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笔者在准备前一篇文章时曾领略过一众境内外网友，甚至不乏轨道交通爱好者（俗称：车迷）对轨道交通牵引技术的不正确认知，其中不乏令人捧腹者，诸如：“蓄电池牵引的优势是可以‘回收动能’啊，既有技术能实现么？”——是嘛，在轨道交通行业可不叫什么“动能回收”，叫“再生制动”，而且一搞就是好几十年；就像汽车行业的ABS（防抱死装置）本是轨道交通行业的发明，但名字不叫ABS而叫WSP（电子防滑器）一样。
但其中有一条推文引起了笔者的注意。推主是一位电动汽车的“狂热爱好者”。忽略掉诸如“XX年电池能量密度将达到XXX”之类的不切实际的说辞，其指出澳大利亚铁矿巨头，重载铁路运营者FMG集团将运用蓄电池机车替代内燃机车，牵引三万吨铁矿石重载列车的说法，经查证确有其事。为此，他们还重金收购了F1车队威廉姆斯车队旗下的WAE公司：
FMG在宣传稿中吹的牛甚至比这位电动汽车爱好者的还要大：他们不仅要搞纯蓄电池机车牵引四万吨重载列车，还要在零牵引所、零充电站、零电能补充的前提下实现这一目标，号称“永动列车”（Infinity Train）。
笔者的第一反应是——莫不是FMG被厂家给忽悠瘸了，才想得出拿纯蓄电池机车拉四万吨重载列车这种奇怪方案？一番查证之下，发现的确如此。因为这个案例实在太过经典，笔者决定另开一篇文章加以分析。
<hr/>“永动列车”的设想源于当下相当一部分重载铁路畸形的运输模式——“重车去，空车回”。如果某条重载铁路衔接高原矿区与沿海港口，重车方向是下坡，轻车方向是上坡，那岂不是靠重车的重力势能就足以把轻车送上坡？抑或是可以把这条重载铁路的重车线想象成一个巨大的驼峰+重力发电设备，岂不是驱动轻车线之余，还能额外发电？FMG的设想正是如此，将重车释放的重力势能通过再生制动转换成电能，存储于机车蓄电池之中，机车便有足够的电将空车回送，而无需额外补充电能。
显而易见，“重去空回”地“拉车皮”是一种极端低效的运输方式，理应被“重来重去”模式所替代[1]。在“重来重去”模式下，原先的空车线现在运的也不只是空车皮，也就自然地动摇了这一设想的基础。不过对于FMG铁路这样服务澳大利亚内陆矿区的矿石专用铁路来说，在可预见的将来“重去空回”是唯一选项。那是不是意味着“永动列车”是个好方案呢？
——不是。一个方案先得可行，才能谈好与不好。轨道交通纵然因为钢轨的存在，提供了公路难以比拟的低阻力运输方式。但低阻力并不意味着没有阻力——如果货物释放的重力势能还抵不上整个列车交路因为阻力耗散的能量，那“永动”自是无从谈起。
因此，“永动列车”可行与否，是个典型的铁路牵引计算的问题。
<hr/>虽然本文的讨论对象是澳大利亚的FMG铁路，但自世纪之交以来，澳大利亚的铁路货车市场就一直被中国中车（及其前身）所垄断，以至于在汉语世界能找到的资料甚至比英语世界还多。FMG铁路起自断云矿山（Cloudbreak mine），终到黑德兰港（Port Headland），全长256公里，两地海拔落差约400米。所运用的40吨轴重矿石敞车由原南车株洲车辆厂（现中车长江）研制，其自重系数为0.165，亦即0.165单位质量的车皮最多装载1单位质量的货物（铁矿石）[2]。
根据铁道行业标准《TBT 1407.1-2018》，铁路货车空车与重车的单位重量的运行基本阻力为：[3]
w_{02}&#39;&#39;(空)=2.23+0.0053v+0.000675v^2 (千克力/吨)
w_{02}&#39;&#39;(重)=0.92+0.0048v+0.000125v^2 (千克力/吨)
该线无隧道。如果不计曲线附加阻力，再忽略机车的基本阻力，同时进一步假定重车完全装满，且空车与重车的速度无限地接近于零，则空车利用重车释放的能量的效率也至少应为：
\eta\geq\frac{(2.23\times256+400)\times0.165}{(400-256\times0.92)\times(1+0.165)}=0.84
然而现实世界中，列车的速度不可能无限地接近零。以重车平均时速不小于20km/h、轻车平均时速不小于40km/h这一合理假定重新计算，则空车利用重车释放能量的效率至少应为：
w_{02}&#39;&#39;(空)\geq2.23+0.0053\times40+0.000675\times40^2=3.52
w_{02}&#39;&#39;(重)\geq0.92+0.0048\times20+0.000125\times20^2 =1.07
\eta\geq\frac{(3.52\times256+400)\times0.165}{(400-256\times1.07)\times(1+0.165)}=1.46
亦即不考虑任何轻车利用重车能量的实际途径，在正常的工况下，“永动列车”就已经不可能实现——没有外界能源补充，轻车多消耗将近一半的能量从天上来？
何况机车的基本阻力不是零，重车不可能完全装满，轻车更是没有百分百完全利用重车能量的途径——在FMG方案中，要求四万吨重载列车完全依靠电制动调速，这显然不可能实现。重载列车纯粹依靠电制动调速有断钩的风险。即使在中国国铁大秦线个别重车线方向存在长大下坡道区段，再生制动附加系数也基本难以逾越80%[4]。
<hr/>综上，FMG的“永动列车”，不过是不切实际的幻想罢了。
参考
- ^铁路货物运输循环列车产品设计研究 https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CMFD&dbname=CMFD202201&filename=1021872256.nh
- ^澳大利亚FMG 40t轴重矿石敞车 https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001554806&uniplatform=NZKPT
- ^铁路行业标准 TBT 1407.1-2018 列车牵引计算 第1部分：机车牵引式列车 https://max.book118.com/html/2020/0525/6140004102002203.shtm
- ^大长坡重载列车能耗模型的建立与分析 https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFDLAST2018&filename=KYKX201804008&uniplatform=NZKPT
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发表于 2022-12-2 12:53:11