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(lián)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(shù)難點，以落實高鐵線路的開源節(jié)流經(jīng)營策略.按照快速貨運轉(zhuǎn)向架的技術(shù)發(fā)展規(guī)律，輪軌低動力作用及其動力輪對自穩(wěn)定問題，應當作為高速貨運轉(zhuǎn)向架研制的2個重要技術(shù)問題.

智能高效是未來物流快遞網(wǎng)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(guān)鍵作用.隨著現(xiàn)代化裝備系統(tǒng)集成能力的提升，從分布式加工制造到集成組裝調(diào)試，制造業(yè)生產(chǎn)方式正在悄然轉(zhuǎn)變.同時服務型制造業(yè)也迅速興起，需要及時配送大量的備件或配件，以實現(xiàn)零庫存，降低經(jīng)營成本.為了滿足上述生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變所形成的物流快遞業(yè)務，多種形式聯(lián)運網(wǎng)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(zhuǎn)向架［1-2］.兩者均采用了新技術(shù)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(nèi)也陸續(xù)研制了類似技術(shù)形式的快速貨運轉(zhuǎn)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(wǎng)絡.根據(jù)歐洲高速鐵路貨運發(fā)展規(guī)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(nèi).經(jīng)過車廂內(nèi)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(chǎn)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(xié)同相關(guān)的物流快遞企業(yè)，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(jīng)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(zhì)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(xiàn)“以貨養(yǎng)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(wěn)定問題，避免對無砟軌道產(chǎn)生負面影響.

在快速和高速貨運列車范疇內(nèi)，本文首先討論高鐵物流內(nèi)涵及其技術(shù)難點.然后再回顧歐洲鐵路快速貨運轉(zhuǎn)向架技術(shù)特點及其運用經(jīng)驗.最后結(jié)合高速貨運列車概念，重點闡述動力輪對自穩(wěn)定問題及其技術(shù)解決方案.

1 高鐵物流內(nèi)涵及其技術(shù)難點

根據(jù)目前所掌握的資料與信息，高鐵物流應當具有以下5點內(nèi)涵:①公鐵空聯(lián)運形成高效智能物流快遞網(wǎng)絡;②“比空運經(jīng)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(shù)論證;④“借雞下蛋”防止產(chǎn)能過剩;⑤以智能貨車實現(xiàn)高效配送.從高速貨運裝備研發(fā)角度出發(fā)，這里主要討論第3點內(nèi)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(zhuǎn)運，然后再以公路運輸配送，實現(xiàn)“門到門”快遞業(yè)務.高鐵物流應當具有以下技術(shù)條件:①高質(zhì)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(guān)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(zhuǎn)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(shù)條件下，通常不會存在嚴重輪緣側(cè)磨問題或車輪動荷問題.

圖1 空鐵公聯(lián)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(jīng)濟、比公路快捷”的基本原則.但是就高速貨運列車技術(shù)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(zhì)量很大.因此，動力輪對自穩(wěn)定是高速貨運列車研制的關(guān)鍵技術(shù)問題.

解決動力輪對自穩(wěn)定問題，其關(guān)鍵還是在于輪對定位約束形式.在快速貨運或客運轉(zhuǎn)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(shù)特點.同時也要抓住影響動力輪對自穩(wěn)定的2個主要因素:即結(jié)構(gòu)阻尼和參振質(zhì)量.根據(jù)橡膠懸掛減振機制，協(xié)調(diào)處理這兩個相互制約因素，簡單可靠地解決動力輪對自穩(wěn)定技術(shù)難題，以避免對無砟軌道產(chǎn)生負面影響.

2 快速貨運轉(zhuǎn)向架技術(shù)特點及其運用經(jīng)驗

選取2種典型的快速貨運轉(zhuǎn)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(chuàng)新技術(shù)特點.

在Y25轉(zhuǎn)向架原型技術(shù)基礎(chǔ)上，如圖2所示，德國DSSR公司推出了DSSR-y系列轉(zhuǎn)向架，其主要技術(shù)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(shù)形式;②軸箱橡膠懸掛，且保留干摩擦減振技術(shù)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(xiàn)象將影響到重載減振效果;③構(gòu)架結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向架改用盤式制動.據(jù)報道，DSSR-y系列160 km/h轉(zhuǎn)向架運用存在某些技術(shù)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(zhuǎn)向架，將解決車輪動荷問題作為其創(chuàng)新技術(shù)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(zhuǎn)向架及其構(gòu)造細節(jié)

英國TF25的技術(shù)原型，如圖3(a)所示，其構(gòu)架結(jié)構(gòu)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(shù)形式，見圖3(b).經(jīng)過軸箱懸掛及其減振技術(shù)改造，如圖3(c)所示，最終演變成為TF25SA，見圖3(d)，即轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向架，不僅采用了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架.

圖3 英國TF25系列轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架還是英國TF25系列轉(zhuǎn)向架，其共性技術(shù)特點就是降低輪軌動力作用.特別應當指出的是TF25系列轉(zhuǎn)向架，其車體與走行部的接口關(guān)系已經(jīng)改變了心盤旁承的傳統(tǒng)技術(shù)形式，改用車體全旁承支承.由此可見，對于高速貨運轉(zhuǎn)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(wěn)定問題仍然是制約輪軌動力作用的關(guān)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(wěn)定問題，這是實現(xiàn)其高鐵物流運用的關(guān)鍵技術(shù).

3 動力輪對自穩(wěn)定問題及其技術(shù)解決方案

對于動力輪對自穩(wěn)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(wěn)定控制［6］，見圖4(b)，其技術(shù)難點在于動力輪對測試技術(shù)，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(zhuǎn)向架，集中動力驅(qū)動，首尾動車轉(zhuǎn)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(wěn)定控制模型

結(jié)合高速貨運列車概念，本節(jié)主要討論動力輪對自穩(wěn)定問題以及橡膠定位約束解決方案的本質(zhì)內(nèi)涵:即協(xié)調(diào)處理參振質(zhì)量與結(jié)構(gòu)阻尼2個相互制約關(guān)系.進而確定高速貨運列車動力輪對自穩(wěn)定問題的技術(shù)解決方案，并簡要闡述其技術(shù)可行性.

3.1 動力輪對自穩(wěn)定問題

在不考慮高速輪軌摩擦熱影響以及第三介質(zhì)影響的前提下，假設輪對穩(wěn)定運行，且主要輪軌接觸區(qū)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(guī)律，進而提出動力輪對自穩(wěn)定問題.

縱向、橫向以及自旋蠕滑率具有準靜態(tài)(第1項)與動態(tài)(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(jù)威金斯理論［8］，輪軌橫向動態(tài)制衡關(guān)系是指車輪自旋蠕滑所產(chǎn)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(guān)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(guān)系，接觸角差δ是決定等效錐度λe的主要參數(shù)，因而車輪自旋蠕滑的準靜態(tài)成份較大，這是維系輪軌橫向準靜態(tài)平衡關(guān)系的重要因素;

(2)自旋蠕滑是造成蛇行自激振蕩的關(guān)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(tài)制衡關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)實現(xiàn)形式，以其抗蛇行高頻阻抗作用抑制轉(zhuǎn)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(jié)果造成轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定行為，甚至影響到操縱穩(wěn)定性，因而將其稱為動力輪對自穩(wěn)定問題.

3.2 橡膠定位約束解決方案

回顧鐵路提速的轉(zhuǎn)向架創(chuàng)新技術(shù)，通常在軸箱懸掛及定位方式上，大多采用橡膠懸掛新技術(shù)，如圖5所示.作為經(jīng)濟性軌道車輛，采用自導向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架則進一步發(fā)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(zhuǎn)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(gòu)成.德國ICE3系列轉(zhuǎn)向架，采用轉(zhuǎn)臂軸箱定位形式，如圖5(d)所示，其轉(zhuǎn)臂節(jié)點也是高彈橡膠和金屬構(gòu)成的橡膠節(jié)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(shù)形式演變過程

應當正確認知參振質(zhì)量與結(jié)構(gòu)阻尼的相互制約關(guān)系.在小位移攝動假設條件下，彈簧與阻尼并聯(lián)單元可以看做橡膠減振的機理模型，其動態(tài)剛度均為，其中，K+ ω2M 稱為動力剛度，而則稱為結(jié)構(gòu)阻尼.與彈簧阻尼串聯(lián)單元不同，彈簧與阻尼并聯(lián)單元特性取決于參振質(zhì)量，即固有頻率也就是說，動力輪對參振質(zhì)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(jù)動力剛度特性，高頻振動行為主要取決于參振質(zhì)量.如圖5(d)所示，橡膠節(jié)點具有其結(jié)構(gòu)阻尼約束以及徑向剛度非線性.相位滯后是結(jié)構(gòu)阻尼對高頻響應特征的主要影響，因而可以利用橡膠節(jié)點的徑向剛度非線性，以控制其高頻振動參振質(zhì)量，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q動力輪對自穩(wěn)定問題的積極因素.

綜上所述，在德國Veralo高速列車技術(shù)框架下，研制高速貨運列車，且改為動力集中驅(qū)動方式，以降低制造與維修成本.為了避免對無砟軌道產(chǎn)生負面影響，動力輪對自穩(wěn)定是降低輪軌動力作用的關(guān)鍵性技術(shù)問題.根據(jù)ICE3轉(zhuǎn)向架原型的技術(shù)特點，通過其轉(zhuǎn)臂節(jié)點橡膠參數(shù)的優(yōu)化配置，協(xié)調(diào)處理參振質(zhì)量與結(jié)構(gòu)阻尼的相互制約關(guān)系.因此，上述解決動力輪對自穩(wěn)定問題的技術(shù)方案具有其可行性.

4 結(jié)論

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

(2)根據(jù)快速貨運轉(zhuǎn)向架的技術(shù)研發(fā)規(guī)律，降低輪軌動力作用是其共性技術(shù)特點，比如德國DSSR-y系列轉(zhuǎn)向架采用軸箱橡膠懸掛新技術(shù)，再如英國TF25系列轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架的傳統(tǒng)技術(shù)特征.因而高速貨運轉(zhuǎn)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(jié)合ICE3轉(zhuǎn)向架技術(shù)原型，并借鑒TGV動車轉(zhuǎn)向架軸箱橡膠懸掛的技術(shù)特點，提出了解決動力輪對自穩(wěn)定問題的技術(shù)方案，協(xié)調(diào)處理參振質(zhì)量與結(jié)構(gòu)阻尼之間的相互制約關(guān)系，其不僅具有可行性，而且簡單可靠，可操作性強.

［1］傅茂海，李芾，尚軍.德國高速貨車轉(zhuǎn)向架-DRRS［J］.國外鐵道車輛，2001，38(1):22-25.

［2］DEREK PARKER.英國新型貨車轉(zhuǎn)向架 ［J］.國外鐵道車輛，2006，44(3):22-23.

［3］于明，徐世峰，謝素明，等.160 km/h高速貨車轉(zhuǎn)向架的研制［J］.鐵道車輛，2008，44(7):8-11.

［4］徐世峰.160 km/h貨車轉(zhuǎn)向架的可靠性設計［D］.大連:大連交通大學，2008.

［5］JO..NSSON P A，STICHEL S.On the Influence of Freight Traffic Operational Conditions on Track Deterioration Cost［J］.International Journal of COMADEM，2009，12(2):3-9.

［6］PEARSON J T，GOODALL R M.An Active Stability System for a High Speed Railway Vehicle［J］.Electronic Systems and Control Division Research，2006，43(5):4-8.

［7］IWNICKI S D.Handbook of Railway Vehicle Dynamics［M］.England:CRC Press，2006:95-120，382-385.

［8］WICHENS A H.Fundamentals of Rail Vehicle Dynamics:Guidance and Stability［M］.The Netherlands:Swets＆ Zeitlinger，2003.