王 可,丁福焰,2,王立超,王立寧,高立群,2

(1.北京縱橫機電科技有限公司,北京 100094； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所,北京 100081)

機車車輛限界標準的形成大多與本國鐵路的運營和發(fā)展歷史情況有關(guān)，結(jié)合各國的運輸需求、運輸模式及技術(shù)裝備特點，制定相應的限界標準。根據(jù)20世紀30年代東北亞地區(qū)(中國東北與朝鮮)鐵路聯(lián)運的規(guī)定，結(jié)合中國鐵路實際發(fā)展要求，1950年我國發(fā)布了第一版《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》，在該規(guī)程附錄中，第一次給出了國內(nèi)統(tǒng)一的鐵路機車車輛限界和建筑限界。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和國際聯(lián)運的需要，1959年正式頒布了GB 146—59《標準軌距鐵路機車車輛限界和建筑接近限界》，其中機車車輛限界的要求仍沿用了1950年技規(guī)的圖樣[1]。自1973年開始，由鐵道部標準計量研究所牽頭進行機車車輛限界的研究與修訂，分析了當時國內(nèi)限界存在的問題，調(diào)研了國外發(fā)達國家限界資料。1983年由國家標準局正式批準實施為GB 146.1—83《標準軌距鐵路機車車輛限界》，且此后很長一段時間我國干線鐵路機車車輛限界按該標準相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。1995年，我國鐵路既有線路開始提速，為適應高速鐵路的發(fā)展，以GB 146.1—83為基礎(chǔ)，相繼制定了95J01—N《高速鐵路機車車輛限界技術(shù)條件》和科技裝函[2003]62號《高速鐵路機車車輛限界暫行規(guī)定》等行業(yè)規(guī)定[2]。直至2020年對限界國標進行了再次修訂，現(xiàn)行版本為GB 146.1—2020《標準軌距鐵路限界 第1部分：機車車輛限界》，適用于1435 mm標準軌距鐵路機車車輛[3]。

由于我國列車制動方式一直以傳統(tǒng)的摩擦制動、再生制動等黏著制動為主，相應的機車車輛限界標準也是以既有制動裝置的結(jié)構(gòu)及應用工況特點為限界制定的要素之一，未考慮非黏著制動技術(shù)的發(fā)展需求。磁軌制動、線性渦流制動是列車非黏著制動技術(shù)的重要發(fā)展方向，能夠在傳統(tǒng)黏著制動技術(shù)基礎(chǔ)上進一步有效縮短制動距離，多年來一直是國內(nèi)外研究及應用熱點[4-5]，如無特殊說明，所述非黏著制動均指磁軌制動及線性渦流制動。

自20世紀70年代起，磁軌制動已在德國、法國、瑞士等歐洲國家的快速客車和動車組上得到廣泛應用，并形成了專門的設(shè)計和應用標準，如UIC 541—06及EN 16207[6-7]。線性渦流制動技術(shù)的工程應用研究始于20世紀60年代，法、德、日等國在高速列車研發(fā)項目中都加入了線性渦流制動的內(nèi)容，但該項技術(shù)復雜，經(jīng)近30年的持續(xù)努力，解決了大量的工程應用問題，才于本世紀初在德國ICE3列車上實現(xiàn)了世界首次的商業(yè)化應用[8]。目前，尚未形成單獨的線性渦流制動標準，但在EN 16185—1及EN 14531—1等標準中對線性渦流制動的計算方法、應用工況進行了簡單描述，且其設(shè)計限界指向了EN 15273—1[9-10]。

國內(nèi)非黏著制動技術(shù)的研究起步較晚，于20世紀90年代陸續(xù)展開了磁軌制動及渦流制動技術(shù)的研究[11-12]。目前在一些城市有軌電車及個別城軌列車上已采用了磁軌制動裝置，但在動車組及干線鐵路列車上尚未實現(xiàn)工程化。線性渦流制動技術(shù)可為更高速度動車組制動提供解決方案，近年來相關(guān)科研單位、高校和企業(yè)開展了工程化研究，鐵科院已完成了樣機研制及國內(nèi)首次實物裝車。我國列車的非黏著制動技術(shù)，具有良好的應用前景及市場需求，但總體上還處于研發(fā)起步階段，尚未實現(xiàn)成熟的工程化應用，更未建立相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計標準。

隨著國內(nèi)高速鐵路和城軌交通的發(fā)展，非黏著制動技術(shù)已開始工程化研發(fā)或小范圍應用，現(xiàn)行標準無明確規(guī)定，制約機車車輛的升級換代和新設(shè)備的應用。為適應我國軌道交通裝備的發(fā)展和新技術(shù)的應用，對目前國內(nèi)外現(xiàn)行的機車車輛限界標準涉及非黏著制動相關(guān)問題進行了系統(tǒng)的對比分析，通過對比國內(nèi)外標準的差異，探討我國現(xiàn)行機車車輛限界標準需補充或改進的內(nèi)容，為機車車輛非黏著制動技術(shù)的研發(fā)和應用提供依據(jù)。

1 我國機車車輛限界標準

我國現(xiàn)行機車車輛限界標準或規(guī)定主要為GB 146.1—2020、科技裝函[2003]62號和CJJ 96—2018等，為干線鐵路及城市軌道交通機車車輛明確了限界設(shè)計規(guī)則。非黏著制動裝置作為機車車輛基礎(chǔ)制動裝置之一，安裝在轉(zhuǎn)向架上，同樣應遵循鐵路機車車輛限界標準要求，尤其是下部限界。

根據(jù)線路建筑限界種類不同，GB 146.1—2020中機車車輛下部限界要求也略有不同，主要是車體寬度和站臺高度部分尺寸需隨之改變，對于近軌道區(qū)域的垂向及橫向限界要求均相同，故此處僅選用其中一類車輛限界進行說明，即客運專線鐵路，如圖1所示[3]。對于運行速度≤160 km/h的機車車輛，a為70 mm，b為90 mm；運行速度>160 km/h的機車車輛，a為80 mm，b為110 mm。從圖1中可知，我國機車車輛下部限界并未規(guī)定非黏著制動裝置的使用區(qū)域要求，除車輪外，圖中標記的近軌道區(qū)域最低允許范圍是機車閘瓦、撒沙管、噴油嘴的最低輪廓，該處垂向最低高度尺寸為25 mm。

圖1 建限-4客運專線鐵路機車車輛下部限界(單位：mm)

隨著95J01—N《高速鐵路機車車輛限界技術(shù)條件》研究成果及高速線路試驗經(jīng)驗的技術(shù)積累，結(jié)合GB 146.1相關(guān)規(guī)定，制定了科技裝函[2003]62號《高速鐵路機車車輛限界暫行規(guī)定》，適用于國內(nèi)運行在1435 mm標準軌距高速鐵路上的各種機車車輛[2]。高速鐵路機車車輛限界暫行規(guī)定中車輛下部限界與GB 146.1—2020建限-4客運專線鐵路的機車車輛下部限界要求相同，但該規(guī)定增加了動態(tài)包絡(luò)線的計算方法。

CJJ/T 96—2018是我國現(xiàn)行的地鐵限界標準，適用于運行在隧道內(nèi)外，不超過120 km/h速度等級的城市鋼輪鋼軌系統(tǒng)標準軌距系列地鐵A1、A2型及B1、B2型車輛軌道交通系統(tǒng)的限界設(shè)計、施工[13]。不同于干線鐵路車輛限界GB 146.1，我國早期地鐵車輛大部分依靠進口，因此，早期存在不同國家制式的標準。建設(shè)部為改變我國地鐵限界無統(tǒng)一標準的狀況，參考德國城市軌道限界暫行規(guī)范(BOSTRAB)并結(jié)合我國的實際情況[14]，于2003年11月發(fā)布了行業(yè)標準CJJ/T 96—2003《地鐵限界標準》，改變了國內(nèi)地鐵限界的混亂狀態(tài)，近年來又再次修訂為CJJ/T 96—2018版本。地鐵限界標準中規(guī)定的車下吊掛物垂向最低高度位置尺寸與GB 146.1相同，即不小于25 mm。

2 國外機車車輛限界標準

國外與軌道交通機車車輛相關(guān)的代表性標準主要有國際鐵路聯(lián)盟(UIC)及歐洲標準化委員會制定的系列標準UIC 505-X、EN 15273-X，還有美國的AAR機務標準手冊，日本的普通鐵路結(jié)構(gòu)規(guī)則(窄軌)和新干線鐵路結(jié)構(gòu)規(guī)則(標準軌)[1]。由于非黏著制動技術(shù)起源于歐洲，且我國相關(guān)技術(shù)研究主要參考了歐洲的相應標準要求，因此，本文重點探討我國與歐洲機車車輛限界標準的差異以及非黏著制動裝置的應用問題。

20世紀50年代，德國和法國等西歐各國為便于制造的機車車輛能在UIC成員國之內(nèi)運行，制定了統(tǒng)一的鐵路限界要求，包括車輛限界和建筑限界等，形成系列標準UIC 505-X。涉及機車車輛限界標準的現(xiàn)行版本主要包括UIC 505—1：2006、UIC 505—5：1977和UIC 505—6：2006[15-17]。其中，UIC 505-1：2006詳細規(guī)定了歐洲鐵路聯(lián)運各種車輛動態(tài)限界的要求，并描述了如何通過參考輪廓得到車輛限界的計算方法?？紤]UIC成員國不同鐵路線路的特點，在UIC 505—1:2006第5.2節(jié)中，詳細規(guī)定了不能夠通過車輛減速器和其他調(diào)車、停車裝置的低于130 mm車輛部件部分的基準輪廓限界，如圖2所示[15]，其區(qū)域“a”、“b”、“d”分別規(guī)定了遠離車輪、緊鄰車輪及與鋼軌接觸的部件空間，為非黏著制動裝置的應用提供了空間占用的設(shè)計準則。

由UIC 505—1：2006可知，對于非黏著制動裝置的橫向?qū)挾仍O(shè)計限界應綜合考慮圖2中區(qū)域“a”、“b”、“d”相關(guān)要求和裝置自身的橫向活動空間要求。另外，從互聯(lián)互通角度出發(fā)，如部分線路區(qū)段禁止使用非黏著制動裝置，其緩解位置設(shè)計高度應考慮在車輪磨耗的極限工況時，仍能遵守區(qū)域“b”的空間要求。同時，各橫向限界與高度限界尺寸是一一對應的，需綜合橫、縱、垂3個方向的標準要求及部件結(jié)構(gòu)特點進行設(shè)計計算。

注：a為遠離車輪的部件空間；b為緊鄰車輪的部件空間；c為接觸刷的空間；d為車輪及其他與鋼軌接觸的部件空間；e為只允許被車輪占用的空間。(1)位于端部輪對外側(cè)的部件(排障器、撒沙器等)的限界，不允許侵入響墩。但位于車輪之間的部件無需遵守此規(guī)則，只要保證這些部件在車輪輪距內(nèi)。(2)有護輪軌時輪緣最大虛擬寬度。(3)車輪外斷面以及與車輪相關(guān)部件的有效限界位置。(4)無論車輛在曲線半徑250 mm(安裝接觸刷的最小半徑)和軌距1465 mm線路的任何位置上，除接觸刷以外，該處車輛上任何部件距離軌面的高度不得低于100 mm，且與軌距中心線的橫向距離不得超過125 mm。對于轉(zhuǎn)向架內(nèi)部部件，該尺寸為150 mm。(5)輪緣與鋼軌貼合時，車輪內(nèi)側(cè)表面的有效限界位置，該尺寸與線路軌距寬度相關(guān)。圖2 不能夠通過減速器和其他調(diào)車、停車裝置的低于130 mm車輛部件部分的基準輪廓線(單位：mm)

隨著歐洲鐵路發(fā)展，列車速度不斷提高、車輛種類日益增多以及車輛部件性能持續(xù)升級，需建立更全面的限界計算方法應對不同的需求。歐洲標準化委員于2009年制定了第一版限界標準EN 15273—X：2009，得到了更加廣泛的運用。EN 15273—X：2013是歐洲現(xiàn)行的鐵路限界標準系列，替代之前實行的EN 15273—X：2009版，包括EN 15273—1：2013、EN 15273—2：2013和EN 15273—3：2013三個部分[18]。

由于歐洲國家數(shù)量眾多，各國因歷史及地理原因發(fā)展出許多不同的限界尺寸，EN 15273—1給出了多達幾十種機車車輛限界尺寸，且規(guī)定了不同的限界計算方法[19]。根據(jù)限界計算原則、種類、適用范圍不同，主要分為3種，即靜態(tài)限界、動態(tài)限界和動力學限界。靜態(tài)限界的基本輪廓線不包含車輛懸掛系統(tǒng)的位置，僅限于懸掛撓度系數(shù)有限的車輛，適用于特定的不互聯(lián)互通系統(tǒng)。動態(tài)限界的基本輪廓線中考慮了車輛懸掛系統(tǒng)的位移余量，但該項參數(shù)一般由經(jīng)驗值確定，可保證所有種類車輛的互聯(lián)互通，運用較廣。動力學限界的基本輪廓線中包含了車輛懸掛系統(tǒng)所有可能的位移，且位移參數(shù)是動態(tài)計算的，一般可用于優(yōu)化特定的路網(wǎng)和車輛。

因此，對于歐洲互聯(lián)互通的車輛，一般多使用動態(tài)限界進行設(shè)計計算。其中，涉及非黏著制動的車輛下部限界要求在EN 15273—1：2013附錄C中圖C.4進行了詳細規(guī)定[18]，不難發(fā)現(xiàn)其相關(guān)規(guī)定與UIC 505—1:2006的車輛下部限界要求完全相同，在此不做贅述。

3 標準差異及非黏著制動裝置應用分析

3.1 國內(nèi)外機車車輛限界標準差異分析

UIC 505—X是歐洲第一套完整的鐵路限界系列標準體系，隨著鐵路行業(yè)及計算方法的發(fā)展，衍生出其他更加完善或細化的標準體系，如EN 15273—X系列及德國BOSTRAB等。我國鐵路限界有其特殊的歷史背景，結(jié)合高速鐵路及地鐵的發(fā)展，也在不斷吸收國外相關(guān)標準體系的優(yōu)點，持續(xù)進行標準修訂及細化工作。

在機車車輛限界計算方法方面，國際鐵路限界依據(jù)機車車輛靜止時的凈空或機車車輛運動時的凈空條件劃分為靜態(tài)限界和動態(tài)限界。歐洲各國采用的一般是車輛動態(tài)限界，我國和日本、美國、前蘇聯(lián)使用的一般都是靜態(tài)限界標準[1]。因此，我國GB 146.1是按靜態(tài)限界要求進行設(shè)計計算，且國內(nèi)線路種類相對統(tǒng)一，簡化了限界計算及檢驗驗收工作，但相對計算余量較大。但為適應我國高速鐵路的發(fā)展，科技裝函[2003]62號在GB146.1及相關(guān)線路試驗研究的基礎(chǔ)上，也提出了高速鐵路機車車輛動態(tài)包絡(luò)線的計算方法，利于更有效利用限界空間。歐洲EN 15273—1針對不同線路及應用需求，包含了不同形式的限界計算方法，但對于互聯(lián)互通車輛要求采用動態(tài)限界進行設(shè)計計算。

在近軌道區(qū)域限界要求方面，除車輪占用區(qū)域外，國內(nèi)相關(guān)限界標準規(guī)定的距軌面垂向最低高度均要求≥25 mm，低于該尺寸以下的區(qū)域未作規(guī)定。歐洲UIC 505—1及EN 15273—1對于軌道附近及軌面接觸區(qū)域均進行了詳細規(guī)定，且特別規(guī)定了位于車輪之間的部件不受端部輪對外側(cè)部件(如撒沙器)的垂向安裝空間尺寸限制，即允許輪對之間的部件與軌面垂向空間尺寸小于30 mm，如圖2中尺寸1所示。

3.2 非黏著制動裝置的結(jié)構(gòu)特點及應用分析

由于歐洲各國非黏著制動技術(shù)已得到廣泛應用，為規(guī)范相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計制造，國際鐵路聯(lián)盟及歐洲標準化委員會均制定了相應的產(chǎn)品和應用標準，即UIC 541—06:2013、EN 16207：2014，且結(jié)構(gòu)特性設(shè)計條款中明確要求其占用空間需滿足UIC 505—1或EN 15273—1的相關(guān)規(guī)定。

干線鐵路用磁軌制動裝置與線性渦流制動裝置的整體結(jié)構(gòu)相似，整體通過2根橫向拉桿與2組電磁鐵固定成H形框架結(jié)構(gòu)，磁鐵位于轉(zhuǎn)向架兩側(cè)、鋼軌上方、輪對之間，且磁鐵與鋼軌橫向截面需保持基本對中，裝置通過相應的氣動懸掛機構(gòu)吊裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，如圖3所示[6]。通過懸掛單元充排風控制，磁軌或線性渦流制動緩解時，磁鐵處于懸掛高位，其底部一般與軌面相距約100 mm；磁軌或線性渦流制動施加時，磁鐵處于懸掛低位，其底部與軌面直接接觸或相距僅5～10 mm。

非黏著制動應用的基礎(chǔ)是產(chǎn)品外形尺寸設(shè)計必須滿足相應的機車車輛限界標準要求，從上述結(jié)構(gòu)特點及工作特性可以看出，應重點校核磁鐵的垂向及橫向尺寸占用空間，尤其是磁鐵與軌面接觸或近軌道區(qū)域的橫向空間要求。

圖3 磁軌制動裝置安裝結(jié)構(gòu)示意

目前，我國尚未制定非黏著制動裝置的相關(guān)設(shè)計標準，國內(nèi)軌道制動技術(shù)研究多以參考歐洲標準要求為主。因此，為使非黏著制動裝置在國內(nèi)實現(xiàn)進一步應用，必須校核其外形尺寸是否滿足我國機車車輛限界標準要求，主要涉及橫向、垂向空間尺寸要求。根據(jù)國外非黏著制動裝置成熟運用的行業(yè)技術(shù)要求可知，制動磁鐵一般與鋼軌橫向?qū)χ校掖盆F橫向?qū)挾瘸叽鐟怀^140 mm；同時，制動施加時，磁鐵底部與鋼軌直接接觸或垂向距離不超過10 mm。

以TB/T 2344中60 kg/m鋼軌為例[20]，鋼軌中心距離標準軌距中心線尺寸為754 mm。假定以鋼軌中心為零點，鋼軌內(nèi)側(cè)為負、外側(cè)為正，以GB 146.1車輛下部限界要求為基礎(chǔ)，如圖4所示，則可計算得出允許非黏著制動磁鐵的設(shè)計寬度區(qū)域為-79～+77.5 mm，即國外標準規(guī)定的非黏著制動磁鐵寬度尺寸同樣適用于我國機車車輛下部橫向限界要求。但對于車輛下部垂向空間小于25 mm的區(qū)域，國內(nèi)相關(guān)標準未作規(guī)定。近年來國內(nèi)對于非黏著制動技術(shù)研究應用的需求日益增加，如低地板車磁軌制動應用及高速列車線性渦流制動技術(shù)研究等，亟需我國相關(guān)限界標準考慮非黏著制動裝置線路應用的工況，及時給出頂層設(shè)計要求，利于促進鐵路制動新技術(shù)良性發(fā)展。

圖4 標準軌距60 kg/m鋼軌線路的非黏著制動磁鐵橫向設(shè)計限界(單位：mm)

4 結(jié)論及建議

(1)UIC 505—1：2006及EN 15273—1：2013是歐洲現(xiàn)行的機車車輛限界標準，針對不同線路及互聯(lián)互通需求作出了詳細的規(guī)定，尤其下部限界考慮了非黏著制動應用的限界情況，是目前國內(nèi)外非黏著制動裝置外形尺寸設(shè)計的重要依據(jù)。

(2)我國機車車輛限界的計算方法一般采用靜態(tài)限界，歐洲各國多采用動態(tài)限界；另外，對于近軌道區(qū)域限界，歐洲限界標準區(qū)分了端部輪對外側(cè)與輪軌之間的部件空間要求，并規(guī)定了與軌面接觸的部件空間，我國限界標準對于距離軌面高度25 mm以下區(qū)域均未作規(guī)定。

(3)目前參照國外標準設(shè)計的非黏著制動裝置磁鐵橫向外形尺寸能夠滿足我國GB 146.1及科技裝函[2003]62號等相關(guān)限界標準要求，但其應用時距離軌面的垂向空間侵入了我國限界標準未作規(guī)定的區(qū)域，該區(qū)域約束不明確，直接制約了非黏著制動裝置的應用。

(4)非黏著制動裝置在我國仍處于研究和開發(fā)階段，尚未實際應用，因此我國現(xiàn)行機車車輛限界標準對此類產(chǎn)品缺少相關(guān)限界規(guī)定，且行業(yè)內(nèi)未引起廣泛關(guān)注。為滿足我國非黏著制動技術(shù)進一步工程化應用研究的迫切需求，建議結(jié)合歐洲現(xiàn)行的EN 15273—1：2013標準要求及非黏著制動技術(shù)應用的特點，及時對國內(nèi)相關(guān)限界標準進行修訂和完善，為我國列車制動新技術(shù)的發(fā)展提供更加有利的空間。