歐洲標準鐵路貨車運行安全性研究*

鹿中華，于連玉，柳文豪，李 烽

（中車山東機車車輛有限公司，濟南250022）

我國鐵路貨車越來越多地向歐洲發(fā)達國家出口，在歐洲鐵路線上運行的貨車，需要符合相應的歐洲標準。文中從鐵路貨車運行安全性角度出發(fā)，對鐵路貨車需滿足的歐洲標準進行了梳理，供我國鐵路貨車生產(chǎn)企業(yè)在出口歐洲鐵路貨車設計、制造和認證工作中參考。

1 歐洲鐵路互聯(lián)互通貨車子系統(tǒng)技術規(guī)范

為統(tǒng)一歐洲鐵路安全法規(guī)、安全評估和安全目標，促進歐洲鐵路互聯(lián)互通，EC（歐盟委員會）設立了ERA（歐洲鐵路局），專門負責歐洲鐵路互聯(lián)互通技術規(guī)范TSIs 的制定、修訂、評估、發(fā)布、協(xié)調(diào)、執(zhí)行等各項工作［1］。歐洲鐵路互聯(lián)互通貨車子系統(tǒng)技術規(guī)范（以下簡稱貨車TSI）是一個針對貨車子系統(tǒng)的技術規(guī)范，制定該技術規(guī)范的目的是滿足歐洲鐵路系統(tǒng)互通性指令中規(guī)定的基本要求，確保歐洲鐵路系統(tǒng)的互通性。貨車TSI 規(guī)定了貨車子系統(tǒng)內(nèi)部以及該子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)接口的基本要求、功能等，從安全性、可靠性及可用性、健康、環(huán)境保護、技術兼容性方面提出要求，并與鐵路系統(tǒng)互通性指令建立關聯(lián)。自發(fā)布之日起經(jīng)歷了數(shù)次修訂、改進和完善，最新發(fā)布的貨車TSI 是2019 年5 月修訂的。相對于之前的版本，最新版貨車TSI 對引用的標準做了更新，對之前版本存在的一些開口項進行了關閉。

互聯(lián)互通技術規(guī)范TSIs 是歐洲議會和歐盟理事會發(fā)布的鐵路法規(guī)，在歐盟成員國具有強制性法律效力。而被互聯(lián)互通技術規(guī)范TSIs 引用的歐洲標準、國際標準、國家標準、技術規(guī)范等，盡管大部分都是非強制性標準和技術文件，但一旦被TSIs 引用，即作為TSIs 的組成部分，成為強制性標準和規(guī)范。

1.1 貨車TSI 對扭曲軌道上抗脫軌安全性的要求

貨車TSI 第4.2.3.5.1 節(jié)規(guī)定車輛的設計應確保在扭曲軌道上安全運行，特別考慮水平軌道和具有超高軌道之間的過渡階段以及具有橫向水平偏差的線路。第6.2.2.2 節(jié)更是明確規(guī)定了證明車輛符合在扭曲線路上抗脫軌安全性的方法是根據(jù)EN 14363：2016《鐵路應用—鐵路車輛運行特性的試驗和仿真—運行特性和靜態(tài)試驗》（以下簡稱EN 14363）第4、5 節(jié)和6.1 節(jié)進行證明。

1.2 貨車TSI 對縱向壓縮載荷下抗脫軌安全性的要求

貨車TSI 附錄C 的第8 條規(guī)定，車輛在縱向壓縮載荷下的抗脫軌安全性要求應根據(jù)EN 15839：2012+A1：2015《鐵路應用—鐵路車輛運行特性驗收—貨車—縱向壓縮力下運行安全性試驗》（以下簡稱EN 15839）進行證明。

1.3 貨車TSI 對運行動態(tài)特性的要求

貨車TSI 第4.2.3.5.2 節(jié)規(guī)定車輛的設計應確保在最大設計速度范圍內(nèi)保證運行安全。車輛的運行動態(tài)特性可以按照2 種方法進行證明：第1 種是根據(jù)EN 14363 標準的第4、5 節(jié)和第7 節(jié)中給出的步驟進行證明；第2 種是通過一個驗證過的模型進行仿真分析來證明。貨車TSI 沒有對驗證過的模型有明確的規(guī)定，2016 版的EN 14363 對如何進行模型驗證做出了具體的規(guī)定。第6.2.2.3 節(jié)再次要求根據(jù)EN 14363 標準的第4、5 節(jié)和第7 節(jié)的規(guī)定進行線路試驗，同時，第4.2.3.5.2 節(jié)還規(guī)定使用6.1.2.1 節(jié)中所述的轉向架，車輛的運行動態(tài)特性允許在互換性部件層面上進行評估，在這種情況下，車輛特定試驗或仿真不需要進行，僅需要對參數(shù)的變化范圍進行限制。

第6.1.2.1 節(jié)中規(guī)定，EN 16235：2013《鐵路應用—鐵路車輛運行特性驗收試驗—貨車—具有規(guī)定特性的貨車免于EN 14363 線路試驗的條件》（以下簡稱EN 16235）中列舉了滿足運行動態(tài)特性要求的一些條件，如果走行裝置在其既定的使用區(qū)域內(nèi)運行，那么裝有EN 16235 第6 章中所述既有走行裝置的車輛是滿足運行動態(tài)特性要求的。

由上述分析可知，貨車TSI 規(guī)定車輛應當具有安全的性能，證明貨車安全性的具體途徑通過引用其他EN 標準來實現(xiàn)，具體要求見表1。

表1 貨車TSI 對運行安全性的要求

2 EN 14363 標準

現(xiàn)行的EN 14363 標準是由CEN（歐洲標準化委員會）于2015 年9 月批準通過，2016 年9 月生效的，它規(guī)定了鐵路機車車輛進行安全性證明的試驗或仿真分析時所需的評估條件、評估方法、評價指標及免除試驗的方法等。

EN 14363 對車輛的評估可分為2 個階段：

第1 階段是車輛進行線路試驗之前所做的評估，包括車輛在扭曲線路上的抗脫軌安全性，車輛在縱向壓縮載荷下的抗脫軌安全性等，對車輛基本特性和低速性能進行研究。

第2 階段的評估則是進行動態(tài)特性的評估，可通過物理試驗、數(shù)值模擬、計算或與已知解決方案（豁免）進行比較，根據(jù)上述要素對車輛進行評估。EN 14363 詳細說明了選擇適當評估方法的要求。

貨車TSI 對車輛在扭曲線路上的抗脫軌安全性和運動動態(tài)特性要求都引用了EN 14363 的第4、5 節(jié)內(nèi)容。EN 14363 第4 節(jié)規(guī)定了當評估偏離本標準的一些要求時，只要能提供證據(jù)證明安全性至少等同于遵守這些規(guī)則所保證的安全性即可。例如英國的國家標準GMRT 2141 對車輛運行安全性評估采用的方法與EN 14363 有差異，但是2 個標準對車輛的安全性做出的評估結論是等效的［2］。EN 14363 第5 節(jié)規(guī)定了試驗的一些基本要求，包括試驗的不確定度、試驗內(nèi)容、試驗車輛、結果評估和報告記錄等。

2.1 車輛在扭曲線路上的抗脫軌安全性

EN 14363 第6.1 節(jié)規(guī)定了3 種試驗方法，用于車輛通過扭曲軌道時研究車輛的抗脫軌性能。

方法1，需要一條具有特定扭曲量的半徑為150 m 的曲線線路，直接測量輪軌橫向力和垂向力來計算脫軌系數(shù)。

方法2，需要一條半徑為150 m 且沒有扭曲和超高的曲線線路測量輪軌橫向力，然后通過特定的試驗臺產(chǎn)生扭曲，測量輪軌垂向力，最終計算脫軌系數(shù)。

方法3，不需要特定的線路，需要通過特定的試驗臺產(chǎn)生扭曲，測量輪軌垂向力，計算扭曲時的輪重減載率，試驗臺能夠使轉向架繞心盤產(chǎn)生回轉，測量轉向架回轉阻力矩并計算回轉系數(shù)。

所有這3 種方法均來自ORE（歐洲鐵路研究協(xié)會，后來的ERRI）研究報告。測試方法的目的是一致的，但每種方法是獨立的，不能直接比較。此外，每種方法中提到的數(shù)值和條件僅適用于該方法，各測試方法之間的數(shù)值結果沒有可比性。

在具體介紹3 種試驗方法之前，EN 14363 給出了免除車輛在扭曲線路上抗脫軌安全性試驗和仿真分析的條件：對于貨車來講，如果走行裝置的參數(shù)和類型與既有走行裝置相匹配，且輪緣角度為70°，允許免除抗脫軌安全性的試驗和仿真分析。符合所要求標準的參數(shù)和走行裝置類型在UIC 530-2：2008《貨車—運行安全性》的附錄A、附錄B和附錄C 中給出。

2.1.1 方法1 規(guī)定的免除試驗條件

EN 14363 第6.1.5.1.8 節(jié)規(guī)定，基于參考車輛的試驗結果，如果符合以下2 種情況之一，可以免除試驗：

（1）與參考車輛相比，被評估車輛的參數(shù)變化影響能夠得到證明，且證明結果符合驗收標準。

（2）計算參考車輛的脫軌安全性并且與試驗結果進行比較，確保計算的可靠性；在方法2 試驗條件下進行參考車輛和評估車輛的計算，以量化參數(shù)變化的影響；在方法2 試驗條件下，被評估車輛的計算結果距極限值依然有至少10%的裕度；在方法2 的試驗條件下，被評估車輛的計算結果增加量不會超過參考車輛的計算結果與極限值之間余量的1/3。

2.1.2 方法2 規(guī)定的免除試驗條件

EN 14363 第6.1.5.2.6 節(jié)規(guī)定，基于參考車輛的試驗結果，方法2 免除試驗的條件與方法1一致。

2.1.3 方法3 的規(guī)定

方法3 沒有給出免除試驗的條件，但是如果根據(jù)方法3 完成試驗之后不能證明車輛在扭曲線路上的抗脫軌安全性，那么可以用1 個根據(jù)EN 14363附錄B 的方法驗證過的模型來進行仿真計算。如果仿真計算也不能證明車輛在扭曲線路上的抗脫軌安全性，那么就需要選擇方法1 或者方法2 來進行證明。

2.2 車輛受縱向壓縮載荷時的抗脫軌安全性

EN 14363 第6.2 節(jié)中，對于某些貨車和列車運行方式，在通過S 形曲線時有脫軌的風險，對于EN 15839 范圍內(nèi)的風險貨車，應使用EN 15839 中規(guī)定的方法進行安全性評估。

2.3 車輛的運行動態(tài)特性

車輛的運行動態(tài)特性評估是EN 14363 標準規(guī)定的第2 階段評估內(nèi)容，可通過線路試驗來評估，線路試驗又分為完整的線路試驗和簡化的線路試驗2 種情況。選擇哪種試驗方法是根據(jù)車輛具體參數(shù)決定的，2 種方法的區(qū)別是：完整的線路試驗是需要用測力輪對測量輪軌力和某些部位的加速度，簡化的線路試驗不需要測力輪對，僅需測量軸箱力和某些部位的加速度。無論選擇哪種試驗方法，給企業(yè)帶來的困難和成本都是很高的［3］，歐洲其他地方（指英國之外）批準的絕大多數(shù)貨運車輛沒有經(jīng)過試驗，因為它們使用的是“批準”轉向架，因此是豁免的［2］，我們應當根據(jù)標準規(guī)定盡可能免除線路試驗。免除線路試驗有2 種方法，第1 種是基于EN 16235 的方法，第2 種是基于EN 14363 附錄U 的方法。

2.3.1 基于EN 16235 免除線路試驗

對于配備EN 16235 中所述的既定或標準化走行裝置的貨車，如果滿足EN 16235 中描述的要求，則可以免除EN 14363 第7 節(jié)規(guī)定的線路試驗，EN 16235 標準將在下文中具體介紹。

2.3.2 基于EN 14363 的附錄U 免除線路試驗

對于具有相同設計或已獲得認證且隨后經(jīng)歷工程變更的車輛，可以擴展認證。擴展認證應通過部分線路試驗或通過模擬線路試驗或兩者組合來進行，EN 14363 附錄U 規(guī)定了適用于部分線路試驗的條件，包括免除線路試驗的條件。

車輛如果免于線路試驗，車輛的安全系數(shù)λ 應滿足一定的條件。安全系數(shù)λ 定義為每個裝載條件、試驗區(qū)段的評估指標比值（標準限值/實測最大值）的最小值，評估指標根據(jù)試驗的方法和車輛的類型來確定。

對于軸重不大于22.5 t 的車輛，如果λ≥1.1，且車輛參數(shù)變化范圍滿足EN 14363 附錄U 的要求，則可以免除線路試驗；如果1 ＜λ＜1.1，車輛參數(shù)的允許變化范圍會相應變窄，如果車輛參數(shù)變化符合變窄后的范圍，則可以免除線路試驗。對于軸重大于22.5 t 的車輛，如果λ≥1，且車輛的參數(shù)變化范圍滿足EN 14363 附錄U 的要求，則可以免除線路試驗。如果車輛不滿足上述條件，則應根據(jù)車輛實際情況來進行部分線路試驗或完整的線路試驗，以證明其動態(tài)特性滿足標準要求。

3 EN 16235 標準

EN 16235 標準是一個關鍵性的標準，它規(guī)定了貨車免除線路試驗的條件。貨車TSI 規(guī)定，符合EN 16235 標準的貨車可以免除運行動態(tài)特性的評估（試驗和模擬分析），EN 14363 標準規(guī)定，符合EN 16235 標準的貨車可以免除線路試驗。

根據(jù)EN 16235 標準的規(guī)定，貨車免除線路試驗可以分以下3 種情況：

（1）車輛使用既有的走行裝置，且車體參數(shù)在允許變化范圍之內(nèi)。

（2）車輛使用標準類型的走行裝置，且車體參數(shù)在允許變化范圍之內(nèi)。

（3）車輛使用了以標準類型走行裝置為基礎而設計的走行裝置，走行裝置的變化在允許的范圍之內(nèi)，且車體參數(shù)在允許變化范圍之內(nèi)。

其中，既有的走行裝置是先前經(jīng)過UIC 認證的走行裝置，例如Niesky 2、Y25 系列轉向架等；標準類型的走行裝置則是根據(jù)EN 14363 的線路試驗方法，裝配2 種不同類型的車體進行了線路試驗，且試驗結果滿足標準要求的走行裝置。EN 16235給出了將走行裝置標準化的具體方法，如果將要認證的走行裝置是新設計的且具有廣闊的市場前景，那么可以考慮將該走行裝置標準化。

貨車動態(tài)特性的評估流程如圖1 所示［4］。

圖1 貨車動態(tài)特性評估流程

4 EN 15839 標準

EN 15839 標準規(guī)定了在能夠產(chǎn)生較高縱向力的列車編組中運行的車輛應遵循的驗收程序，這些車輛的設計易受縱向力的影響而導致脫軌，它包括了驗收標準、試驗條件以及試驗免除條件。

EN 15839 標準引用EN 14363 標準，對車輛在扭曲線路上的抗脫軌安全性試驗的免除條件也做了規(guī)定，這與文中2.1 節(jié)的內(nèi)容是一致的。

關于在縱向力作用下的車輛安全性試驗，EN 15839 標準給出了詳細的試驗方法，同時給出了免除試驗的2 條路徑。

（1）對 于 具 有 在EN 15839 標 準 第7.2.2、7.2.3、7.2.4 節(jié)中定義的特定參數(shù)的貨車，可以免除試驗。

（2）參考經(jīng)過試驗驗證的類似車輛，被評估車與參考車輛的關鍵參數(shù)（標準第7.2.2、7.2.3、7.2.4 節(jié)中定義的特定參數(shù)）相同，可以免除試驗。

5 結束語

出口歐洲鐵路貨車運行安全性的驗證可以通過試驗、模擬分析、參數(shù)對比等多種途徑實現(xiàn)，從貨車TSI 出發(fā)，車輛在扭曲軌道上的抗脫軌安全性評估依據(jù)EN 14363 標準進行，車輛在S 形曲線上受縱向力作用的安全性評估依據(jù)EN 15839 標準進行，車輛運行的動態(tài)特性依據(jù)EN 14363 和EN 16235 標準進行，每個標準有多種解決方案可選。通過上述分析，我們可以得到以下幾點：

（1）對于貨車裝備生產(chǎn)者來說，出口歐洲鐵路貨車在設計之初就應當考慮盡可能符合免除安全性試驗的標準要求，這對于節(jié)省項目成本，縮短項目周期具有非常積極的作用。

（2）免除安全性試驗的方法有多種，生產(chǎn)者可以根據(jù)自身情況選擇最合適有效的方法。

（3）從我國鐵路貨車行業(yè)發(fā)展角度來看，可借鑒歐洲相關經(jīng)驗，制定我國鐵路貨車免除安全性試驗的標準體系，對降低企業(yè)研發(fā)負擔，釋放研發(fā)活力會有促進作用。