公铁两用货车自供电技术路线研究

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  摘 要:本文回顾了国内外公铁两用货车发展现状,分析国内铁路冷链运输对装备的需求特点,探讨了自供电的公铁两用货车的各种技术路线,提出了加装大功率自发电装置的解决思路。
  关键词:公铁两用货车;需求特点;大功率自发电
   在众多现代物流体系中,公路货物运输和铁路货物运输都扮演着重要的角色,二者已经不是简单的竞争关系、替代关系,而是互相补充、互相结合的协作关系。随着交通运输大部制改革的不断深入,交通运输基础设施不断完善,我国多式联运发展迎来了加速发展的战略机遇期。为此,应该充分发挥铁路货物运输和公路货物运输各自的优势,实现铁路货物运输和公路货物運输的“无缝”衔接。多式联运可以充分发挥各种运输方式的整体优势和组合效率,为货主提供无缝衔接的门到门服务,代表着综合运输发展方向。加快推进我国多式联运发展,既是提高物流效率、降低物流成本、推动综合运输结构性节能减排的重要途径,也是深化交通运输改革发展、促进经济转型升级的根本要求。
  1 国内外公铁两用货车发展现状
   能够同时在公路和铁路的基础设施系统上行驶的车辆称为公铁两用车,实现这一目标的车辆需要具备以下三个条件:在轨道运行的系统,在公路运行的系统以及公路与轨道两种模式切换的系统[1]。
   根据用途进行分类,公铁两用车有如下三类:工程车、牵引车、货运车[2]。其中用于牵引和工程的公铁两用车属于传统意义上的公铁两用车,而用于货运的公铁两用车则是由驮背车演变而来的,和传统意义的公铁两用车有一定的区别。
   相较于公路运输,铁路运输具有低成本、大运量、低能耗及污染小等诸多优势[3],对于短途运输却有不灵活、装卸货需要专门的大型设备、不能实现门到门运输等问题。
   在此背景下,新的运输模式应运而生,该运输模式在学术上称为多式联运[4]。多式联运有以下几个特点:运输方式不少于两种,只对装载单元进行操作,而不对货物本身进行操作的情况下完成运输中的衔接、转运。公铁两用货车便是多式联运下的产物之一[5]。
   公铁两用货车由公路模式转换为铁路模式不需要借助重型起重设备,如起重机、伸臂堆垛机等,或各类搬运机械装置,如卧式搬运车、升降机等的辅助便可实现,进一步节约了建造搬运设备的成本,同时也让装卸货受环境的影响大大减小。
  1.1 国外公铁两用货车国外发展现状
   上世纪90年代MarkⅤ型公铁两用货车的车体并不完善,而后RoadRailer,即MarkⅤ型公铁两用货车,在1991年被Wabash National Corporation(WNC)公司收购,对挂车进行了改进,成功进入美国、欧洲及北非等地区的市场[6]。
   1998年,“铁路赛跑者”(RailRunner)的公司成立后,使其可以轻松地集成到现有的多式联运系统中,这种公铁两用货车具有较高的切换效率,因此该车在欧美的运输中得到广泛运用。其工作原理如图1所示。
  1.2 国内公铁两用货车国外发展现状
   国内多式联运技术长期以来都是空白,近年来中车各家货车公司通过引进国外技术,消化吸收研制出多种型号的产品。其一有引进mega swing驮背运输车技术,研制出的QT1、QT2型驮背运输车,其中QT1型和国外车型原理类似,QT2型进一步加长,可以运输拖车。其二有引进与cargobeamer原理类似的另一种名叫WTT型,研制出X5型多式联运专用车。其三有在RailRunner的MARKⅤ公铁两用车技术基础上研发的集装箱公铁两用半挂车。
  2 国内铁路冷链运输装备分析
  2.1 冷链宏观分析
   近年来,国家宏观经济环境持续向好,国内生产总值保持7%左右高速增长,全国居民人均可支配收入保持7%以上持续增长。随着城市化水平提高和人均收入水平增长,消费者对食品安全和品质的要求越来越高,食品消费升级推动了冷链运输的快速发展。我国冷链物流市场规模和需求增速加快,仅食品行业冷链物流的年需求量就在1亿吨左右,年增长率在8%以上。然而冷链商品90%以上的运输量是通过公路完成的,铁路冷链物流只占极小的市场份额。
   根据统计资料显示,目前我国综合冷链流通率仅为19%,其中果蔬、肉类、水产品冷链流通率分别为5%、15%、23%,冷藏运输率分别达到15%、30%、40%。而美国、日本等发达国家的冷链流通率达85%,其中欧洲、美国、加拿大、日本等发达国家肉禽冷链流通率已经达到100%,蔬菜、水果冷链流通率也达95%以上。与发达国家相比,我国冷链流通率明显较低。按照《农产品冷链物流发展规划》提出的发展目标,到2015年,肉类和水产品冷链物流水平显著提高,食品安全保障能力显著增强。因此,应进一步加快发展果蔬冷链物流。果蔬、肉类、水产品冷链流通率分别提高到20%、30%、36%以上,冷藏运输率分别提高到30%、50%、65%左右,流通环节产品易腐率分别降至15%、8%、10%以下。
  2.2 国内铁路冷链运输装备分析
   目前国内铁路冷链运输装备主要是B22机保车组和BX1K冷藏集装箱车组,其次是少量的B10机保车。这三种运输装备在运用过程存在较为突出的问题,限制了铁路冷链运输的进一步发展。其一,车组容量过大,货源组织困难。B22为五车一组,四辆货物车载重共计184 t,BX1K为9车一组,一次运输8个40ft或45ft冷藏集装箱,难以快速组织如此大数量的货物。其二,车辆为固定编组,货物集散不灵活。不适应鲜活易腐货物销售市场向小批量、多批次方向发展的需求。货物集、散用时较长,时效性较差。其三,车辆单次货运量大,容易造成集散地货物的价格波动。其四,使用机保车进行冷链运输时不能多式联运,运输效率低。货物集散时都需要倒运,增加运输时间,增加货损率,加大装卸成本。其五,车组需要人员押运,且车辆自重大,运输成本较高。其六,各型机保车目前使用年限较长,机组设备老化,故障多,使用维护成本高,正在陆续淘汰。   2.3 铁路冷链运输优劣势分析
   冷链物流运输近年来在运输行业竞争比较激烈。在公路、铁路和航空三大运输方式中,公路因其灵活方便在冷链物流运输市场中占有较大份额;航空则以速度优势紧随其后;铁路具有价格优势,但是市场份额却很低。尽管如此,铁路运输依然存在一定的竞争优势。第一是铁路运输具有全天候运输优势,受天气影响较小,特别是在冬季运往西北、东北方向,以及运往西南等交通困难地区优势明显。第二,公路冷链运输装备良莠不齐,很多仍采用卡车加棉被的方式运输,冷藏效果差,货损率高。而铁路采用专业机保车或冷藏集装箱运输,全程冷链,运输品质高。随着消费者对食品安全和食品质量的要求越来越高,铁路冷藏运输的优势愈加明显。第三,铁路运输总体能耗较低,节能环保,符合国家发展绿色经济的要求。第四,铁路适合长距离、大批量运输,尤其是在运输距离超过1 000 km以上,铁路运输的价格优势明显。當然,铁路运输也存在一定的劣势。第一,公路运势时效性高,由于可以2个司机轮流开车,能够做到全天候24 h不停车。例如,百色-北京2 793 km,公路运输2~3天即可到达;而铁路整列运输最快需要5天,零散运输途中需要经过编组作业,运输时间较长,需要7~9天。第二,公路运输能够实现门到门服务,前端可以深入田间地头,后端直接到销售市场,手续简单,运输灵活方便。而铁路目前主要提供站到站运输服务,两端没有冷库物流基地,造成了冷链的断链,手续繁杂,服务质量低于公路运输。第三,铁路机保车使用年限长,设备有所老化,批量大,不符合市场小批量、多批次的运输需求。公路运价根据季节、车辆保有量、市场需求等情况随行就市,而铁路运价相对固定,难以根据市场情况及时调整。
  3 自供电的公铁两用货车技术路线分析
   公铁两用冷链运输需要电能的不间断供应。独立分布式发电车辆已在过去几十年来承担为铁路车辆进行电能供应的角色。从目前来看,独立分布式发电车辆存在内燃机发电费用高、噪声大、排除大量的污染气体,不符合节能减排的发展方向。因此,应探寻一种新的供电技术路线,现有技术除了采用配置独立的内燃机发电系统外,符合节能减排思路的其余结构配置有安装蓄电池、皮带轮传动轴端发电装置和轴承发电装置。
  3.1 蓄电池
   蓄电池在一个货车检修期内免维护使用难以保证,并且根据我国铁路货车的运营维护特点,无法保证及时对其充电。
  3.2 皮带轮传动轴端发电装置
   皮带轮传动轴端发电装置通过皮带轮将车轴的转动力矩传递到发电机输入端,该装置结构复杂、体积大,对运用检修要求较高;主要的缺点有:(1)皮带轮包角过小,经常发生皮带脱落的现象。随着列车的提速,这种现象增多,甚至发生皮带磨耗过大而冒烟的现象。(2)随着列车的用电需求量越来越大,在车底受限的空间内悬挂质量大的发电机,降低了列车车底的离地间隙,影响列车的安全运行。在提速列车中,尽管在悬挂发电机的转向架构架上采取了补强措施,但仍出现了转向架构架裂纹现象,甚至发生电机脱落事故,使车辆运行存在非常大的安全隐患。(3)由于列车速度的提高,发电机的轴承损坏严重,扫膛故障增多,影响发电机的使用,严重时发电机的部件可能散落在轨道上,引发列车脱轨事故。
  3.3 轴承发电装置
   轴承发电装置加剧了轴承温度的升高,直接影响到轴承的使用寿命。申请号为200610156743.3的中国专利文献公开了一种用于铁路客车等的车轴驱动发电机,该方案中,发电机安装于铁路货车的轮盘之间,定子与转向构架固定连接,通过用车轴直接替代转子轴来带动转子总成旋转,实现发电。但是发电机安装于铁路货车的底部,工作人员不便于进行维护与拆装,当发电机损坏时,维修是极其困难的。非常重要的一点是,该方案所提供的结构,在进行制造时,因发电机的体积过大,需要对铁路货车的车体结构进行重新设计,高昂的成本及复杂的维修工况决定了该方案难以实施。
   国外的铁路货车车轴发电机中,FAG公司生产了一种带集成发电装置的铁道车辆轴承,在轴承内圈布置磁铁作为转子,在轴箱盖中的线圈作为定子,当车辆运行时该轴承旋转的同时产生的电能输出,为轴承诊断和故障信息检测等功能提供电源,这种轴承最高输出功率为100 W,供电电压6 V~14V。但该轴承价格昂贵,且供电电能不足以保障快捷货车转向架所有需要电源设备的使用,尤其是在加装电子防滑器的快捷货车转向架上。申请号201210561240.X的中国专利电源装置供电功率在50 W~200 W之间,也只能满足转向架盘型制动用电子防滑器、走行部在线监控系统的用电需求,无法满足货车的其它供电需求(特别是冷链保温箱的需求)。
  3.4 加装大功率自发电装置是解决思路
   利用集装箱平车运输不满轴重的特点,加装大功率自发电装置为车辆实现独立供电,使单节普通集装箱平车具备冷藏集装箱的运输能力,根据货源和实际需求灵活编组,能解决现有冷链运输装备运输效率低的问题。
   分析自供电的公铁两用货车的技术需求,我们需要研发出一种新型的铁路货车供电系统,解决货车在运行过程中、在轨道上等待、在装载轨道上等待等场景下的发电、储能及能量管理上的一系列问题。供电系统能同时满足公铁联运冷藏车在铁路工况和公路工况下使用,须满足以下技术要求:第一,铁路工况时,公铁联运冷藏车在正常车速之间运行时,能够支持类似车载制冷机组持续正常工作;第二,在公路工况或停车时,满电状态的储能装置能支持车载制冷机组正常工作至少3小时;第三,系统储能装置的电量可以使用外接交流或直流电源快速补充;第四,利用系统储能装置的自供电能,最好能考虑对车辆重要运用数据的监测。
  参考文献:
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