肖 穎

（南車眉山車輛有限公司，四川 眉山 620032）

我國(guó)是世界煤炭?jī)?chǔ)量、生產(chǎn)和消費(fèi)最多的國(guó)家。改革開(kāi)放后，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭消費(fèi)總量一直在快速增長(zhǎng)。1980 年，我國(guó)煤炭消費(fèi)占世界總量的 16%，美國(guó)為 17%；2011 年我國(guó)迅速增長(zhǎng)至 47%，美國(guó)則降至 12%。根據(jù) 2002—2011 年世界主要煤炭消費(fèi)國(guó)煤炭消費(fèi)量的變化趨勢(shì)，我國(guó)消費(fèi)的煤炭消費(fèi)量高于世界其他國(guó)家的總和，其中美國(guó)鐵路煤炭運(yùn)量占其煤炭總產(chǎn)量的比例一直穩(wěn)定在 70% 以上。因此，分析美國(guó)鐵路煤炭運(yùn)輸裝備技術(shù)發(fā)展對(duì)我國(guó)鐵路運(yùn)輸業(yè)發(fā)展具有借鑒意義。

1 美國(guó)煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)

美國(guó)煤炭的主要產(chǎn)地分為 3 個(gè)地域：東部的賓夕法尼亞州、馬里蘭州、西弗吉尼亞州、田納西州、亞拉巴馬州、俄亥俄州和肯塔基州；中部的伊利諾伊州、印第安納州、密西西比州、得克薩斯州；西部的懷俄明州、蒙大拿州、猶他州、新墨西哥州、科羅拉多州等。2012 年，最大的產(chǎn)煤州懷俄明州和西弗吉尼亞州煤炭產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例分別為 39% 和 12%，肯塔基州約占 9%。而各州的電煤消費(fèi)與生產(chǎn)地存在較大的地域差異：西部產(chǎn)煤大州懷俄明州發(fā)電量?jī)H居第 12 位；南部消費(fèi)大州加利福尼亞州發(fā)電量占全美第 4 位，99% 的煤炭需要從外地調(diào)運(yùn)；西北各州和新英格蘭等地煤炭產(chǎn)量很小，極度依賴于中東部的煤礦。2012 年美國(guó)煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)的地域分布如圖 1所示[1]。

圖1 2012 年美國(guó)煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)的地域分布

圖2 1992—2012 年美國(guó)煤炭生產(chǎn)消費(fèi)趨勢(shì)

2012 年美國(guó)原煤產(chǎn)量約為 10.2 億 t，創(chuàng)下 1993年來(lái)的歷史最低水平，較 2008 年 11.7 億 t 的峰值降低約 1.5 億 t，相當(dāng)于美國(guó)第二大產(chǎn)煤州西弗吉尼亞州 1年的煤炭產(chǎn)量。2012 年美國(guó)煤炭消費(fèi)量為 8.9 億 t，比 2011 年的 10.0 億 t 降低了11.2%。煤炭消耗中 92.6%用于發(fā)電，2.3%用于煉焦，5.1% 用于供暖等其他領(lǐng)域。電煤消費(fèi)決定了煤炭生產(chǎn)的市場(chǎng)，1949—2007年以來(lái)，電煤消耗一直穩(wěn)定上升，2008 年煤炭消費(fèi)進(jìn)入了不可逆轉(zhuǎn)的持續(xù)下降。1992—2012 年美國(guó)煤炭生產(chǎn)消費(fèi)趨勢(shì)如圖 2 所示。電煤消費(fèi)的下降主要緣于天然氣、核能、太陽(yáng)能等新能源產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，在電力行業(yè)的能源消費(fèi)中，煤炭所占的比例正在急速下降。2003—2012 年美國(guó)電力能源的構(gòu)成如圖 3 所示。事實(shí)上，20 多年來(lái)煤電比例一直在下滑，1990 年約占總發(fā)電量的 56%，2002 年跌至50%，2012 年更是低至 37%。相反，天然氣則從 2003年的 17% 飆升至 2012 年的30%，此外再生能源從 2%也上升至 5%[1]。從運(yùn)輸價(jià)格方面看，由于大規(guī)模的管網(wǎng)建設(shè)，較之相對(duì)穩(wěn)定的鐵路煤炭運(yùn)輸價(jià)格，未來(lái)天然氣在運(yùn)價(jià)方面也可能占據(jù)優(yōu)勢(shì)。煤炭與天然氣運(yùn)輸價(jià)格對(duì)比如圖 4 所示。因此，長(zhǎng)期來(lái)看，隨著頁(yè)巖氣等新能源技術(shù)的進(jìn)一步成熟，煤炭消費(fèi)量將進(jìn)一步萎縮。

另一個(gè)影響運(yùn)量和流向的因素是煤炭的對(duì)外貿(mào)易，1998—2007 年美國(guó)平均每年出口煤炭 5 300 萬(wàn) t，2008 年躍升至 8 150 萬(wàn) t，2012 年達(dá) 12 570 萬(wàn) t，出口煤炭主要流向亞洲，大部分是通過(guò)鐵路運(yùn)輸。2012年煤炭進(jìn)口量約占美國(guó)消費(fèi)量的1%，進(jìn)口煤炭主要來(lái)自于哥倫比亞、委內(nèi)瑞拉、加拿大和印度尼西亞等國(guó)，主要供給東西部沿海地區(qū)，一般不需要通過(guò)內(nèi)陸運(yùn)輸。

圖3 2003—2012 年美國(guó)電力能源的構(gòu)成

圖4 煤炭與天然氣運(yùn)輸價(jià)格對(duì)比

2 美國(guó)鐵路煤炭運(yùn)輸

美國(guó)鐵路煤炭運(yùn)量占煤炭總產(chǎn)量的比例多年來(lái)一直穩(wěn)定在 70% 以上。由于鐵路運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性，主要產(chǎn)煤區(qū)和煤炭消費(fèi)區(qū)均形成了完整的鐵路煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)。例如：煤炭主產(chǎn)區(qū)肯塔基州、懷俄明州和西弗吉尼亞州通過(guò)鐵路運(yùn)輸?shù)拿禾空济禾靠偭康谋壤謩e為87%、93% 和 96%；煤炭主要消費(fèi)區(qū)北卡羅來(lái)納州、威斯康星州和佐治亞州的運(yùn)量則分別達(dá)到了 51%、59% 和 42%。

2000 年以來(lái)，東部含硫量低的煤炭受到其他各州的廣泛歡迎，鐵路煤炭運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)距因此大幅延長(zhǎng)，2011 年平均運(yùn)距達(dá) 1 365 km，部分煤運(yùn)貨車的運(yùn)距超過(guò)了 2 415 km。煤炭總運(yùn)量從 1997 年 7 760 億 t · km增長(zhǎng)到 2011 年的 12 413 億 t · km。

煤炭也是美國(guó)鐵路運(yùn)輸中最重要的貨物，2013 年約 41% 的鐵路運(yùn)量、21.9% 的鐵路貨車裝車量和21.6%的運(yùn)輸收益來(lái)自煤炭運(yùn)輸。2012 年，美國(guó)一級(jí)鐵路煤炭裝車 620 萬(wàn)輛，比 2008 年高峰期的 771 萬(wàn)輛下降了 19.6%，相當(dāng)于減少了約 13 萬(wàn)列編組為 115 輛的萬(wàn)噸重載列車。盡管如此，煤炭運(yùn)輸仍然是鐵路公司最大的收入來(lái)源。1990—2012 年美國(guó)一級(jí)鐵路煤炭運(yùn)量變化如圖 5 所示，2012 年美國(guó)一級(jí)鐵路運(yùn)輸收益構(gòu)成如圖 6 所示。煤炭運(yùn)量最大的一級(jí)鐵路公司主要為BNSF 公司、UP 公司和 CSX 公司，分別占煤炭總運(yùn)量的 32%、28% 和 21%，煤炭運(yùn)輸收益分別占上述公司總收益的 22.6%、21.2% 和 28.9%[2]。

美國(guó)煤炭運(yùn)輸全部采用高效率的單元重載列車，采用專用運(yùn)輸車輛，以重去空回模式實(shí)現(xiàn)貨物直達(dá)循環(huán)運(yùn)輸，大幅度降低了運(yùn)輸成本。由于重載車輛技術(shù)的進(jìn)步，如自重更輕、效率更高的鋁合金車輛的大量運(yùn)用，使美國(guó)煤炭運(yùn)輸能力不斷提高。2013 年美國(guó)煤運(yùn)貨車單車平均載重量達(dá)到 116.3 t，比 1990 年的98.2 t 提高了 18%[3]。

相對(duì)其他散裝貨物運(yùn)輸，煤炭運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)距更長(zhǎng)，運(yùn)輸收益更高，是僅次于聯(lián)合運(yùn)輸?shù)母呤找孢\(yùn)輸產(chǎn)品。盡管 2011 年美國(guó)煤炭運(yùn)輸?shù)氖找鎯H為 0.017 9 美元/( t · km )，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他散裝貨物 0.035 9 美元 /( t · km ) 的水平，而且較 1981 年下降了 42%，但是長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)煤炭運(yùn)輸總收益仍不斷提高。以可比價(jià)格計(jì)算，1999 年煤炭運(yùn)輸收益為 77 億美元，2008 年增長(zhǎng)至142 億美元，2012 年在運(yùn)量和運(yùn)價(jià)均下降的情況下，運(yùn)輸收益反而升高至 147 億美元。2003—2012 年美國(guó)煤炭運(yùn)輸收益如圖 7 所示。從圖 7 中單位運(yùn)輸收益與運(yùn)輸成本之間統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較可知，按重量、運(yùn)量和單車計(jì)算的單位收益增長(zhǎng)均大于單位運(yùn)輸成本的增長(zhǎng)。

圖5 1990—2012 年美國(guó)一級(jí)鐵路煤炭運(yùn)量變化

圖6 2012 年美國(guó)一級(jí)鐵路運(yùn)輸收益構(gòu)成

圖7 2003—2012 年美國(guó)煤炭運(yùn)輸收益

3 美國(guó)煤炭運(yùn)輸車輛技術(shù)

美國(guó)煤炭運(yùn)輸車輛絕大部分采用了單元列車，列車編組長(zhǎng)，載重量大，運(yùn)行速度適中。運(yùn)煤車輛主要有 2 種，約 55% 的煤炭通過(guò)敞車運(yùn)輸，45% 通過(guò)漏斗車進(jìn)行運(yùn)輸。美國(guó)鐵路十分重視車輛技術(shù)的進(jìn)步，主要表現(xiàn)在以下方面[4]。

（1）大量采用 286 型貨車。286 型貨車總重達(dá) 130 t，大量運(yùn)用于煤炭運(yùn)輸、雙層集裝箱專列運(yùn)輸，是新造的主型貨車。近年來(lái)通過(guò)對(duì)不適應(yīng) 286型貨車的低運(yùn)輸密度線路進(jìn)行橋梁和線路的改造、加固，使得該型車更加普及。286 型貨車由于軸重較大，自重較輕，提高了貨車運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。

（2）發(fā)展輕量化車體技術(shù)。新型貨車大量采用鋁合金車體技術(shù)，漏斗車底開(kāi)門普遍采用合成材料，增大了貨車容積和載重，從而提高了車輛的輕量化水平。近年來(lái)美國(guó)還發(fā)展高邊敞車代替了部分漏斗車，敞車使用翻車機(jī)卸貨，無(wú)漏斗和開(kāi)閉機(jī)構(gòu)，車體重量也降低。新車型設(shè)計(jì)普遍采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析，轉(zhuǎn)向架采用高強(qiáng)度材料，進(jìn)一步提升了車輛的輕量化水平。

（3）推廣 ECP 電空制動(dòng)技術(shù)。ECP 技術(shù)能大大減小制動(dòng)系統(tǒng)空氣傳遞的延遲，擴(kuò)大運(yùn)輸能力，降低制動(dòng)系統(tǒng)的磨耗并增加車輛運(yùn)行的安全性。由于更加精準(zhǔn)和規(guī)范的操作，可以在一定程度上節(jié)省能量消耗，減少制動(dòng)控制不當(dāng)導(dǎo)致的車輛起停操作。近幾年，美國(guó)鐵路通過(guò)一系列的試驗(yàn)和運(yùn)用考驗(yàn)，制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，ECP 技術(shù)逐漸成熟。2008 年 10 月美國(guó)聯(lián)邦鐵路管理委員會(huì)頒布了關(guān)于 ECP 系統(tǒng)的安裝和操作規(guī)范，對(duì)安裝 ECP 系統(tǒng)列車的運(yùn)行間距、檢測(cè)措施等技術(shù)條件做出了規(guī)定，并在煤運(yùn)列車和聯(lián)運(yùn)單元列車上開(kāi)始大規(guī)模運(yùn)用。

（4）采用分散牽引技術(shù)。機(jī)車重聯(lián)的動(dòng)力分散牽引技術(shù)可以加大列車編組。目前美國(guó)使用此項(xiàng)技術(shù)的煤運(yùn)車輛的編組已經(jīng)從原來(lái)的 100～110 輛提高到了 135 輛，運(yùn)送同樣多的貨物可以減少列車數(shù)量，顯著提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益。

（5）推廣徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)，前后輪對(duì)保持平行的趨勢(shì)形成了車輪和鋼軌之間的沖角，從而形成輪緣和鋼軌側(cè)面的磨耗，產(chǎn)生對(duì)鋼軌的附加橫向力，增大了運(yùn)行阻力。這種橫向力通過(guò)鋼軌扣件傳遞到軌枕上，還將引起曲線鋼軌軌枕的故障。而徑向轉(zhuǎn)向架具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但美國(guó)目前還沒(méi)有大量推廣使用，北美僅有 5% 的鐵路車輛裝配了具有徑向功能的轉(zhuǎn)向架，而且主要集中在加拿大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是由于車輛采購(gòu)者大部分為煤炭托運(yùn)人、農(nóng)業(yè)企業(yè)、制造或化工企業(yè)和聯(lián)運(yùn)商，而不是鐵路公司本身，如果采用徑向轉(zhuǎn)向架，作為車輛擁有者的托運(yùn)人只能得到降低車輪磨耗和降低車輛自重的效益，不能得到降低鋼軌磨耗、燃料消耗和軌枕故障方面的收益，而這方面的收益均歸擁有線路的鐵路公司所有，從而制約了貨車徑向轉(zhuǎn)向架的使用。美國(guó)鐵路管理委員會(huì)正在制定將鐵路公司收益惠及車輛所有者的法案，以擴(kuò)大徑向轉(zhuǎn)向架在美國(guó)的運(yùn)用規(guī)模，提高運(yùn)輸效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)鐵路龐大的路網(wǎng)、運(yùn)輸規(guī)模，以及車輛復(fù)雜的運(yùn)輸條件與我國(guó)相似，其煤炭運(yùn)輸更是重載運(yùn)輸?shù)牡浞?。汲取美?guó)鐵路貨運(yùn)的成功經(jīng)驗(yàn)和成熟技術(shù)，并與我國(guó)鐵路的實(shí)際情況相結(jié)合，對(duì)提高我國(guó)運(yùn)輸能力和重載技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。

[1] Association of American Railroads. Railroads and Coal[R]. Washington，DC：Association of American Railroads，2013.

[2] Association of American Railroads. The Rail Transportation of Coal[R]. Washington，DC：Association of American Railroads，2013.

[3] Association of American Railroads Policy and Economics Department. Railroad Ten-year Trends[R]. Washington，DC：Association of American Railroads，2013.

[4] Association of American Railroads Policy and Economics Department. Railroad Equipment Report[R]. Washington，DC：Association of American Railroads，2013.