高速貨運列車研制及其高鐵物流運用

魏鴻亮，樸明偉，郭 強，兆文忠

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028;2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連116028)*

0 引言

針對航空支線貨運能力短板，提出了基于高鐵物流的空鐵公聯運設想，這將有助于增加高鐵建設投資收益.但是在高速貨運裝備研制上，必須澄清高速貨運列車概念及其研制技術難點，以落實高鐵線路的開源節流經營策略.按照快速貨運轉向架的技術發展規律，輪軌低動力作用及其動力輪對自穩定問題，應當作為高速貨運轉向架研制的2個重要技術問題.

智能高效是未來物流快遞網絡建設的主要特色，其中，快捷鐵路物流將起到不可忽視的關鍵作用.隨著現代化裝備系統集成能力的提升，從分布式加工制造到集成組裝調試，制造業生產方式正在悄然轉變.同時服務型制造業也迅速興起，需要及時配送大量的備件或配件，以實現零庫存，降低經營成本.為了滿足上述生產方式轉變所形成的物流快遞業務，多種形式聯運網絡不斷形成.德國DRRS-y系列和英國TF25系列，是歐洲鐵路的2種典型快速貨運轉向架［1-2］.兩者均采用了新技術以降低輪軌動力作用，如軸箱橡膠懸掛或一系垂向減振器.相應地，國內也陸續研制了類似技術形式的快速貨運轉向架［3-4］，并開始施行了城際電商快運班列.目前法鐵SNCF正在試行了國際郵政班列，里昂-巴黎-倫敦，并將逐步形成以戴高樂空港為中心的智能高效物流快遞配送網絡.根據歐洲高速鐵路貨運發展規劃，高速貨運列車載運能力要達到100 t以上，最高車速330 km/h，造價控制在0.25億歐元(約2億人民幣)以內.經過車廂內飾簡單改造，TGV首先試行了上述國際郵政班列.在Veralo高速列車系列產品中，也將添加高速貨運列車新成員，Veralo Cargo(集中動力牽引).鑒于目前高鐵線路利用效率，鐵路總公司協同相關的物流快遞企業，也正在積極籌劃高鐵物流計劃項目.但是在高速鐵路貨運裝備上，選用貨運動車組還是高速貨運列車，這將成為決定其經營成本的主要因素.同時對于高速貨運運行條件來講，不得不考慮對無砟軌道質量所造成的負面影響［5］.因此，高鐵物流必須采用高速貨運列車概念，以降低其制造與維修成本，實現“以貨養客”.同時也必須進一步降低輪軌動力作用，切實解決動力輪對自穩定問題，避免對無砟軌道產生負面影響.

在快速和高速貨運列車范疇內，本文首先討論高鐵物流內涵及其技術難點.然后再回顧歐洲鐵路快速貨運轉向架技術特點及其運用經驗.最后結合高速貨運列車概念，重點闡述動力輪對自穩定問題及其技術解決方案.

1 高鐵物流內涵及其技術難點

根據目前所掌握的資料與信息，高鐵物流應當具有以下5點內涵:①公鐵空聯運形成高效智能物流快遞網絡;②“比空運經濟、比公路快捷”作為基本原則;③高鐵無砟軌道，客貨混跑，需要充分技術論證;④“借雞下蛋”防止產能過剩;⑤以智能貨車實現高效配送.從高速貨運裝備研發角度出發，這里主要討論第3點內涵.

對于高鐵無砟軌道來講，客貨混用，并非在新建客運專線上運行通常意義的鐵路貨車.如圖1所示，以航空集成物流方式，通過高鐵物流轉運，然后再以公路運輸配送，實現“門到門”快遞業務.高鐵物流應當具有以下技術條件:①高質量軌道條件，如高架鐵路、無砟軌道、高平順高精度，其平曲線最小半徑R=7000 m，軌道超高Δh=150 mm;②圓錐型接觸的輪軌關系，如車輪型面選用寬輪緣S1002G，與鋼軌CN60KG匹配，其名義等效錐度0.166;③高速貨運轉向架二系懸掛采用德系空簧，不僅最大程度地解除了車體對走行部的橫向耦合作用，而且也具有空簧懸掛軟特性，以消除車輪動荷的高頻成份.因此，在18 t軸重的技術條件下，通常不會存在嚴重輪緣側磨問題或車輪動荷問題.

圖1 空鐵公聯運集成化物流配送

從降低用戶總成本TCO角度來考慮，貨運動車組，其制造成本與維修費用都很高，不符合“比空運經濟、比公路快捷”的基本原則.但是就高速貨運列車技術形式而言，首尾動車，其動力輪對采用抱軸式電機懸掛，參振質量很大.因此，動力輪對自穩定是高速貨運列車研制的關鍵技術問題.

解決動力輪對自穩定問題，其關鍵還是在于輪對定位約束形式.在快速貨運或客運轉向架研制與運用中，要特別尋求并利用軸箱橡膠懸掛的新技術特點.同時也要抓住影響動力輪對自穩定的2個主要因素:即結構阻尼和參振質量.根據橡膠懸掛減振機制，協調處理這兩個相互制約因素，簡單可靠地解決動力輪對自穩定技術難題，以避免對無砟軌道產生負面影響.

2 快速貨運轉向架技術特點及其運用經驗

選取2種典型的快速貨運轉向架，即德國DSSR-y系列和英國TF25系列，重點討論其在降低輪軌動力作用方面的創新技術特點.

在Y25轉向架原型技術基礎上，如圖2所示，德國DSSR公司推出了DSSR-y系列轉向架，其主要技術特點如下:①車體與走行部接口仍然保持球面心盤與彈性旁承的技術形式;②軸箱橡膠懸掛，且保留干摩擦減振技術特點，但是與雷諾拉桿減振機制不同，在重載條件下橡膠堆膨脹，相對摩擦因子將會增大，“卡滯”現象將影響到重載減振效果;③構架結構型式與Y25的基本相同，主要由橫梁承受車體載荷，其160 km/h轉向架改用盤式制動.據報道，DSSR-y系列160 km/h轉向架運用存在某些技術問題，目前實際運行降速至140 km/h.由此可見，對于DSSR-y系列轉向架，將解決車輪動荷問題作為其創新技術的重點，但是尚存在車體與走行部的橫向耦合作用.

圖2 德國DSSR-y系列轉向架及其構造細節

英國TF25的技術原型，如圖3(a)所示，其構架結構形式與Y25的基本類似.但是原始軸箱懸掛采用斜楔干摩擦減振技術形式，見圖3(b).經過軸箱懸掛及其減振技術改造，如圖3(c)所示，最終演變成為TF25SA，見圖3(d)，即轉臂軸箱單組鋼簧懸掛形式，并輔以一系垂向減振器，這與客運轉向架的十分相似.特別重要的是在車體與走行部接口上，開始采用車體全旁承支承，這與機車轉向架的情況類似，即橡膠堆旁承型式.踏面制動方式仍然保留，其原因目前尚不清楚.由此可見，英國TF25系列轉向架，不僅采用了轉臂軸箱輪對定位方式，同時也改用了車體全旁承支承形式，進一步降低了輪軌動力作用，被譽為低噪聲轉向架.

圖3 英國TF25系列轉向架及其軸箱懸掛減振器

總之，對于快速鐵路貨運車輛來講，無論德國DSSR-y系列轉向架還是英國TF25系列轉向架，其共性技術特點就是降低輪軌動力作用.特別應當指出的是TF25系列轉向架，其車體與走行部的接口關系已經改變了心盤旁承的傳統技術形式，改用車體全旁承支承.由此可見，對于高速貨運轉向架來講，勢必要選用德系空簧作為二系懸掛，且兼顧空重比要求，徹底解除車體與走行部之間的橫向耦合作用.但是就高速貨運列車概念來看，首尾端車，其動力輪對自穩定問題仍然是制約輪軌動力作用的關鍵性因素.特別是對于無砟軌道來講，能否解決動力輪對自穩定問題，這是實現其高鐵物流運用的關鍵技術.

3 動力輪對自穩定問題及其技術解決方案

對于動力輪對自穩定問題，目前有主動控制與被動約束2類解決方案.動力輪對自穩定控制［6］，見圖4(b)，其技術難點在于動力輪對測試技術，目前鮮有工程應用.而法鐵TGV高速列車，中間拖車采用鉸接轉向架，集中動力驅動，首尾動車轉向架則應用了橡膠定位約束解決方案，見圖4(c).

圖4 動力輪對自穩定控制模型

結合高速貨運列車概念，本節主要討論動力輪對自穩定問題以及橡膠定位約束解決方案的本質內涵:即協調處理參振質量與結構阻尼2個相互制約關系.進而確定高速貨運列車動力輪對自穩定問題的技術解決方案，并簡要闡述其技術可行性.

3.1 動力輪對自穩定問題

在不考慮高速輪軌摩擦熱影響以及第三介質影響的前提下，假設輪對穩定運行，且主要輪軌接觸區域為踏面軌頭接觸.如圖4(a)所示，采用單一曲率輪軌接觸模型分析其接觸蠕滑變化規律，進而提出動力輪對自穩定問題.

縱向、橫向以及自旋蠕滑率具有準靜態(第1項)與動態(第2 項)成份［7］

縱向蠕滑

橫向蠕滑率

自旋蠕滑

其中:Δr為滾徑差;α為輪對搖頭角;δ為左右車輪接觸角差;車速=vx;而/x·與/x·是與車速成反的2個阻尼項.

根據威金斯理論［8］，輪軌橫向動態制衡關系是指車輪自旋蠕滑所產生的橫向蠕滑力與重力剛度所形成的恢復力之間的動平衡關系，其包含以下3個要點:

(1)車輪切向(蠕滑)力Ft可分為縱向蠕滑力Fxt和橫向蠕滑力Fyt，而車輪自旋蠕滑對其橫向蠕滑力的效應不可忽略.特別是圓錐型接觸的輪軌關系，接觸角差δ是決定等效錐度λe的主要參數，因而車輪自旋蠕滑的準靜態成份較大，這是維系輪軌橫向準靜態平衡關系的重要因素;

(2)自旋蠕滑是造成蛇行自激振蕩的關鍵性因素.由式(3)可知，自旋蠕滑波動，其主要原因在于輪對搖頭角速度α·，且對自旋蠕滑和縱向蠕滑形成了2個負阻尼項，即α·/x·.也就是說，一方面輪軌橫向動態制衡關系被打破，蛇行振蕩幅值不斷增大;另一方面，如圖4(a)所示，車輪縱向力偶Mz交替形成.特別是在轉向架搖頭相位滯后的影響下，跟隨輪對橫移速度y·加快，因而其車軸橫向力增大.因此，高速轉向架采用了新型抗蛇行減振器，如Sachs抗蛇行減振器，抗蛇行頻帶吸能機制的一種技術實現形式，以其抗蛇行高頻阻抗作用抑制轉向架搖頭相位滯后，進而增大其高鐵運用的安全冗余;

(3)在偶然因素擾動下，如鋼軌不平順等，由于慣性原因，動力輪對搖頭角速度α·將急劇增大，結果造成轉向架不穩定行為，甚至影響到操縱穩定性，因而將其稱為動力輪對自穩定問題.

3.2 橡膠定位約束解決方案

回顧鐵路提速的轉向架創新技術，通常在軸箱懸掛及定位方式上，大多采用橡膠懸掛新技術，如圖5所示.作為經濟性軌道車輛，采用自導向轉向架，其圓筒導向定位形式得到廣泛采用，導向筒橡膠約束形成了輪對彈性約束，見圖5(a).日本新干線300系列轉向架則進一步發展成為橡膠堆彈性定位，并添加了輪軸減振器(或稱為中央減振器)，見圖5(b).法國TGV動車轉向架則形成了軸箱橡膠懸掛，如圖5(c)所示，其由縱向布置的兩塊橡膠堆構成.德國ICE3系列轉向架，采用轉臂軸箱定位形式，如圖5(d)所示，其轉臂節點也是高彈橡膠和金屬構成的橡膠節點，縱向與橫向定位剛度高達120/12.5 MN/m.

圖5 軸箱橡膠懸掛技術形式演變過程

應當正確認知參振質量與結構阻尼的相互制約關系.在小位移攝動假設條件下，彈簧與阻尼并聯單元可以看做橡膠減振的機理模型，其動態剛度均為，其中，K+ ω2M 稱為動力剛度，而則稱為結構阻尼.與彈簧阻尼串聯單元不同，彈簧與阻尼并聯單元特性取決于參振質量，即固有頻率也就是說，動力輪對參振質量很大，因而需要縱向定位高剛度，以衰減其低頻振動行為.但是根據動力剛度特性，高頻振動行為主要取決于參振質量.如圖5(d)所示，橡膠節點具有其結構阻尼約束以及徑向剛度非線性.相位滯后是結構阻尼對高頻響應特征的主要影響，因而可以利用橡膠節點的徑向剛度非線性，以控制其高頻振動參振質量，將其轉變為解決動力輪對自穩定問題的積極因素.

綜上所述，在德國Veralo高速列車技術框架下，研制高速貨運列車，且改為動力集中驅動方式，以降低制造與維修成本.為了避免對無砟軌道產生負面影響，動力輪對自穩定是降低輪軌動力作用的關鍵性技術問題.根據ICE3轉向架原型的技術特點，通過其轉臂節點橡膠參數的優化配置，協調處理參振質量與結構阻尼的相互制約關系.因此，上述解決動力輪對自穩定問題的技術方案具有其可行性.

4 結論

(1)根據高鐵物流發展的基本原則，應當確立基于高速貨運列車概念的技術方案，其關鍵技術在于如何簡單可靠地解決動力輪對自穩定問題，以降低輪軌動力作用，避免對無砟軌道產生負面影響;

(2)根據快速貨運轉向架的技術研發規律，降低輪軌動力作用是其共性技術特點，比如德國DSSR-y系列轉向架采用軸箱橡膠懸掛新技術，再如英國TF25系列轉向架，通過不斷技改，采用了一系垂向減振器和二系橡膠堆懸掛，基本上去除了貨運轉向架的傳統技術特征.因而高速貨運轉向架必須進一步采用德系空簧懸掛，以徹底解除車體與走行部之間的橫向耦合作用;

(3)結合ICE3轉向架技術原型，并借鑒TGV動車轉向架軸箱橡膠懸掛的技術特點，提出了解決動力輪對自穩定問題的技術方案，協調處理參振質量與結構阻尼之間的相互制約關系，其不僅具有可行性，而且簡單可靠，可操作性強.

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