中國(guó)鐵路隔熱保溫運(yùn)輸裝備發(fā)展與探索

景傳峰，金曉平，羅桂瓊，高建華，舒 麟

（中車(chē)長(zhǎng)江車(chē)輛有限公司，武漢 430212）

隨著人民生活由溫飽型向小康型發(fā)展，人們對(duì)食品衛(wèi)生安全的要求越來(lái)越高。以鮮奶、啤酒、礦泉水等為代表的常溫類(lèi)貨物，采用普通運(yùn)輸方式很容易發(fā)生品質(zhì)變壞、口感變差、甚至腐壞等食品安全衛(wèi)生問(wèn)題，越來(lái)越不適應(yīng)市場(chǎng)要求，用戶(hù)越來(lái)越希望采用保溫運(yùn)輸。

現(xiàn)代冷藏運(yùn)輸有控溫運(yùn)輸和保溫運(yùn)輸兩種型式?？販剡\(yùn)輸主要采用以機(jī)械冷藏車(chē)、蓄冷車(chē)為代表的有冷源冷藏車(chē)通過(guò)制冷機(jī)組或蓄冷元件提供的冷量將貨物溫度控制在要求的范圍內(nèi)，主要運(yùn)輸凍結(jié)和冷卻貨物。而保溫運(yùn)輸是利用裝備隔熱性能減少車(chē)內(nèi)外熱量交換來(lái)減緩運(yùn)輸過(guò)程中貨物溫度的變化，使貨物溫度保持在一定范圍內(nèi)，主要運(yùn)輸鮮奶、啤酒、礦泉水等常溫類(lèi)貨物。雖然一些控溫運(yùn)輸車(chē)輛也可用于隔熱保溫運(yùn)輸，但其購(gòu)置成本遠(yuǎn)大于隔熱保溫車(chē)，制冷設(shè)備的閑置將提高運(yùn)用成本，因此保溫運(yùn)輸一般采用專(zhuān)門(mén)的隔熱保溫車(chē)。

與控溫運(yùn)輸相比，隔熱保溫運(yùn)輸無(wú)需能源消耗，節(jié)能環(huán)保。從運(yùn)輸裝備技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看，隔熱保溫運(yùn)輸裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷，無(wú)與運(yùn)輸功能相關(guān)的機(jī)械部件及其他附屬裝置，因而車(chē)輛使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，是冷藏運(yùn)輸綜合經(jīng)濟(jì)性較佳的一種運(yùn)輸方式，是冷藏運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。美國(guó)和蘇聯(lián)的有關(guān)研究表明，鐵路冷藏運(yùn)輸采用控溫運(yùn)輸和保溫運(yùn)輸相結(jié)合的方式最有利于提升運(yùn)輸能力，并大大降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

圖1 鐵路棚車(chē)和公路汽車(chē)土保溫運(yùn)輸

1 中國(guó)鐵路隔熱保溫運(yùn)輸現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

近年來(lái)，鮮奶、啤酒、礦泉水等常溫類(lèi)貨物產(chǎn)銷(xiāo)兩旺，運(yùn)輸市場(chǎng)巨大。此類(lèi)貨物的運(yùn)輸，目前主要采用公路貨車(chē)、鐵路棚車(chē)和機(jī)械保溫車(chē)等3種運(yùn)輸方式。

公路貨車(chē)運(yùn)輸時(shí)，采用在貨物上苫蓋草墊、棉被等土辦法進(jìn)行保溫，保溫性差，貨物品質(zhì)無(wú)保證，存在著貨物腐壞等貨損。但公路運(yùn)輸時(shí)間短，能門(mén)到門(mén)，在一定程度上可減輕保溫性差的影響，公路運(yùn)量占據(jù)80%的市場(chǎng)份額。

鐵路棚車(chē)運(yùn)輸時(shí)，采用在地板上鋪彩條布和草墊、四周加隔熱板等簡(jiǎn)易保溫措施，保溫性難以保證，并且鐵路運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)，造成貨物品質(zhì)下降，冬季時(shí)貨物凝結(jié)成塊，夏季時(shí)酒瓶炸裂。所采取的簡(jiǎn)易保溫措施，每車(chē)增加數(shù)千元的材料費(fèi)和1～2 h的工作量，經(jīng)濟(jì)性差。保溫材料為一次性使用，造成大量保溫材料浪費(fèi)，污染環(huán)境，用戶(hù)反映強(qiáng)烈。

隨著國(guó)家食品安全相關(guān)政策及管控力度的加強(qiáng)和人民食品衛(wèi)生安全意識(shí)的不斷提高，鐵路冷鏈運(yùn)輸已成為鐵路貨運(yùn)重要發(fā)展方向之一，隔熱保溫運(yùn)輸市場(chǎng)需求持續(xù)快速增長(zhǎng)。中鐵特貨公司采用制冷機(jī)組老化的B22、B23型機(jī)械冷藏車(chē)在不開(kāi)機(jī)情況下進(jìn)行鮮奶、啤酒、礦泉水的保溫運(yùn)輸，由于其不需采取額外保溫措施，作業(yè)效率高，無(wú)一次性保溫成本支出，貨物品質(zhì)好，深受客戶(hù)青睞，在牛奶運(yùn)輸裝貨點(diǎn)，貨主優(yōu)先選擇采用機(jī)械冷藏車(chē)進(jìn)行隔熱保溫運(yùn)輸。但B22、B23型機(jī)械冷藏車(chē)安裝有制冷機(jī)組，自重大，占用車(chē)內(nèi)空間，容積和載重偏小，影響了運(yùn)輸效益的提高；B22、B23型機(jī)械冷藏車(chē)采用客車(chē)轉(zhuǎn)向架，不屬于貨車(chē)列檢正常作業(yè)范圍，需配備生活工作車(chē)和隨車(chē)乘務(wù)員進(jìn)行列檢作業(yè)，增加巨大的乘務(wù)成本支出，影響了鐵路保溫運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)力；并且B22、B23型機(jī)械冷藏車(chē)數(shù)量不足，且須主要滿(mǎn)足冷藏運(yùn)輸需求，難以提高鐵路隔熱保溫運(yùn)量。

圖2 鐵路機(jī)械冷藏車(chē)保溫運(yùn)輸

2 國(guó)內(nèi)、外鐵路隔熱保溫車(chē)發(fā)展

由于鐵路隔熱保溫車(chē)運(yùn)用無(wú)需供應(yīng)燃料和途中服務(wù)，運(yùn)用管理便捷，世界各鐵路冷鏈運(yùn)輸發(fā)達(dá)國(guó)家均十分重視隔熱保溫車(chē)的發(fā)展。

隔熱保溫車(chē)的研究與發(fā)展曾是我國(guó)鐵路冷鏈運(yùn)輸裝備的重要方向，1986年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《十二個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)政策要點(diǎn)》中，隔熱保溫車(chē)定在“大力發(fā)展”之列。“七五”期間還進(jìn)行了隔熱保溫車(chē)的改造和裝運(yùn)水果的研究，1994年鐵科院又完成了“隔熱車(chē)的發(fā)展與運(yùn)用”研究課題等等。從2000年開(kāi)始，原武昌車(chē)輛廠與中南大學(xué)一起，對(duì)我國(guó)發(fā)展隔熱保溫車(chē)的可行性進(jìn)行了專(zhuān)題研究。但由于鐵路貨車(chē)（運(yùn)行速度、編組等）技術(shù)發(fā)展、冷藏車(chē)運(yùn)輸管理模式等多方面的原因，鐵路隔熱保溫車(chē)一直未能研制和運(yùn)用，至今是我國(guó)鐵路冷鏈運(yùn)輸裝備的空白。近年來(lái)，根據(jù)運(yùn)輸市場(chǎng)的需求，部分B22、B23型機(jī)械冷藏車(chē)用于隔熱保溫運(yùn)輸。

美國(guó)是世界鐵路冷鏈運(yùn)輸最發(fā)達(dá)，裝備技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家。在冷鏈設(shè)施配套、冷藏保溫技術(shù)發(fā)展、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、其他運(yùn)輸方式競(jìng)爭(zhēng)以及能源環(huán)保等多種因素的影響下，隔熱保溫車(chē)得到大力發(fā)展［1］。上個(gè)世紀(jì)鐵路冷鏈運(yùn)輸興盛時(shí)期，鐵路冷藏車(chē)總數(shù)約18萬(wàn)輛，其中隔熱保溫車(chē)擁有量達(dá)15萬(wàn)輛。經(jīng)歷衰退期后，2003年開(kāi)始復(fù)蘇，鐵路隔熱保溫車(chē)和機(jī)械冷藏車(chē)擁有量重新快速增長(zhǎng)。2015年柏林頓北方和圣太菲公司（BNSF公司）機(jī)械冷藏車(chē)數(shù)量為994輛，隔熱保溫車(chē)則達(dá)到了2 251輛；太平洋鐵路公司（UP公司）機(jī)械冷藏車(chē)約6 005輛，隔熱保溫車(chē)約1 468輛。

圖3 美國(guó)BNSF公司隔熱保溫車(chē)

美國(guó)鐵路隔熱保溫車(chē)主要有25 t軸重的R400型、R410型和29.8 t軸重的R600型、R610型兩大類(lèi)。

俄羅斯鐵路近年來(lái)也將隔熱保溫車(chē)列為優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目，隔熱保溫車(chē)所占比例逐年提高［2］。目前，俄羅斯鐵路股份公司擁有各種冷藏車(chē)7 558輛，其中隔熱保溫車(chē)1 197輛。俄羅斯和獨(dú)聯(lián)體易腐食品運(yùn)輸公司(Ref?service公司)擁有4 200輛隔熱保溫車(chē)和2 500輛有源冷藏車(chē)等。

歐洲各國(guó)國(guó)土面積小，運(yùn)距較小，運(yùn)輸時(shí)間短，隔熱保溫車(chē)得到廣泛運(yùn)用。國(guó)際集裝箱冷藏運(yùn)輸公司（ICF公司）近年來(lái)隔熱保溫車(chē)占控溫車(chē)總數(shù)的比例也得到大幅提高。

3 隔熱保溫車(chē)關(guān)鍵技術(shù)

隔熱保溫運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)核心是利用裝備的隔熱性能減少運(yùn)輸過(guò)程中貨物積蓄的熱（冷）能消耗導(dǎo)致貨溫向環(huán)境溫度的變化［3］，車(chē)體綜合傳熱系數(shù)與氣密性是隔熱保溫車(chē)兩項(xiàng)關(guān)鍵熱工指標(biāo)。

為提高車(chē)輛保溫效果，隔熱保溫車(chē)要大幅降低車(chē)體綜合傳熱系統(tǒng)（K值）和大力提高車(chē)體氣密性，需要攻克新型隔熱保溫材料、無(wú)熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、整體發(fā)泡、車(chē)體密封等關(guān)鍵技術(shù)［4］。

（1）新型隔熱保溫材料

隔熱保溫材料主要包括內(nèi)襯板、隔熱層及設(shè)置在其內(nèi)的承載支撐結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱特性是提高車(chē)體保溫性能的關(guān)鍵。機(jī)械冷藏車(chē)、冷藏汽車(chē)及冷藏集裝箱因風(fēng)循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所限，內(nèi)襯板均采用HGSS不銹鋼或鋁板等金屬材料，導(dǎo)熱系數(shù)高，并且承載支撐墊梁采用PE、木材等材料，應(yīng)根據(jù)隔熱保溫車(chē)的結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)壽命使用的特點(diǎn)，研究采用新型高熱阻、低吸濕性材料，在保障總體技術(shù)參數(shù)的情況下大幅提高車(chē)體隔熱保溫性能［5］。

（2）無(wú)熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱橋是車(chē)內(nèi)外熱量傳導(dǎo)的主要路徑。隔熱保溫車(chē)車(chē)體主要由外部鋼結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯板（或地板）及中間保溫層等組成，外部鋼結(jié)構(gòu)是車(chē)體的主要承載構(gòu)件。內(nèi)襯板（或地板）承受運(yùn)用中產(chǎn)生的載荷最終傳遞到外部鋼結(jié)構(gòu)，特別是地板還要承受叉車(chē)等機(jī)械化作業(yè)頻繁碾壓的惡劣工況，因此在內(nèi)襯板與外部鋼結(jié)構(gòu)間不可避免需設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足承載要求的同時(shí)，還需盡可能降低熱傳導(dǎo)并具有較好的制造工藝性，因此支撐結(jié)構(gòu)形式和材料的選取是實(shí)現(xiàn)無(wú)熱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，同時(shí)還應(yīng)在車(chē)體壽命期內(nèi)可靠、免維護(hù)。

（3）整體發(fā)泡技術(shù)

整體發(fā)泡技術(shù)可減少熱量的泄漏，提高車(chē)體的保溫性，是目前冷鏈運(yùn)輸裝備普遍采用的制造技術(shù)。既有機(jī)械冷藏車(chē)已實(shí)現(xiàn)側(cè)墻、端墻和車(chē)門(mén)的整體發(fā)泡。車(chē)頂和底架由于長(zhǎng)度尺寸大，并且車(chē)頂為圓弧結(jié)構(gòu)，底架鋼結(jié)構(gòu)下部存在端梁、枕梁、下側(cè)梁和各類(lèi)橫梁等高度尺寸差異較大的隔斷結(jié)構(gòu)，整體發(fā)泡工藝技術(shù)難度大，整體發(fā)泡技術(shù)未被廣泛采納，隔熱性能及其穩(wěn)定性較差。因此，為進(jìn)一步提升車(chē)體隔熱性能，須攻克圓弧車(chē)頂、長(zhǎng)大底架的整體發(fā)泡工藝技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整車(chē)大部件全整體發(fā)泡。

（4）車(chē)體密封技術(shù)

氣密性與隔熱性能互相關(guān)聯(lián)，往往車(chē)體氣密性的惡化在運(yùn)用中會(huì)造成車(chē)體綜合傳熱系數(shù)快速增長(zhǎng)和車(chē)外進(jìn)入車(chē)內(nèi)的熱量增加，直接影響車(chē)輛使用性能。鐵路隔熱保溫車(chē)各大部件內(nèi)襯板及其交接部位、排水閥的結(jié)構(gòu)形式，以及車(chē)門(mén)與車(chē)體間的密封性能是影響氣密性的關(guān)鍵。

4 新型鐵路隔熱保溫車(chē)研制

長(zhǎng)江公司從上世紀(jì)80年代開(kāi)始探索并先后研制生產(chǎn)了采用聚氨酯整體發(fā)泡車(chē)體結(jié)構(gòu)技術(shù)的B22、B23和B10系列機(jī)械冷藏車(chē)，在側(cè)墻、端墻、車(chē)門(mén)等車(chē)體大部件整體發(fā)泡和二次灌縫發(fā)泡成型等結(jié)構(gòu)研發(fā)和制造工藝方面積累了豐富的技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)我國(guó)鐵路隔熱保溫運(yùn)輸需求，長(zhǎng)江公司聯(lián)合中鐵特貨運(yùn)輸有限責(zé)任公司積極開(kāi)展了鐵路隔熱保溫車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備的研制，該項(xiàng)目列為中國(guó)鐵路總公司2018年科研開(kāi)發(fā)技術(shù)重點(diǎn)課題。在攻克系列重大關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功研制了BH1型鐵路隔熱保溫車(chē)。

4.1 關(guān)鍵技術(shù)研究成果

4.1.1新材料應(yīng)用

針對(duì)提升車(chē)輛保溫性能的需求，結(jié)合鐵路冷鏈運(yùn)輸車(chē)輛長(zhǎng)使用壽命的特點(diǎn)，研制了鐵路冷鏈運(yùn)輸車(chē)輛專(zhuān)用新型隔熱襯板材料和新型支撐結(jié)構(gòu)斷熱橋材料。

新型隔熱襯板材料為熱塑性玻璃纖維增強(qiáng)塑料板（CFRTP），其導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W/（m?K），僅為不銹鋼材質(zhì)的1.2%，并可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸定制，取消了鋁合金或不銹鋼材質(zhì)的拼焊、鉚接等措施，具有無(wú)縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有利于車(chē)體K值和氣密性的提升，并且表面平整美觀，不會(huì)掛傷貨物包裝。該材料還具有抗腐蝕、老化和沖擊性能好、密度小等特點(diǎn)，并且材料表面進(jìn)行耐磨設(shè)計(jì)，修補(bǔ)簡(jiǎn)單，可適應(yīng)鐵路隔熱保溫車(chē)車(chē)體25年長(zhǎng)壽命使用免維護(hù)和輕量化設(shè)計(jì)的要求。

新型支撐結(jié)構(gòu)斷熱橋材料的導(dǎo)熱系數(shù)、壓縮強(qiáng)度和吸水率分別是冷藏集裝箱目前普遍采用的PE材料的50%、300%和48%，滿(mǎn)足了鐵路隔熱保溫車(chē)支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和提升隔熱性能所需的斷熱橋、長(zhǎng)壽命抗老化設(shè)計(jì)的需要。

4.1.2新結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用

鐵路隔熱保溫車(chē)叉車(chē)作業(yè)側(cè)進(jìn)轉(zhuǎn)彎不同于冷藏集裝箱直進(jìn)直出作業(yè)方式，對(duì)地板的承載能力提出了更高的要求。鐵路隔熱保溫車(chē)在車(chē)門(mén)處的墊梁采用了間距加密方式布置的同時(shí)，全車(chē)斷熱橋材料墊梁均采用了矩形截面局部鏤空的變截面的結(jié)構(gòu)型式，同時(shí)滿(mǎn)足了隔熱性能提升和抗叉車(chē)作業(yè)能力的要求，并通過(guò)叉車(chē)碾壓試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，仿真分析結(jié)果表明，地板墊梁采用變截面比采用矩形等截面結(jié)構(gòu)地板傳熱系數(shù)減小約20%，整車(chē)車(chē)體綜合傳熱系數(shù)減少約6.5%。

研究采用了自身具有較好密封性能的排水閥和防吸氣鋁筒的組合結(jié)構(gòu)，可有效防止車(chē)輛運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)壓，解決了排水結(jié)構(gòu)的功能需求和氣密性保障的技術(shù)難點(diǎn)。

4.1.3圓弧車(chē)頂整體發(fā)泡

長(zhǎng)江公司從2017年開(kāi)始開(kāi)展圓弧車(chē)頂結(jié)構(gòu)發(fā)泡先行試驗(yàn)研究，制作樣件進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，并分解檢查發(fā)泡質(zhì)量，掌握了詳實(shí)的發(fā)泡基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)，成功驗(yàn)證了圓弧車(chē)頂發(fā)泡隔熱結(jié)構(gòu)技術(shù)可行性。

圖4 圓弧結(jié)構(gòu)發(fā)泡試驗(yàn)

4.2 裝備技術(shù)水平

BH1型鐵路隔熱保溫車(chē)車(chē)體各大部件均創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)全整體聚氨酯發(fā)泡結(jié)構(gòu)，結(jié)合新型非金屬材料的應(yīng)用，使整車(chē)隔熱性能得到大幅提升；配套采用70 t級(jí)貨車(chē)轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)和鉤緩成熟技術(shù)，并安裝遠(yuǎn)程檢測(cè)信息化裝置。裝備技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）按照AAR S905《R類(lèi)冷藏車(chē)》，美國(guó)同類(lèi)產(chǎn)品車(chē)體綜合傳熱系數(shù)一般為0.33～0.39 W/（m2?K），另外俄羅斯鐵路保溫車(chē)車(chē)體綜合傳熱系數(shù)一般為0.27 W/（m2?K）。因此BH1型鐵路隔熱保溫車(chē)車(chē)體綜合傳熱系數(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，在滿(mǎn)載和內(nèi)外溫差20℃情況下，比既有機(jī)械冷藏車(chē)隔熱保溫運(yùn)輸?shù)臏厣俣葴p小32%，更能適應(yīng)中國(guó)鐵路長(zhǎng)距離大溫差運(yùn)輸特點(diǎn)，保證貨物品質(zhì)。

（2）載重64 t、容積170 m3、比容2.66 m3/t，輕量化程度和比容指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，更有利于提升運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)更多品類(lèi)的貨物不虧噸運(yùn)輸。

（3）適應(yīng)機(jī)械化裝卸作業(yè)，無(wú)需二次鋪裝保溫材料，大大提高了貨物裝卸效率。

（4）車(chē)輛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可模塊化組裝制造，降低了制造和維護(hù)成本；

（5）采用信息化技術(shù)可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)溫度，符合冷鏈運(yùn)輸裝備技術(shù)發(fā)展方向，可提升服務(wù)質(zhì)量。

圖5 BH1型鐵路隔熱保溫車(chē)

5 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)鐵路隔熱保溫運(yùn)輸裝備的技術(shù)創(chuàng)新和裝備研制，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品空白，補(bǔ)齊了鐵路冷鏈運(yùn)輸方式的短板，使鐵路冷鏈裝備系列化，大大提升了鐵路冷鏈運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)輸效率，并提高了鐵路冷鏈運(yùn)輸節(jié)能環(huán)保水平。在“十九大”提出的防治大氣污染、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)行動(dòng)和加快調(diào)整冷鏈運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的政策背景下，將可充分發(fā)揮鐵路運(yùn)能大、全天候、節(jié)能環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足公轉(zhuǎn)鐵巨大的冷藏貨運(yùn)增長(zhǎng)需求，鐵路隔熱保溫車(chē)的推廣運(yùn)用市場(chǎng)前景廣闊。