮轨的匹配问题,以及轮轨作用力对轨道结构本身的影响,还包括轨道排水的标准等。

 

　　铁路部门现在把注意力放在了轮轨接触面容易滋生重大事故的趋势研究上,但从已发生的问题来看,很多问题在出现苗头之前就可以消除。对正在形成的故障检测已经取得了重大的进展,潜在的益处就是降低了维护保养的成本,也防止了更为严重的事故的发生甚至是运输的中断。

 

　　在本文写作过程中,UP公司已经在5处位置检测出了踏面剥离、车轮不圆和热轴、拖挂设备、转向架作用不灵活等问题。安装在道旁的传感器在车轮通过时读取相关数据,车辆自动识别装置确认车辆的编号,车辆以64.4km/h(40mile/h)的速度通过时,由传感器测得的数据被实时处理,并以数字的方式传输到中心处理器中,最后的输出数据供业主或其他相关人员作出进一步决策。某一车辆的输出数据同时含有该车以前的检测记录。在笔者统计的某一天中,有20个车轮在5个检查点被检查出有不圆和踏面剥离的情况。这些记录可以和其他的记录进行比较,以便确认对车辆或轨道是否有破坏。以这种方式检查出的车辆将在下一个货站进行检查,以确定是否需要更换,也可以说在问题恶化之前将其解决。

 

 

　　对于NS和CSX来说,重载与所承载的货物有直接关系。这两家公司都分别承运西部保德里弗盆地和东部煤矿的煤炭。重载运输的采用尤其是对粮食、化工产品、多层小汽车和集装箱的运输带来不小的收益。

 

　　对于NS公司,粮食车的承载能力提高了20%。这些车辆一部分归铁路公司所有,一部分归业主所有。铝合金车体的采用不仅增加了车辆的承载能力,也增加了列车的长度。

 

　　运行方面的好处包括缩短了短途运输时间,以及车辆出库时间,并提高了装货效率。

 

　　工作的重点也被转移到将车辆升级到286车,并采用914.4mm～965.2mm(36in～38in)车轮上,以及尽量向315车努力。

 

　　对于专列和单元列车来说,人们同时倾向于使用无间隙牵引杆。这被认为是相对于客车技术的一大进步。在采用牵引杆时,把10辆车固定编为一组。如为常规的车辆,则每端有76.2mm(3in)的间隙,或每车有152.4mm(6in)的间隙,列车采用牵引杆后,每列车(以200辆编组计)就有约30.5m(100ft)的间隙得以控制。在实际使用过程中,在出现问题的情况下,也不至于将一组10辆车全部解编修理。

 

　　对于化工产品或粮食,还是倾向于较大编组的列车。

 

　　例如,在运输钢板卷时需要采取特殊的装运方式,并对钢板卷进行有效的防护,以便适应运输大型钢板卷的要求。将单车运输钢板卷的数量从4个提高到5个,并避免对钢板卷造成任何损伤,这对业主和承运商来说都是件好事。这样做也是对运输方式的一个很好改进,因为大多数的大型轧钢厂都与一部分小型轧钢企业联营。同时,这种做法也导致了敞车运输钢坯业务的发展。目前就有一列75辆编组的列车来往于铸钢厂和轧钢厂之间,从事此种业务。

 

　　技术人员在车辆设计方面也进行了一定的改进,以便运输另外一种"卷材"即纸张卷,这种运输为业主和承运商同时带来效益。

 

　　NS与矿山企业合作,用计算机控制装煤设施,以 便在列车以3km/h(1.8mile/h)的速度通过时,每辆车都能达到均匀满载。这种装煤机构能达到每天不间断装载7列～8列130辆编组的列车,而且装载的效果远比以往的倾斜式装煤的方式理想,并且每车可多装运5.08t(5英吨),将装煤效率提高了约5%。

 

　　NS公司也认识到,虽然自重轻的铝合金车具有一定的优势,但在零摄氏度以下其性能将大打折扣,而且需要缓霜装置。缓霜过程中的热量将损坏铝合金的强度。基于这种原因,NS将铝合金车派往其他地区从事运输业务。与此同时,该公司开始将铝合金车改装成不锈钢车体,这样做的主要原因是它在与Conrail公司合并时纳入的600余辆不锈钢车的性能确实很理想,而且可以使其有盖粮食漏斗车增加5.08t载重。

 

　　NS与UP一样,也倾向于使用多层面的IT技术监控车辆在通过道旁检测设备时,车辆及各部件的工作状态。他们把这种设备称为"扫描器",可以将检测到的故障信息传送到中心处理器中,这种处理器一般放置在距检修地点约4.8km(3mile)的地方,被检测出问题的车辆可以在该地点检修或更换。问题的关键是在故障发生的同时,就将相关信息传送给相关人员。尽管道旁检测设备的重点是车轮和轮对,但也可以同时生成三大件转向架的性能曲线图。

 

　　通过其CTMS煤炭运输管理系统,CSX公司允许业主在网络上实时查询列车的运行状态。

 

 

　　本文前述内容基本上都是与重载运输中比较"重"的部分即与车辆和列车有关,美国的重载运输业同时 也在基础设施,即轨道的维护和铺设方面下了很多功夫。

 

　　如前所述,技术人员对钢轨的金相性能做了很大的改善,以便提高钢轨的承压能力和轨枕的使用寿命。

 

　　25年前就已使用的轨道检衡车现已配备了电子 传感器和计算机辅助系统,一些潜在的问题可以智能化地监测出来,例如轨道当前的状态、可能出现的薄弱环节(轨头和钢轨断面的磨耗),以及预防性检修方案的规划等,都可以在检衡车上进行。

 

　　在对轨道进行定期检修和临时检修时,采用机械维护和先进技术。某一项手段和其他方式结合可以达到治标又治本的效果,这种做法也间接地优化了重载运输的方式。其中隐含的益处就是不仅仅重载列车受益,空载列车也受益。

 

　　这种做法保证了线路维护的高效性,并能在短时间内优质完成任务,包括更换钢轨、轨枕、石碴和夯实基础等。夯实机可以按恒定的速度前进,并且不影响夯头的连续作业。这种改进方式也促进了轨道有效工作时间的延长,从而不至于延误任何运输作业,提高了重载运输的效率。 轨道和车辆性能的提高是有直接联系的。尽管检修人员不会完全理解车轮擦伤对轨道的损坏,而技术人员对轨道状态不良对车辆性能的影响可能理解得也不十分透彻。

 

 

　　本文对美国重载运输的回顾从某种程度上来说也折射出重载运输方式对某个国家、地区或整个世界经济的巨大推动作用。

 

　　以美国的运输方式反映整个世界铁路运输的变化一点也不为过。目前欧洲正在推行以用户要求为导向的设计理念。欧洲铁路研究协会(ERRI)正在制定一整套的铁路标准,将首次涉及长2km(6600ft)的列车,并将轴重提高到30.5t(30英吨),最高运行速度提高到97km/h～116km/h(60mile/h～72mile/h)。 这很可能就是国际重载技术发展的下一个新篇章,并将进一步拓展城间铁路货运的发展。