作者：薛继连
出版社：中国铁道出版社
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朔黄重载铁路轮轨关系试读：
前言
铁路是交通运输的大动脉，对社会经济发展起着十分重要的作用。发展重载铁路运输是国际上货运铁路的主要方向，也是既有铁路扩能增效的一种有效途径。大轴重重载运输，一方面运能大、效率高、运输成本低，另一方面可显著提高机车车辆运转效率，减少机车车辆数量，同时降低牵引能耗、机车车辆维护费用和设备占用时间等，目前已成为大宗货物最为经济有效的运输方式。
朔黄重载铁路西起山西省神池县神池南站，东至河北省黄骅市黄骅港口站，正线总长近600km，是我国主要重载铁路之一。朔黄重载铁路于2000年5月18日建成通车，当年完成运量524万t，随后运量逐年大幅增长，到2005年底已完成年运量9230万t，2007年完成1.3亿t，2012年完成1.9亿t。
随着运量的增加，小半径曲线钢轨伤损及磨耗严重。为延长钢轨的使用寿命，2005年对朔黄上行线进行改造工作，将上行线全部更换为75kg/m钢轨，共更换557.5km。上行线采用区间无缝线路轨道结构，轨枕为Ⅱ型混凝土轨枕，配置1840根/km，Ⅱ型弹条扣件，Ⅱ级碎石道床（部分补充Ⅰ级碎石），道床宽度3.4m并堆高砟肩650mm。下行线仍为60kg/m钢轨。
更换75kg/m钢轨后，运营半年左右时间后，小半径曲线下股钢轨踏面表层开始出现鱼鳞状裂纹，逐步发展出现轻微的鱼鳞状剥落掉块，曲线上股钢轨侧磨与原60kg/m钢轨相比较，虽较为缓慢，但当钢轨发生鱼鳞状剥离掉块趋向稳定后，上股钢轨侧磨速度加剧，成为钢轨下道的关键因素。个别小半径曲线（R=500m）上股钢轨的磨耗寿命仅为3亿t左右。
曲线钢轨磨耗与疲劳伤损是铁路重载运输的一个突出问题。朔黄重载铁路目前主要开行23t轴重、牵引质量6000t和部分万吨重载列车，与国外重载铁路运能相比差距较大，因此，增大轴重、开行长大编组的重载组合列车将是扩大朔黄重载铁路运输能力的最佳途径。然而，随着轴重和运量的增加，轮轨磨耗、钢轨伤损也将日益严重。
世界各国重载铁路的发展经验表明，曲线钢轨磨耗与疲劳伤损和很多因素有关，如轮对运动行为、轮轨作用力、轮轨间摩擦系数、接触界面介质、接触面粗糙度、轮轨材质、轮轨几何型面、轨道结构、曲线设置参数等，然而，要研究解决朔黄重载铁路钢轨伤损问题，改善轮轨关系，减轻小半径曲线钢轨的侧磨，延长钢轨的使用寿命，必须深入细致地研究朔黄重载铁路运输条件下的轮轨相互作用关系。
本书共分为六章，按三个层次展开：一是立足我国铁路大发展的背景，在概括总结当今国内外重载铁路轮轨关系的研究基础上，对朔黄重载铁路钢轨的现有伤损病害及轨道结构部分强化改造措施进行阐述，并对现场调查与测试项目进行归纳总结分析；二是从轮轨相互作用关系源头出发，研究朔黄重载铁路轮轨型面合理匹配、小半径曲线钢轨打磨参数和摩擦控制技术，结合朔黄重载铁路的运输特点，对朔黄重载铁路轨道主要部件进行优化分析，提出朔黄重载铁路延长钢轨使用寿命的综合技术措施；三是通过现场验证段的方案设置和现场实践来对前述综合技术措施效果进行验证。
本书的编写凝聚着一大批科研、建设、运营工作者的智慧和汗水，通过编写本书来总结朔黄重载铁路轮轨关系研究中的新发现和新技术，既展示朔黄重载铁路轮轨关系研究所取得的重要成果，也期望对今后的重载铁路运输技术研究能有所帮助。
由于作者水平有限，书中错误和不当之处在所难免，敬请广大读者批评指正。
薛继连2013年3月1重载铁路轮轨关系研究现状
曲线钢轨磨耗与疲劳伤损是重载铁路运输的一个突出难题，其与很多因素有关，如轮轨作用力、轮轨型面、轮轨材质、轮轨相对运动、轮轨接触斑表面状态、轨道结构、曲线参数等，关系非常复杂。世界各国铁路部门每年用于维修和更换钢轨的费用十分庞大，所以，在过去的20年间，许多国家投入大量的人力和财力对减小钢轨磨耗和伤损技术措施进行深入仔细的研究，并取得一定的进展，尤以北美重载铁路、澳大利亚、南非等重载运输发达国家或组织所取得的研究成果最为显著。
我国对重载铁路钢轨磨耗和伤损的研究一直以来都非常重视，特别是我国运煤干线电气化改造后，机车车辆轴重的增加、列车牵引质量和运行速度的提高，使得小半径曲线钢轨侧磨大幅度上升，更是引起管理部门的注意。因此，在“七五”期间，原铁道部先后立项研究了几种典型条件下的钢轨侧磨问题，取得一些进展；在“八五”期间，又申请了国家重点科技攻关项目“减轻重载列车轮轨磨耗的研究”，比较系统地研究了我国主要干线铁路钢轨磨耗和伤损问题，结合当时铁路干线运输条件，提出减小曲线钢轨侧磨、延长钢轨使用寿命的一些具体技术措施，取得良好运用效果。近年来，随着我国重载铁路的万吨/两万吨长大编组列车开行常态化、大量25t轴重货车上道运输、载重货车速度进一步提高到100km/h等运输条件的改变，我国相关科研部门和钢铁厂借鉴国外重载铁路发展经验，联合开发了新型材质的试验钢轨，用于小半径曲线以延长钢轨使用寿命，初步试验显示出良好效果。
本章主要总结世界重载铁路的发展趋势，提炼重载铁路在轮轨方面所进行的研究，提出朔黄重载铁路轮轨关系研究的主要内容。1.1重载铁路概述
1.1.1 国外重载运输概况
1.发展历程
重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，特别是在一些幅员辽阔、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，发展尤为迅速。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趋势。
世界铁路重载运输是从20世纪50年代开始出现并发展起来的。第二次世界大战后的经济复苏及工业化进程的加快，对原材料和矿产资源等大宗商品的需求量增加，导致这些货物的运输量增长，给铁路运输提出新的要求，而大宗、直达的货源和货流又为货物运输实现重载化提供了必要的条件。铁路部门从扩大运能、提高运输效率和降低运输成本出发，也希望提高列车的重量。同时，铁路技术装备水平的不断提高，又为发展重载运输提供了技术保障。
从20世纪50年代起，一些国家铁路就有计划、有步骤地进行牵引动力的现代化改造，先后停止使用蒸汽机车，新型大功率内燃和电力机车逐步成为主要牵引动力。由于内燃、电力机车比蒸汽机车性能优越，操纵便捷，采用多机牵引能获得更大的牵引总功率，这为大幅度提高列车的重量提供了必需的牵引动力，以开行长大列车为主要特征的重载运输开始出现。但这一时期的重载技术尚不配套，长大列车货车间的纵向冲动、车钩强度、机车的合理配置、同步操纵及制动等技术问题都没有得到很好的解决。
20世纪60年代中后期，重载运输开始取得实质性进展，并逐步形成强大的生产力。美国、加拿大及澳大利亚等国铁路相继在运输大宗散装货物的主要方向上开创了固定车底单元列车循环运输方式，而且发展很快。
20世纪80年代以后，由于新材料、新工艺、电力电子、计算机控制和信息技术等现代高新技术在铁路上的广泛应用，铁路重载运输技术及装备水平又有很大提高，特别是在大功率交流传动机车，大型化、轻量化车辆，同步操纵和制动技术等方面有新的突破，极大促进了重载运输的发展。
近50年来，重载运输技术的不断进步，推动以下重载列车试验牵引重量的世界纪录不断被刷新。（1）1967年10月，美国诺福克西方铁路公司（N&W，现已归入诺福克南方铁路公司）在韦尔什-朴次茅斯间250km区段内，开行500辆煤车编组的重载列车，由分布在列车头部和中部的6台内燃机车进行牵引。列车全长6500m，总重达44066t。（2）1989年8月，南非铁路在锡申-萨尔达尼亚矿石运输专线上，试验开行660辆货车编组的重载列车，由16台机车牵引（5台电力机车+470辆货车+4台电力机车+190辆货车+7台内燃机车+1辆罐车+1辆制动车）。列车总长7200m，总重达71600t。（3）1996年5月28日，澳大利亚在纽曼山-海德兰铁路线上，开行540辆货车编组的重载列车，由10台Dash8型内燃机车牵引（3台机车+135辆货车+2台机车+135辆货车+2台机车+135辆货车+2台机车+135辆货车+1台机车）。列车总长5892m，总重达72191t，净载重57309t。这次试验列车平均车速为57.8km/h，最高达75km/h。（4）2001年6月21日，澳大利亚在纽曼山-海德兰铁路线上，开行682辆货车编组的重载列车，由8台AC 6000型机车牵引。列车总长7353m，总重达99734t，净载重82000t，创造了最长、最重列车新的世界纪录。8台机车分散布置，每2台1组，分成3组，另外2台机车单独布置。1名司机通过LOCOTOL机车无线同步操纵系统操纵全部机车。该列车平均车速为55km/h。
目前，国外重载列车实际运营中的牵引重量一般为1万t～3万t，美国重载列车编组通常为108辆货车，牵引重量为13600t；加拿大典型单元重载列车编组为124辆货车，牵引重量为16000t；南非重载列车的牵引重量一般为20000t；澳大利亚纽曼山重载铁路列车的编组通常为320辆货车，牵引重量在37500t；巴西维多利亚-米纳斯铁路标准编组列车为320辆编组，列车牵引重量31000t。国外年运量超过1亿t的重载铁路主要有：巴西维多利亚-米纳斯铁路（898km，年运量为1.3亿t）、卡拉雅斯铁路（892km，年运量为1.08亿t）；澳大利亚纽曼山-海德兰铁路（426km，年运量为1.09亿t）。
2.主要国家铁路重载运输概况（1）美国
美国的重载铁路研究水平在国际上处于领先地位，位于科罗拉多州的AAR所属的运输试验中心TTCI已经在大轴重（36t及以下）重载方面取得大量的研究成果，另外北美铁路现在运营的重载铁路轴重基本上在30t以上，所以己有丰富的实用经验。
美国是世界上最早发展重载运输的国家之一，其重载运输的发展历程大体可以分为三个阶段。
第一阶段，从20世纪50年代到70年代末，重载运输在铁路货运整体低迷的背景下诞生并初步发展。从20世纪40年代后半段开始，在政府对铁路长期严格管制及公路、航空运输迅猛发展的双重影响下，美国铁路在运输市场上的份额大幅下降。为了改善这种不利状况，美国铁路从50年代起开始有计划地着手牵引动力的现代化改造，大力发展新型大功率机车，为发展重载运输储备技术能力。20世纪60年代正式开展重载运输业务，主要通过重载单元列车运输煤炭。1960年，美国只有一条固定的重载单元列车运煤线路，年运量不过120万t，到1969年重载煤炭运输专线增加到293条，运量达1.44亿t，占铁路煤炭运量的近30％。1967年10月，美国诺福克西方铁路公司创造了总重44066t的重载列车世界纪录。
第二阶段，从20世纪70年代末到20世纪90年代末，通过提高轴重、增加装载能力等举措，推动重载运输飞速发展，带动了美国铁路货运的复兴。在这一阶段内，美国铁路重载运输的发展受到了三方面因素的影响和推动。一是20世纪70年代世界石油危机使煤炭在新的能源结构中占有重要地位，煤炭运输成为美国政府关心的重要问题。二是公路、航空运输迅速发展带来的环境污染和交通拥堵问题日益突出，政府和民众逐渐认识到铁路是一种环保的、可持续的运输方式，美国政府分别于1978年和1980年颁布了“4R铁路复兴法”、“斯塔格斯法”，解除了对铁路的严格管制，为铁路发展提供了较好的政策环境。三是1978年第一届国际重载大会召开，重载运输成为国际公认的铁路货运发展方向。
在上述背景下，20世纪70年代末，美国Ⅰ级铁路公司开始大力发展重载运输，为美国铁路的复苏作出了重要贡献。到1999年，铁路货运市场份额为40.3％，远远高于公路29.4％、水运13.1％、航空4％、石油管道16.8％的水平。此外，北美Ⅰ级铁路公司的货车平均容量提高15.1％，事故率降低64％，运行成本减少65％，生产率提高171％（达到271％），并且创造了相当高的收入水平。据1998年AAR统计，北美重载铁路运输收入主要包括三项：煤运收入80亿美元，化学产品运输收入47亿美元，汽车及设备运输收入32亿美元。
第三阶段，进入21世纪后，美国铁路加强交流内燃机车和轮轨界面等技术领域的研究，进一步提高重载运输效率和生产率。经过40多年的发展，美国重载运输已经确立了其在货运市场中的牢固地位。目前，美国70％的铁路线路为重载铁路，标准轴重33t。重载列车编组通常为108辆货车，由3～6台机车牵引，列车总重为13600t。重载列车采用大容量、低自重的货车，最大允许轴重范围在29.8～35.7t之间。一般采用大功率内燃机车多机牵引，并配合采用机车同步操纵技术。重载运输线路采用重型钢轨，最大可达近70kg/m。为了适应重载运输的需要，一些主要编组站的股道长达数公里。对于煤炭运输车辆，一些铁路公司采取了5列一组、整列无隔墙的槽式车组，以减轻自重，增加载重。为进一步开拓重载运输市场，美国还在海铁联合运输中开行了高效率的双层集装箱重载货物列车，使重载运输前景被更加看好。美国BNSF主要煤炭运输线路及列车见图1-1-1和图1-1-2。
考虑到线路条件等各方面因素的限制，为了进一步提高重载运输的效率，降低成本，美国铁路将重载运输发展的重点转向诸如增大交流内燃机车功率，改善轮轨黏着力，提高转向架的导向性能，对机车和列车运行状况进行智能监控，研究电空制动技术，对故障车辆的稳定性监控及处理智能技术，研制更好的车辆合成材料，使用IT技术进行车辆维护保养，轨道故障探测系统等方面。
图1-1-1 美国BNSF铁路公司主要煤炭运输线路
图1-1-2 BNSF铁路公司的运煤重载单元列车（2）澳大利亚
澳大利亚的矿产资源非常丰富，煤炭和铁矿石以及铝土、黄金的储量都位居世界前列。煤炭主要分布在东南部的新南威尔士州，这里的煤田面积达55000km 2 以上，储量占全国的75％。铁矿石主要分布在西澳大利亚西部的皮尔巴拉（Pilbara）地区。铝土矿分布在北部的约克角半岛等地。澳大利亚昆士兰煤矿是世界上最大的煤矿之一，煤产量逐年上升，1994年为0.85亿t，2005年为1.5亿t。澳大利亚必和必拓（BHPbilliton）、力拓（RioTinto）与巴西的淡水河谷（CVRD）公司是世界三大矿业巨头，掌控着全世界铁矿石海运量的70％。此外，澳大利亚还是世界上主要的粮食（小麦）输出国之一。这样的资源特点推动了澳大利亚铁路重载运输的发展。
自从美国南方铁路公司（Southern Railroad）于1960年成功开行重载单元列车以后，澳大利亚铁路很快就接受并采用铁路重载运输。澳大利亚最早的重载线路由窄轨铁路改造而成。20世纪60年代初，昆士兰州对1067mm窄轨铁路进行技术改造，实现以运煤为主的窄轨铁路的重载运输。到20世纪60年代中期，澳大利亚改建和新建的重载运输铁路已经达到约4000km。其中，1067mm轨距的铁路占很大比例。20世纪70年代以后又新建几条重载铁路。澳大利亚具有代表性的三条重载铁路有：昆士兰州古涅拉至海衣角的电气化运煤铁路线、纽曼山铁路、哈默斯利铁矿铁路，见图1-1-3。
图1-1-3 澳大利亚重载铁路分布
①昆士兰的电气化运煤铁路线
昆士兰运煤铁路线从港口到科帕贝拉为145km长的双线铁路，科帕贝拉至不同方向的8个矿区均为单线铁路。轨距为1067mm，钢轨重量60kg/m，轴重22.5t。最远的煤矿到港口的距离为293km。运煤列车从矿区到港口往返循环运行。有的列车编挂148辆旋转车钩式货车，总重10500t，由5台机车牵引；另一些列车编挂120辆底开门货车，总重9500t，由4台机车牵引。这些列车都采用动力分散布置方式，即列车前部2台机车，中部2～3台机车。仅头部机车的司机一人操纵，通过Locotrol同步遥控装置控制其他所有的机车，见图1-1-4。
图1-1-4 澳大利亚运矿车
②必和必拓（BHP Billiton）公司纽曼山铁路
澳大利亚的必和必拓（BHP Billiton）公司是世界最大的采矿业公司之一，在钢铁工业的原材料方面，是位于世界领先的供应商。金属铜的产量位居世界第三，煤炭产量排世界第二，战略金属镍的产量也位居世界第三，核能原料铀的产量是世界五强之一，此外，石油和天然气的产量也在世界上具有相当地位。
必和必拓公司的铁路系统路网总长约800km。必和必拓在皮尔巴拉地区拥有5座大的矿山，通过两条主要的铁路干线，以及一些短的支线连接到印度洋沿岸的海德兰港（Port Hedland），均为单线铁路。这两条线路是：全长426km连接纽曼山矿山（Mt.Newman）与海德兰港（Port Hedland）的纽曼山铁路及通向附近其他几个矿区的支线；全长210km从亚利耶（Yarrie）矿区到海德兰港的亚利耶铁路。这两条线路每天开行12对重载列车。前者是澳大利亚目前最长的私有铁路之一，它通过几条支线通到不同的矿点，开行世界上最长和最重的重载列车。
BHP纽曼山重载铁路的年运量为1.09亿t，典型的列车由6台6000马力的机车牵引，大多数列车编挂208辆矿石货车。每辆货车装载约125t铁矿石，轴重37.5t，列车总重32000t，载重26000t。线路上安装了调度集中控制系统（CTC），由海德兰港进行统一调度指挥。重车的最高速度是75km/h。列车从纽曼山到海德兰港的单程开行时间约8h。亚利耶-海德兰港的亚利耶铁路上开行的列车比纽曼山到海德兰港铁路的列车小，通常是一台机车牵引90辆矿石货车。
铁路运输是必和必拓公司铁矿石生产链上不可或缺的一个环节，其铁路系统是世界上技术最先进和效率最高的铁路之一。近年来，澳大利亚重载列车不断刷新世界纪录。1996年5月28日，必和必拓公司在纽曼山铁路上试验开行总重达72191t的重载列车，2001年6月21日又创造了总重达99734t的重载列车试验纪录（图1-1-5）。
图1-1-5 澳大利亚纽曼山-赫德兰铁路线重载列车
由于世界上，尤其是亚洲地区钢铁工业的发展对铁矿石需求旺盛，近年来矿石出口大幅度上升，必和必拓计划把年产量增加到1.55亿t。为此，必和必拓公司于2007年新购买10台大功率内燃机车和860辆铁矿石货车，以适应铁路运量的增加。必和必拓公司现共有91台机车和约4000辆运送矿石的货车。
③皮尔巴拉铁矿公司（Pilbara Iron）哈默斯利铁矿铁路
皮尔巴拉地区的另一家铁矿石铁路运输经营者是力拓（RioTinto）矿业集团下属的皮尔巴拉铁矿公司（Pilbara Iron），该公司以前称为皮尔巴拉铁路公司（Pilbara Rail）。该公司是在力拓公司并购哈默斯利铁矿公司（Hammersley Iron）及罗伯河铁矿公司（Robe River Iron）以后，把这两家公司的采矿、铁路及港口等业务整合后组建而成的，但这两家公司仍然保留对其各自的资产，包括线路、机车车辆的所有权，管理则由皮尔巴拉铁矿（Pilbara Iron）公司负责。
皮尔巴拉铁矿公司经营1200km的铁路网，是澳大利亚最大的私人拥有和运营的铁路之一，服务于10个矿山和2个港口，全部列车都由位于Dampier的调度中心进行控制。皮尔巴拉铁矿公司的重载列车比必和必拓公司的列车稍小，哈默斯利铁路上的重载列车通常在230辆以上，每辆车载重100t以上，列车总重2.95万t，长2400m。与昆士兰铁路和必和必拓铁路不同的是，哈利默斯铁路由集中布置在列车前端的2～3台机车牵引，而不是把几台机车分别布置在列车的前部和中部的动力分散布置方式。列车平均周转时间33h，每25min有一列列车在线路上开行。皮尔巴拉铁矿公司铁路年运输能力在1.3亿t以上，目前每年运量1.1亿t。
④Fortescue金属集团重载铁路
由于世界范围内对铁矿石的需求强劲，在皮尔巴拉地区又成立一家新的铁矿石开采和铁路运输经营者——Fortescue金属集团。该公司与我国的钢铁企业合作共同开发皮尔巴拉地区的铁矿并建设该矿区与海德兰港之间长260km的铁路。2007年年底，该铁路已建成，开行2500m长、牵引重量为30000t的重载列车，所运输的铁矿石主要输往我国。（3）巴西
巴西的矿产、水力、森林等自然资源在世界上均占重要地位。其铁矿总储量达800多亿t，居世界前列。巴西的淡水河谷矿业公司（CVRD）是世界最大的矿业巨头之一。它属下的维多利亚-米纳斯铁路和卡拉亚斯铁路也是世界著名的重载运输铁路，主要是用于把铁矿石运往港口。巴西重载铁路分布见图1-1-6。
图1-1-6 巴西重载铁路分布
①维多利亚-米纳斯铁路
维多利亚-米纳斯铁路位于巴西东南部，轨距1000mm，长度898km，占巴西铁路网的3.1％，其中594km为双线。该线于1904年5月18日开通，20世纪40年代被CVRD（淡水河谷公司）收购，是巴西最现代化和运量最大的一条铁路，最繁忙区段平均每天开行列车63列，2004年运量为1.19亿t，2005年达到1.3亿t（占巴西全国铁路货运量的32％），2009年运量达到1.77亿t。其货运量中，80％是铁矿石，20％是其他货物，包括钢铁、煤炭、石灰石、生铁、农产品等60余种，拥有员工2800人，机车207台，货车15376辆。
2001～2003年，维多利亚-米纳斯铁路重载列车标准编组为320辆，平均总重31000t，由3台机车分散布置牵引，机车总功率为8950kW。由于在大多数编组站，对于编组超过240辆的列车，还必须增加一些额外的作业，2004年该铁路将重载列车标准编组改为240辆。但是，目前编挂320辆空车的列车仍然在正常运行。铁路方面也对其他编组方案进行了试验和模拟。
②卡拉亚斯铁路（EFC）
卡拉亚斯铁路也属于淡水河谷矿业集团所拥有，位于巴西北部，是一条把铁矿石从矿山运输到大西洋沿岸的蓬塔马代拉港（Ponta da Madeira）的重载运输铁路，建于1982～1985年，线路长度892km，轨距1600mm。与维多利亚-米纳斯铁路的不同之处是，前者是米轨铁路且大部分区段是双线铁路，而卡拉亚斯铁路是一条单线宽轨铁路。
因为是单线，卡拉亚斯铁路有49处会车侧线，最大轴重31.5t。重车方向最大坡度3‰。线路中73％是直线，27％是曲线，共有347段曲线区段。该铁路是世界上生产效率最高的铁路之一。线路的最高允许速度空车为80km/h，重车为75km/h。整条铁路由一个经过现代化改造的中央调度台（CCP）进行控制。机车上装备有车载计算机，可实现地面与列车之间有数据通信系统。此外，还装备了GPS列车跟踪系统和遥控遥测装置，能监视铁路线上行驶的所有机车的位置。
卡拉亚斯铁路以货运为主，主要任务是运输铁矿石，从卡拉亚斯的铁矿山运送到在圣路易斯附近的蓬塔马代拉，往返一次，包括更换乘务员、补充燃料、装卸矿石等在内，通常需要58h，每天开行30列列车。在客运方面，每周在圣路易斯与Parauapebas之间860km的线路上单向开行三趟旅客列车，每趟列车由16辆客车编组成，年运送旅客大约45万人。
1985年，卡拉亚斯铁路正式开通，开行160辆编组的列车，当年运量为3500万t。随着运量的增加，列车编组也不断增加。到1994年，标准列车编组提高到202辆。2006年，列车编组达到208辆，列车总重超过了20000t，货车轴重达30.5t，运量增加到8940万t（其中91％是铁矿石，其他货物有大豆、生铁、锰矿、燃料、铜和公路车辆等）。2007年，卡拉亚斯铁路运量达到了1.08亿t，成为世界上最繁忙的单线铁路。
2006年10月，卡拉亚斯铁路采用多台机车分散布置的方法，开始试验编组312辆的列车，与208辆列车相比，运能可提高50％。这种长度3.2km的列车前端是2台机车，然后是104辆货车，中间是2台机车，后面是208辆货车。第一台机车上有一名司机，其他机车都受Locotrol控制。卡拉亚斯铁路于2008年开始正常开行编组为312辆的重载列车。（4）南非
20世纪60年代末，南非铁路就已经开始发展重载运输。相对其他国家，南非铁路的重载运输发展有其独特的优越性。首先，南非作为世界五大矿产国之一，矿产资源极为丰富，其北部地区盛产煤炭和高品质的铁矿石，出口形势很好。另外，南非地处两大洋间的航运要冲，拥有世界上最繁忙的海上通道。在将北部矿区的煤炭和铁矿石运往大西洋、印度洋沿岸主要港口转运出口的过程中，南非铁路发挥着极其重要的作用。因此，南非铁路积极借鉴美国铁路的经验，开始大力发展重载运输。目前，南非重载列车的牵引重量一般为20000t。
发展初期，南非引进了北美重载单元列车技术，从20世纪70年代开始修建重载铁路，其后又对线路进行过数次升级和改造。南非有两条重载铁路：一条是从赛申（Sishen）到萨尔达尼亚（Saldanha）的矿石运输专线（Orex），里程861km；另一条是从北部的煤炭基地姆普马兰加（Mpumalanga）到理查兹湾（Richardsbay）的运煤专线（COALlink），里程580km。南非重载铁路分布见图1-1-7。
图1-1-7 南非重载铁路线路
Orex铁矿重载铁路为单线准轨，全长860km，赛申-萨尔达尼亚铁路1976年开始运营时，列车由6台内燃机车牵引202辆矿石车，列车总重17000t，1979年初实现电气化，1981年开始使用3台电力机车牵引220辆大型矿石车，总重达22880t。从1980年到2000年，年运量由900万t提高到2600万t。（5）瑞典
瑞典的基律纳（Kiruna）-林克斯格朗孙（Riksgransen）矿石线全长540km，是瑞典北部的矿山专用铁路，由瑞典最大的铁矿石公司LKAB负责经营。该线路1888年开通时，轴重只有11t。1915年线路率先实现电气化改造。1997年之前，瑞典铁路在该条线路上开行25t轴重的重载列车，每列编组52辆车，列车总重5200t。1997年后，随着线路的改造和机车车辆的升级，轴重提高到30t，车辆载重由80t提高到100t。2007年，开行的重载列车总重为7000t，编组数量提高到60辆。机车车辆和线路的升级改造，为瑞典重载铁路运输带来的最大效益就是能源损耗的减少和运费的降低，每年从矿山开行到港口的列车数目由7000列减少4000列，而运输成本则降低近1/2，同时货运量也在增长。LKAB公司的年运量由原来的2000万t增长到2500万t。
1999年，瑞典开始修建一条新的重载铁路（Bothniabanan线）。该条铁路经由尼兰（Nyland）到恩舍尔兹维克（Ornskoldsvik），最终抵达瑞典东北部的于默奥（Umea），全长190km。瑞典重载铁路分布见图1-1-8。Bothniabanan线是一条客货混行线，轴重25t。通车后，客车时速可达250km，重载货车时速可达110km。（6）加拿大
加拿大铁路重载运输方式与美国相似，是北美铁路重载运输的基本统一模式。20世纪60年代，加拿大重载运输已取得实质性进展。1967年，加拿大国营铁路在采用固定车底循环往返的专用直达列车运输谷物之后，又扩大到煤炭、矿石等物资，之后就一直不断发展。加拿大积极组织开行和发展了双层集装箱重载列车，如1993年，加拿大开通温哥华-多伦多、蒙特利尔-多伦多等方向多条双层集装箱重载列车线路。与普通列车相比，双层集装箱列车的运输成本约降低30％。集装箱重载运输的发展，为横贯美洲大陆的铁路/海运联合运输开辟了新路，且效益可观。2006年，加拿大的列车编组长度一般是80～130辆，其载重量均在10000～15000t，见图1-1-9。
图1-1-8 瑞典重载线路图
图1-1-9 加拿大重载列车
加拿大一级铁路标准轴重于1995年改为33t，太平洋铁路（CP）的重载列车由110辆货车组成，列车载重15000t，把塞尔柯克矿区的煤运至鲁泊特港以便出口到日本，或者把出口到中国和日本的谷物从约1700km外的内地运出来，每年通过CP重载铁路运输出口到亚洲的硫、钾矿达5000万t。加拿大铁矿集中在魁北克省。矿区至圣劳伦斯河港口的两条准轨重载铁路每年运出4000万t矿石。卡提尔铁路长460km，已成功开发了拉克加麦恩、火湖等矿区，怀特山是现在唯一正开采的矿区。列车由3台机车和156辆货车组成，轴重31t，年货运量1500～2000万t。魁北克北岸拉布拉多铁路在卡提尔铁路东面，连接翁加瓦矿区与圣劳伦斯河七星港，线路长639km，列车编组117～265辆，轴重32.5t，总重13000～30000t，最长3300m，年货运量2000万t。
在重载运输中，加拿大国家铁路公司（CN）和加拿大太平洋铁路公司（CP）均采用固定班列的组织形式。CN将每辆车和每个集装箱都按照列车班次列入计划，并建立运程管理信息系统，监视和控制每一车次的运输过程，向用户提供及时、精确的运输信息；CP每季度调整一次列车班次，以适应季节性的运量波动。（7）俄罗斯
俄罗斯幅员辽阔，资源丰富，煤炭、矿石等大宗货物运量占有较大比重。早在20世纪50年代中期，前苏联就开始研究铁路重载运输技术，通过大规模普及电力牵引和内燃牵引，普及自动闭塞、电气集中，实施复线改造，延长站线长度，铺设重型钢轨，配备大载重车辆等，以提高货物列车的平均重量。60年代末，普里伏尔加铁路局为了解决运营区段上因进行线路维修施工，造成能力受到损失、运输秩序被打乱的问题，开行将两列或以上的普通列车直接连挂、合并运行的组合列车，以加速列车发行。
1979年，全俄铁道科学研究院和勘测设计研究院研究提出将列车重量提高到6000t的具体建议，并在西伯利亚和哈萨克斯坦与乌拉尔、欧洲部分相连的线路上完成重载列车牵引试验。这种6000t的载重列车首先在莫斯科铁路局开行。1979～1983年，莫斯科铁路局的列车平均重量增加189t，货物周转量增加6％，行车量下降4％，取得很好的经济效益。但是，整个路网在充分利用现有能力方面措施不够有力，路网的列车平均重量只增加36t，与莫斯科铁路局的指标相比低很多。
1983年以后，前苏联铁路大规模提高列车平均重量的工作全面展开，重载组合列车技术有了新突破，三联（三列车连挂）及多联方式的重载组合列车重量可超过万吨。1986年开行总重达43407t的组合列车，创造了前苏联铁路重载列车的最高纪录。1983～1986年，前苏联铁路列车平均重量提高255t，货运量增加了9.5％。俄罗斯重载列车见图1-1-10。
图1-1-10 俄罗斯重载列车
2004年，俄罗斯铁路研究扩大重载列车和超长列车开行线路的方案，确定适合发展重载运输的13条干线，总长28000km。近年来，俄罗斯铁路还对新的列车制动系统（СУТП）和无线控制设备（ИСАВП-РТ）分别进行9000t列车的安全运行试验和12000t列车的控制试验，并计划将货车轴重提高到25～27t。（8）德国
为适应货运市场变化，满足大宗货物运输对铁路的需求，提高竞争力，20世纪末，德国铁路开始策划大轴重网络。市场研究结果认为，重载运输将提高铁路货运竞争力；潜在的重载通道与路网公司现有主要干线相吻合并与国际通道相连接；重载通道建设可与既有网络改造同时进行。
德铁路网公司拟分两步实现重载货物运输。首先从2003年开始，在部分有技术储备的既有线路上开行22.5t轴重及以上的单元列车；第二步根据UIC的E级标准（25t轴重）以及市场和投资要求，建设25t轴重重载运输网。
德国铁路重载运输货物主要为铁矿石。2003年11月，德国铁路在汉堡港至萨尔茨吉特之间的铁矿石运输专线上试验开行6000t重载列车。此前，德国铁路最重的货车为5400t。为开行此次重载列车，德国铁路路网公司按25t轴重的运营要求，对汉堡-萨尔茨吉特205km的线路进行强化改造，线路最大坡度5‰。这次重载试验成功后，该线路开始正式开行6000t重载列车。单元列车采用6轴液压操作侧开门的Faals151型货车，编组40辆，列车质量6000t，运行速度80km/h，采用6轴151E型电力机车双机牵引（2×6300kW），每天运行4对列车。德国重载列车见图1-1-11。
图1-1-11 德国重载列车
德国铁路公司规划发展2000km重载铁路网，2010年25％～50％的货运周转量由重载线路来承担，散装货物也由固定编组的整列重载列车来运输，重载列车的年运输能力达9000万t。
1.1.2 国内重载运输发展
我国重载运输起步于20世纪80年代，借鉴国外的成功经验，通过一系列的实验，首先选择煤炭运输通道上能力紧张的区段作试点。通过逐步扩大重载列车的开行范围和数量，找到了一条缓和运能与运量矛盾的重要途径。我国铁路重载运输主要通过两种途径实现，即新建大能力、高标准的重载列车运输专线和有计划地对既有线进行配套改造。根据重载列车运输组织模式的不同，我国铁路运输发展大体上可分为四个阶段。（1）第一阶段：自1984年至1990年，为改造旧线、开行组合重载列车阶段。铁道部于1984年11月7日成立组合列车开行实验领导小组，选择晋煤外运通道——丰沙大线和京秦线为试点，开行固定式组合重载列车。采用NDS内燃机车，双机牵引7400t，使用C 61 缩短型敞车和装有配套技术的新型C 62A 车辆。根据货流特点，采取固定车底、固定机车、固定发到站、固定运行线，从大同西站出发直达秦皇岛东站，卸车后原列空车返回，循环拉运。1985年3月20日正式开行，同年3月，铁道部决定扩大试点范围，山海关至沈阳间实验开行“非固定”式组合列车，1985年8月正式开行7000t重载列车。1985年7月，北京、济南两铁路局于石德线和津浦线在石家庄至济南间开行“非固定”式组合列车。后又在郑州铁路局平顶山至武汉间双机牵引6500t，上海、济南两铁路局于徐州北至南京东间双机牵引7000～8000t的组合列车也相继开行。
组合式重载列车自1985年3月正式开行，至1990年底共计开行10339列，对扩大晋煤外运数量，缓解沿海繁忙干线能力紧张，促进国民经济的发展作出了重要贡献。（2）第二阶段：自1985年至1992年，为新建大秦铁路运煤专线，开行单元式重载列车阶段。大秦铁路是借鉴加拿大、澳大利亚等国开行重载单元列车的经验，在国内新建的第一条双线电气化重载运煤专线，全长653km。大秦铁路分两期修建。第一期大同-大石庄，全长410.788km，1988年12月28日建成开通；利用法国进口8K型电力机车和C 63 型车辆（装有可旋转式车钩），实验开行了单机牵引6000t，双机牵引10000t单元式重载列车。第二期大石庄-柳村，全长242.232km，1992年12月21日建成开通。同时秦皇岛三期煤码头投产，全线正式开行列车重量为6000t和万吨单元列车。（3）第三阶段：自1992年以后，对沿海繁忙干线逐步改造，开行整列式重载列车。
为了进一步扩大京沪、京广两线运输能力，缓解线路紧张状况，决定开行双机牵引5000t整列式重载列车实验。京沪线于1992年8月6日在徐州北至南京东间，利用2台NDS型机车牵引64辆货车，总重5134t，京广线于8月12日石家庄至郑州北间由两台北京型机车牵引65辆货车，总重5119t，两线均实验成功。
目前京沪线、京哈线、京广线等全国铁路六大干线普遍开行5000t的重载列车，部分线路达到5300～6500t，大秦线已普遍开行10000t的重载列车，并成功开行20000t重载列车。据初步统计，截至2005年底，全国5000t及以上的重载运输线路里程达到11000km，主要包括京哈线、哈大线、京沪线、京九线北京至阜阳段、京广线北京至武汉段、陇海线郑州至徐州段、石德线、大秦线、侯月线、神朔黄线、大准线、京秦线、新菏充日线、新月线、同蒲线、滨洲线、滨绥线等。全国铁路到发线有效长度1050m的线路约1万km，占铁路总里程13％；到发线850m的线路里程约3.5万km，占铁路总里程47％。（4）第四阶段：2003年年末，铁道部党组认真贯彻党中央、国务院的指示精神，坚持国家利益和人民利益至上，作出大幅度提高大秦线运输能力的决定。在铁道部党组的领导下，经过两年多的科学论证与试验，通过系统集成创新，于2006年3月28日在大秦线正式开行了2万t重载组合列车，使我国铁路重载运输技术水平跨入世界先进行列。2万t重载组合列车的开行，大幅度提高了大秦线的运输能力，使大秦线仅用4年时间实现了运量从2002年的1亿t到2007年的3亿t的飞跃，创造出重载铁路年运量的世界纪录。
我国铁路在不断提高大秦线运输能力的同时，也不断提高繁忙列车的牵引重量。2007年4月18日全国铁路第六次大面积提速后，京沪、京广、京哈等繁忙提速干线将重载列车牵引定数由5000t提升到5500～5800t，进一步提高了繁忙干线的运输能力。
1.1.3 朔黄重载铁路概况
朔黄重载铁路是我国“西煤东运”第二条通道的重要组成部分，是目前已投入运营的投资规模较大、技术装备水平先进的重载铁路。该铁路西起神池县神池南站，东至黄骅港，全长585km，批准的概算投资为188.91亿元（含肃宁北至黄骅港段增建第二线铺轨和站后投资9.33亿元），年输送能力6885万t，远期1亿t。朔黄重载铁路横跨晋、冀两省，穿越吕梁、太行两大山区，沿线地形复杂，尤其是穿越两大山区之内的线路，高填深挖，桥隧相连，小半径曲线较多。根据煤矿建设的需要和国铁运输条件，分段建设。神池南至肃宁北段于1997年11月25日开工。此前，重点工程长梁山隧道、寺铺尖隧道经原国家计委批准分别于1995年底和1996年7月提前开工。1998年全段全面展开施工，当年11月开始铺轨，2000年4月与京九铁路接轨，同年5月18日开通运煤。肃宁北至黄骅港于2000年3月开工，当年11月开始铺轨，2001年8月16日与黄骅港港区铁路接轨，至此，矿区至港口铁路全线贯通。同年12月5日开通临管运营，向港口运煤。朔黄重载铁路建设速度快，工程质量好，开通运煤早，社会效益、经济效益十分显著。
朔黄重载铁路设计为国家Ⅰ级干线，双线电气化铁路自动闭塞。牵引质量：上行5544t；机车类型：SS 4B 和SS 4改 ，车辆类型：C 64 、C 64K 、C 64H 和C 70A ；线路允许速度：神池南至原平南70km/h，原平南至南湾80km/h，南湾至西柏坡70km/h，西柏坡至黄骅港80km/h；限制坡度：上行4‰，下行12‰；最小曲线半径：一般地段800m，困难地段400m。
1.线路走向
朔黄重载铁路位于山西省西北部及河北省中部，正线总长585.441km，西起山西省神池县神池南站，与神朔铁路相连，向东穿越恒山、云中山，而后沿滹沱河峡谷、穿越太行山至平山县东回舍，再折向东北跨滹沱河，绕经唐县城北，跨慈河、大沙河，于定州西南跨京广铁路，再向东在肃宁县城东北与京广铁路交叉，向东跨越子牙河、子牙新河、南运河，在沧州市北跨京沪铁路直达黄骅港港口站，横跨山西、河北两省的5个地区（市）、22个县（市），与大秦、北同蒲、京广、京九等重大干线接轨，与神朔铁路连接而形成全长约860km的铁路西煤东运第二大通道，在全国铁路路网中占有十分重要的地位，见图1-1-12。
图1-1-12 朔黄重载铁路示意
2.技术装备
朔黄重载铁路正线铺轨1220km，站线铺轨310km，长大隧道内无缝线路采用60kg/m、PD3型钢轨，普通线路采用60kg/m、25m、U71Mn型钢轨，线路设计速度为120km/h。全线有隧道77座，66368双延长米；双线特大桥、大桥、中桥150座，41747.38双延长米；单线特大桥、大桥、中桥62座，16401单延长米；限制坡度、神池南至西柏坡上行4‰，下行12‰（西柏坡至肃宁北、肃宁北至黄骅港均为4‰）。朔黄重载铁路正线为三显示自动闭塞系统，机车采用SS 4改 、SS 4B 、DF 4 ，牵引定数上行为5680t，下行2950t。
3.行车组织（1）车流组织原则
本线上行为重车方向，煤炭运量占总运量的98％以上，具有品种单一、发到集中的特点，便于组织整列装卸，固定车底循环运输。对到达黄骅港下海的煤炭，原则上使用专用敞车从矿区装载循环列车，牵引定数6000t，其余煤炭采用通用敞车装车，牵引定数5000t。除尽可能组织始发直达列车外，为兼顾沿线地方运量，可开行少量区段和零摘列车。本线下行为空车方向，空车调整原则按重车出入平衡考虑，对于返回空车，尽量组织空车直达、直通列车至装车地装车。
2012年，朔黄铁路公司共开行普通列车重车34811列/2732365车，空车35253列/2725437车；开行万吨列车重车9667列/1085830车、日均26.4列，空车9129列/1027052车，日均24.9列。（2）货流密度
朔黄重载铁路货流密度见表1-1-1。
表1-1-1 朔黄重载铁路货流密度（单位：万t）（3）货物列车对数
2012年，朔黄重载铁路各区段货物列车情况见表1-1-2～表1-1-4。
表1-1-2 2012年朔黄重载铁路各区段货物列车对数（单位：对/日）
表1-1-3 2012年朔黄重载铁路各区段货物列车流向（单位：对/日）
表1-1-4 2012年朔黄重载铁路分界口接入和管内装车货物列车数（单位：对/日）（4）旅客列车对数
朔黄重载铁路设计神池南至黄骅港间近、远期均开行旅客列车2对。（5）通过能力与输送能力
①计算能力采用的数据
扣除系数：旅客列车双线采用2.3，单线采用1.3；零摘列车双线采用3.0，单线采用2.0。
能力储备系数：双线15％，单线20％。
列车追踪时间间隔：神池南至太师庄间双线自动闭塞列车追踪间隔为8min；肃宁北至京九线南、北联络线列车连发间隔为5min。
②通过能力与输送能力
朔黄重载铁路运输能力见表1-1-5。
表1-1-5 朔黄重载铁路运输能力
1.1.4 重载铁路标准
重载运输适用于大宗散装货物，特别是铁矿石、煤等。通常，重载铁路和港口设施均属采矿公司。世界最大的矿石运输公司发起成立了国际重载协会（IHHA）。
国际重载协会（IHHA）是非营利性质的非政府性科技组织，1986年在美国密苏里州注册成立。国际重载协会的成员为国家铁路、地方铁路及私有铁路和铁路组织，现有澳大利亚、巴西、加拿大、中国、印度、南非、俄罗斯、瑞典/挪威和美国9个会员国，国际铁路联盟（UIC）为该组织准会员。1982年9月在美国召开的第二届国际重载铁路大会上通过决议，决定成立国际重载运输委员会；1984年成立国际重载运输委员会，当时的成员有中国、美国、澳大利亚、加拿大和南非5个国家；1986年在加拿大召开的第三届国际重载铁路大会上，将国际重载运输委员会更名为国际重载协会。
国际重载协会致力于在重载铁路运营、维护、技术方面追求卓越化，主张通过重载解决运输能力问题，并推进国际铁路以及其成员之间在重载技术上的合作和交流。国际重载协会通用语言为英语。国际重载协会决策机构为协会理事会，理事会由会员国代表组成，现有10名理事。理事会选举产生理事会主席、副主席，任命首席执行官及其他工作人员。
国际重载协会每四年举行一次大会，每两年举行一次专家技术会议，每年举行一次理事会年会。至今已在澳大利亚、美国、加拿大、中国、南非、巴西等国举办了十届国际重载铁路大会。中国曾派团参加了国际重载协会的历次会议，并承办1993年第五届国际重载大会和2000年国际重载理事会，2009年上海承办第九届国际重载大会（表1-1-6）。
表1-1-6 历届国际重载大会情况
世界各国的铁路由于运营条件、技术装备水平不同，采用的重载列车形式和组织方式也各有特点。国际重载协会先后于1986年、1994年和2005年三次修订重载铁路标准，见表1-1-7。
表1-1-7 重载铁路标准
目前，我国的大秦、朔黄重载铁路满足国际重载协会2005年的重载铁路新标准，京广、京沪、京哈等干线满足1994年的标准。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]